tài liệu về động cơ bước

ĐỀ CƯƠNG 1. Khái niệm về động cơ bước 2. Phân loại động cơ bước Giới thiệu 2.1. Động cơ bước từ trở biến thiên 2.2. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2.3. Động cơ bước lai 2.4. Động cơ bước đơn cực 2.5. Động cơ bước lưỡng cực 3. Pha của động cơ bước 4. Các đặc tính của động cơ bước 5. Điều khiển động cơ bước 6. Nhận dạng động cơ bước 7. So sánh động cơ bước với động cơ DC và động cơ servo 8. Lập trình điều khiển động cơ bước 1. Khái niệm về động cơ bước Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành những chuyển động cơ học rời rạc. Trục của động cơ bước quay những bước tăng rời rạc khi các xung điện điều khiển được áp đến nó theo một trình tự hợp lí. Sự quay của các động cơ liên hệ trực tiếp với các xung được áp vào. Trình tự của các xung áp vào quan hệ trực tiếp với hướng quay của trục động cơ. Tốc độ quay của trục động cơ quan hệ trực tiếp với tần số các xung vào và chiều dài vòng quay thì liên hệ trực tiếp với số lượng các xung được áp vào. Hình: Một số mẫu động cơ bước trong thực tế. Ứng dụng đầu tiên của động cơ bước là vào năm 1935. Các mô hình động cơ bước trước đây có hiệu suất kém và không hiệu quả lắm. Các động cơ bước ngày nay đã được cải tiến rất nhiều và có thể được tìm thấy trong các thiết bị ngoại vi máy tính, các robot, các máy ghi biểu đồ, các máy vẽ x-y, các máy bơm, các đồng hồ, các bàn vẽ, các van, các máy công cụ, các thiết bị y khoa, các thiết bị ôtô, các máy bán hàng nhỏ, và các máy quét, … Hình ?: Cơ chế lái tờ giấy sử dụng động cơ bước được ứng dụng trong máy in. 2. Phân loại động cơ bước Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộn dây trên stator. Động cơ bước Bộ lái Dây ra từ động cơ Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước được chia thành 3 loại: - Động cơ bước từ trở biến thiên. - Động cơ bước nam châm vĩnh cửu, và - Động cơ bước lai. Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại: - Động cơ bước đơn cực. - Động cơ bước lưỡng cực. Hình ?: Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước. Ngoài ra, các loại này còn rơi vào một trong hai phương pháp cấu tạo. Trong phương pháp thứ nhất, Hình 1.3a, rotor có các răng bình thường. Stator có các răng tương tự để giữ các cuộn dây. Trong phương pháp thứ hai, Hình 1.3b, mặt răng của rotor và stator có nhiều răng nhỏ hơn. Ưu điểm của các răng nhỏ này là tạo ra các góc bước nhỏ hơn. 2.1. Động cơ bước từ trở biến thiên Các động cơ bước từ trở biến thiên có rotor bằng thép mềm, rotor quay khi các răng trên rotor bị hút bởi các răng điện từ trên stator. Hoạt động này tương tự như hoạt động của cuộn solenoid. Các rotor bằng thép có quán tính nhỏ hơn các loại khác. Điều này cho phép nó đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên, vì rotor không có từ tính nên không có lực từ dư khi động cơ không còn được cấp điện và rotor có thể quay tự do. Thông thường, các góc bước của các động cơ bước từ trở biến thiên là 7,5 o hoặc 15 o . Hình : Động cơ bước từ trở. 2.2. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu chứa rotor nam châm vĩnh cửu có mô men duy trì khi động cơ không còn được cấp điện. Mỗi răng nam châm vĩnh cửu được định hướng theo trục với các cực nam và bắc thay đổi. Hình : Động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Một số động cơ bước có các nam châm được chèn vào stator để cải thiện trường điện từ và cung cấp mô men cao hơn. Các nam châm được làm bằng hợp kim (gồm nhôm, nickel, và cobalt) hoặc các chất thuộc đất hiếm (samarium-cobalt). Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu đòi hỏi công suất vận hành nhỏ hơn các loại khác. Chúng cũng có đặc tính chống rung đáp ứng tốt hơn. Các góc bước có thể được tìm thấy trên toàn phạm vi các góc chuẩn, bao gồm 1,8 o ; 7,5 o , 30 o ; 45 o ; và 90 o . 2.3. Động cơ bước lai Các động cơ bước lai kết hợp các đặc điểm rotor của động cơ bước từ trở biến thiên và động cơ nam châm vĩnh cửu. Một nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn được bọc xung quanh trục động cơ. Nó khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu ở chổ có một đầu rotor là cực bắc còn đầu rotor đối diện là cực nam. Răng rotor được cắt thành hai chén lõi thép được gắn chặt trên mỗi đầu. Động cơ bước lai chỉ sử dụng phương pháp cấu tạo thứ hai. Các động cơ bước lai có nhiều răng hơn và có mô men lớn hơn. Các góc bước tiêu biểu là 0,9 o và 1,8 o . Hình : Động cơ bước lai Ngày nay, các động cơ bước được sử dụng rộng rãi là động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước lai, với góc bước 1,8 o . Độ chính xác của hầu hết các động cơ bước là 3% góc bước (bất chấp số bước trên vòng); thế thì, độ chính xác được cải thiện nhờ vào các góc bước nhỏ hơn. Bảng 1.1: Các góc bước tiêu biểu của các loại động cơ bước Loại động cơ bước Góc bước tiêu biểu Từ trở biến thiên 7,5 o ; 15 o Nam châm vĩnh cửu 1,8 o ; 7,5 o ; 15 o ; 30 o ; 45 o ; 90 o Lai 0,9 o ; 1,8 o 2.4. Động cơ bước lưỡng cực Mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất. Bằng cách đảo dòng điện trong các cuộn dây, cực tính điện từ cũng bị đảo. a) Sơ đồ quấn dây lưỡng cực. b) Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý. 2.5. Động cơ bước đơn cực Một kiểu quấn dây phổ biến khác là quấn dây đơn cực. Nó bao gồm hai cuộn dây trên một cực được kết nối sao cho khi một cuộn dây được cấp năng lượng thì cực bắc nam châm được tạo ra, khi cuộn dây còn lại được cấp năng lượng thì cực nam được tạo ra. Cách quấn dây kiểu này được gọi là đơn cực bởi vì cực tính điện, tức là dòng điện, từ mạch lái đến các cuộn dây không bao giờ bị đảo chiều. Thiết kế này cho phép làm đơn giản mạch điện tử lái. Tuy nhiên, mô men sinh ra bị giảm khoảng 30% so với quấn dây kiểu lưỡng cực. a) Sơ đồ quấn dây đơn cực. b) Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý. Một số động cơ bước được quấn hai cuộn dây tách biệt trên một pha, chẳng hạn loại ra 8 dây. Người dùng có thể tùy chọn cách nối lưỡng cực hay đơn cực cho động cơ này. Chúng được gọi là các động cơ bước đa năng. Hình ?: Ký hiệu động cơ bước đa năng trên sơ đồ nguyên lý. 3. Pha của động cơ bước Pha động cơ bước liên quan đến số lượng các cuộn dây độc lập trên stator. Nói chung, số răng trên stator và rotor được liên hệ bởi N S = N R ± P trong đó N S = số răng stator N R = số răng rotor P = số răng stator trên pha Góc bước θ o tính theo độ trên bước được cho bởi: N 360 0 = θ trong đó N là số bước trên vòng: SR SR NN NN N − = Một động cơ bước thường được phân loại theo số dây nối đưa ra từ vỏ động cơ, điều này không liên quan đế số pha. 4. Các đặc tính của động cơ bước 5. Điều khiển động cơ bước 5.1. Lái động cơ bước Mạch lái động cơ bước có hai nhiệm vụ chính: - Thay đổi dòng điện và hướng từ thông trong các cuộn dây pha. - Lái cường độ dòng điện có thể điều khiển được chạy qua các cuộn dây nhằm đạt được tốc độ cao nhất có thể. Điều khiển hướng từ thông Điều khiển bước các động cơ bước đòi hỏi sự thay đổi hướng của từ thông, độc lập trong mỗi cuộn dây. Sự thay đổi hướng được thực hiện bằng cách thay đổi hướng dòng điện, và có thể được thực hiện bằng một trong hai cách: - Lái lưỡng cực - Lái đơn cực Lái lưỡng cực Hình ? trình bày cơ chế lái động cơ bước lưỡng cực. Trên hình chỉ vẽ ra cho một pha, pha còn lại thì tương tự. Hình ?: Cơ chế lái lưỡng cực điều khiển dòng điện và hướng từ thông trong cuộn dây. Lái lưỡng cực đề cập đến nguyên lý mà ở đó hướng dòng điện trong một cuộn dây bị thay đổi bằng cách dịch chuyển cực tính điện áp ngang qua các đầu cuộn dây. Để thay đổi cực tính, một nhóm bốn công tắc được cần đến, hình thành một cầu H. Phương pháp lái lưỡng cực đòi hỏi một cuộn dây trên một pha. Một động cơ hai pha sẽ có hai cuộn dây và tương ứng bốn dây ra kết nối. Lái đơn cực Nguyên lý lái đơn cực đòi hỏi một cuộn dây có đầu ra điểm giữa hoặc hai cuộn dây riêng biệt trên pha. Hướng từ thông được thay đổi bằng cách di chuyển dòng điện từ một nửa cuộn dây sang một nửa còn lại. Phương pháp này chỉ đòi hỏi hai chuyển mạch trên một pha. Hay nói cách khác, lái lưỡng cực chỉ sử dụng một nửa lượng dây đồng đang có của cuộn dây. Công suất tiêu hao do đó gấp đôi công suất của lái lưỡng cực với cùng công suất ra. Hình ?: Cơ chế lái đơn cực điều khiển dòng điện và hướng từ thông trong cuộn dây. 5.2. Trình tự điều khiển 6. Những ưu điểm và nhược điểm của động cơ bước Các ưu điểm: 1. Góc quay của động cơ tỉ lệ với xung vào. 2. Động cơ có mô men toàn phần khi dừng lại (nếu các cuộn dây được cấp năng lượng). 3. Định vị chính xác và có khả năng lặp lại sự chuyển động vì các động cơ bước có độ chính xác 3%-5% bước và sai số này không tích lũy từ bước này sang bước kế tiếp. 4. Đáp ứng khởi động/dừng/đảo chiều tuyệt vời. 5. Rất tin cậy vì không có các chổi than tiếp xúc trong động cơ. 6. Đáp ứng của các động cơ đối với các xung số đưa vào cung cấp sự điều khiển vòng hở, làm đơn giản sự điều khiển và giảm giá thành. 7. Có khả năng đạt được sự quay đồng bộ ở tốc độ thấp với tải được ghép trực tiếp với trục động cơ. 8. Một phạm vi rộng các tốc độ quay có thể được thực hiện khi tốc độ tỉ lệ với tần số của các xung vào. Các nhược điểm: 1. Sự cộng hưởng xảy ra nếu không được điều khiển hợp lí. 2. Không dễ dàng hoạt động ở những tốc độ cực cao. 7. So sánh động cơ bước với các loại động cơ khác So sánh động cơ bước với động cơ DC Khi so sánh động cơ bước với động cơ DC, có một số ưu điểm và nhược điểm liên quan đến việc sử dụng chúng trong thiết kế: 1. Các động cơ bước thuộc loại vòng hở. Chúng quay một góc cố định đối với mỗi xung vào. Hầu hết các động cơ DC được điều khiển bằng vòng kín. Chúng đòi hỏi các cảm biến góc quay để cảm biến vị trí trục và cảm biến tốc độ để cảm biến vận tốc. Điều này làm tăng số lượng thiết bị và giá thành. 2. Các động cơ bước dễ dàng được điều khiển bởi các bộ vi xử lí. Tuy nhiên, logic điều khiển và mạch lái thì phức tạp hơn. 3. Các động cơ bước không dùng chổi than. Các chổi than gây ra nhiều vấn đề. Chúng bị hao mòn và phải được thay thế. Chổi than phát sinh tia lửa có thể gây nguy hiểm cho các môi trường dễ cháy và dễ nổ. Các chổi than có thể gây ra các xung điện có thể dẫn đến các gai điện trong các thiết bị điện tử. 4. Các động cơ DC có độ lệch liên tục và có thể được định vị chính xác. Sự chuyển động của động cơ bước gia tăng không liên tục và độ phân giải của nó bị giới hạn bởi kích cỡ bước. 5. Các động cơ bước có thể bị trượt bước nếu quá tải và sai số có thể dẫn đến không phát hiện được. Vì lí do này mà một ít động cơ bước sử dụng điều khiển vòng kín. 6. Điều khiển hồi tiếp dùng các động cơ DC cho thời gian đáp ứng nhanh hơn nhiều khi được so sánh với các động cơ bước. So sánh động cơ bước với động cơ servo Các động cơ bước là các động cơ ‘bước’ một góc mỗi khi mạch điều khiển cấp một xung. Chúng không đòi hỏi sự hồi tiếp vị trí nếu chạy bên trong những giới hạn của chúng. Khi dừng lại, chúng vẫn giữ nguyên vị trí. Các động cơ servo thuộc loại động cơ DC chuẩn hoặc không chổi than có vòng hồi tiếp sử dụng cảm biến góc (encoder). Mạch điều khiển đọc vị trí của động cơ và điều khiển nguồn cấp cho động cơ. Các động cơ bước cũng có độ chính xác như các động cơ servo và đơn giản hơn, tin cậy hơn và bảo dưỡng thoải mái trong các ứng dụng ở môi trường bụi bặm. Các cảm biến góc quay của động cơ servo dễ bị ảnh hưởng do dơ bẩn và sự dao động gây ra nhiều vấn đề rắc rối. Động cơ servo di chuyển điểm-điểm nhanh hơn và tốt hơn khi gia tốc cho các máy móc nặng tải, nhưng cần được bảo dưỡng nhiều hơn. Hệ thống động cơ bước có thể nhanh hoặc nhanh hơn nhiều hệ thống servo nhờ vào thuật toán điều khiển bằng phần mềm. Bảng ?: So sánh giữa động cơ bước và động cơ Servo Các đặc tính chuyển động Động cơ Servo Động cơ bước Mô men cao, tốc độ thấp Có thể được xem xét nếu giá thành/tính phức tạp không phải là một vấn đề. Các ứng dụng có chu kỳ công tác liên tục đòi hỏi mô men cao và tốc độ thấp. Mô men cao và tốc độ cao (> 2000 rpm) Các ứng dụng có chu kỳ công tác liên tục đòi hỏi mô men cao và tốc độ cao. Một động cơ servo DC có thể tạo ra công suất trục liên tục lớn hơn ở các tốc độ cao khi được so sánh với các động cơ bước. Nếu tốc độ thấp hơn 2000 rpm thì sử dụng động cơ bước có thể kinh tế hơn. Các động cơ bước trở nên cồng kềnh ở tốc độ cao. Di chuyển ngắn, nhanh, có tính lặp lại Sử dụng servo nếu bạn cần các yêu cầu động cao. Động cơ bước sẽ mang đến giải pháp kinh tế hơn khi các yêu cầu bình thường hơn. [...]... tra cơ bản  Xác định loại động cơ bước đơn cực, lưỡng cực hay đa năng Phần lớn động cơ bước trên thị trường thuộc loại đơn cực, lưỡng cực, và đa năng Dựa trên giả định này, bước thứ nhất là bạn có thể đưa ra được ước đoán đầu tiên về loại động cơ bằng cách đếm các đầu dây ra Bảng : Quan hệ giữa số đầu dây ra và loại động cơ Số đầu dây ra Loại động cơ 2 Động cơ DC chổi than – Không phải động cơ bước. .. góc bước là 90 o Một động cơ bước có thể được điều khiển theo trình tự kiểu đủ bước hoặc nửa bước Với góc bước 90o, một trình tự bốn bước sẽ liên tiếp sẽ làm động cơ quay được một vòng Khi trình tự bước được lặp lại, động cơ sẽ quay tiếp tục Nếu trình tự bước bị đảo ngược, hướng động cơ cũng bị đảo theo Số lượng các bước trình tự và mẫu chuyển mạch sẽ thay đổi theo cấu tạo và nhà sản xuất động cơ Các... đầu dây ra Loại động cơ 2 Động cơ DC chổi than – Không phải động cơ bước 4 Động cơ bước lưỡng cực 5 Động cơ bước đơn cực – Dây chung điểm giữa 6 Động cơ bước đơn cực 8 Động cơ bước đa năng Bước cuối cùng là sử dụng một ohm kế để xác định sự kết nối của mỗi đầu dây ra và kiểm nghiệm ước đoán loại động cơ ban đầu của bạn - Động cơ lưỡng cực là đơn giản nhất, bạn chỉ cần kiểm nghiệm những dây nào nối đến... các phiếu dữ liệu linh kiện của các hãng chế tạo Phần này chỉ bao quát mạch điều khiển cơ bản nhất cho mỗi loại động cơ Tất cả các mạch này giả sử rằng nguồn cung cấp động cơ cung cấp một điện áp lái không lớn hơn điện áp định mức của động cơ, và điều này làm giới hạn hiệu suất động cơ một cách đáng kể 7.2.1 Mạch điện điều khiển động cơ bước từ trở biến thiên Các bộ điều khiển động cơ bước từ trở biến... lái các động cơ bước nam châm vĩnh cửu 3 pha cấu hình Y hoặc ∆ TA7288P, GL7438, TA8400 và TA8405 của Toshiba là những thiết kế khéo léo, và 2 chip như thế, với một trong 6 nửa cầu được bỏ qua, sẽ điều khiển khéo léo một động cơ bước 5 cuộn với 10 bước trên một vòng quay 11 Lập trình điều khiển động cơ bước 2 PHA CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC 3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Bảng : Trình tự điều khiển Kiểu đủ bước Bước A1... của động cơ bước với nguồn áp theo một mẫu trình tự điều khiển nhất định, đồng thời quan sát hướng quay trục của động cơ Nếu hướng trục quay thực hiện liên tục là các pha đã đúng thứ tự  Xác định loại động cơ bước từ trở biến thiên, nam châm vĩnh cửu, hay lai - Không cần phải xem nhãn ghi trên động cơ, bạn vẫn có thể nói được động cơ bước đang dùng thuộc loại nào Khi không cấp nguồn, các động cơ nam... xuất ra từ động cơ Ở kiểu lái đủ bước, mỗi lần hai pha được cấp năng lượng cùng lúc Stator được cấp năng lượng theo trình tự AB → AB → A B → A B và rotor bước từ các vị trí 1 → 3 → 5 → 7 Mô men tạo ra từ động cơ quấn dây đơn cực thấp hơn động cơ lưỡng cực (xét các động cơ có cùng tham số cuộn dây) vì các động cơ đơn cực chỉ sử dụng 50% cuộn dây trong khi động cơ lưỡng cực thì dùng hết Lái nữa bước kết... bước Sử dụng vi bước Được ưa chuộng sử dụng trong các ứng dụng vòng hở 8 Các đặc tính của động cơ bước 9 Sử dụng động cơ bước 9.1 Thủ tục lựa chọn động cơ bước 1 Xác định thành phần cơ cấu lái Xác định cơ cấu và các thông số kỹ thuật đòi hỏi 2 Tính toán độ phân giải đòi hỏi Tìm kiếm độ phân giải góc bước cho động cơ 3 Xác định mẫu vận hành Xác định mẫu vận hành đáp ứng các thông số kỹ thuật đòi hỏi 4... giữa được sử dụng trong các động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực 10 Điều khiển động cơ bước 10.1 Nguyên lý điều khiển Để biết một động cơ bước làm việc như thế nào, hãy xem xét một động cơ bước đơn giản gồm có: - Một rotor nam châm vĩnh cửu có một cực Bắc – Nam (N-S) - Một stator bốn răng được lái bởi một cặp hai cuộn dây A1-A2 và B1-B2 Hình : Trình tự cấp năng lượng cho động cơ bước Khi A1-A2 (và B1-B2)... men tải, mô men gia tốc và mô men đòi Chọn lựa một động cơ mà các đặc tính mô men-tốc độ Kiểm tra tỉ số gia tốc/giảm tốc và hệ số quán tính để 9.2 Nhận dạng động cơ bước May mắn là các nhà chế tạo động cơ bước hầu như luôn luôn in loại, góc bước, điện trở cuộn dây và điện áp cuộn dây trên các động cơ Hình : Một mẫu nhãn được dán trên vỏ của động cơ bước được chế tạo bởi hãng ??? Khi các thông tin này