CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU về ĐỘNG cơ bước và PHƯƠNG PHÁP điều KHIỂN ĐỘNG cơ bước

Động cơ bước làm việc được nhờ có bộ chuyển mạch điện tử , để đưa tín hiệu điều khiển vào các cuộn dây stator, theo một thứ tự và một tần số nhất định.. Động cơ nam châm vĩnh cửu có xu h

CHƯƠNG III GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ PHƯƠNG

PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

Trong hệ thống tự động và trong máy tính điện tử ngày càng sử dụng rộng rải hệ thống truyền động rời rạc

Các hệ thống truyền động rời rạc này thực hiện nhờ loại động cơ chấp hành đặc biệt gọi là động cơ bước

Động cơ bước thường là động cơ đồng bộ dùng để phổ biến các tín hiệu điều khiển dươí dạng các xung điện áp thành các chuyển động góc quay hoặc chuyển động của rotor và có khả năng cố định rotor vào những vị trí cấn thiết

Động cơ bước làm việc được nhờ có bộ chuyển mạch điện tử , để đưa tín hiệu điều khiển vào các cuộn dây stator, theo một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rotor, phụ thuộc vào thứ tự chuyển và tần số chuyển đổi

Động cơ bước được chia thành hai loại, động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước từ trở thay đổi( cũng có loại động cơ phối hợp cả hai loại trên ) cách chia cũng phụ thuộc quan điểm người sử dụng

Nếu đánh mất nhãn trên động cơ ta có thể tổng quát nêu lên được hai khác biệt bởi cảm nhận được qua giác quan Động cơ nam châm vĩnh cửu có xu hướng

“khớp “ khi ta dùng tay xoay rotor trong khi động cơ từ trở thay đổi hầu như quay tự nhiên, ta cũng có thể phân biệt được sự khác nhau khi dùng một Ohm-Metter động cơ từ trở thay đổi thường có ba hay bốn cuộn dây với một đầu chung trong khi động cơ

nam châm vĩnh cửu luôn có hai cuộn dây độc lập có hay không có đầu nối ở tâm (loại nam châm vĩnh cửu đơn cực thường dùng )

Động cơ bước có tầm rộng của độ phân giải góc, bước lớn nhất khoảng 90 độ trên mỗi bước Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu có độ phân giải cao thường có thể điều khiển được 1.8 hay ngay cả 0.72 độ cho mỗi bước Với bộ điều khiển thích hợp, động cơ nam châm vĩnh cửu và hổn hợp có thể hoạt động ở chế độ Hafl-Step, một số bộ điều khiển có thể điều khiển ở các bước rất nhỏ gọi là micro-step

Cho cả động cơ nam châm vĩnh cửu lẫn từ trở thay đổi nếu cấp điện cho cuộn dây rotor sẽ chuyển động nhanh tới một góc cố định và giữ góc đó đến khi moment quay vượt quá moment giữ của động cơ ở lúc này rotor sẽ quay và cố giữ cho đến điểm kế tiếp

I ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI

Hình 3.1 Nếu động cơ có 3 cuộn dây thường được kết nối như hình với một đầu chung cho tất cả các cuộn dây Khi sử dụng cuộn dây chung thường được đưa vào nguồn dương và các cuộn dây độ nối mức thấp tuần tự

Theo hình trên động cơ từ trở thay đổi có mỗi bước là 30 độ rotor trong động

cơ này có 4 răng và stator có 6 cực với mỗi cuộn dây được bao phủ bởi 2 cực đối diện Khi cuộn dây 1 được cấp năng lượng răng rotor được đánh dấu X sẽ bị kéo về cuộn

dây này Nếu dòng điện qua cuộn dây 1 bị ngắt và cuộn dây 2 được nạp rotor sẽ quay

30 độ theo chiều đồng hồ để cực đánh dấu Y sẽ thẳng hàng với cực đánh dấu 2

Để quay động cơ liên tục ta phải cấp nguồn cho ba cuộn dây một cách tuần tự Giả sử dùng mức logic 1 tương ứng cấp điện cho cuộn dây Hình sau minh hoạ cách điều khiển:

Winding 1 1001001001001001001001001

Winding 2 0100100100100100100100100

Winding 3 0010010010010010010010010

time >

Cũng có loại động cơ từ trở thay đổi có từ 4 đến 5 cuộn dây hoặ hơn nữa Cách điều khiển cũng tương tự như cho 3 cuộn dây Nhưng điều quan trọng là xác định chính xác thứ tự các bước Dạng động cơ ở trên có 30 độ cho mỗi bước dùng rotor dạng răng, stator có số cực ít nhất Dùng rotor có nhiều răng sẽ được động cơ có góc bước nhỏ hơn

II ĐỘNG CƠ ĐƠN CỰC

Hình 3.2

Động cơ bước đơn cực cả nam châm vĩnh cửu lẫn động cơ bước hỗn hợp có 5 hay 6 đầu dây thường dùng sơ đồ trên một kết nối giữa cho mỗi dây Khi sử dụng các kết nối giữa của cuộn dây thường được kết vào nguồn cung cấp dương và hai đầu của mỗi cuộn dây được nối xuống đất, tuỳ thuộc đầu vào nối đất ta sẽ xác định chiều quay rotor

Động cơ mô tả ở trên là loại động cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp mỗi bước tương ứng 30 độ Cuộn dây số một của động cơ được định ở giữa cực trên và cực dưới của stator trong khi cuộn dây thứ 2 của động cơ được định giữa cực trái và phải của động cơ Rotor động cơ nam châm vĩnh cửu này có 6 cực 3 nam và 3 bắc được sắp xêáp vòng tròn

Cho độ phân giải cấp cao hơn rotor động cơ phải có nhiều cực hơn loại động cơ

30 độ cho mỗi bước ở trên là một trong các thiết kế động cơ điện phổ biến nhất tuy nhiên loại động cơ 15 hay 7.5 độ cho mỗi bước cực có giá trị hơn

Như trong hình vẽ minh họa dòng điện chạy từ điểm giữa cuộn dây tới điểm cuối là nguyên nhân gây ra cho đỉnh của cực stator là bắc trong khi đó cực dưới lại nam , nó hút rotor về vị trí như hình vẽ Nếu ta ngưng cấp điện cho cuộn thứ nhất và cấp điện cho cuộn thứ hai thì rotor sẽ quay 30 độ hay một bước

Để cho động cơ quay liên tục ta cấp điện cho hai cuộn dây tuần tự Hình sau sẽ minh hoạ cho động cơ quay theo chiều thuận:

Winding 1a 1000100010001000100010001

Winding 1b 0010001000100010001000100

Winding 2a 0100010001000100010001000

Winding 2b 0001000100010001000100010

time ->

Winding 1a 1100110011001100110011001

Winding 1b 0011001100110011001100110

Winding 2a 0110011001100110011001100

Winding 2b 1001100110011001100110011

time ->

Chú ý hai nữa của mỗi cuộn dây không bao giờ ở mức 1 cùng một lúc Cả hai kiểu kích ở trên sẽ làm động cơ quay ở từng thời điểm Cách trứơc chỉ có một cuộn dây kích tại thời điểm dẫn do vậy sẽ tốn năng luợng ít hơn Đối với cách hai thì tại một thời điểm có hai cuộn dây được kích đồng thời do vậy sẽ tốn nhiều năng lượng hơn Tuy nhiên nó lại cung cấp 1 moment gấp 1.4 lần so với cách kích trước (chú ý rằng hai nửa của một cuộn dây không bao giờ được kích đồng thời)

Nếu sử dụng phối hợp hai cách trên lại với nhau ta được cách điều khiển theo kiểu hafl-step:

Winding 1 1001001001001001001001001

Winding 2 0100100100100100100100100

Winding 3 0010010010010010010010010

time ->

III ĐỘNG CƠ LƯỠNG CỰC

Hình 3.3 Động cơ nam châm vĩnh cửu được cấu tạo với phần cơ giống hệt loại đơn cực nhưng hai cuộn dây được kết nối đơn giản hơn, không có mối nối ở giữa

Như vậy động cơ có cấu tạo đơn giản hơn tuy nhiên mạch điều khiển để đổi chiều quay thì phức tạp hơn nhiều

Mạch điều khiển động cơ yêu cầu là mạch điều khiển cầu H (H-bridge) cho mỗi cuộn dây Mạch cầu H cung cấp năng lượng 1 cách độc lập mỗi đầu cuộn dây Tín hiệu điều khiển tuần tự cho mỗi bước động cơ như sau:

Terminal 1a + -+ -+ -+ -

Terminal 1b + -+ -+ -+- ++ ++ ++ ++

Terminal 2a -+ -+ -+ -+

Terminal 2b -+ -+ -+ -+ + ++ ++ ++ +

time ->

Thông thường H-bridge có một tín hiệu cho phép xuất và một tín hiệu điều khiển khác dùng để điều khiển chiều quay cho mỗi cực:

Enable 1 1010101010101010 1111111111111111

Direction 1 1x0x1x0x1x0x1x0x 1100110011001100

Enable 2 0101010101010101 1111111111111111

Direction 2 x1x0x1x0x1x0x1x0 0110011001100110

time ->

Ta có thể nhận ra động cơ bước lưỡng cực nam châm vĩnh cửu 4 đầu dây động

cơ bằng cách đo điện trở giữa các đầu dây ta sẽ xác định được hai cuộn dây Trong mỗi dây nếu hai đầu được mắc nối tiếp thì động cơ có thể sử dụng ở mức điện áp cao Nếu chúng được mắc song song thì chúng có thể sử dụng ở mức điện áp thấp Nếu chúng được mắc với điểm giữa thì chúng ở chế độ như là động cơ đơn cực

IV ĐỘNG CƠ NHIỀU PHA

Hình 3.4

Loại động cơ này hiếm thấy trong các loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu, đầu của các cuộn dây được nối tuần hoàn với một nút giữa hai cặp cuộn dây trên hình tròn Phổ biến nhất là loại 3 phase và 5 phase Điều khiển động cơ này yêu cầu 1/2 cầu H cho mỗi cực của động cơ, những loại động cơ này có thể cung cấp moment lớn hơn so với những động cơ khác có cùng kích thước Động cơ này có 5 phase có thể đạt tới 0.72 độ /step hay 500 vòng

Với loại 5 phase động cơ sẽ có 10 bước cho mỗi chu kỳ lặp lại:

Terminal 1 +++ -+++++ -++

Terminal 2

Terminal 3 + -+++++ -++++

Terminal 4

Terminal 5

time ->

Ở đây trong trường hợp động cơ bước nam châm vĩnh cửu luỡng cực, mỗi đầu dây được nối với nguồn cung cấp hay là nối xuống đất, chú ý rằng tại mỗi bước chỉ có một đầu dây được đảo chiều

Để nhân ra động cơ này với 5 dây ta thấy từ trở giữa hai đầu liên tiếp của động

cơ là R thì điện trở giữa hai cuộn dây không phải liên tiếp là 1.5 R

Chú ý rằng một loại động cơ 5 phase loại này có thể mắc song song với 10 dây Những loại dây này được nối hình sao như hình vẽ dùng 5 nữa cầu H để điều khiển hoặc mỗi cuộn dây được điều khiển bởi mạch cầu H đầy đủ

I CÁC MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC CƠ BẢN

Ở phần này em xin giới thiệu một số mạch điều khiển động cơ bước, mạch tồn tại ở các dạng khác nhau tuỳ thuộc vào cấu trúc của từng động cơ khác nhau

1 Mạch điều khiển động cơ bước từ trở thay đổi

Hình 3.5

Các tín hiệu dùng để đóng mở các khoá cho phép cung cấp điện động cơ làm motor quay Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển là PC hay PLC với một phần mềm thích hợp để điều khiển đóng ngắt một cách tuần tự cho phép động cơ quay theo ý muốn

Cuộn dây động cơ, cuộn dây soilenoide và các thiết bị tương tự điều gây ra hiện tượng cảm ứng do đó dòng điện trong cuộn dây không thể tăng giảm một cách đột ngột khi ta ngắt các khoá analog dòng điện không thể về 0 ngay tức thì mà phải mất 1 thời gian nhất định nào đó Kết quả là gai điện áp xuất hiện làm hỏng các khoá nếu không dùng thiết bị phù hợp Có hai cách để khác để khắc phục tình trạng này là mắc đối song các cực của cuộn dây động cơ với một diode hoặc cách khác là dùng tụ

Diode ở trên cho phép dẫn toàn bộ dòng trong mỗi cuộn dây, nhưng nó chỉ dẫn trong thời gian ngắn mỗi khi khoá bị ngắt, dòng điện sẽ giảm về 0 Nếu ta dùng họ

diode ít phổ biến như là 1N400X được dùng với các khoá đóng ngắt nhanh thì ta nên dùng tụ mắc song với diode

Tụ ở sơ đồ trên sẽ đưa ra một số vấn đề khi thiết kế Khi nó được kích đóng tụ xả năng lượng qua khoá xuống đất và khoá phải chịu được các xung áp khi tụ xả trong một thời gian ngắn

Điện trở trong mạch và nguồn cung cấp sẽ giới hạn dòng này Khi khóa được mở năng lượng tích trữ trong cuộn dây motor sẽ nạp năng lượng cho tụ có đặc tính là áp cao hơn nguồn và khoá phải chịu được áp này

Ta có thể tính toán tụ theo phương trình năng lượng:

2

2

CV

P 

P  LI22

P: năng lượng tồn trữ (W.s hay Cu.v)

C: giá trị tụ điện (F)

V: điện áp đặc lên tụ (V)

L: Trở kháng cuộn dây (H)

I: dòng qua cuộn dây(A)

Vb: điện áp đánh thủng của khóa

Vs :áp nguồn cung cấp

Động cơ bước từ trở thay đổi tuỳ thuộc vào góc cắt như vậy khi thiết kế ta chỉ có thể chọn giá trị của tụ chứ không tính toán chính xác được Thêm vàođó ta không phải lúc nào cũng xác định được độ tự cảm của cuộn dây

Nếu tụ điện và cuộn dây của động cơ được nối mạch cộng hưởng dòng điện sẽ chạy qua cuộn dây của động cơ và như vậy moment ngoài của động cơ sẽ khác trạng thái tĩnh của moment Tần số cộng hưởng sẽ là:

LC

F

2 1



Hình 3.6 Khi hai hiện tượng xảy ra gần nhau nó làm giảm moment động cơ về 0 một cách chanh chóng

2 Mạch điều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp

Hình 3.7 Cũng tương tự như trên bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu điều khiển tương ứng để đóng hay mở các khoá cho phép năng lượng cung cấp cho các cuộn dây một cách tuần tự

Với mạch điều khiển động cơ bước từ trở thay đổi chúng sinh dòng điện cảm ứng làm hỏng khoá khi khoá bị khích ngắt ta phải mắt thêm 4 diode như sau:

Hình 3.8 Các diode thêm vào là bắt buộc bởi vì cuộn dây của động cơ không là hai phần điện cảm riêng biệt, chúng được nối chung với nhau như hình vẽ và được nối với một điện áp cố định Trong hai đầu dây còn lại nếu một đầu được đưa xuống mức thấp thì đầu còn lại phải đưa lên mức cao và ngược lại Khi một khoá đang chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái ngắt thì dòng điện cảm ứng sinh ra có thể làm hư mạch, điều này được hạn chế bằng diode

Một tụ điện cũng có thể được sử dụng để hạn chế điều trên:

Hình 3.9

Cách tính giá trị tụ tương tự như hình trên nhưng các thông số cộng hưỡng thì khác Với một động cơ bước nam châm vĩnh cửu nếu tụ hoạt động gần tần số cộng hưởng thì moment sẽ tăng gấp đôi kết quả là đồ thị moment và tốc độ sẽ phức tạp:

Hình 3.10

3 Mạch cầu điều khiển động cơ bước lưỡng cực và cầu H

Điều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu lưỡng cực thì phức tạp hơn nhiều

vì không có cuộn dây ở giữa mỗi cuộn dây động cơ vậy để đảo chiều động cơ một cách trực tiếp chúng ta phải đảo chiều dòng điện ở mỗi cuộn dây Ta phải dùng hai cặp cực ghép với mỗi khoá để tạo ra điện trường mong muốn, mạch này thường được gọi là mạch cầu H:

Hình 3.11 Như đã đề cập, mạch cầu H phải được bảo vệ xung áp khi đóng khoá, do đó ta phải dùng diode như hình

Cầu H không chỉ có giá trị điều khiển động cơ bước lưỡng cực mà còn để điều khiển động cơ DC servo và nhiều thiết bị khác nữa

Với 4 khoá cầu H có thể tạo ra được 16 trạng thái, trong đó có 7 trạng thái làm ngắn mạch nguồn Những trạng thái sau được dùng:

Mode chạy tới, khoá A và D đóng, B và C ngắt

Mode chạy lui, khoá B và C đóng, A và D ngắt

Hình minh họa mode chạy tới:

Hình 3.12 Mode các khoá đều khoá, dòng điện cảm ứng nhanh chóng bị triệt tiêu

Mode dòng điện cảm ứng bị triệt tiêu với thời gian chậm hơn Trong trường hơp này dòng điện chạy vòng qua cuộn dây của động cơ nếu rotor có dịch chuyển thì sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng làm rotor dừng lại:

Hình 3.13