chương 6 step motor

Thuận lợi của động cơ bước bao gồm sự tương thích với tín hiệu số từ máytính, đơn giản khi dùng vòng hở để điều khiển, có thể điều khiển bằng vòng kíncó độ chính xác không quá 5% của bướ

CHƯƠNG 6: STEP MOTOR 6.1.Giới Thiệu Chung Về Stepping Motor :

Động cơ bước là một máy điện hoạt dưới tác dụng của các xung tín hiệu rờirạc và liên tiếp nhau Động cơ bước biến đổi trực tiếp dãy xung điện trong cáccuộn dây thành một dãy gia lượng các vị trí góc Mỗi gia lượng góc là một bước Dưới tác dụng của một xung, động cơ bước quay được một bước tương ứng vớimột góc trục và dừng lại tương ứng với một vị trí xác định dưới tác dụng củatrường điện từ

Trong động cơ bước có một mạch lái chuyển những xung điện thành một sựtuần tự những tín hiệu yêu cầu từ mạch kích Động cơ bước thường được sử dụngtrong các thiết bị ngoại vi của máy tính, máy vẽ, robot, và các máy dụng cụ Thuận lợi của động cơ bước bao gồm sự tương thích với tín hiệu số từ máytính, đơn giản khi dùng vòng hở để điều khiển, có thể điều khiển bằng vòng kíncó độ chính xác không quá 5% của bước cuối cùng ( không để ý tới tổng số bước)và giảm được sự bảo trì vì không có chổi quét như motor DC

Cấu hình của một stepper motor rất giống như một motor DC không có chổiquét Nó có một cuộn dây quấn trên stator và một rotor nonexcited ( không hứngkích) Đặc biệt, ta thấy cấu hình bên trong có stator và rotor rất gần nhau, cónhiều răng và làm giảm khả năng thất thoát từ trường

6.2 Sự Khác Biệt Và Ưu Khuyết Điểm Của Stepper Motor So Với Động Cơ DC:

q Motor DC thông thường có moment nhỏ ở vận tốc nhỏ, nếu như không có bộ giảm tốc thì sẽ không đạt được moment lớn ở vận tốc nhỏ

q Stepper motor có thể tạo ra moment lớn ở vận tốc nhỏ nhờ vào cấu tạo và kỹ thuật kích cho nó

• Stepper motor có đặc tính đặc biệt là moment giữ, nhờ đặc tính nàymà Rotor có thể được thắng lại mà không cần dùng đến bộ thắng từ, trong khiđó motor thường không có

• Stepper motor không thể hoạt động với điện áp DC trực tiếp vào, nóphải dùng cùng với bộ điều khiển nhằm để điều khiển một cách chính xác hoạtđộng của động cơ

• Động cơ bước là một thiết bị quay chính xác góc quay ứng với từngbước Ngược lại, động cơ DC quay liên tục khi cung cấp năng lượng Dựa trên

tính chất này mà stepper motor được dùng rộng rãi trong các điều khiển chínhxác cao vì chúng ta có thể kiểm soát được về tốc độ quay, chiều quay, số vòngquay và dừng lại một cách như ý muốn

• Điện trở trên mỗi pha của stepper motor xác định dòng cung cấp,moment quay và vận tốc tối đa của stepper motor

• Độ trên bước ( degree/step) là một đại lượng quan trọng để chọnloại stepper motor dùng cho việc thiết kế Tính chất này xác định góc quay củarotor trên một bước, các chỉ số này thường là: 0.72, 1.8, 3.6, 7.5, 15, 30, 90, …Trên một số motor thì lại ghi số bước trên một vòng quay (step/revoluion)

q Nhược điểm chính của stepper motor :

• Do có nhiều đầu ra cho nên để điều khiển cùng một lúc nhiềustepper motor thì thiết bị giao tiếp cồng kềnh

• Để moment quay của động cơ lớn thì cần phải biết các kỹ thuật kíchphù hợp

• Phức tạp hơn điều khiển động cơ bình thường

6.3 Phân Loại Động Cơ Bước :

Có nhiều cách để phân loại động cơ bước nhưng về mặt cấu tạo động cơ bước

có thể được chia làm ba loại :

q Động cơ bước kiểu tích cực ( permanent magnet)

q Động cơ bước kiểu từ trở ( variable reluctance)

q Động cơ bước kiểu hỗn hợp (hybrid)

Phân loại của stepping motor nếu dựa vào số cuộn dây trên stator được phânthành các loại sau: loại 2 pha, loại 3 pha, loại 4 pha, … ( tức là có 2, 3, hoặc 4 cuộndây, … )

Số răng hoặc cực trên rotor và số cực trên stator xác định kích của bước (bướcgóc : step _ angle)

Nếu mà bạn không thể biết được động cơ của bạn thuộc loại gì qua nhãn đượcghi trên động cơ thì bạn có thể phân biệt chúng khi không có nguồn cung cấp.Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có xu hướng “ăn khớp” với nhau khi ta dùngtay quay rotor của động cơ Trong khi đó động cơ bước từ trở thay đổi hầu như làquay tròn một cách tự nhiên không bị giữ lại (chúng có thể bị khớp nhẹ vì từ dưcòn hiện hữu trong rotor) Người ta cũng có thể phân biệt hai loại động cơ trên

bằng đồng hồ đo Ohm Động cơ bước có từ trở thay đổi thường có 3 (có thể có 4)đầu dây, với một đầu dây chung Trong khi đó động cơ bước nam châm vĩnh cửuthường có hai đầu dây độc lập với nhau có hoặc không có đầu dây rẽ (dây rẽthường có trong động cơ bước nam châm vĩnh cửu đơn cực)

Độ lớn của bước tùy thuộc vào loại động cơ Bước lớn khoảng 90độ/bước,trong khi đó bước nhỏ nhất có thể có là 1.8 hay có khi 0.72 độ/bước Với một bộđiều khiển , động cơ bước đều có thể hoạt động ở chế độ half-step hoặc một số bộđiều khiển có thể điều khiển được các bước rất nhỏ microstep

Khi ta cung cấp năng lượng cho một trong các cực của một trong hai loại động

cơ bước nam châm vĩnh cửu cũng như động cơ bước từ trở thay đổi, rotor (khôngcó tải) sẽ giữ cố định vị trí của rotor (moment giữ) và động cơ chỉ có thể quay khitác động một moment lớn hơn là moment giữ của động cơ, tại điểm này rotor sẽquay, và sẽ cố giữ ở những điểm tiếp

Nếu động cơ có ba cặp cực thì thường được kết nối như hình vẽ 3.1, với mộtđầu dây chung cho 3 cuộn dây Thông thường trong khi sử dụng đầu dây chungnày thường được nối tới nguồn cung cấp các đầu dây còn lại thường được nối vớimức thấp một cách tuần tự

Xem qua hình 3.1 ta thấy động cơ bước này có bước là 30 độ Và rotor trongmotor này có 4 răng và stator có 6 cực Khi cuộn dây thứ nhất được cung cấp nănglượng răng rotor được đánh dấu X thì bị hút về cực này Khi dòng trong cuộn dâythứ nhất bị ngắt và dòng trong cuộn dây thứ hai được cung cấp khi đó rotor sẽquay 30 độ Khi đó răng được đánh dấu Y của rotor sẽ thẳng hàng với cực 2.Muốn làm cho rotor quay nữa ta chỉ việc cấp nguồn cho cuộn thứ ba một cáchtuần tự

Cuộn dây 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 Cuộn dây 2 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0

6.3.1 Động cơ bước từ trở biến đ ổi :

Hình 3 1

Cuộn dây 3 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 Thời gian

Cũng có vài loại động cơ bước từ trở thay đổi có bốn đến năm cuộn dây hayhơn nữa Cách điều khiển cũng như là loại động cơ bước có 3 cuộn dây Điềuquan trọng là làm sao xác định được chính xác thứ tự của các bước Dạng hình họccủa động cơ bước được cho trên hình 3.1 là loại động cơ với bước là 30 độ/stepchỉ dùng một số ít cực stato và vài răng rotor Nếu ta chế tạo nhiều răng rotor hơnnữa ta sẽ được động cơ với bước nhỏ hơn

6.3.2 Động cơ đơn cực :

Động cơ bước đơn cực với 6 đầu dây ra thường có cấu tạo như hình 3.2 Mỗicuộn dây có một đầu chung là điểm giữa của mỗi cuộn dây Khi vận hành điểmgiữa này thường được nối với nguồn cung cấp và mỗi đầu còn lại của cuộn dâythường được nối đất, tùy theo đầu nào được nối đất mà ta xác định chiều quay củarotor

Hình 3 2

Qua động cơ bước như hình 3.2 ta thấy độ dài mỗi bước của động cơ 30 độ.Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực ,3 nam châm và 3 cực bắcđược bố trí quanh rotor Để cho bước cực của động cơ nhỏ hơn nữa rotor phải cónhiều cực đối xứng hơn nữa Động cơ bước như trên hình vẽ 3.2 là một trongnhững loại động cơ được dùng phổ biến, còn động cơ 15 và 7.5 độ mỗi bước dùngrộng rải nhất Ngày nay động cơ bước nam châm vĩnh cửu có thể đạt tới 1.8 độ/bước

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

Muốn cho rotor tiếp tục quay ta chỉ việc cung cấp điện áp hai đầu cuộn dâymột cách tuần tự

Cuộn 1a 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 Cuộn 1b 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0Cuộn 2a 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 Cuộn 2b 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 Thời gian

Cuộn 1a 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 Cuộn 1b 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 Cuộn 2a 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 Cuộn 2b 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 Thời gian

Để ý thấy rằng hai nửa của cuộn dây không bao giờ ở trạng thái tích cựctrong cùng một thời điểm Cả hai cách cung cấp tín hiệu tuần tự như trên đều làcho động cơ quay một bước ở mỗi thời điểm Cách đầu tiên chỉ có một cuộn dâytại một thời điểm là dẫn và như vậy nó tốn năng lượng ít hơn Cách thứ hai thì tạimỗi thời điểm có hai cuộn dây cùng được cung cấp nguồn và như vậy nó tốn nănglượng nhiều hơn nhưng bù lại nó cung cấp một moment 1,4 lần lớn hơn so vớicách thứ nhất ( để ý hai nửa của mỗi cuộn dây vẫn không bao giờ được kích thíchtại cùng một thời điểm) Vậy cách thứ hai sử dụng năng lượng gấp đôi nhưng lạicung cấp một moment lớn hơn 1,4 lần

Vị trí của mỗi bước ở mỗi cách trên là khác nhau, nối kết hai loại này vớinhau ta sẽ được halfstep

Nguyên tắc được trình bày như sau : Cuộn1a 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 Cuộn1b 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 Cuộn2a 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 Cuộn2b 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 Thời gian

6.3.3 Động cơ lưỡng cực :

Hình 3 3

Động cơ bước lưỡng cực nam châm vĩnh cửu được cấu tạo với phần cơ khígiống hệt loại đơn cực , nhưng mỗi cuộn dây thì đơn giản hơn nhiều thay vì đượcchia làm hai như là ở động cơ đơn cực Như vậy động cơ đơn giản hơn nhưng mạchđiều khiển để đổi chiều quay thì phức tạp hơn nhiều Hình 3.3 chỉ cho ta thấy cáchbố trí các cuộn dây, qua đó ta cũng thấy rằng về mặt cấu tạo cơ khí nó giống hệthình 3.2

Mạch điều khiển cho động cơ yêu cầu một mạch điều khiển cầu H (H-brigde)cho mỗi cuộn dây Nói ngắn gọn mạch cầu H cho phép cung cấp năng lượng mộtcách độc lập mỗi đầu cuộn dây Tín hiệu điều khiển tuần tự cho mỗi bước đượccho dưới đây Dấu +, chỉ cho ta thấy chiều của dòng điện mỗi cuộn dây

Nút 1a + + + + Nút 1b + + + + Nút 2a + + + + Nút 2b + + + + Hoặc là :

Nút 1a + + + + + + + + Nút 1b + + + + + + + + Nút 2a + + + + + + + + Nút 2b + + + + + + + + Thông thường IC H-brigde có một tín hiệu cho phép xuất và một tín hiệu khácdùng để điều khiển chiều quay cho mỗi cực

Enable 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Direction 1 1 x 0 x 1 x 0 x 1 x 0 x 1 x 0 x 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 Enable 2 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Direction 2 x 1 x 0 x 1 x 0 x 1 x 0 x 1 x 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0

Ta có thể nhận ra động cơ bước nam châm vĩnh cửu 4 đầu dây motor bằngcách đo điện trở giữa các đầu dây ta sẽ xác định được hai cuộn dây Trong mỗicuộn dây nếu hai đầu được mắc nối tiếp thì có thể động cơ ấy sử dụng điện ápcao Nếu chúng được mắc song song thì có thể dùng điện áp thấp Nếu chúngđược nối nối tiếp với điểm chung thì chúng có thể sử dụng như là động cơ đơncực

6.3.4 Động cơ nhiều pha :

Hình 3 4

Động cơ loại này hiếm thấy trong các loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu,dây của tất cả các cuộn dây được nối tiếp tuần hoàn, với một nút giữa hai cặpcuộn dây trên đường tròn Phổ biến nhất là loại 3 phase và 5 phase Điều khiểnđộng cơ này yêu cầu ½ cầu H cho mỗi cực của motor, những loại motor này cóthể cho moment lớn hơn so với những động cơ khác cùng kích thước Động cơ loạinày có 5 phase và có thể đạt tới 7,2 độ/step (hay 500 bước/vòng)

Với loại 5 phase motor sẽ có 10 bước mỗi chu kỳ bước lặp lại, được cho dướiđây :

Nút 1 + + + + + + + + + Nút 2 + + + + + + + + Nút 3 + + + + + + + + + Nút 4 + + + + + + + + + Nút 5 + + + + + + + +

Ở đây như là trong trường hợp động cơ bước nam châm vĩnh cửu lưỡng cực.Mỗi đầu cuộn dây được nối với nguồn cung cấp hay là nối mass Để ý thấy rằng,tại mỗi bước chỉ có một đầu bị đảo chiều

Để nhận ra loại động cơ này với 5 đầu dây, ta thấy rằng giữa hai đầu liên tiếpcủa motor là R thì điện trở giữa hai đầu cuộn dây không phải liên tiếp là 1,5R Chú ý rằng một số động cơ 5 pha loại này có thể có 5 cuộn dây mắc songsong với 10 dây Nhưng loại dây này được nối hình sao (như hình vẽ trên) dùng 5nửa cầu H để điều khiển, hoặc mỗi cuộn dây có thể được điều khiển bởi mạch Hđầy đủ

6.4 Các Phương Pháp Điều Khiển Động Cơ Bước :

Tùy theo loại động cơ bước,hoạt động của động cơ bước điều khiển một trongcác chế độ sau:

• Fullstep : chế độ hoạt động đủ bước (đối xứng)

• Halfstep : chế độ hoạt động nửa bước (không đối xứng)

• Microstep : chế độ hoạt động vi bước

Chế độ hoạt động vi bước chủ yếu dùng để điều khiển hoạt động của động cơbước nhiều pha

Trong chế độ hoạt động đối xứng, số cuộn dây điều khiển được cung cấpnăng lượng ở những bước khác nhau là như nhau Như vậy lực từ hóa stator là nhưnhau, còn trong chế độ hoạt động không đối xứng thì số cuộn dây điều khiển đượccấp năng lượng ở những bước liên tiếp là khác nhau Do đó lực từ hóa statorkhông như nhau

6.4.1 Phương pháp điều khiển đủ bước (Fullstep) :

Phương pháp điều khiển đủ bước - Fullstep có bảng sự thật được trình bày

4 0 1 1 0

6.4.2 Phương pháp điều khiển nửa bước (Halfstep) :

Phương pháp điều khiển nửa bước - Halfstep có bảng sự thật được trình bày

Phương pháp điều khiển đóng mạch đơn cực, điện áp trong cuộn dây thay

đổi từ 0 ÷ +Vm Khi điều khiển đóng mạch đổi cực thì điện áp trong cuộn dâythay đổi từ -Vm ÷ +Vm

Theo phương pháp điều khiển điện áp thì điện áp trên các cuộn dây chỉ thay

đổi ở thời điểm tác động của các xung điều khiển vào bộ đóng mạch Khi ngắtxung điều khiển các cuộn dây vẫn đóng điện và vị trí của rotor được định vị bằngtừ trường của các cuộn dây

Theo phương pháp điều khiển xung, điện áp chỉ đặt vào cuộn dây khi có lệnhđiều khiển Khi ngắt lệnh điều khiển thì cuộn dây được cắt nguồn và rotor đượcđịnh vị bằng moment cản hoặc thiết vị định vị bên ngoài

6.5 Một Số Thông Số Cơ Bản Của Động Cơ Bước :

n2 = 2 : khi đóng mạch đổi cực Bước của rotor tính theo

độ điện :

0 g E = 360

K Step

Góc quay của rotor ở một nhịp chuyển mạch ( bước cơ khí):

Với động cơ bước kiểu tích cực :

gM = gPE = K360Step .0 P

P : số đôi cực thường từ 2 ÷ 6

Với động cơ bước kiểu từ trở :

g = g E = 3600

M Zr K Step .Z r

Zr : số răng rotor

Trong thực tế γM thường trị số từ : 0,72 deg/ step đến vài chục

6.6 Những Hoạt Động Vật Lý Bên Trong Động Cơ Bước :

6.6.1 Ở trạng thái tĩnh :

Cho một motor có bước là S radians/bước, ta sẽ vẽ được đồ thị quan hệ

moment và vị trí góc của rotor (thường được làm xấp xỉ là hàm sin) Trạng tháithực sự của đồ thị này tùy thuộc vào cấu tạo của rotor, stator (bề mặt răng củastator, vật liệu làm chúng) Đối với loại động cơ bước dùng nam câm vĩnh cửu thìgiản đồ moment và vị trí góc khá giống sin, còn động cơ bước từ thay đổi thìkhông giống hàm sin như vậy

Nếu một động cơ bước 3 cuộn dây loại từ trở biến đổi hoặc động cơ bước nam

châm vĩnh cửu thì chu kỳ của giản đồ (moment và vị trí góc đều là 3S), tương tự loại 5 pha chu kỳ là 5S Loại động cơ phổ biến nhất có hai cuộn dây chu kỳ lại là 4S và được cho như hình 6.1 dưới đây :

Hình 6 1

Ta có công thức :

T = -Hsin(((π/2)/S)θ)Trong đó :

T : moment

H : moment giữ

S : bước của động cơ (tính bằng radians)

θ : góc cắt (tính bằng radians)