Bài giảng động cơ bước stepper motor

ĐỘNG CƠ BƯỚC STEPPER MOTOR NỘI DUNG CHÍNH  Giới thiệu động bước  Các loại động bước + Biến từ trở_VRSM (variable - reluctance stepper motor) + Nam châm vĩnh cữu_PMSM (permanent-magnet stepper motor) + Hỗn hợp (lai) (hybrid stepper motor) 39.1 Introduction (Giới thiệu): This chapter provides a brief introduction to electrical machines which have special applications It includes machines whose stator coils are energized by electronically switched currents Chương cung cấp giới thiệu ngắn gọn máy điện có ứng dụng đặc biệt Đó máy mà dây quấn stator cấp điện dòng điện chuyển mạch điện tử The examples are: various types of stepper motors, brushless d.c motor and switched reluctance motor etc Ví dụ như: loại động bước, động DC không chổi than động từ trở đóng ngắt There is also a brief description of d.c./a.c servomotors, synchro motors and resolvers These motors are designed and built primarily for use in feedback control systems Cũng mô tả ngắn gọn động servo dc/ac, Synchro (động tự đồng bộ) Resolver Những động ban đầu thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển phản hồi 39.2 Stepper Motor As we know, industrial motor are used to convert electric energy into mechanical energy but they cannot be used for precision positioning of an object or precision control of speed without using closed-loop feedback Như biết, động công nghiệp dùng để biến đổi lượng điện thành lượng cơ, chúng lại điều chỉnh vị trí cách xác hay điều khiển tốc độ xác mà không sử dụng mạch hồi tiếp vòng kín The unique features of a stepper motor is that its output shaft rotates in a series of discrete angular intervals or steps, one step being taken each time a command pulse is received Cái tên động bước sử dụng quay góc cố định đáp ứng theo xung điện nhận vào từ điều khiển Tại gọi động bước? The name stepper is used because this motor ratates through a fixed angular step in response to each input current pulse received by its controller Cái tên động bước sử dụng quay góc cố định đáp ứng theo xung điện nhận vào từ điều khiển In recent years, there has been wide-spread demand of stepping motors because of the explosive growth of the computer industry Their popularity is due to the fact that they can be controlled directly by computers, microprocessors and programmable controllers Ngày nay, việc sử dụng ĐC bước trở nên thịnh hành bùng nổ công nghiệp máy vi tính Sự phổ biến chúng thực tế chúng điều khiển trực tiếp máy vi tính, vi xử lý điều khiển lập trình Đặc điểm động bước The unique features of a stepper motor is that its output shaft rotates in a series of discrete angular intervals or steps, one step being taken each time a command pulse is received When a definite number of pulses are supplied, the shaft turns through a definite known angle This fact makes the motor wellsuited for open-loop position control because no feedback need be taken from the output shaft ĐC bước có trục ngõ quay góc rời rạc hay gọi bước, bước đáp ứng với xung lệnh nhận vào Khi xác định số xung lệnh cấp vào trục quay xác định góc quay Thực tế phù hợp cho ĐC hoạt động mạch điều khiển vòng hở không cần hồi tiếp đầu trục ĐC Đặc điểm động bước Such motors develop torques ranging from 1µN-m (in a tiny wrist watch motor of mm diameter) upto 40N-m in a motor of 15cm diameter suitable for machine tool application Their output ranges from about 1W to a maximum of 2500W The only moving part in a stepping motor is its rotor which has no windings, commutator or brushes This feature makes the motor quite robust and reliable Dải moment ĐC gia tăng từ 1µN-m (ĐC đồng hồ đeo tay nhỏ với đường kính 3mm) lên tới 40 N-m ĐC đường kính 15cm thích ứng cho máy công cụ Dải công suất ngõ từ 1W tới tối đa 2500W Phần di chuyển ĐC bước rotor nó, cuộn dây, vành góp hay chổi than Đặc điểm làm cho ĐC trở nên mạnh an toàn Đặc điểm động bước Stepping motor are designed to operate for long periods with the rotor held in a fixed positon and with rated current flowing in the stator windings It means that stalling is no problem for such motors whereas for most of the other motors, stalling results in the collapse of back emf (Ef) and a very high current which can lead to a quick burn-out ĐC bước thiết kế để hoạt động chu trình lâu dài mà rotor giữ cố định vị trí với dòng định mức cuộn dây stator Điều có nghĩa ĐC dừng vị trí cố định vấn đề phần lớn loại ĐC khác dừng kết phá hủy lực điện động với dòng cao gây cháy hỏng cách nhanh chóng Góc bước The angle through which the motor shaft rotates for each command pulse is called the step angle β Góc quay mà trục ĐC quay nhận xung lệnh gọi góc bước β Smaller the step angle, greater the number of steps per revolution and higher the resolution or accuracy of positioning obtained Góc bước bé hơn, số lượng bước vòng quay cao độ phân giải cao hay đạt độ xác việc điều chỉnh vị trí The step angles can be as small as 0.72o or as large as 90o But the most common step sizes are 1.8o, 2.5o, 7.5o 15o Góc bước nhỏ 0.72o hay lớn đến 90o Nhưng thông thường, độ rộng góc bước phổ biến 1.8o, 2.5o, 7.5o 15o ĐC bước nam châm vĩnh cửu + Nguyên lý hoạt động It will be noted that in a permanent-magnet stepper motor, the direction of rotation depends on the polarity of the phase currents as tabulated below: Hướng quay phụ thuộc vào phân cực pha dòng điện bảng đây: iA+ ; iB+; iA- ; iB- ; iA+,……………… A+ ; B+; A- ; B- ; A+ ;…………… theo chiều kim đồng hồ iA+ ; iB- ; iA- ; iB+; iA+;…………… A+ ; B- ; A- ; B+ ; A+; ………… …ngược chiều kim đồng hồ ĐC bước nam châm vĩnh cửu + Nguyên lý hoạt động ĐC bước nam châm vĩnh cửu + Nguyên lý hoạt động Table No.1 applies when only phase is energized at a time in 1-phase-ON mode giving step size of 90o Bảng số áp dụng có pha cấp điện thời điểm 1-phase-ON mode cho bước nhảy 90o Table No.2 represents 2-phase-ON mode when two phases are energized simultaneously Bảng số đại diện cho chế độ 2-phase-ON pha cấp điện đồng thời kết bước có kích thước vị trí rotor khoảng bước đầy đủ Table No.3 represents half-stepping when 1-phase-ON and 2-phase-ON mode are used alternately In this case, the step size becomes half of the normal step or one-fourth of the pole-pitch (i.e: 90o/2 = 45o or 180o /4 = 45o) Bảng số đại điện cho ½ bước 1-phase-ON 2-phase-ON sử dụng luân phiên Trong trường hợp này, bước nhảy trở thành nửa bước bình thường ¼ bước cực Microstepping can also be employed which will give further reduced step sizes thereby increasing the resolution Vi bước sử dụng để giảm kích thước bước làm tăng độ phân giải ĐC bước nam châm vĩnh cửu + Ưu, nhược điểm Since the permanent magnets of the motor not require external exciting current, is has a low power requirement but possesses a high detent torque as campared to a VR stepper motor This motor has higher inertia and hence slower acceleration However, it produces more torque per ampere stator current than a VR motor Since it is difficult to manufacture a small permanent-magnet rotor with large number of poles, the step size in such motors is relatively large ranging from 30o to 90o However, recently disc rotors have been manufactured which are magnetized axially to give a small step size and low inertia Kể từ có động nam châm vĩnh cữu không cần dòng điện kích thích từ bên Nó yêu cầu nguồn thấp có bánh cóc moment xoắn lớn so với động bước biến trở Động có quán tính cao khả tăng tốc chậm Vì gặp khó khăn để sản xuất nam châm nhỏ thường xuyên với số lượng lớn cực, kích thước bước động tương đối lớn phạm vi từ 30o đến 90o Tuy nhiên gần sản xuất rotor dĩa từ hóa dọc trục để làm cho kích thước bước nhỏ quán tính thấp ĐC bước hỗn hợp (lai) + Cấu tạo It combines the features of the variable reluctance and permanentmagnet stepper motors The rotor consist of a permanent-magnet that is magnetized axially to create a pair of poles marked N and S in Fig 39.8 (b) two end-caps are fitted at both ends of this axial magnet These endcaps consist of equal number of teeth which are magnetized by respective polarities of the axial magnet The rotor teeth of one end-cap are offset by a half tooth pitch so that a tooth at one end-cap coincides with a slot at the other The cross-sectional views perpendicular to the shaft along X-X’ and Y-Y’ axes are shown in Fig 39.8 (a) and (c) repectively Nó bao gồm đặc tính động bước từ trở biến thiên động bước nam châm vĩnh cửu Rotor gồm nam châm vĩnh cửu có trục từ hóa để tạo cặp cực N S đầu mút vừa với đầu trục nam châm đầu mút gồm từ hóa cực trục nam châm Răng rotor đầu mút dịch nửa bước để đầu mút trùng khớp với đầu lại ĐC bước hỗn hợp (lai) + Cấu tạo Mặt chiếu cắt ngang thẳng đứng theo trục X-X’ Y-Y’ Như ta thấy, Stator bao gồm cực kích thích cuộn dây stator theo cặp Rotor có cực N đầu cực S đầu lại trục nam châm Góc bước động là: = (5 − 4) × 3600 / × = 180 ĐC bước hỗn hợp (lai) + Nguyên lý hoạt động In Fig 39.8 (a), phase A is shown excited such that the top stator pole is a S-pole so that it attracts the top N-pole of the rotor and brings it in line with the A-A’ axis To turn the rotor, phase A is denergized and phase B is excited positively The rotor will turn in the CCW direction by a full step of 18o Pha A kích thích làm phần đỉnh cực stator trở thành cực S hút cực N rotor tạo thành đường thẳng theo trục A-A’ Để quay rotor, pha A ngừng hoạt động pha B kích thích Rotor quay theo chiều kim đồng hồ đủ góc 18o Next, phase A and B are energize negatively one after the other to produce further rotations of 18o each in the same direction Kế tiếp, pha A B luân phiên hoạt động để làm rotor tiếp tục quay thêm góc 18o theo chiều ĐC bước hỗn hợp (lai) + Nguyên lý hoạt động The truth table is shown in Fig 39.9 (a) For producing clockwise rotation, the phase sequence should be A+; B─; A─; B+; A+ etc Bảng trạng thái hoạt động cho hình Để quay theo chiều kim đồng hồ, pha phải hoạt động theo trình tự A+; B─; A─; B+; A+ … Practical hybrid stepping motors are built with more rotor poles than shown in Fig 39.9 in order to give higher angular resolution Hence, the stator poles are often slotted or castleated to increase the number of stator teeth Thực tế động bước hỗn hợp có nhiều cực rotor so với hình để đạt độ phân giải góc cao Do đó, cực stator thường chia rãnh castleated để tăng số stator ĐC bước hỗn hợp (lai) + Nguyên lý hoạt động As shown in Fig 39.9 (b), each of the eight stator poles has been alloted or castleated into five smaller poles making Ns=8x5=40 If rotor has 50 teeth, then step angle =(5040)x360o/50x40=1.8o Step angle can also be decreased (and hence resolution increased) by having more than two stacks on the rotor Như hình 39.9 (b), cực stator phân bố hay castleated vào cực nhỏ tạo Ns= 8x5=40o Nếu rotor có 50 răng, góc bước = (50-40)x360o/50x40= 1.8o Góc bước giảm (do tăng độ phân giải) cách có nhiều rotor ĐC bước hỗn hợp (lai) + Ưu, nhược điểm This motor achieves small step size easily and with a simpler magnet structure whereas a purely PM motor requires a multiple permanent-magnet As compared to VR motor, hybrid motor requires less excitation to achieve a given torque However, like a PM motor, this motor also develops good detent torque provided by the permanent-magnet flux This torque holds the rotor stationary while the power is switched off This fact is quite helpful because the motor can be left overnight without fear of its being accidentally moved to a new position Động tạo bước nhỏ cách dễ dàng với nam châm đơn giản động PM yêu cầu nhiều nam châm vĩnh cửu So với động VR, động hỗn hợp cần kích thích để tạo moment Tuy nhiên, giống với động PM, tạo moment hãm tốt nam châm vĩnh cửu Moment giữ rotor lại ngắt nguồn điện cung cấp cho động Điều hữu ích động vận hành mà không cần lo sợ cố dịch chuyển đến vị trí khác Tổng hợp đặc điểm động bước A stepper motor can be looked upon as a digital electromagnetic device where each pulse input results in a discrete output i.e a definite angle of shaft rotation It is ideally suited for open-loop operation because by keeping a count of the number of input pulses, it is possible to know the exact position of the rotor shaft động bước dược xem giống thiết bị điện tử số mà với xung làm cho ngõ rotor quay góc Nó lý tưởng phù hợp với trình vòng hở cách đếm số xung vào ta biết xác vị trí rotor Tổng hợp đặc điểm động bước In a VR motor, excitation of the stator phases gives rise to a torque in a direction which minimizes the magnetic circuit reluctance The reluctance torque depends on the square of the phase current and its direction is independent of the polarity of the phase current A VR motor can be a single-stack or multi-stack motor The step angle β =360o/mNr where Nr is the number of rotor teeth and m is the number of phases in the single-stack motor or the number of stacks in the multi-stack motor Trong động VR, kích thích pha stator trực tiếp tăng moment làm giảm đến mức tối thiểu từ trở biến thiên mạch từ Moment từ trở phụ thuộc vào bình phương dòng điện pha hướng độc lập với cực dòng pha động VR đơn đa ngăn Góc bước β =360o/mNr với Nr số tăng rotor m số pha đơn ngăn số ngăn đa ngăn Tổng hợp đặc điểm động bước A permanent-magnet stepper motor has permanently-magnetized cylindrical rotor The direction of the torque produced depends on the polarity of the stator current động bước nam châm vĩnh cửu có rotor hình trụ nam châm vĩnh cửu Hướng moment phụ thuộc vào cực dòng stator A hybrid motor combines the features of VR and PM stepper motors The direction of its torque also depends on the polarity of the stator current Its step angle β =360o/mNr động hỗn hợp bao gồm đặc tính động bước VR PM Hướng moment phụ thuộc vào cực dòng stator Góc bước β =360o/mNr Tổng hợp đặc điểm động bước In the 1-phase-ON mode of excitation, the rotor moves by one full-step for each change of excitation In the 2-phase-ON mode, the rotor moves in full step although it comes to rest at a point midway between the two adjacent full-step positions Trong kích thích chế độ 1-pha-ON, rotor di chuyển bước đủ lần thay đổi kích thích Trong chế độ 2-pha-ON, rotor dịch chuyển bước đủ dù có điểm nghỉ bước đủ cạnh Half-stepping can be achieved by alternating between the 1phase-ON and 2-phase-ON mode Step angle is reduced by half Nửa bước cách luân phiên chế độ 1-pha-On 2pha-ON Góc bước giảm nửa Microstepping is obtained by deliberately making two phase currents unequal in the 2-pha-ON mode Vi bước cách giữ cho dòng pha không cân chế độ 2-pha-ON END [...]... cách này, kết quả các bước trở nên rất nhỏ và được gọi là vi bước ĐC bước biến từ trở + Vi bước Ví dụ Một động cơ bước từ trở biến thiên với độ phân giải 200 step/rev (β=1.8o) có thể vi bước với độ phân giải 20000 steps/rev (β=0.018o) Động cơ bước sử dụng vi bước được ứng dụng trong công nghệ in ấn, chế bản phim yêu cầu độ phân giải cao Như đã thấy, vi bước làm động cơ hoạt động tốc độ thấp êm và... mại mà các bộ phim khoa học viễn tưởng Các loại ĐC bước Biến từ trở (VR stepper motor) Nam châm vĩnh cữu (permanent-magnet stepping motor) Hỗn hợp (Lai) (hybrid stepper motor) ĐC bước biến từ trở ĐC bước biến từ trở Construction: A variable-reluctance motor is constructed from ferromagnetic material with salient poles as shown in Fig 39.2 Một động cơ từ trở biến thiên được cấu trúc từ vật liệu sắt... moment hãm cần thiết để giữ rotor tại vị trí bước khi hỏng nguồn ĐC bước biến từ trở đa lớp So far we have discussed single-stack VR motors though multi-stack motor are also available which provide smaller step angles Như vậy, chúng ta đã thảo luận rất nhiều về động cơ biến từ trở đơn lớp mặc dù động cơ bước biến từ trở đa lớp cho góc bước nhỏ hơn The multi-stack motor is devided along its axial length... 50 răng, tính góc bước Ns = 8 x 5 = 40, Nr = 50 β = (50 – 40) x 360o/50 x 40 = 1.8o Ví dụ 2 Một ĐC bước có góc bước 2.5o Xác định: a/ Độ phân giải b/ Số lượng bước để trục quay được 25 vòng c/ Tốc độ, nếu cho tần số bước là 3600 xung/giây a/ Độ phân giải = 360o/ β = 360o/ 2.5o = 144 bước/ vòng b/ Ta có: 1 vòng có 144 bước Vậy số bước yêu cầu để quay được 25 vòng là 144 x 25 = 3600 bước c/ n = β x f... như liên tục Việc hoạt động ở tốc độ cao được gọi là “slewing” (quay) Khi quay, động cơ phát ra âm thanh rên rỉ có tần số bằng với tần số bước Tốc độ quay If f is the stepping frequency (or pulse rate) in pulses per second (pps) and β is the step angle, then motor shaft speed is given by: Nếu f là tần số bước (hay tần số xung) trong 1 giây (ppspulses per second) và β là góc bước, thì tốc độ ĐC được... the magnetized stator teeth The step angle of this three-phase, four rotor teeth motor is β=360/4x3= 30o Khi một hay nhiều cuộn dây có điện rotor sẽ dịch chuyển 1 bước tới (hay lùi lại) tạo thành 1 đường với răng stator do lực từ 1 bước của động cơ ba pha rotor 4 răng là β=360/4x3= 30o ĐC bước biến từ trở + 1 pha ON hay bước đủ Fig 39.2 (a) shows the position of the rotor when switch S1 has been closed... in some motors) and yet to remain fully in synchronism with the command pulses When the pulse rate is high, the shaft rotation seems continuous Operation at high speeds is called ‘slewing’ When in the slewing range, the motor generally emits an audible whine having a fundamental frequency equal to the stepping rate ĐC bước có khả năng đặc biệt hoạt động ở tần số bước rất cao (lên tới 20,000 bước trên... có độ phân giải cao ĐC bước biến từ trở + Moment If Ia is the d.c current pluse passing through phase A, the 2 T = (1/ torque produced by it is given by2) I a dL / dθ Nếu iA là xung dòng điện một chiều đi qua A, thì moment do nó gây ra là T = (1/ 2) I a2 dL / dθ VR stepper motors have a high (torque/inertia) ratio giving high rates of acceleration and fast response Động cơ bước từ trở biến thiên tỷ... nửa bước còn lại Với mỗi xung, rotor dịch chuyển 1 bước 30o/2 = 15o theo chiều kim đồng hồ It will be seen that in the half-stepping mode, the angle is halved thereby doubling the resolution Moreover, continuos halfstepping produces a smoother shaft rotation Như ta thấy thì trong chế độ nửa bước, góc dịch chuyển được chia đôi làm độ phân giải tăng gấp đôi Cứ thế, tiếp tục nửa bước làm cho động cơ quay... biến nhất để làm động cơ bước It may be noted that direction of the stator magnetizing current is not significant because a stator pole of either magnetic polarity will always attract the rotor pole by inducing opposite polarity Chú ý rằng chiều dòng từ hóa stator không quan trọng bởi vì cực stator của cả 2 cực từ sẽ luôn hút cực rotor có cực đối ngược ĐC bước biến từ trở + 1 pha ON hay bước đủ In this ... thiệu động bước  Các loại động bước + Biến từ trở_VRSM (variable - reluctance stepper motor) + Nam châm vĩnh cữu_PMSM (permanent-magnet stepper motor) + Hỗn hợp (lai) (hybrid stepper motor) ... The examples are: various types of stepper motors, brushless d.c motor and switched reluctance motor etc Ví dụ như: loại động bước, động DC không chổi than động từ trở đóng ngắt There is also... viễn tưởng Các loại ĐC bước Biến từ trở (VR stepper motor) Nam châm vĩnh cữu (permanent-magnet stepping motor) Hỗn hợp (Lai) (hybrid stepper motor) ĐC bước biến từ trở ĐC bước biến từ trở Construction: