Bài giảng động cơ bước stepper motor

Cái tên động cơ bước được sử dụng bởi vì nó quay 1 góc cố định đáp ứng theo xung điện nhận vào từ bộ điều khiển... The name stepper is used because this motor ratates through a fixed ang

ĐỘNG CƠ BƯỚC STEPPER MOTOR

 Giới thiệu về động cơ bước

(variable - reluctance stepper motor)

+ Nam châm vĩnh cữu_PMSM

(permanent-magnet stepper motor)

+ Hỗn hợp (lai)

(hybrid stepper motor)

NỘI DUNG CHÍNH

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 này cung cấp giới thiệu ngắn gọn về các máy điện có ứng dụng đặc biệt Đó là các máy mà dây quấn stator được cấp điện bởi các 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: các loại động cơ bước, động cơ DC không chổi than và động cơ 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 như mô tả ngắn gọn động cơ servo dc/ac, Synchro (động cơ tự đồng bộ) và Resolver Những động cơ này ban đầu được thiết kế và xây dựng trong các 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 chúng ta biết, động cơ công nghiệp dùng để biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ, nhưng chúng lại không thể điều chỉnh vị trí 1 cách chính xác hay điều khiển tốc độ chính 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 cơ bước được sử dụng bởi vì nó quay 1 góc cố định đáp ứng theo xung điện nhận vào từ bộ điều khiển

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 cơ bước được sử dụng bởi vì nó quay 1 góc

cố định đáp ứng theo xung điện nhận vào từ bộ 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 bởi vì

sự bùng nổ của nền công nghiệp máy vi tính Sự phổ biến của chúng là do thực tế chúng có thể được điều khiển trực tiếp bởi máy vi tính, vi xử lý và các bộ điều khiển lập trình.

Tại sao gọi là động cơ bước?

Đặc điểm của động cơ 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 well- suited for open-loop position control because no feedback need

be taken from the output shaft.

ĐC bước có trục ngõ ra quay những góc rời rạc hay gọi là bước, mỗi bước đáp ứng với mỗi xung lệnh nhận vào Khi xác định được số xung lệnh cấp vào thì trục quay sẽ xác định được góc quay Thực tế này rất phù hợp cho ĐC hoạt động trong mạch điều khiển vòng hở bởi vì sẽ không cần hồi tiếp ở đầu trục ĐC.

Đặc điểm của động cơ bước

Such motors develop torques ranging from 1µN-m (in a tiny wrist watch motor of 3 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 trong các đồng hồ đeo tay nhỏ với đường kính 3mm) lên tới 40 N-m trong các ĐC đường kính 15cm thích ứng cho các máy công cụ Dải công suất ngõ ra từ 1W tới tối đa 2500W Phần di chuyển duy nhất trong ĐC bước là rotor của nó, trong đó không có cuộn dây, vành góp hay chổi than Đặc điểm này làm cho ĐC trở nên khá mạnh và an toàn.

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 được thiết kế để hoạt động trong chu trình lâu dài mà rotor giữ cố định ở một vị trí với dòng định mức trong cuộn dây stator Điều này có nghĩa là khi ĐC dừng ở 1 vị trí cố định thì sẽ không có vấn đề gì trong khi phần lớn các loại ĐC khác thì khi dừng như vậy kết quả là sự phá hủy của lực điện động và với dòng cao thì sẽ gây cháy hỏng một cách nhanh chóng.

Đặc điểm của động cơ bước

Góc bước

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

trên mỗi vòng quay cao hơn và độ

phân giải cao hơn hay đạt được độ

chính xác trong 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 và 15o.

Góc bước có thể nhỏ như 0.72o hay lớn đến 90o Nhưng thông thường, độ rộng góc bước phổ biến là 1.8o, 2.5o, 7.5o và 15o

The angle through which the motor shaft rotates for each command pulse is called the step angle β.

Góc quay mà trục ĐC quay được khi nhận 1 xung lệnh được gọi là góc bước β

The value of step angle can be expressed either in terms of the rotor and stator poles (teeth) Nr and Ns repestively or in terms of the number of stator phases (m) and the number of rotor teeth.

Giá trị của góc bước được thể hiện thông qua số lượng cực (răng) tương ứng của rotor (Nr) và stator (Ns) hay số pha của stator (m) và số răng của rotor

m.Nr Sè pha stator Sè r¨ng rotor

of objects by the motor.

Độ phân giải cao hơn, độ chính xác trong việc xác định vị trí đối tượng bằng ĐC sẽ cao hơn.

Độ phân giải = Số lượng bước/vòng quay = 360o/ β

Tốc độ quay

very high stepping rates (upto 20000 steps per second 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 giây ở 1 vài loại ĐC) nhưng vẫn đồng bộ với xung lệnh Khi ở tần số xung cao, trục quay xem 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

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 (pps- pulses per second) và β là góc bước, thì tốc độ ĐC được xác định như sau:

n = β x f/ 360 rps = độ phân giải tần số xung

If the stepping rate is increased too quickly, the motor loses synchronism and stop Same thing happens if when the motor

is slewing, command pulse are sudddenly stopped instead of being grogressively slowed.

Nếu tần số bước tăng quá nhanh thì, thì ĐC bị mất đồng bộ

và dừng Điều này cũng xảy ra khi ĐC đang quay mà xung lệnh tắt đột ngột thay vì giảm từ từ.

Tốc độ quay

Ví dụ 1

Một ĐC bước biến từ trở lai có 8 cực chính, mỗi cực

có 5 răng Nếu rotor có 50 răng, tính góc bước.

Ns = 8 x 5 = 40, Nr = 50

β = (50 – 40) x 360o/50 x 40 =

1.8o

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

Những ứng dụng đòi hỏi sự dịch chuyển liên tục như máy đánh chữ, máy in, ổ băng, ổ đĩa, máy điều khiển bằng số, hệ thống điều khiển tiến trình và máy vẽ đồ thị XY

They also take part in the manufacture of packed food stuffs, commercial end-products and even the production of science fiction movies.

Chúng cũng tham gia một phần trong việc đóng gói các sản phẩm thức ăn, các sản phẩm thương mại mà các bộ phim khoa học viễn tưởng

Hỗn hợp (Lai)

(hybrid stepper

motor)

ĐC bước biến từ trở

2

3 4

5 6

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 từ với

các cực lồi như hình

The stator is made from a stack of steel

lamination and has sis equally-spaced

projecting poles (or teeth) each wound with an

exciting coil.

Stator được làm từ những lá thép và

có 6 cực nhô ra (hay răng) mỗi cực chứa

1 cuộn dây cảm ứng

The rotor which may be solid or laminated

has four projecting teeth of the same width as

the stator teeth.

As seen, there are three independent stator circuit or phases A, B and C and each one can be energized by a direct current pulse from the drive circuit (not show

in the figure).

Stator có 3 mạch hay 3 pha A, B, C riêng và mỗi pha sẽ được vận hành

từ bộ điều khiển bên ngoài

1

2 3

4 Stator

A simple circuit arrangement for

supplying current to the stator coils in

proper sequence is shown in Fig 3.92 (e).

Một mạch điện luân chuyển điện vào các

cuộn dây stator một cách trình tự như hình

The sis stator coils are connected in

2-coil groups to form three separate circuit

called phases Each phase has its own

independent switch.

6 cuộn dây stator đấu nối thành từng

cặp tạo thành 1 mạch 3 pha riêng biệt

Mỗi pha có công tắc đóng mở riêng

ĐC bước biến từ trở

Although shown as mechanical switches in Fig 39.2 (e), in actual

practice, switching of phase currents is done with the help of solid-state

control.

Mạch đóng tắc nguyên lý được cho như hình, nhưng trên thực tế cần

sự trợ giúp điều khiển của vật liệu bán dẫn

Energizing one or more stator coils cause

the rotor to step forward (or backward) to a

position that forms a path of least reluctance

with 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

+ 1 pha ON hay bước đủ

Fig 39.2 (a) shows the position of the rotor when switch S1 has been closed for energizing phase A A magnetic field with its axis along the stator poles of phase A is created The rotor is therefore, attracted into a position of minimum reluctance with diametrically opposite rotor teeth 1 and 3 lining up with stator teeth 1 and 4 respectively.

nhất với răng 1 và 3 của

rotor thẳng hàng với răng

1 và 4 của stator (góc

0o)

ĐC bước biến từ trở

+ 1 pha ON hay bước đủ

Closing S2 and opening S1 energizes phase B causing rotor teeth 2 and 4 to align with stator teeth 3 and 6 respestively

as shown in Fig 39.2 (b) The rotor rotates through full-step of 30o in the clockwise (CW) direction.

Đóng S2 và mở S1

cho pha B hoạt động

làm cho răng 2 và 4 của

rotor thẳng hàng với

răng 3 và 6 của stator

như hình.

Rotor quay 1 góc 30o

theo chiều kim đồng hồ.

ĐC bước biến từ trở

+ 1 pha ON hay bước đủ

Similarly, when S3 is closed after opening S2, phase C is energized which causes rotor teeth 1 and 3 to line up with stator teeth 2 and

5 respestively as shown in Fig 39.2 (c) The rotor rotates through an additional angle of 30o in the clockwise (CW) direction

của stator như hình

Rotor tiếp tục quay

thêm 1 góc 30o theo

chiều kim đồng hồ

+ 1 pha ON hay bước đủ

ĐC bước biến từ trở

Next if S3 is opened and S1 is closed again, the rotor teeth 2 and 4 will align with stator teeth 4 and 1 respectively thereby making the rotor turn through a further angle of 30o as shown in Fig 39.2 (d) By now the total angle turned is 90o.

Kế tiếp nếu S3 mở ra và S1

được đóng lại, răng 2 và 4 của rotor

thành hàng với răng 4 và 1 của

stator và làm cho rotor quay tiếp

được 1 góc 30o như hình.

Lúc này tổng góc quay là 90o.

This mode of operation is known as 1-phase-ON mode or Full-step operation and is the simplest and widely-used way of making the motor step

Chế độ này được gọi là 1 pha ON hay bước đủ và là cách đơn giản và phổ 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

As each switch is closed and preceding one opened, the rotor each time

rotates through an angle of 30o By repetitively closing the switches in the

sequence 1-2-3-1 and thus energizing stator phases in sequence ABCA etc., the rotor will rotate clockwise in 30o steps If the switch sequence is made

3-2-1-3 which makes phase sequence CBAC (or ACB), the rotor will rotate anticlockwise.

Khi mỗi công tắc đóng lại và công tắc trước nó mở ra, Rotor mỗi lần quay được 1 góc 30o Lặp đi lặp lại theo các bước 1-2-3-1 và stator theo các pha ABCA… Rotor sẽ quay theo chiều kim đồng hồ 30o mỗi bước Nếu sắp xếp theo 3-2-1-3 làm stator theo các pha CBAC (hay ACB), rotor

sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ

ĐC bước biến từ trở + 1 pha ON hay bước đủ

In this mode of operation, two stator phases are excited

simultaneously When phases A and B are energized together, the rotor

experiences torques from both phases and comes to rest at a point mid-way between the two adjacent full-step positions.

Ở chế độ này, 2 pha sẽ cảm ứng đồng thời Khi pha A và B hoạt động đồng thời, moment sẽ đến từ cả hai pha bằng lực hút tại điểm giữa 2 bước

đủ cạnh nhau

If the stator phases are witched in the sequence AB, BC, CA, AB etc., the motor will take full steps of 30o each (as in the 1-phase-ON mode) but its equilibrium positions will be interleaved between the full-step positions.

Nếu stator được đóng tắc cho các pha theo thứ tự AB, BC, CA, AB thì rotor sẽ bước đủ với góc 30o mỗi lần nhưng vị trí cân bằng của nó sẽ xen

kẽ giữa những vị trí bước đủ

The 2-phases-ON mode provides greater holding torque and a much better damped single-stack reponse than the 1-phase-ON mode of operation.

Chế độ 2 pha ON cho moment giữ tốt hơn và giảm rung động hơn so với chế độ 1 pha ON

+ 2 pha ON Bảng trạng thái hoạt động

ĐC bước biến từ trở