Người thực : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp BÀI VIẾT: CƠ BẢN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC ( STEPPING MOTOR FUNDAMENTALS _ COPYRIGHT BY MICROCHIP ) I GIỚI THIỆU: Động bước sử dụng rộng rãi ứng dụng điều khiển đo lường Một vài ứng dụng động bước đơn giản mà công ty Việt Vmicro thực hiện: XY table (CNC – close loop control), Boat loader (Furnace System), Bơm lưu lượng… Động bước (trong tài liệu gọi STEP) ứng dụng rộng rãi hệ thống máy từ đơn giản đến phức tạp, yêu cầu độ xác cao STEP có ( tạm thời) đặc tính sau: • Brushlesss ( không chổi than ): STEP loại động không chổi than • Load Independent ( độc lập với tải ): động bước quay với tốc độ ổn định tầm moment động • Open loop positioning ( điều khiển vị trí vòng hở): thông thường đếm xung kích động để xác định vị trí mà không cần phải có cảm biến hồi tiếp vị trí, ứng dụng đòi hỏi tính xác cao STEP thường sử dụng kết hợp với cảm biến vị trí : encoder, biến trở… • Holding Torque (moment giữ ): STEP giữ trục quay nó, so với động DC hộp số moment giữ STEP lớn nhiều • Excellent Response ( Đáp ứng tốt): STEP đáp ứng tốt khởi động, dừng lại đảo chiều quay cách dễ dàng II PHÂN LOẠI: Có loại động bước bản: • động nam châm vĩnh cửu • đông từ trở thay đổi • động lai ( nghĩa kết hợp hai loại động ) STEP nam châm vĩnh cửu động có rotor từ hóa, STEP từ trở thay đổi xoa rotor rãnh nhỏ, động lai (hybrid) kết hợp hai kĩ thuật tạo thành Stator STEP có nhiều cuộn dây quấn Sự xếp cuộn dây tạo nên hệ số thứ cấp, hệ số phân biệt thành loại động khác STEP nam châm vĩnh cửu loại STEP lai kết liên kết lại với để phân biệt thành chủng loại motor: đơn cực, lưỡng cực, STEP hai dây song song Sau sâu vào tìm hiểu đặt tính loại động trên: STEP từ trở thay đổi: thông thường loại STEP có cuộn dây với cấu tạo mô tả hình STEP từ trở thay đổi hình bao gồm cuộn dây nối chung đầu stator STEP có cực rotor có Chúng ta nhìn vào hình cuộn dây cấp điện, thể X vị trí cực Sau cuộn cấp điện lực PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 1/9 Người thực : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp từ sinh hút đầu Y cực 2, trường hợp cuộn cấp điện Y di chuyển phía cực lúc động STEP di chuyển ngược chiều kim đồng hồ Như thấy bước động di chuyển 30 độ, để thực vòng STEP phải di chuyển 12 bước ( winding : cuộn dây , time : thời gian thực ) Trên thực tế động STEP từ trở thay đổi có số cực số nhiều để di chuyển bước nhở STEP loại đạt tới độ / bước STEP đơn cực: STEP loại đơn cực bao gồm cuộn dây, cuộn nối cuộn, thông thường thực tế loại động dây ra, STEP loại điều khiển bẳng cách cho đầu dây chung nối lên nguồn đầu dây lại nối mass STEP loại đơn cực hoạt động giống tất động STEP nam châm vĩnh cữu STEP lai, nghĩa hoạt động nguyên tắc dòng từ thông ngắn cực stator rotor STEP hoạt động dựa lưc hút cực bắc cực nam rotor nhiễm từ vĩnh cữu cực stator tạo chiều dòng điện chạy qua stator Cực bắc nam rotor nam châm vĩnh cữu từ hóa trước, cực từ stator quy định tùy theo chiều di chuyển dòng điện qua cực stator, nguyên tắc từ thông hướng từ cực bắc đến cực nam Trên hình vẽ thấy cuộn dây 1a cấp điện chạy theo hướng từ xuống dưới, nghĩa đó, cực phía trở thành cực bắc phía cực nam, cực bắc cửa cuộn dây hút cực nam rotor làm cho rotor di chuyển, sau cấp điện cho cuộn 2a, cuộn bên trái trở thành cực bắc hút cực nam rotor làm cho rotor xoay theo chiều kim đồng hồ, ngược lại cấp điện cho cuộn 2b động quay ngược chiều kim đồng hồ, bước động STEP di chuyển góc 30 độ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 2/9 Người thực : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp Tại thời điểm có cuộn dây có điện, 1a 1b 2a 2b để thực hết vòng quay động phải di chuyển bước Ở phương pháp điều khiển thứ hai, thời điểm cuộn dây cấp điện, làm tăng thêm moment động cơ, động tiêu hao nhiều công suất Ở hai phương pháp bước động chuyển góc 30 độ (full step) Và kết hợp hai phương pháp động di chuyển bước 15 độ (half step) động di chuyển 24 bước / vòng Để có độ phân giải nhở cho bước di chuyển STEP cần phải tăng thêm số cực rotor động STEP STEP lưỡng cực: STEP lưỡng cực bao gồm cuộn dây, thực tế loại STEP có dây Không giồng với động loại đơn cực, thời điểm dòng điện qua toàn cuộn dây, nhờ moment sinh lớn nhiều so với STEP đơn cực Dòng điện qua hai cuộn dây hai chiều điều đòi hỏi cực động STEP phải thay đổi Dựa vào hình thấy dòng điện chạy từ đầu 1b sang đầu 1a Và dòng điện chạy theo hướng ngược lại đảo chiều cấp điện Vì để điều khiển động loại lưỡng cực cần mạch cầu H để thay đổi cực tính cuộn dây PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 3/9 Người thực : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp Phương pháp điều khiển động STEP loại lưỡng cực: Đối với phương pháp thời điểm có cuộn dây cấp điện, công suất tiêu thụ động thấp Và phương pháp thứ cuộn dây động cấp điện lúc, moment động cực đại công suất tiêu thụ động lúc lớn Và kết hợp hai phương pháp động STEP di chuyển góc 15 độ thay 30 độ trên, nhiên moment động sinh không STEP hai dây song song: Đối với loại STEP hoàn toàn đấu nối để trở thành động đơn cực lưỡng cực PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 4/9 Người thực : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp Chúng ta kết nối song song hai cuộn dây cần dòng điện hoạt động lớn, kết nối hai dây nối tiếp cần điện áp hoạt động lớn STEP lai: STEP lai loại kết hộp STEP từ thông thay đổi loại nam châm vĩnh cửu rotor cho động STEP lai có nhiều , giống loại từ thông thay đổi, chứa lõi từ hóa tròn đồng tâm xoay quanh trục Răng rotor tạo đường dẫn giúp định hướng cho từ thông ưu tiên vào lỗ không khí STEP lai lái giống STEP đơn cực lưỡng cực III LỰA CHỌN MOTOR BƯỚC: • So sánh động từ trở thay đổi với loại nam châm vĩnh cửu loại lai: Để lựa chọn động cho ứng dụng cần quan tâm đến loại động sử dụng phù hợp cho ứng dụng này, moment hệ thống nào, độ phức tạp điều khiển, đặc tính vật lý động Đối với loại động từ thông thay đổi, loại động có lợi từ đơn giản ứng dụng Nó không yêu cầu rotor từ thông vĩnh cửu phức tạp, hoạt động ổn định nhiều, so với loại nam châm vĩnh cửu Tuy nhiên, moment tất loại động bước giảm vận tốc tăng, nhiên STEP từ trở thay đổi giảm momet không đáng kể vận tốc tăng, loại STEP dạt tốc độ 10.000 bước/ giây Và STEP nam châm vĩnh cửu đạt 5.000 bước/giây, thông thường 1.000 bước/ giây Sự suy giảm moment không đáng kể loại từ trở thay đổi, nên loại động thường sử dụng không cần hộp giảm tốc, thường ứng dụng máy giặt Ngược lại động nam châm vĩnh cửu động STEP lai tạo tiếng ồn, loại từ trở thay đổi tiếng ồn tương đối lớn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 5/9 Người thực : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp Với hệ thống điều khiển thích hợp: động loại nam châm vĩnh cửu lai điều khiển vi bước phụ thuộc vào tỉ số dòng điện cuộn dây • So sánh động đơn cực lưỡng cực: Động loại lưỡng cực có moment sinh nhiều 30% so với loại đơn cực có kích thước Tuy nhiên động loại lưỡng cực lại có mạch điều khiển phức tạp so với loại đơn cực • So sánh động lai động nam châm vĩnh cửu: Step size : Nam châm vĩnh cửu : (3,6 - > 7,5 ) độ Lai : (0.9 - > 3.6 ) độ Và để có độ phân giải nhở hơn, sử dụng thêm hộp giảm tốc Moment : Moment vấn đề quan trọng lựu chọn động bước • Moment giữ: moment cần thiết để xoay trục động cuộn dây cấp điện • Moment kéo: moment sinh động xoay vận tốc ổn định, moment chống lại khả tăng tốc động mà không bị trượt bước • Moment kéo ra: moment làm cho động di chuyển động hoạt động • Moment chốt: moment đòi hỏi để xoay động cuộn dây động không cấp điện Trong tất loại moment hàm theo vận tốc dựa vào moment mà lựa chọn động phù hợp với tải, cho không bị trượt bước Và bị trượt bước điều khiển biết vị trí trục động đâu, hồi tiếp vị trí Tất loại moment ghi lại đặc tính động nhà sản xuất cung cấp Và nhớ rằng, trừ động từ trở thay đổi, loại lại moment thay đổi nhanh theo vận tốc Tuổi thọ : Khi lựa chọn động ,chúng ta chọn động phù hợp với moment cản tải, chọn tải làm việc có moment cản 40%-60% moment động Và sử dụng động môi trường ẩm ướt, xù xì, cần bảo vệ động để động hoạt động hiệu quả, tăng tuổi thọ động IV MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC CƠ BẢN: STEP từ trở thay đổi: Đối với STEP loại mạch điều khiển bao gồm Mosfet điều khiển đóng mở cuộn dây Khi Mosfet chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở, xuất xung điện áp, làm hỏng Mosfet, cần lắp them diode bảo vệ chuyển mạch PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 6/9 Người thực : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp STEP đơn cực: STEP loại cách điều khiển hoàn toàn tương tự cách điều khiển STEP loại từ trở thay đổi STEP lưỡng cực: Đối với step loại này, có hai cuộn dây, dòng điện qua cuộn dây đảo chiều, nên mạch điều khiển gồm cầu H PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 7/9 Người thực : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp Và sử dụng cầu H để lái động phải ý đến tượng trùng dẫn, nghĩa hai mosfet nhánh đóng, làm cho dòng điện tăng nhanh, đánh hỏng mosfet Trong mạch cầu hình sử dụng kết hợp mosfet loại N Q2, Q4 cho phân cực dương, Q1, Q3 cho phân cực âm Hiện tại, có nhiều hãng thiết kế IC cầu H với công suất tương đối phù hợp cho động loại vừa nhỏ, sử dụng module PWM vi điều khiển phù hợp cho việc điều khiển tốc độ động tạo khoảng thời gian delay tránh trùng dẫn Điều khiển vi bước (microstep) loại đơn cực lưỡng cực: Đối với STEP di chuyển bước đơn hoàn toàn, nghĩa kích điện áp trực tiếp, cách áp dụng động làm việc vận tốc thấp, nhược điểm lớn phương pháp moment động bị suy giảm nghiêm trọng tính cảm cuộn dây tạo thời hằng, lúc cần có thời gian để dòng điện qua cuộn dây dạt giá trị max PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 8/9 Người thực : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp Microstepping sử dụng để tăng độ phân giải bước cho động tạo chuyển đổi mịn bước Thông thường phương pháp Microstepping áp dụng hệ thống giới hạn tiếng ồn vấn đề cộng hưởng Microstepping làm việc nguyên tắc gia tăng dòng điện từ cuộn dây qua cuộn dây khác động bước Điều đạt nhờ vào việc điều xung điện áp cấp vào cuộn dây động Tỉ số điều xung cuộn dây giảm tỉ số điều xung cuộn dây lại tăng lên tạo chuyển bước mịn, không tạo tiếng ồn PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 9/9 ... vòng quay động phải di chuyển bước Ở phương pháp điều khiển thứ hai, thời điểm cuộn dây cấp điện, làm tăng thêm moment động cơ, động tiêu hao nhiều công suất Ở hai phương pháp bước động chuyển... lựa chọn động ,chúng ta chọn động phù hợp với moment cản tải, chọn tải làm việc có moment cản 40%-60% moment động Và sử dụng động môi trường ẩm ướt, xù xì, cần bảo vệ động để động hoạt động hiệu... chọn động bước • Moment giữ: moment cần thiết để xoay trục động cuộn dây cấp điện • Moment kéo: moment sinh động xoay vận tốc ổn định, moment chống lại khả tăng tốc động mà không bị trượt bước