KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ BƯỚC

Máy điện bao gồm động cơ điện và máy phát điện. Máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng. Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng. Trong thực tế động cơ điện được sử dụng rộng rãi hơn. Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số động cơ bước là cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động, điều khiển xa và nhiều thiết bị điện tử khác, nổi bật là trong các lĩnh vực sau: điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm, và máy in trong hệ máy tính, điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển vị trí trong các hệ quang khắc phức tạp, điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công, cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương chiều trong máy bay,… Động cơ bước là loại động cơ điện có nguyên tắc và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường.

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 2

1 Lí do chọn đề tài 2

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

4 Đối tượng nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Phạm vi nghiên cứu 3

PHẦN NỘI DUNG 4

I Giới thiệu động cơ bước 4

II Cấu tạo của động cơ bước 7

III Nguyên tắc hoat động của động cơ bước 9

VI Một số loại động cơ bước 17

KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

Máy điện bao gồm động cơ điện và máy phát điện Máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng Động cơ điện biến đổi điện năng thành

cơ năng Trong thực tế động cơ điện được sử dụng rộng rãi hơn

Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số động cơ bước là cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động, điều khiển xa và nhiều thiết bị điện tử khác, nổi bật là trong các lĩnh vực sau: điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm, và máy in trong hệ máy tính, điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển vị trí trong các hệ quang khắc phức tạp, điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công, cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương chiều trong máy bay,…

Động cơ bước là loại động cơ điện có nguyên tắc và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Để hiểu rõ hơn sự khác biệt

đó em đã tiến hành tìm hiểu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của động cơ

bước Đây chính là lí do em chọn đề tài: “Khảo sát động cơ bước”

Trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức còn hạn hẹp cũng như

kỹ năng phân tích chưa cao nên còn nhiều thiếu sót, kính mong thầy cô và

các bạn đóng góp thêm ý kiến để đề tài của em thành công hơn Em xin chân thành cảm ơn

2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là tìm hiểu về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của động cơ bước và phân loại động cơ bước, trên cơ sở phân loại để tìm hiểu cấu tạo cũng như nguyên tắc hoạt động của mỗi loại

3 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

Trước hết cần giới thiệu khái quát về động cơ bước, tìm hiểu về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của động cơ Sau đó phân loại động cơ bước và

đi sâu nghiên cứu cấu tạo cũng như nguyên tắc hoạt động của từng loại động cơ bước

4 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và

phân loại động cơ bước

5 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của đông cơ bước và tìm hiểu một số loại động cơ bước

6 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được nghiên cứu bằng phương pháp nghiên cứu lí thuyết: thu thập, xử lí thông tin trên mạng internet, các tài liệu trong sách báo,…có liên quan đến động cơ bước

PHẦN NỘI DUNG

I Giới thiệu động cơ bước

Các hệ truyền động rời rạc thường được thực hiện nhờ động cơ chấp hành đặc biệt gọi là động cơ bước Động cơ bước là một loại động cơ điện

có nguyên tắc và ứng dụng khác biệt với đa số các loại động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rotor và có khả năng cố định rotor vào những vị trí cần thiết

Động cơ bước là động cơ điện một chiều không chổi than chia một vòng quay đầy đủ vào một số bước bằng nhau Cụ thể, các mấu trong động

cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ mà không cần cảm biến thông tin phản hồi (một bộ điều khiển vòng hở )

Hình 1: Cấu tạo của một động cơ bước đơn giản (đơn cực)

Như hình 1 minh họa: bên trong động cơ bước có 4 cuộn dây stator được sắp xếp theo cặp đối xứng qua tâm Rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc vật liệu dẫn từ có nhiều răng Động cơ bước hoạt động trên cơ sở lý thuyết điện - từ trường : các cực cùng dấu đẩy nhau và các cực khác dấu hút nhau Chiều quay được xác định bởi từ trường của stator, mà từ trường này là do dòng điện chạy qua lõi cuộn dây gây nên Khi hướng của dòng thay đổi thì cực từ trường cũng thay đổi theo, gây nên chuyển động ngược lại của động

cơ (đảo chiều)

 Khung 1: Nam châm điện đầu (1) được bật, hút răng gần nhất của bánh răng rotor Với các răng thẳng hàng với nam châm điện 1, chúng sẽ được giảm tối thiểu từ trở từ nam châm điện bên phải (2)

 Khung 2: Nam châm điện đầu (1) bị tắt, và nam châm điện bên phải (2) được kích hoạt, kéo răng vào liên kết với nó Điều này dẫn đến rotor quay 3,6 ° trong ví dụ này

 Khung 3: Các nam châm điện dưới (3) đươc kích hoạt, rotor quay 3,6 ° tiếp theo

 Khung 4: Các nam châm điện bên trái (4) được kích hoạt, rotor lại quay 3,6° Khi nam châm điện đầu (1) một lần nữa được kích hoạt, rotor sẽ

quay bằng một vị trí răng, khi có 25 răng, nó sẽ mất 100 bước để quay đủ một vòng trong ví dụ này

Động cơ bước làm việc được là nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stator theo một thứ tự nhất định 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 đổi và tần số chuyển đổi

Nếu xét trên phương diện dòng điện, khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stator (phần ứng) của động cơ bước, thì rotor (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động

cơ Ở đây ta có thể định nghĩa về góc bước (Step Angle) là độ quay nhỏ nhất của một bước do nhà sản xuất quy định

Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì rotor sẽ quay liên tục (thực chất chuyển động đó vẫn theo các bước rời rạc)

Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện (hay thiết bị) số (Digital Device) mà ở đó các thông tin được số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theo từng bước Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá mà máy tính yêu cầu

Động cơ bước có vai trò rất quan trọng trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, tự động hóa,…vì nó là cơ cấu chấp hành trung thành với những lệnh đưa ra dưới dạng số, nó chấp hành chính xác Ta có thể điều khiển nó quay một góc bất kỳ, chính xác, dừng lại ở một vị trí nào đó ta

muốn Vì vậy nó được ứng dụng nhiều trong tự động hóa và điều khiển số

Máy tính điều khiển động cơ bước là một loại hệ thống định vị điều khiển chuyển động Nó thường được điều khiển bằng kỹ thuật số như là một phần của một hệ thống vòng lặp mở để sử dụng trong cơ cấu hoặc ứng dụng định vị

Trong lĩnh vực laser và quang học động cơ bước thường được sử dụng trong các thiết bị định vị chính xác như thiết bị truyền động tuyến tính, giai đoạn tuyến tính, giai đoạn quay, giác kế, điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát Sử dụng trong các lĩnh vực khác là máy móc đóng gói, vị trí của van điều khiển giai đoạn cho các hệ thống kiểm soát chất lỏng, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay

Thương mại, động cơ bước được sử dụng trong ổ đĩa mềm, máy quét phẳng, máy in máy tính, máy vẽ, khe máy, máy quét hình ảnh, đĩa CD, ánh sáng thông minh, và ống kính máy ảnh

Rất nhiều ứng dụng đòi hỏi cơ cấu chuyển động có độ chính xác cao, chuyển động êm cho thấy vai trò của động cơ bước rất quan trọng

II Cấu tạo của động cơ bước

Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

Cấu tạo của động cơ bước gồm 2 bộ phận chính: phần tĩnh (stator)

và phần quay (rotor)

Hình 2: Cấu tạo động cơ bước

1 Phần tĩnh (stator)

Gồm các bộ phận chính là lõi thép và dây quấn

 Lõi thép stator do nhiều lá thép kỹ thuật điện đã rập sẵn rồi ghép cách điện với nhau tạo thành khối hình trụ rỗng Bề dày mỗi lá thép thường

từ 0,35 mm đến 0,5 mm Phía trong lõi thép có các rãnh để đặt dây quấn

 Dây quấn stator là loại dây điện từ, có thể làm bằng đồng hoặc bằng nhôm được bọc cách điện Dây quấn stator được chia thành nhiều pha dây quấn, trên mỗi pha lại được chia thành nhiều cuộn dây, mỗi cuộn dây

có W số vòng dây Dây quấn stator tùy theo loại động cơ mà có cấu tạo khác nhau Ở loại động cơ bước lưỡng cực, mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất; bằng cách đảo chiều dòng điện trong các cuộn dây thì cực từ cũng bị đảo Ở loại động cơ bước đơn cực, nó gồm hai cuộn dây trên mỗi cực, khi mỗi cuộn dây được cung cấp năng lượng nó sẽ tạo thành cực bắc nam tương ứng và dòng điện trong cuộn dây không cần đổi chiều

Ngoài ra còn có vỏ máy dùng để bảo vệ và giữ chặt lõi thép stator,

vỏ máy thường làm bằng nhôm hoặc hợp kim của nhôm; hai đầu có nắp máy để đỡ trục rotor và bảo vệ dây quấn

2 Phần quay (rotor)

Rotor của động cơ bước tùy theo tưng lại mà có cấu tạo khác nhau

a) Rotor của động cơ bước nam châm vĩnh cữu có cấu tạo thường không có răng cực từ, được từ hoá vĩnh cửu vuông góc với trục (ngang trục) và được lồng vào phía trong của stator Cực từ của rotor thường là 2 hoặc 6 cực từ (N - S) xen kẽ nhau

b) Rotor của động cơ bước từ trở biến thiên có răng cực từ Rotor được làm bằng vật liệu dẫn từ (sắt non) có từ trở thay đổi theo góc quay

c) Rotor của động cơ bước lai là sự kết hợp các đặc điểm rotor của động cơ bước nam châm vĩnh cữu và động cơ bước từ trở biến thiên Rotor được làm bằng nam châm vĩnh cữu nhỏ bọc xung quanh trục, các răng cực

từ được làm bằng vật liệu dẫn từ gắn trên mỗi đầu nam châm vĩnh cữu

III Nguyên tắc hoạt động của động cơ bước

Hình 3: Một động cơ bước

1) Nguyên tắc hoạt động

Động cơ điện một chiều có chổi than quay liên tục khi đặt điện áp vào hai đầu của nó Động cơ bước được biết đến bởi tính chất quan trọng của nó là để chuyển đổi một chuỗi các xung điện vào thành các xung vuông tức là các dịch chuyển trục Mỗi xung di chuyển trục thông qua một góc cố định Động cơ bước có hiệu quả khi các nam châm điện bố trí xung quanh một thiết bị hình bánh răng ở trung tâm Các nam châm điện được cấp điện bởi một mạch điều khiển bên ngoài, chẳng hạn như một vi điều khiển Để trục động cơ quay, đầu tiên, một nam châm điện được cung cấp điện năng, tạo từ tính hút răng của bánh răng Khi răng của bánh răng được liên kết với các nam châm điện đầu tiên, nó được giảm tối thiểu từ trở từ các nam châm điện tiếp theo Vì vậy, khi các nam châm điện tiếp theo được bật và nam châm đầu tiên bị tắt, bánh răng quay nhẹ đến vị trí kế tiếp,

và từ đó quá trình này được lặp đi lặp lại Mỗi góc quay được gọi là một

"bước", với một số nguyên các bước tạo thành một vòng quay đầy

đủ Bằng cách đó, động cơ có thể được quay bằng một góc chính xác

Khác với động cơ đồng bộ thông thường, rotor của động cơ bước không có cuộn dây khởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số, rotor của động cơ bước có thể được kích thích (rotor tích cực) hoặc không được kích thích (rotor thụ động)

2) Mạch điều khiển động cơ bước

Hình 4: Sử dụng động cơ bước với truyền động theo kiểu Adafruit

Hiệu suất động cơ bước phụ thuộc rất nhiều vào các mạch truyền động Đường cong momen xoắn có thể được mở rộng với tốc độ lớn hơn nếu các cực stator có thể được đảo ngược nhanh chóng hơn, yếu tố hạn chế

là độ tự cảm cuộn dây Để khắc phục cảm kháng và chuyển đổi các cuộn dây một cách nhanh chóng, người ta phải tăng điện áp điều khiển Điều này cho thấy sự cần thiết phải hạn chế dòng điện là các điện áp cao có thể tạo

dụng momen xoắn cho các trục động cơ bước Dòng điện I trong mỗi cuộn dây có liên quan đến điện áp V bằng cuộn dây cảm kháng L và điện trở cuộn dây R Các điện trở R xác định dòng điện tối đa theo định luật

Ohm Cảm kháng L xác định tỷ lệ tối đa của sự thay đổi của dòng

điện trong cuộn dây theo công thức cho một điện cảm

Vì vậy, khi điều chỉnh bởi một truyền động, tốc độ tối đa của một động cơ bước được giới hạn bởi điện cảm của nó kể từ lúc tăng tốc, điện áp U sẽ được thay đổi nhanh hơn so với dòng điện I có thể duy trì Trong thuật ngữ đơn giản tốc

độ thay đổi dòng điện là L / R (ví dụ như một cảm kháng 10 mH với điện trở 2 Ω sẽ mất 5 ms đạt xấp xỉ 2/3 momen xoắn tối đa hoặc khoảng 24 ms

để đạt được 99% momen xoắn tối đa) Để có được momen xoắn cao ở tốc

độ cao đòi hỏi một điện áp điều khiển rộng với điện trở thấp và cảm kháng thấp

Với một truyền động có thể kiểm soát một điện trở động cơ điện áp thấp với một điều khiển điện áp cao hơn chỉ đơn giản bằng cách thêm một điện trở nối tiếp bên ngoài với mỗi cuộn dây Điều này sẽ lãng phí năng lượng trong các điện trở, và tạo ra nhiệt Do đó, nó được coi là một lựa chọn hiệu suất thấp, mặc dù đơn giản và rẻ tiền

b) Bộ tạo xung để chuyển mạch

Bộ tạo xung để chuyển mạch được gọi là điều khiển dòng điện liên tục bởi vì nó tạo ra một phần dòng điện không đổi trong mỗi cuộn dây chứ không phải là áp dụng một điện áp không đổi.Trên mỗi bước tiến mới, một điện áp rất cao được áp dụng cho cuộn dây ban đầu Điều này làm cho dòng điện trong cuộn dây tăng nhanh chóng kể từ khi

trong đó V

là rất lớn Dòng điện trong mỗi cuộn dây được giám sát bởi bộ điều khiển, thông thường bằng cách đo điện áp trên một điện trở nhỏ nối tiếp với mỗi cuộn dây Khi dòng điện vượt quá giới hạn dòng điện quy định, điện áp bị

tắt hoặc "ngắt quãng", thường sử dụng bóng bán dẫn điện Khi dòng điện giảm xuống dưới giới hạn quy định, điện áp được bật trở lại Bằng cách này, dòng điện được giữ tương đối ổn định cho một vị trí bước cụ thể Điều này đòi hỏi bổ sung thiết bị điện tử dòng điện trong cuộn dây, và kiểm soát các chuyển mạch, nhưng nó cho phép động cơ bước được truyền động với momen xoắn cao hơn ở tốc độ cao hơn so với các mạch truyền động Điện

tử tích hợp cho mục đích này là phổ biến rộng rãi

3) Dạng sóng dòng điện pha

Một động cơ bước là động cơ đồng bộ AC nhiều pha, và truyền động

lý tưởng của nó bởi dòng điện hình sin Một bước sóng đầy đủ là gần giống với toàn phần của một hình sin, và là lý do tại sao động cơ thực hiện rất nhiều dao động Kỹ thuật điều khiển khác nhau đã được phát triển để gần giống hơn dạng sóng hình sin: đây là nửa bước và động cơ bước cỡ nhỏ

Hình 5: Chế độ điều khiển khác nhau cho thấy dòng điện trên cuộn

dây 4 pha động cơ bước đơn cực

a) Truyền động sóng hoặc truyền động toàn bước (một pha trên)

Trong phương pháp truyền động này chỉ là một pha duy nhất được kích hoạt tại một thời điểm Nó có cùng một số bước như điều khiển cả bước, nhưng động cơ sẽ có tốc độ momen xoắn nhỏ hơn đáng kể Nó ít khi được sử dụng Hình hiển thị ở trên là một động cơ truyền động sóng Trong hình hiển thị ở trên (hình 1), rotor có 25 răng và phải mất 4 bước để xoay bởi một vị trí răng Vì vậy, sẽ có 25 * 4 = 100 bước mỗi vòng quay đầy đủ

và từng bước sẽ là 360/100 = 3,6 0

b) Truyền động toàn bước (hai pha trên)

Đây là phương pháp thông thường để điều khiển đầy đủ bước động

cơ Hai pha động cơ sẽ luôn cung cấp tốc độ momen xoắn của nó tối

đa Ngay sau khi một pha bị tắt, một số khác được bật Truyền động sóng

và một pha đầy đủ bước là một và giống nhau, với cùng một số bước nhưng sự khác biệt trong momen xoắn

8 bước để xoay 1 vị trí răng Vì vậy, sẽ có 25 * 8 = 200 bước mỗi vòng quay đầy đủ và từng bước sẽ là 360/200 = 1,80

Góc của mỗi bước là một nửa của bước đầy đủ

d) Động cơ bước cỡ nhỏ

Những gì thường được gọi là động cơ bước cỡ nhỏ thường là "sin cos động cơ bước cỡ nhỏ", trong đó dòng điện trong cuộn dây gần giống một dạng sóng AC hình sin Sin cos động cơ bước cỡ nhỏ là hình thức phổ biến nhất, nhưng những dạng sóng khác có thể được sử dụng Bất kể các dạng sóng nào được sử dụng, như các bước nhỏ trở nên nhỏ hơn, hoạt động động cơ trở nên nhẹ nhàng hơn, do đó làm giảm đáng kể cộng hưởng trong bất kỳ bộ phận động cơ có thể được kết nối, cũng như bản thân động

cơ Độ phân giải sẽ được giới hạn bởi các ma sát cơ học, khoảng trống, và các nguồn khác của sai số giữa động cơ và các thiết bị đầu cuối Thiết bị biến đổi có thể được sử dụng để tăng độ phân giải của định vị

Kích thước bước lặp lại là một đặc tính quan trọng của động cơ bước

và một lý do cơ bản để sử dụng trong định vị

Ví dụ: nhiều động cơ bước lai hiện đại đạt tốc độ như vậy mà việc dịch chuyển của tất cả các bước đầy đủ (ví dụ 1,80 mỗi bước đầy đủ hoặc

200 bước quay đầy đủ) sẽ nằm trong 3% hoặc 5% việc dịch chuyển của tất

cả các bước đầy đủ khác, miễn là động cơ được hoạt động trong phạm vi hoạt động quy định của nó Một số nhà sản xuất cho thấy động cơ của họ

có thể dễ dàng duy trì 3% hoặc 5% kích thước bước dịch chuyển như kích thước bước giảm từ đầy đủ bước xuống đến 1/10 bước Sau đó, số bước chia nhỏ nhất được tăng lên, làm giảm kích thước bước lặp lại Giảm kích thước bước lớn có thể dẫn đến nhiều truyền động bước nhỏ trước khi bất

kỳ chuyển động xảy ra ở tất cả và sau đó là chuyển động có thể là một

"bước nhảy" đến một vị trí mới

4) Momen xoắn của động cơ bước

a) Momen xoắn kéo trong

Đây là số đo của momen xoắn được tạo ra bởi một động cơ bước khi

nó được hoạt động ở chế độ mà không có gia tốc Ở tốc độ thấp động cơ