Tìm hiểu hệ truyền động – Động cơ bước

24 1K 0
 Tìm hiểu hệ truyền động – Động cơ bước

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

TÌM HIỂU HỆ TRUYỀN ĐỘNG – ĐỘNG CƠ BƯỚC Yêu cầu: Cấu tạo động cơ. Phân loại động cơ. Nguyên tắc điều khiển động cơ. Các loại Driver có sẵn trên thị trường. Ứng dụng của hệ. Lời nói đầu Trong điều khiển chuyển động kĩ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số.Đức,Nhật,Trung quốc,Mỹ,v,v…là những nước chế tạo nhiều động cơ bước, trong đó chủ yếu là loại 2 cuộn, 4 cuộn, và 5 cuộn dây pha.Chúng được sử dụng ngày càng 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

Báo cáo chuyên đề chuyền động điện TÌM HIỂU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG BƯỚC Yêu cầu: • Cấu tạo động cơ. • Phân loại động cơ. • Nguyên tắc điều khiển động cơ. • Các loại Driver sẵn trên thị trường. • Ứng dụng của hệ. ♪SVTH:Nguyễn Xuân Hòa (lớp đại học công nghệ kĩ thuật điện 3-haui 2009-2013) 1 Báo cáo chuyên đề chuyền động điện Lời nói đầu Trong điều khiển chuyển động kĩ thuật số, động bước là một cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số.Đức,Nhật,Trung quốc,Mỹ,v,v…là những nước chế tạo nhiều động bước, trong đó chủ yếu là loại 2 cuộn, 4 cuộn, và 5 cuộn dây pha.Chúng được sử dụng ngày càng 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 cấu lái phương và chiều trong máy bay v.v… Nội dung báo cáo nghiên cứu những vấn đề và khái niệm bản như cấu tạo, phân loại, nguyên tắc điều khiển động cơ,một vài loại driver sẵn trên thị trường, ứng dụng của hệ truyền động động bước.Nội dung báo cáo chỉ đề cập tới những khái niệm và vấn đề bản của đông bướchệ truyền động sử dụng động bước, mặc dù sự hướng dẫn tận tình của giảng viên nhưng do trình độ hạn nên trong bài viết của em còn nhiều thiếu sót không thể tránh khỏi, em rất mong nhận được sự giúp đỡ góp ý của thầy để em thể hiểu thêm về nội dung liên quan bản báo cáo của mình đã chọn. ♪SVTH:Nguyễn Xuân Hòa (lớp đại học công nghệ kĩ thuật điện 3-haui 2009-2013) 2 Báo cáo chuyên đề chuyền động điện Chương 1 CẤU TẠO ĐỘNG I. KHÁI NIỆM Động bước thể được mô tả như là một động điện không dùng bộ chuyển mạch. Cụ thể, các mấu trong động là Stator và Rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ từ tính. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bộ điều khiển, và đặc biệt các động và bộ điều khiển được thiết kế để động thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào. Hầu hết các động bước thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở vị trí bất kỳ nào đó. Động bước là một loại động điện nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động điện thông thường. Thực chất nó là một động đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc chuyển động của rotor khả năng cố định rô to ở những vị trí cần thiết. Động bước thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản,những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển vòng kín với động bước. Nếu một động bước trong hệ điều khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại; servo motor thì không xảy ra vấn đề này. II. CẤU TẠO Về cấu tạo động bước thể coi là tổng hợp của hai động : 1. Động một chiều không tiếp xúc 2. Động đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ Hình 2.1 hình dạng của một loại động bước ♪SVTH:Nguyễn Xuân Hòa (lớp đại học công nghệ kĩ thuật điện 3-haui 2009-2013) 3 Báo cáo chuyên đề chuyền động điện Chương 2 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG BƯỚC I.Phân loại • Xét về cấu tạo động bước 3 loại chính: ◦ Động bước nam châm vĩnh cửu ◦ Động bước biến trở từ ◦ Động bước lai (động bước hỗn hợp) Về bản động bước lai không khác biệt gì với động nam châm vĩnh cửu Nếu mất đi nhãn trên động nam châm vĩnh cửu hoặc động biến trở từ, các bạn vẫn thể phân biệt hai loại động này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng. Động nam châm vĩnh cửu dường như các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của chúng, trong khi động biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm thấy chúng cũng những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Bạn cũng thể phân biệt hai loại động này bằng ohm kế. Động biến từ trở thường 3 mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động nam châm vĩnh cửu thường hai mấu phân biệt, hoặc không nút trung tâm. Nút trung tâm được dùng trong động nam châm vĩnh cửu đơn cực. Động bước phong phú về góc quay. Các động kém nhất quay 90 độ mỗi bước, trong khi đó các động nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 0 đến 0.72 0 mỗi bước. Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước. Đối với cả động nam châm vĩnh cửu hoặc động biến từ trở, nếu chỉ một mấu của động được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ (hold torque) của động cơ. I. Động nam châm vĩnh cửu Động nam châm vĩnh cửu lại được chia làm 3 loại: Kiểu đơn cực, kiểu lưỡng cực, kiểu nhiều pha. 1. Kiểu đơn cực. Hình 1.1 ♪SVTH:Nguyễn Xuân Hòa (lớp đại học công nghệ kĩ thuật điện 3-haui 2009-2013) 4 Báo cáo chuyên đề chuyền động điện Động bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động hỗn hợp, với 5, 6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 1.1, với một đầu nối trung tâm trên các cuộn. Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó. Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và bên trái động cơ. Rotor là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và 3 Bắc, xếp xen kẽ trên vòng tròn. Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải nhiều cực đối xứng hơn. Động 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động nam châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động bước 15 độ và 7.5 độ là khá lớn. Người ta cũng đã tạo ra được động nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1.8 độ và với động hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất thể đạt được là 3.6 độ đến 1.8 độ, còn tốt hơn nữa, thể đạt đến 0.72 độ. Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay động một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông theo dãy: Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110011001 Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110 Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100 Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011 thời gian ‐‐> thời gian ‐‐> Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai dãy nêu trên sẽ quay một động nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm. Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên. Vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoắn lớn hơn dãy bên trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần. Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả, kết hợp 2 chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động một cách lần lượt tại những vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên. Chuỗi kết hợp như sau: Mấu 1a 11000001110000011100000111 Mấu 1b 00011100000111000001110000 Mấu 2a 01110000011100000111000001 Mấu 2b 00000111000001110000011100 Thời gian ‐‐> ♪SVTH:Nguyễn Xuân Hòa (lớp đại học công nghệ kĩ thuật điện 3-haui 2009-2013) 5 Báo cáo chuyên đề chuyền động điện . hình 1.2 hình minh họa cấp xung điều khiển 1.Kiểu lưỡng cực Động nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp lưỡng cực cấu trúc khí giống y như động đơn cực, nhưng hai mấu của động được nối đơn giản hơn, không đầu trung tâm. Vì vậy, bản thân động thì đơn giản hơn, nhưng mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động thì phức tạp hơn. Minh hoạ ở hình 1.3 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở đây giống y như ở hình 1.1. Mạch điều khiển cho động đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi mấu. Tóm lại, một cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mấu được điều khiển một cách độc lập. Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loại động này được nêu bên dưới, dùng + và - để đại diện cho các cực của nguồn áp được áp vào mỗi đầu của động cơ: Đầu 1a + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ Đầu 1b ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + Đầu 2a ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ Đầu 2b ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + thời gian ‐‐> Hình 1.3 ♪SVTH:Nguyễn Xuân Hòa (lớp đại học công nghệ kĩ thuật điện 3-haui 2009-2013) 6 Báo cáo chuyên đề chuyền động điện Chú ý rằng những dãy này giống như trong động nam châm vĩnh cửu đơn cực, ở mức độ lý thuyết, và rằng ở mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điều khiển cho hai loại động này là giống nhau. Để phân biệt một động nam châm vĩnh cửu hai cực với những động 4 dây biến từ trở, đo điện trở giữa các cặp dây. Chú ý là một vài động nam châm vĩnh cửu 4 mấu độc lập, được xếp thành 2 bộ. Trong mỗi bộ, nếu hai mấu được nối tiếp với nhau, thì đó là động hai cực điện thế cao. Nếu chúng được nối song song, thì đó là động hai cực dùng điện thế thấp. Nếu chúng được nối tiếp với một đầu trung tâm, thì dùng như với động đơn cực điên thế thấp. 1. Kiểu nhiều pha. Hình 1.4 các pha và cách nối dây của động bước 5 pha thành 5 đầu ra Một bộ phận các động không được phổ biến như những loại trên đó là động nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vòng kín như hình 1.4. Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha. Bộ điều khiển cần ½ cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động này thể cung cấp moment xoắn lớn hơn so với các loại động bước khác cùng kích thước. Một vài động 5 pha thể xử lý cấp cao để được bước 0.72 0 (500 bước mỗi vòng). Với ♪SVTH:Nguyễn Xuân Hòa (lớp đại học công nghệ kĩ thuật điện 3-haui 2009-2013) 7 Báo cáo chuyên đề chuyền động điện một động 5 pha như trên sẽ quay mười bước mỗi vòng bước, như trình bày dưới đây: Đầu 1 + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + Đầu 2 ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ Đầu 3 + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + Đầu 4 + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ Đầu 5 ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ thời gian ‐‐> Ở đây, giống như trong trường hợp động hai cực, mỗi đầu hoặc được nối vào cực dương hoặc cực âm của hệ thống cấp điện động cơ. Chú ý rằng, tại mỗi bước, chỉ một đầu thay đổi cực. Sự thay đổi này làm ngắt điện ở một mấu nối vào đầu đó (bởi vì cả hai đầu của mấu cùng điện cực) và áp điện vào một mấu đang trong trạng thái nghỉ trước đó. Hình dạng của động được đề nghị như hình 1.4, dãy điều khiển sẽ điều khiển động quay 2 vòng. Để phân biệt động 5 pha với các loại động 5 dây dẫn chính, cần nhớ rằng, nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếp của một động 5 pha là R, thì điện trở giữa hai đầu không liên tiếp sẽ là 1.5R. Và cũng cần ghi nhận rằng một vài động 5 pha 5 mấu chia, với 10 đầu dây dẫn chính. Những dây này thể nối thành hình sao sử dụng mạch điều khiển gồm 5 nửa cầu H, nói cách khác mỗi mấu thể được điều khiển bởi một vòng cầu H đầy đủ của nó. Để tránh việc tính toán lý thuyết với các linh kiện điện tử, thể dùng chip mạch cầu tích hợp đầy đủ để tính toán gần đúng. II. Động bước biến trở từ Hình 2.1 Nếu motor của bạn 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình 2.1, với một đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hẳn là một động biến từ trở. Khi sử dụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn được kích theo thứ tự liên tục. Dấu thập trong hình 2.1 là rotor của động biến từ trở quay 30 độ mỗi bước. Rotor trong động này 4 răng và stator 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai cực đối diện. Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1. Nếu dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 30 độ theo chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2. Để quay động này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân phiên cho 3 cuộn. Theo logic đặt ra, trong bảng dưới ♪SVTH:Nguyễn Xuân Hòa (lớp đại học công nghệ kĩ thuật điện 3-haui 2009-2013) 8 Báo cáo chuyên đề chuyền động điện đây 1 nghĩa là dòng điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động theo chiều kim đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng: Cuộn 1 1001001001001001001001001 Cuộn 2 0100100100100100100100100 Cuộn 3 0010010010010010010010010 thời gian --> Hình dạng động được mô tả trong hình 2.1, quay 30 độ mỗi bước, dùng số răng rotor và số cực stator tối thiểu. Sử dụng nhiều cực và nhiều răng hơn cho phép động quay với góc nhỏ hơn. Tạo mặt răng trên bề mặt các cực và các răng trên rotor một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ đến vài độ. III.Động bước lai (động bước hỗn hợp) Về cấu tạo kết hợp cả 2 loại trên, phát huy được ưu điểm của 2 loại. Rotor cho động bước lai nhiều răng , giống như loại từ thông thay đổi, chứa lõi từ hóa tròn đồng tâm xoay quanh trục của nó. moomen hãm khi ngắt điện,có mômen giữ và mômen quay lớn, hoạt động với tốc độ cao và số bước lớn. Hình 3.1 IV. Đặc điểm của hệ truyền động điện động bước Hệ truyền động động bước 5 đặc điểm bản: 1. Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò .) thể gây nguy hiểm. 2. Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn. Động bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ. Nó thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor. 3. Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động bước là ta thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo). 4. Độc lập với tải: Với các loại động khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển. Với động bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen thể kéo được). Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay. ♪SVTH:Nguyễn Xuân Hòa (lớp đại học công nghệ kĩ thuật điện 3-haui 2009-2013) 9 Báo cáo chuyên đề chuyền động điện 5. Đáp ứng tốt: Động bước thể đáp ứng tốt khi khởi động, dừng và đảo chiều quay một cách dễ dàng. V. So sánh ưu nhược điểm giữa Step motor (động bước) và Servo motor (động servo) 1. Step motor • Ưu điểm - thể điều khiển chính xác góc quay. - Giá thành thấp. • Nhược điểm - Về bản dòng từ Driver tới cuộn dây động không tăng hoặc giảm trong lúc hoạt động. Do đó, nếu bị quá tải động sẽ bị trượt bước gây sai lệch trong điều khiển. - Động bước gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động servo. - Động bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao. 2. Servo motor • Ưu điểm - Nếu tải đặt vào động tăng, bộ điều khiển sẽ tăng dòng tới cuộn dây động giúp tiếp tục quay. Tránh hiện tượng trượt bước như trong động bước. - thể hoạt động ở tốc độ cao. • Nhược điểm - Đông servo hoạt động không trùng khớp với lệnh điều khiển bằng động bước. - Giá thành cao. - Khi dừng lại, động servo thường dao động tại vị trí dừng gây rung lắc. Cả hai loại động những ưu - nhược điểm riêng. Việc lựa chọn loại động nào là tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Dưới đây là bảng so sánh những đặc điểm bản giữa hai loại động cơ: Động bước Động servo Mạch Driver Đơn giản. Người dùng thể chế tạo chúng Mạch phức tạp. Thông thường người sử dụng phải mua mạch driver từ các nhà sản xuất Nhiễu và rung động Đáng kể Rất ít Tốc độ Chậm (tối đa 1000-2000 rpm) Nhanh hơn (tối đa 3000- 5000 rpm) Hiện tượng trượt bước thể xảy ra (Nếu tải quá lớn) Khó xảy ra (Động vẫn chạy trơn tru nếu tải đặt ♪SVTH:Nguyễn Xuân Hòa (lớp đại học công nghệ kĩ thuật điện 3-haui 2009-2013) 10

Ngày đăng: 08/12/2013, 16:46

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan