Động cơ b−ớc (Stepper motors):

A = là ký hiệu vận tốc của Q theo hệ quy chiếu Số hạng thứ

6.2.3.1Động cơ b−ớc (Stepper motors):

Động cơ b−ớc là một thiết bị điện từ cho phép chuyển các xung điện từ thành năng l−ợng quay của trục động cơ. Về lý thuyết, loại động cơ này rất đơn giản. Nó không có chổi góp hoặc các tiếp điểm. Cơ bản đây là loại động cơ đồng bộ với từ tr−ờng của các cuộn dây đ−ợc thay đổi để làm quay lõi từ. Mỗi một vòng quay của trục động cơ b−ớc đ−ợc tạo thành từ một loạt các b−ớc quay đơn. Một b−ớc quay đ−ợc định nghĩa là một góc quay của trục động cơ mỗi khi động cơ nhận đ−ợc một xung điện.

Các −u điểm của các động cơ b−ớc có thể kể ra nh− sau: giá thành thấp, cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao, chính xác, đ−ợc chấp nhận rộng r∙i và có thể làm việc trong hầu hết mọi môi tr−ờng, không cần các bộ phận phản hồi và ít phải bảo d−ỡng.

Xung quanh thân động cơ đ−ợc gắn một d∙y các cuộn dây sẽ tạo ra từ tr−ờng t−ơng tác với lõi từ. Khi dòng điện qua các cuộn dây đ−ợc thay đổi tắt/bật, từ tr−ờng của các cuộn dây đó sẽ làm cho rotor quay. Nếu các cuộn dây đ−ợc tắt/bật theo một trình tự nhất định thì rotor sẽ quay theo chiều thuận hoặc chiều nghịch. Để làm cho rotor của động cơ b−ớc quay, ta phải tắt/bật các cuộn dây liên tục. Do các b−ớc chuyển động có thể đ−ợc điều khiển bằng cách tắt/bật các cuộn dây nên các động cơ b−ớc có thể đ−ợc điều khiển dễ dàng bằng cách sử dụng các bộ điều khiển số. Các bộ điều khiển đơn giản chỉ cần đ−a dòng điện vào các cuộn dây theo một trình tự nhất định và rotor sẽ quay t−ơng ứng với mẫu pha đó. Tại mỗi thời điểm bất kỳ cho tr−ớc, các bộ điều khiển sẽ biết đ−ợc vị trí của động cơ do đ∙ biết số b−ớc mà động cơ đ∙ thực hiện mà đ−ợc ghi nhận. Điều này chỉ đúng khi các ngoại lực tác động lên động cơ không ảnh h−ởng đến chuyển động của động cơ. Động cơ có thể đ−ợc gắn một bộ giải m∙ quang học (optical encoder) để xác định vị trí của nó, tuy nhiên điều này không thực sự cần thiết. Một động cơ b−ớc có thể hoạt động theo kiểu "mạch hở" (open-loop) khi không sự phản hồi của bộ giải m∙ hoặc thiết bị nào đó khác. Hầu hết các hệ thống điều khiển động cơ b−ớc đều có một công tắc chuyển mạch liên động với mỗi động cơ b−ớc cho phép phần mềm xác định vị trí ban đầu hoặc vị trí gốc của động cơ. Loại động cơ này chỉ cần bốn cực và ở tốc độ thấp, chúng có thể tạo ra moment xoắn lớn, gấp khoảng 5 lần

so với moment xoắn của loại động cơ có chổi góp có cùng kích th−ớc hoặc gấp đôi moment xoắn của các loại động cơ không có chổi góp. Loại động cơ này cũng th−ờng không cần các hộp số.

Nếu ta chỉ đ−a dòng điện vào một cuộn dây thì rotor chỉ nhảy đến một vị trí nhất định, dừng tại đó và chống lại mọi sự thay đổi vị trí. Điều này cũng chính là một trong những −u điểm của động cơ b−ớc, đó là khả năng duy trì tại một vị trí nhất định của động cơ b−ớc. Moment cản chuyển động tại vị trí đứng yên này đ−ợc gọi là moment giữ. Tuy nhiên, cuộn dây đ−ợc đ−a điện vào này sẽ duy trì dòng điện tối đa mặc dù rotor không chuyển động. Đây là nguyên nhân chính mà các động cơ b−ớc th−ờng bị nóng ngay cả khi đứng yên, không chuyển động.

Các nh−ợc điểm chính khi sử dụng loại động cơ b−ớc là:

- Gây ra hiện t−ợng cộng h−ởng và thời gian giảm hiện t−ợng này t−ơng đối dài.

- B−ớc di chuyển t−ơng đối thô ở tốc độ thấp trừ khi xử dụng động cơ loại b−ớc nhỏ.

- Do hoạt động theo chu trình mạch hở do vậy độ tin cậy về vị trí bị giảm.

- Chúng luôn tiêu thụ điện năng ở mức cao không phụ thuộc vào phụ tải do vậy th−ờng bị nóng.

- Giảm moment xoắn khi tăng tốc độ và th−ờng gây tiếng ồn (đặc biệt ở tốc độ cao) .

- Các động cơ b−ớc đ−ợc xếp loại theo số b−ớc trong một giây, b−ớc góc và moment tải mà động cơ có thể thực hiện. Tốc độ của động cơ b−ớc phụ thuộc vào b−ớc góc và tốc độ b−ớc.

Có 3 dạng động cơ b−ớc chính là: động cơ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet - P. M. - Motor), động cơ từ biến (Variable Reluctance - V. R. - Motor) và động cơ hỗn hợp (Hybrid Motor) .

Hình 6.9 Vỏ động cơ bước

Động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng rotor là loại nam châm vĩnh cửu hoạt động dựa trên nguyên tắc t−ơng tác giữa từ tr−ờng của nam châm vĩnh cửu của rotor và tr−ờng điện từ. Rotor của loại động cơ này có thể đ−ợc ghép bởi nhiều cặp cực từ đ−ợc gọi và các răng. Mỗi cuộn dây của stator cũng có thể đ−ợc chia thành nhiều răng. Các răng trên bề mặt của rotor và trên cực từ của stator luôn thẳng với nhau do vậy chỉ có một số l−ợng giới hạn các răng trên rotor thẳng hàng với cực từ đ−ợc cấp điện của stator. Số l−ợng răng trên rotor và trên stator quyết định góc b−ớc. Số răng càng lớn thì b−ớc quay của rotor càng nhỏ. Cấu trúc đơn giản và giá thành thấp của loại động cơ này làm cho nó trở thành một sự lựa chọn lý t−ởng cho các ứng dụng phi công nghiệp, ví dụ nh− trong máy in. Hình 6.9 mô tả sơ đồ cấu trúc của động cơ b−ớc kiểu nam châm vĩnh cửu. Rotor có hai cực từ và vỏ của động cơ đ−ợc lắp đặt bốn cuộn dây. Trình tự đóng/ngắt điện vào các cuộn dây sẽ làm cho rotor quay theo sự thay đổi của từ tr−ờng. Trình tự đóng/ngắt điện vào các cuộn dây này đ−ợc gọi là mẫu pha. Có một vài dạng mẫu pha chung nhất làm cho rotor quay là b−ớc đầy đủ (full step) và nửa b−ớc (half step). Hình 6.10 mô tả sơ đồ truyền xung vào các cuộn dây theo mẫu pha đầy đủ. Thứ tự của các xung d−ơng và âm sẽ làm cho rotor quay theo chiều kim đồng hồ theo các b−ớc góc là 90 độ. Động cơ sử dụng mẫu pha đầy đủ có thiết kế đơn giản nhất và có một thứ tự điều khiển cho mỗi cuộn dây là hai chu kỳ bật và hai chu kỳ tắt kế tiếp nhau.

Hình 6.11

Hình 6.11 mô tả sơ đồ truyền xung vào các cuộn dây theo mẫu pha nửa b−ớc. Thứ tự của các xung d−ơng, không có và âm sẽ làm cho rotor quay theo chiều kim đồng hồ theo các b−ớc góc là 45 độ. Kiểu hoạt động theo mẫu pha nửa b−ớc làm cho động cơ chuyển động trơn hơn (b−ớc góc nhỏ hơn) và chạy êm hơn với tốc độ và hiệu quả cao hơn tuy sơ đồ điều khiển có phức tạp hơn so với kiểu hoạt động theo mẫu pha b−ớc đầy đủ.

Phát triển mới nhất hiện nay về kiểu động cơ này là dạng rotor đĩa mỏng (thindisk rotor). Dạng động cơ b−ớc này hao phí năng l−ợng ít hơn cho cho các hao tán, ví dụ nh− nhiệt năng, so với dạng rotor hình trụ do vậy đ−ợc xem có hiệu suất cao hơn. Động cơ b−ớc sử dụng rotor dạng này còn có khả năng tạo ra số b−ớc trong một giây nhiều gấp đôi so với loại sử dụng rotor thông th−ờng. Hình 6.12 giới thiệu cấu trúc cơ bản của động cơ b−ớc nam châm vĩnh cửu sử dụng rotor đĩa mỏng đ−ợc cấu tạo từ một dạng đặc biệt của thép Coban.

Hình 6.12 Động cơ bước sử dụng rotor đĩa mỏng

Phase 2

Soft magnetic iron

Động cơ từ biến (variable-reluctance - VR) không sử dụng nam châm vĩnh cửu do vậy rotor có thể chuyển động mà không bị cản trở hoặc moment h∙m khi đứng yên. Dạng cấu trúc này rất phù hợp cho các ứng dụng phi công nghiệp mà không yêu cầu moment xoắn cao. Khi các cuộn dây của stator đ−ợc đóng điện, các răng của rotor sẽ thẳng hàng với các cực từ đ−ợc đóng điện đó của stator. Dạng động cơ này hoạt động theo nguyên lý cực tiểu hoá từ trở theo h−ớng di chuyển của tr−ờng điện từ tác động. Bằng cách thay đổi thứ tự cuộn dây đ−ợc đóng điện của stator, từ thông của stator thay đổi và làm cho rotor chuyển động sang vị trí khác. Stator của động cơ b−ớc từ trở có các cực từ đ−ợc cấu tạo từ các lá sắt mỏng ghép lại với nhau, rotor đ−ợc làm từ thép mềm không từ hoá có các răng và các r∙nh. Mối quan hệ giữa b−ớc góc, số răng của rotor và số răng của stator có thể đ−ợc biểu diễn thông qua công thức sau:

0 r s r s 360 N N N N     − = x ψ (6.1)

trong đó: ψ - b−ớc góc của động cơ tính theo độ. Ns - số răng trên cực từ của stator Nr - số răng trên rotor

Sơ đồ cấu tạo của động cơ từ biến đ−ợc mô tả ví dụ trong Hình 6.13 có số răng của rotor ít hơn số răng trên stator (6 răng trên stator và 4 răng trên rotor). Điều này luôn đảm bảo rằng, tại bất cứ thời điểm và tr−ờng hợp nào cũng chỉ có một cặp răng trên stator và trên rotor thẳng hàng với nhau. Việc đóng điện vào các cuộn dây trên stator đ−ợc thực hiện theo từng nhóm gọi là các pha. Theo công thức (6.1), b−ớc góc của động cơ sẽ là 30 độ theo mỗi lần xung đ−ợc chuyển vào stator.

Hình 6.13 Sơ đồ hoạt động của động cơ bước

Hình 6.13 (a) mô tả vị trí của rotor khi pha A đ−ợc đóng điện và vị trí này sẽ đ−ợc duy trì cùng với việc duy trì dòng điện trong pha A. Khi ngắt điện pha A và đóng điện vào pha B, rotor sẽ quay 30 độ cho đến khi hai cực của rotor thẳng hàng với hai cực từ của pha B nh− trong Hình 6.13 (b). T−ơng tự, hiệu quả của việc ngắt điện pha B và đóng điện vào pha C đ−ợc thể hiện trên Hình 6.13 (c). Lúc này, rotor lại quay tiếp 30 độ và thẳng với hai cực từ của pha C. Sau khi xoay 60 độ từ điểm bắt đầu, động cơ đ∙ hoàn thành một chu kỳ cấp điện vào các cuộn dây của stator. Hình 6.13 (d) thể hiện thứ tự chuyển mạch vào các cuộn dây để rotor hoàn thành việc quay đủ 360 độ theo chiều kim đồng hồ. H−ớng quay của rotor có thể đ−ợc thay đổi bằng cách đảo ng−ợc trình tự đóng/ngắt điện vào các pha.

Loại động cơ b−ớc vừa nói ở trên là các động cơ đơn. Nh−ợc điểm của thiết kế này là b−ớc góc nói chung là lớn. Để khắc phục nh−ợc điểm này, ng−ời ta sử dụng loại động cơ ghép nhiều cụm để có thể tạo ra các b−ớc góc nhỏ hơn do động cơ đ−ợc chia thành nhiều cụm cách từ với nhau dọc theo

chiều dài trục động cơ. Mỗi cụm trong số đó đ−ợc kích động bằng một cuộn dây hay pha độc lập, mỗi một cụm t−ơng ứng với một pha và số l−ợng răng trên rotor và stator là bằng nhau. Do dạng động cơ này không sử dụng nam châm vĩnh cửu nên nó không thể sử dụng các loại điều khiển nh− của các loại động cơ b−ớc khác.

Động cơ b−ớc kiểu hỗn hợp đ−ợc sử dụng rộng r∙i nhất và tổng hợp các nguyên lý hoạt động của hai kiểu động cơ b−ớc đ∙ trình bày ở trên. Kiểu động cơ này gồm hai mảnh thép mềm đ−ợc từ hoá theo trục bao quanh một rotor nam châm vĩnh cửu hình trụ. Cấu trúc cực từ của stator giống hệt nh− của động cơ b−ớc kiểu từ biến. Sự khác nhau chủ yếu là ở động cơ b−ớc kiểu từ biến chỉ có một trong hai cuộn dây của một pha sẽ tạo nên một cực từ trong khi đó ở động cơ b−ớc kiểu hỗn hợp cùng một cực từ đ−ợc tạo thành từ nhiều cuộn dây của hai pha khác nhau. Hai cuộn dây tại một cực tạo thành một cấu hình đ−ợc gọi là một quan hệ song song. Mỗi cực của một động cơ hỗn hợp đ−ợc bao quanh bởi các răng có khoảng cách nhất định làm từ thép mềm. Các răng trên hai phần của mỗi cực lệch nhau nửa b−ớc răng. Moment xoắn của động cơ đ−ợc tạo ra bởi sự t−ơng tác giữa từ tr−ờng của nam châm vĩnh cửu và từ tr−ờng tạo bởi stator.