Có ba dạng động cơ bước cơ bản như sau:
Động cơ bước từ trở thay đổi.
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.
Ba loại động cơ bước cơ bản này được phân loại dựa vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Mỗi loại sẽ có các đường đặc tính hoạt động đặc trưng khác nhau.
2.1.1.1 Động cơ bước từ trở thay đổi
Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo động cơ bước từ trở thay đổi
Động cơ bước từ trở thay đổi là loại động cơ bước ra đời đầu tiên, nguyên lý cấu tạo của loại động cơ bước này có thể được biểu diễn như trên hình 2.1. Động cơ bước từ trở thay đổi gồm có một rô-to có dạng nhiều răng làm bằng sắt từ, và stato được quấn các cuộn dây. Khi lần lượt các cuộn dây trên stato được cấp dòng điện một chiều, các cuộn dây này trở thành các nam châm điện. Sự quay theo các bước của rô-to thu được nhờ các răng trên rô-to bị hút tới các cực của các nam châm điện. 2.1.1.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Cấu tạo đơn giản của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có thể được hình dung qua hình sau.
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu sử dụng rô-to là nam châm vĩnh cửu với các cực được xếp đặt riêng rẽ song song với trục của rô-to, thay vì rô-to có dạng nhiều răng như động cơ bước từ trở thay đổi. Vì các cực của nam châm làm tăng mật độ từ thông, do đó động cơ bước nam châm vĩnh cửu nhìn chung có đặc tính mô-men cao hơn so với động cơ bước từ trở thay đổi.
Khi hoạt động, sự quay của rô-to theo các bước thu được do các cực của nam châm vĩnh cửu trên rô-to bị hút do lực điện từ với các cực của các cuộn dây trên rô-to. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu thưởng có giá rẻ với độ phân giải thấp (7,5o tới 5o mỗi bước, ứng với khoảng 48-24 bước mỗi vòng).
2.1.1.3 Động cơ bước lai (hybrid)
Đặc tính làm việc tốt hơn nhiều so với các động cơ khác, nhất là ở các thông số độ phân giải, mô-men và tốc độ. Góc quay mỗi bước của động cơ bước lai nằm trong khoảng 3,6o - 0,9o (ứng với số 100-400 bước mỗi vòng).
Hình 2.3 Sơ đồ mặt cắt ngang động cơ bước lai (hybrid)
Các răng trên rô-to cùng với stato của động cơ bước lai giúp tập trung đường sức từ qua khe hở không khí. Điều này giúp tăng đặc tính mô-men hãm, và mô-men động của động cơ bước lai khi so sánh với động cơ bước từ trở thay đổi và động cơ bước nam châm vĩnh cửu.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ bước
Sự quay của rô-to động cơ bước ứng dụng nguyên lý điện từ, lực điện từ sinh ra khi có dòng điện chạy qua cuộn dây đặt trong từ trường. Tuy nhiên động cơ bước không quay như cơ chế thông thường mà quay theo từng bước có góc nhỏ nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử,
các mạch này đưa xung điện áp vào stato theo thứ tự và một tần số xác định. Stato có các cuộn dây được sắp xếp quanh rô-to có dạng răng làm thành các nam châm điện. Để làm rô-to quay, trước tiên một nam châm điện đầu tiên được cấp điện, khi đó một răng trên rô-to sẽ bị lực điện trường hút về phía nam châm điện. Sau khi chúng ở vị trí trùng nhau, răng trên rô-to đó sẽ chuyển động theo quán tính vượt quá nam châm điện đầu tiên một chút. Lúc này nam châm điện thứ hai được cấp điện, còn nam châm điện thứ nhất bị ngắt nguồn, răng trên rô-to đó lại tiếp tục chuyển động tới nam châm điện thứ hai do lực điện trường. Quá trình này được lặp lại, như vậy rô-to của động cơ bước có thể quay tròn theo các bước góc.
2.1.3 Ưu nhược điểm của động cơ bước
- Ưu điểm
Động cơ bước là loại động cơ điện quay, trong đó sự quay của rô-to được diễn ra theo các bước với góc quay mỗi bước nhỏ. Động cơ bước có các ưu điểm như sau. Góc quay của rô-to tỉ lệ với xung vào điều khiển. Các xung điều khiển là tín hiệu điều khiển từ mạch ngoài tới các cuộn dây trên stato.
Động cơ vẫn phát đủ mô-men khi rô-to dừng, nếu cuộn dây stato tương ứng vẫn được cấp điện.
Độ chính xác và tin cậy của động cơ bước khi điều khiển góc quay rất cao.
Thời gian đáp ứng của động cơ bước rất nhanh với các yêu cầu khởi động, dừng hoặc đảo chiều chuyển động.
Khả năng hoạt động ổn định, vì cấu tạo của động cơ bước không có tiếp xúc chổi than.
Do có khả năng điều khiển chính xác vị trí rô-to mà chỉ cần điều khiển vòng lặp hở thay vì vòng lặp kín có hồi tiếp, nên so với các động cơ điện quay khác, động cơ bước có cơ chế điều khiển đơn giản và giá thành thấp.
Động cơ bước hoạt động với tính chất rô-to quay các bước với góc quay nhỏ theo sự bật/tắt luân phiên của các cuộn dây trên stato, nên động cơ bước có thể đạt được sự quay đồng bộ ở vận tốc thấp ngay cả khi tải được đặt trực tiếp lên trục rô-to. Dải tốc độ làm việc của động cơ bước rất rộng vì tốc độ động cơ bước tỉ lệ với tần
số xung điều khiển. - Nhược điểm
Khi động cơ bước hoạt động có thể xảy ra cộng hưởng nếu điều khiển không tốt. Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số điều khiển đưa vào động cơ bước tiến gần tới tần số dao động riêng của hệ thống, lúc này hiện tượng rung khi rô-to quay các bước trùng với tần số dao động riêng của hệ thống và ảnh hưởng xấu tới hệ thống do rung động quá mức.
Động cơ bước trở nên khó điều khiển ở tốc độ rất cao. Do tốc độ động cơ bước tỉ lệ với tần số xung điều khiển, do đó khi cần hoạt động ở tốc độ rất cao thì cần phải đưa tần số điều khiển lên rất cao tương ứng. Tần số điều khiển một khi được đấy lên rất cao sẽ gây ra các vấn đề về nhiễu trong điều khiển, khiến việc điều khiển gặp nhiều khó khăn.
2.1.4 Điều khiển động cơ bước
Điều khiển động cơ bước là tạo ra các xung điều khiển với tần số và điện áp điều
khiển động cơ bước, phù hợp với các thông số của động cơ bước cần điều khiển.
2.1.5 Pha, cực và góc bước
Pha là cuộn dây quấn trên stato, thông thường động cơ bước có 2 pha, nhưng vẫn có các động cơ có 3 hay 5 pha.
Một cực là một cùng thên nam châm nơi tập trung các đường sức từ đi ra/vào nam châm. Cả rô-to và stato của động cơ bước đều có các cực.
Số cực tương đương Nph được tính theo bước răng p theo công thức.
360
ph
N
p
Góc bước của động cơ bước được tính theo công thức
360o
ph
N Ph
Trong đó: là góc bước của động cơ bước.
ph
N là số cực tương đương mỗi pha, cũng bằng số cực của rô-to.
2.1.6 Công suất, đặc tính điện từ và mô-men
Công suất nhiệt hao phía hoặc giới hạn nhiệt của động cơ bước được tính theo công thức sau.
I
P V
Trong đó: P là công suất một pha của động cơ bước. V là điện áp đặt trên một pha của động cơ bước. I là dòng điện chạy qua một pha của động cơ bước.
Khi một pha của động cơ bước được cấp điện, sẽ xuất hiện các đường sức từ trong các cuộn dây stato. Hướng của các đường sức từ tuân theo quy tắc bàn tay phải. Mô-men khi trục động cơ bước quay phụ thuộc vào ba yếu tố sau.
Tần số bước.
Dòng điện trong cuộn dây.
Kiểu điều khiển động cơ.
- Từ thông qua cuộn dây được tính theo công thức sau.
N i H
l
- Trong đó: H là từ thông.
N là số vòng dây của cuộn dây. i là cường độ dòng điện.
l là chiều dài cuộn dây.
Như vậy với cùng một kích thước động cơ bước, sự khác biệt về thông số các cuộn dây sẽ ảnh hưởng tới mô-men của động cơ bước.
2.1.7 Các chế độ điều khiển bước
Các chế độ điều khiển bước là các chế độ điều khiển chuyển động của rô-to động cơ bước, có các chế độ điều khiển bước sau:
Wave Step.
Full Step.
Half Step.
Minh họa các chế độ điều khiển trên được thể hiện như hình sau.
Hình 2.4 Động cơ bước đơn cực (trái) và lưỡng cực (phải)
Ở chế độ Wave Step, tại một thời điểm bất kỳ, chỉ có một cuộn dây được cấp điện. Như trên hình 2.4, các cuộn dây được cấp điện theo thứ tự A B AB và rô-to động cơ bước quay tương ứng theo các vị trí 8 2 4 6. Với cả động cơ bước đơn cực và lưỡng cực cùng các thông số kích thích thì vị trí rô-to thu được sẽ giống nhau. Nhược điểm của chế độ điều khiển này là chỉ sử dụng được 25% tổng số cuộn dây ở động cơ bước đơn cực và 50% số cuộn dây ở động cơ bước lưỡng cực. Điều này khiến động cơ bước không phát được công suất cực đại.
Ở chế độ Full Step, tại bất kỳ thời điểm nào, cả hai cuộn dây đều được cấp điện. Các cuộn dây được cấp điện theo thứ tự AB AB AB AB và rô-to sẽ quay tương ứng tới các vị trí 1 3 5 7. Mô-men sinh ra với chế độ Full Step với động cơ bước đơn cực nhỏ hơn so với động cơ bước lưỡng cực (ở điều kiện cả hai động cơ có cùng thông số cuộn dây) vì động cơ bước đơn cực chỉ sử dụng được 50% tổng số cuộn dây, trong khi đó động cơ bước lưỡng cực sử dụng hết tất cả cuộn dây.
Chế độ Half Step là chế độ kết hợp của hai chế độ Wave Step và Full Step. Cứ mỗi bước chẵn, chỉ có một cuộn dây được cấp điện, còn các bước lẻ thì cả hai cuộn dây đều được cấp điện. Các cuộn dây trên stato được cấp điện theo thứ tự
1 2 3 4 5 6 7 8. Kết quả là chuyển vị góc trên mỗi bước của chế độ Half Step chỉ bằng một nửa so với chế độ Wave Step và Full Step. Chế độ Half Step có thể giảm hiện tượng cộng hưởng có thể xảy ra trong hai chế độ Wave Step và Full Step.
Hình 2.5 Các pha được cấp điện trong các chế độ Wave Step, Full Step và Half Step
- Động cơ bước bipolar cần mạch điều khiển dạng cầu H, mạch cho phép đảo chiều các cuộn dây. Để điều khiển loại động cơ này, ta tiến hành cấp điện tuần tự cho các cuộn dây theo thứ tự nhất định được thể hiện như hình dưới, các dấu + và – thể hiện chiều cực tính của dòng điện cho mỗi cuộn dây.
Hình 2.6 Động cơ bước điều khiển dạng cầu H
- Bộ truyền động điều khiển góc quay của hệ thống đèn thông minh sử dụng các bánh răng giảm tốc do đó không cần thiết phải sử dụng phương pháp điều khiển quá phức tạp, đề tài sử dụng phương pháp điều khiển One-Phase để điều khiển góc quay của đèn.
2.2 HIỆU ỨNG HALL
Trong một vật liệu thường là chất bán dẫn dạng tấm mỏng có dòng điện chạy qua
đặt trong từ trường B có phương tạo thành một góc với dòng điện I, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế VH theo hướng vuông góc với B và I. Biểu thức của hiệu điện thế VH có dạng.
VH= KH. IB.
Trong đó KH là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của mẫu.
Hình 2.7 Hiệu ứng Hall
Hiệu ứng Hall được ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động. Vật này
được ghép nối cơ học với một thanh nam châm. Ở mọi thời điểm, vị trí của thanh nam châm xác định giá trị của từ trường B và góc tương ứng với tấm bán dẫn mỏng dùng làm vật trung gian. Vì vậy, hiệu điện VH đo được giữa hai cạnh của tấm bán dẫn trong trường hợp này là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian (hình 2.7).
Các chuyển đổi dựa trên hiệu ứng của Hall là chuyển đổi tích cực bởi vì thông tin có liên quan đến suất điện động. Đây không phải là bộ chuyển đổi năng lượng bởi vì trong trường hợp này nguồn của dòng điện I (chứ không phải là đại lượng cần đo) cung cấp năng lượng liên quan đến tín hiệu đo.
Hiệu ứng Hall loại A1302 có sơ đồ khối:
2.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Thiết kế mạch điện điều khiển động cơ bước là thiết kế mạch điều khiển điện tử, sử dụng vi xử lý và các phần tử điện tử khác có tính năng sử dụng thích hợp để điều khiển hoạt động của động cơ bước theo ý đồ đã định trước. Quá trình thiết kế mạch điện điều khiển động cơ bước trải qua các giai đoạn sau.
a - Xác định yêu cầu làm việc của mạch điện điều khiển.
b - Xây dựng sơ đồ nguyên lý và mô phỏng hoạt động của mạch điều khiển trên máy tính.
c - Xây dựng thuật toán và viết chương trình điều khiển cho cho vi điều khiển. d - Chạy mô phỏng trên máy tính, tìm và sửa lỗi lập trình (lặp lại từ bước c) hoặc sửa mạch nguyên lý (lặp lại từ bước b).
- Thiết kế mạch in và hoàn thiện mạch điều khiển.
Việc tiến hành theo các bước tuần tự và bao gồm các bước kiểm tra, sửa lỗi lặp lại như trên giúp cho quá trình thiết kế mạch điện điều khiển rõ ràng, dễ kiểm soát và giảm xác suất xảy ra lỗi trong quá trình thiết kế trước khi tiến hành chế tạo sản phẩm thực.
2.3.1 Yêu cầu làm việc của mạch điện điều khiển
Mạch điện điều khiển được thiết kế nhằm điều khiển vị trí của đèn pha theo góc quay vành lái với mục đích tăng tính năng an toàn chủ động khi xe quay vòng, do vậy mạch điện điều khiển này sẽ phải đảm nhiệm các chức năng sau.
- Xác định vị trí góc ban đầu của đèn pha so với thân xe. - Xác định góc đánh lái theo thời gian thực.
2.3.2 Xây dựng sơ đồ nguyên lý của mạch điện
Hình 2.9 Sơ đồ khối mạch điều khiển đèn pha tích cực
- Vi điều khiển PIC 16F887.
- Động cơ bước loại lưỡng cực Bipolar.
- Cảm biến vị trí góc đánh lái: Encoder tuyệt đối EP50S8.
- Cảm biến định vị vị trí ban đầu của đèn: Hiệu ứng Hall loại A1302.
- Khối nguồn có chức năng cấp nguồn điện +5V cho khối điều khiển, khối công suất và các cảm biến vị trí đèn pha, cảm biến góc đánh lái hoạt động. Do đặc tính làm việc của các khối trong mạch điện không giống nhau nên khối nguồn cần cung cấp điện áp +5V với dòng khác nhau. Ví dụ, động cơ bước có công suất lớn hơn các linh kiện khác trong mạch, vì vậy cần cấp điện áp với dòng lớn hơn so với các linh kiện như vi xử lý, cảm biến…
Nguồn sử dụng trong hệ thống đèn thông minh là nguồn +5V một chiều, đóng vai trò cung cấp điện cho các cảm biến và cơ cấu chấp hành của hệ thống.
Khối nguồn phải đảm bảo một số yêu cầu sau:
- Sử dụng nguồn đầu vào là điện áp ô tô (+12V/+24V), đầu ra có điện áp +5V DC ổn định
- Đảm bảo cung cấp đủ dòng cho các cảm biến và cơ cấu chấp hành, cũng như mạch