Khái niệm.Động cơ bƣớc là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các loại động cơ điện thong thƣờng.Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dƣới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động về góc quay hoặc các chuyển động của roto cóc khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết.
Về cấu tạo, động cơ bƣớc có thể đƣợc 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.
Hoạt động
Động cơ bƣớc không quay theo cơ chế thông thƣờng, chúng quay theo từng bƣớc nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đƣa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tƣơng ứng với số lần chuyển mạch, cũng nhƣ chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Ứng dụng
Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bƣớc là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đƣa ra dƣới dạng số.
Động cơ bƣớc đƣợc ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng đƣợc ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: 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, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phƣơng và chiều trong máy bay...
Trong công nghệ máy tính, động cơ bƣớc đƣợc sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in...
Luận văn thạc sĩ khoa học
---
--- Trƣơng Công Tuấn 50 10BCTM - KH
Phân loại
Về cơ bản có 3 loại động cơ bƣớc: loại từ trở biến đổi (Variable Reluctance), loại nam châm vĩnh cửu (permanent magnet) và loại lai (hybrid). Chúng khác nhau ở cấu tạo trong việc dùng các rotor nam châm vĩnh cửu và/hoặc lõi sắt với các lá thép stato
Loại có từ trở biến đổi (Variabke Reluctance)
Thông thƣờng có 3 hoặc 4 cuộn dây đƣợc nối chung một đầu. Đầu chung đựơc nối với nguồn dƣơng, các đầu cũn lại cho thụng với đất để quay Rotor. Cả Stator và Rotor đều có răng. Rotor đƣợc làm bằng vật liệu dẫn từ (sắt non) có từ trở thay đổi theo góc quay.
Chiều quay của động cơ không phụ thuộc vào chiều dũng điện mà chỉ phụ thuộc vào thứ tự cấp điện cho các cuôn dây.
Loại động cơ này có số bƣớc lớn, tần số làm việc cao, chuyển động êm nhƣng mômen đồng bộ nhỏ
Hình 3.6 Sơ đồ các cực và các cuôn dây của động cơ biến từ trở
Loại nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet)
Loại động cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu có rotor là một nam châm vĩnh cửu, điều này cho phép duy trì đƣợc momen khi động cơ bị mất năng lƣợng cấp vào. Động cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu yêu cầu công suất thấp hơn để hoạt động. Chúng cũng có đặc tính chống rung tốt hơn. Góc bƣớc của loại này có nhiều mức: 60-450. Trên hình 5 là sơ đồ cấu tạo của động cƣ bƣớc nam châm vĩnh cửu với m=4 và 2p=2.
Luận văn thạc sĩ khoa học
---
--- Trƣơng Công Tuấn 51 10BCTM - KH Động cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu đƣợc chia thành:
- Động cơ bƣớc đơn cực (Unipolar Stepper Motor): - Động cơ bƣớc lƣỡng cực (Bipolar Stepper Motor) - Động cơ bƣớc kiểu hỗn hợp (Hybrid stepping Motor) - Động cơ bƣớc kiểu bối dây kép (Bifilar Stepper Motor)
Động cơ bƣớc đơn cực có Rotor đƣợc cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu. Chia thành các răng N, S xen kẽ. Stator đƣợc cấu tạo bởi 2 cuộn dây bố trí trực giao với nhau.Mỗi cuộn dây lại đƣợc chia thành 2 phần bố trí xuyên tâm đối.Giữa các cuộn dây này có một đầu ra để nối với dƣơng nguồn.Động cơ loại này thƣờng có 6 đầu ra.Đầu 1, 2 thƣờng đƣợc nối với cực dƣơng.Các đầu 1a, 1b, 2a và 2b đƣợc lần lƣợt nối đất sẽ quyết định chiều quay của động cơ. Máy khoan mạch in tự động sử dụng loại động cơ bƣớc này vì động cơ có mạch điều khiển đơn giản, điều khiển dễ dàng, rất rẻ và rất dễ mua trên thị trƣờng.
Hình 3.7 Sơ đồ các cực và các cuôn dây của động cơ đơn cực
Luận văn thạc sĩ khoa học
---
--- Trƣơng Công Tuấn 52 10BCTM - KH
Loại lai (Hybrid).
Loại động cơ này về cấu tạo giống với động cơ bƣớc kiểu đơn cực. Tuy nhiên chỉ có 4 đầu ra. So với động cơ kiểu đơn cực thỡ loại này khụng cú hai đầu ra ở điểm giữa mỗi cuộn dây (xem hình 3-8a, chú ý đến chiều quấn dây). Ƣu điểm của động cơ bƣớc loại này là dũng điện chạy qua cả cuộn dây (cuộn 1, cuộn 2) vỡ vậy tạo đƣợc mômen lớn. Tuy nhiên mạch điều khiển loại động cơ này phức tạp hơn, chúng ta phải đảo chiều dũng điện cho các cuộn dây. Mạch điều khiển sử dụng mạch cầu H
Luận văn thạc sĩ khoa học
---
--- Trƣơng Công Tuấn 53 10BCTM - KH
3.2.2. Thiết kế hệ truyền động và mạch điều khiển động cơ bƣớc bám biên dạng
Sơ đồ nguyên lý của hệ đo
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý sử dụng động cơ bƣớc bám theo biên dạng chi tiết
Trong đó 1. Máy nén khí 2. Van mở 3. Bộ ổn áp hai tầng 4. Bộ lọc 6. Đầu phun có đƣờng 5 +7. Cảm biến áp suất 8. Chi tiết đo
9. Đầu đo có đƣờng kính d2 10. Hệ đo
Luận văn thạc sĩ khoa học
---
--- Trƣơng Công Tuấn 54 10BCTM - KH
- Nguyên lý hoạt động
Khí đƣợc cấp bởi nguồn đi vào đầu đo 9. Nhờ tín hiệu của cảm biến áp suất đặt tại đầu đo,ta điều khiển đƣợc động cơ bƣớc dịch chuyển để khoảng cách z giữa đầu đo và chi tiết không đổi.
- Yêu cầu của động cơ
Ta sử dụng động cơ bƣớc có góc quay 0.72°/bƣớc. Qua cơ cấu biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến sẽ có tỷ số 1µm/bƣớc.
Để đạt đƣợc góc quay nhỏ nhƣ vậy trên một bƣớc, ta sử dụng động cơ bƣớc 5pha.
Động cơ bƣớc 5 pha có 5 cuộn dây đƣợc mắc nối tiếp nhau tạo thành 1 vòng kín. Động cơ có 5 đầu ra tại điểm nối của 5 cuộn dây. Để động cơ hoạt động cần đƣa các đầu dây đến trạng thái tƣơng ứng.
Bảng 3.3. thứ tự cấp xung vào các quận dây của động cơ bƣớc
Với mỗi đầu dây ra ta cần ½ cầu H để điều khiển, 5 nửa cầu H hợp thành 5 mạch cầu H. Ta sử dụng IC tích hợp sẵn cầu H có tên là L293d.
- Yêu cầu : +) Đƣa đầu đo về cách bề mặt 1 khoảng z0 (ứng với áp suất p0)
+) Vùng tuyến tính là khoảng cách khe hẹp để đầu đo có áp suất từ 45- 65 KPa=> Chọn p0 = 55 Kpa (z0 = 17 mm)
-Chu kì trích mẫu 130ms
-Kiểm tra nếu áp suất ngoài vùng tuyến tính thì đƣa nhanh về vùng tuyến tính
-Nếu áp suất nằm trong vùng tuyến tính thì tính trƣớc số bƣớc để đƣa về vị trí có áp suất 55KPa.
Luận văn thạc sĩ khoa học
---
--- Trƣơng Công Tuấn 55 10BCTM - KH
- Lƣu đồ thuật toán điều khiển
Luận văn thạc sĩ khoa học
---