III. Hệ thống chấp hành.
3. Động cơ bớc.
Nguyên tắc hoạt động.
Trên hình – là sơ đồ động học bớc, loại đơn giản nhất dùng nam châp vĩnh cửu gồm Stato có 4 cực và roto có hai cực. Nếu cấp điện cho cuộn dây α α'thì roto sẽ dừng ở vị trí mà dòng từ thông qua cuộn dây là lớn nhất. Nếu cấp điện cho cuộn dây β β'thì roto sẽ quay đi 90± 0. Khi đông thời cấp điện cho cả hai cuộn dây α và β thì roto sẽ dừng ở vị trí giữa 00
đến 900 và nếu dòng điện vào 2 cuộn dây hoàn toàn nh nhau thì roto sẽ dừng ở vị trí 450.
Hình 4 - 3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ bớc
Nh vậy, vị trí của roto phụ thuộc vào số cực đợc cấp trên stato và vào chiều của dòng điện cấp vào.
Trên đây là sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ bớc loại có ít cực và dùng nam châm vĩnh cửu. Trên cơ sở đó có thể tìm hiểu các loại động cơ có nhiều cực và dùng nam châm điện có từ tính thay đổi.
Vậy là tùy theo cách cấp điện cho các cuộn dây trên stato có thể điều khiển các vị trí dừng của rotor. Việc cấp điện vào các cuộn dây trên stato có thể số hoá, cho nên có thể hiểu động cơ bớc là một loại động cơ điện, chuyển các tín hiệu số đầu vào thành các chuyển động cơ học từng nấc ở đầu ra.
Việc sử dụng chúng trong hệ thống điều khiển có nhiều thuận lợi: - Không cần mạch phản hồi cho cả điều khiển vị trí và vận tốc. - Thích hợp với các thiết bị điều khiển số.
Ưu điểm lớn nhất của động cơ bớc trong điều khiển vị trí là không cần phản hồi ( khi điều khiển chính xác số bớc quay của động cơ, đếm số b- ớc có thể xác định vị trí chính xác mà không cần đến phản hồi vị trí) và điều khiển số trực tiếp ( ghép nối trực tiếp với máy tính). Với khả năng điều khiển số trực tiếp, động cơ bớc trở thành rất thông dụng trong các thiết bị hiện đại nh robot công nghiệp, máy công cụ điều khiển số, các thiết bị ngoại vi của máy tính nh trong máy in kim, bộ điều khiển bộ đĩa máy vi tính, máy vẽ...
Tuy vậy, phạm vi ứng dụng động cơ bớc ở vùng công suất nhỏ và trung bình. Việc nghiên cứu nâng cao công suất của động cơ bớc đang là vấn đề rất đợc quan tâm hiện nay. Ngoài ra nói chung hiệu suất của nó thấp hơn so với nhiều loại động cơ khác.
Các thông số của động cơ bớc: Góc quay:
Động cơ bớc quay một góc xác định đối với mỗi xung kích. Góc bớc
θ càng nhỏ thì độ phân giải càng cao. Số bớc s là một thông số quan trọng.
θ 0 360 = s (1) Tốc độ quay và tần số xung:
Tốc độ quay của động cơ bớc phụ thuộc vào số bớc trong một giây. Đối với hầu hết các động cơ bớc, số xung cấp cho động cơ bằng số bớc nên tốc độ có thể tính theo tần số xung f. Tốc độ quay của động cơ bớc có bớc tính theo công thức sau:
Sf f n=60 (2)
Trong đó : n là tốc độ quay ( vòng / giây), f là tần só bớc ( Hz), s là số bớc.
Ngoài ra còn các thông số quan trọng khác nh độ chính xác vị trí và tỷ số momen và quán tính roto. Độ chính xác vị trí của động cơ bớc phụ
thuộc vào đặc tính của động cơ, vào độ chính xác chế tạo... Tỷ số momen và quán tính roto có ảnh hởng quyết định đến khả năng dừng ngay khi chuỗi xung điều khiển đã ngắt.
Các loại động cơ bớc
Tuỳ theo kiểu của roto, động cơ bớc đợc chia ra thành các loại sau: - Động cơ bớc loại từ trở biến đổi ( VR).
- Động cơ bớc nam châm vĩnh cửu ( PM). - Động cơ bớc kiểu lai ( hybrid).
Tuỳ theo số cuộn dây độc lập trên stato động cơ bớc đợc chia thành các loại: 2 pha, 3 pha hoặc 4 pha.
Động cơ bớc có thể phân theo cách nối dây, không liên quan đến số pha.
a/ Hai pha: bốn đầu dây. b/ Hai pha: 8 đầu dây. c/ Bốn pha: 8 đầu dây. d/ Hai pha: 6 đầu dây. e/ Ba pha : 4 đầu dây.
f/ Bốn pha: 8 đầu dây( nối tiếp).
Roto có nhiều cực, còn gọi là răng. Số cực của roto phối hợp với số cực của stato xác định giá trị góc bớc θ. Nh biểu thức (1) có góc bớc θ
băng 3600 chia cho số bớc s. Góc bớc lớn nhất là 900 ứng với động cơ có 4 bớc. Phần lớn những động cơ bớc hiện nay có số bớc s = 200, nên θ = 1,80.
a) b) c)
f) e)
Hình 4 - 4: Pha của động cơ và các cách nối dây
Số bớc càng lớn, độ phân giải càng cao và định vị càng chính xác. Trong thực tế cũng không thể tăng số bớc lên quá cao. Tuy nhiên, có thể dùng công nghệ tạo bớc nhỏ để chia bớc thành hai nửa bớc hoặc từ 10 đến 125 bớc nhỏ. Có thể làm cho roto dừng lai ở nửa đờng nếu cung cấp dòng điện nh nhau cho cả hai cuộn α và β. Công nghệ tạo bớc nhỏ, đôi khi còn gọi là tạo vi bớc, chỉ đơn giản là mở rộng phơng pháp nói trên cho nhiều vị trí trung gian băng cách cung cấp những giá trị dòng khác nhau cho mỗi cuộn dây. Kích thớc bớc nhỏ thờng hay dùng nhất là 1/10, 1/16, 1/32, 1/125 của bớc đầy. Ví dụ, nếu có 125 bớc nhỏ trong một bớc với 200 bớc trong một vòng quay thì độ phân giải là 200x125 = 25000 bớc nhỏ trong một vòng quay.
Động cơ bớc loại từ trở biến đổi ( VR).
Roto của động cơ bớc VR làm bằng sắt non có nhiều răng. Stato cũng
Hình 4– 5 : Sơ đồ động cơ bớc VR
có các răng cùng cuộn cảm. Khi dòng điện chạy qua một cuộn cảm trên stato sinh ra một tử trờng làm cho răng trên roto bị hút đứng thẳng hàng với răng tơng ứng trên stato. Khi dòng điện đợc cấp sang một cuộn cảm khác, roto chuyển dịch một góc bớc. Góc bớc của động cơ VR thờng là 7,50 hoặc 150. Đặc điểm của động cơ bớc VR là do roto sắt non có quán tính nhỏ hơn các loại khác, nên cho phép đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên do roto không có từ trờng nên không có momen d do đó khi ngừng kích thích động cơ sẽ còn quay tự do.
Động cơ bớc nam châm vĩnh cửu ( PM)
Động cơ bớc PM có từ trờng trong roto nên có momen giữ khi động cơ không đợc kích hoạt. Mỗi răng của từ trờng đều hớng trục cực tính là
ph2
Hình 4 - 6: Sơ đồ động cơ bớc PM 4 pha
nam hoặc bắc. Trong kỹ thuật hiện đại roto đợc làm ở dạng đĩa mỏng bằng vật liệu từ tính đặc biệt. Đĩa đợc nhiễm từ tới 50 cặp cực nam – bắc xen kẽ nhau. Một số động cơ bớc có từ trờng đợc đa vào stato để tăng từ trờng và tạo ra momen lớn hơn. Động cơ bớc PM đòi hỏi ít năng lợng kích hoạt hơn các loại động cơ bớc khác. Chúng còn có đặc tính tắt dao động tốt hơn. Góc bớc của chúng bao gồm tất cả các góc bớc chuẩn 1,80, 7,50, 150, 300, 450, 900. Trên hình... là sơ đồ động cơ bớc PM 4 pha.
Động cơ bớc kiểu lai ( hybrid)
Động cơ bớc kiểu lai kết hợp các đặc tính của động cơ bớc VR và động cơ có bớc PM. Động cơ bớc kiểu lai có nhiều răng roto hơn và
Hình 4- 7 : Sơ đồ động cơ bớc kiểu lai
momen lớn hơn. Các góc bớc thông dụng của động cơ bớc kiểu lai là 0,90
và 1,80.