3.1.3.1 Đặc điểm:
Ngày nay cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo vi mạch và các thiết bị điều khiển, động cơ bớcđợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong hệ thống điều khiển dùng động cơ bớc có u điểm hơn hẳn động cơ một chiều và xoay chiều bởi hệ không cần các mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ mà chỉ cần mạch vòng điều khiển vị trí.
Động cơ bớc là một loại động cơ điện chuyển các tín hiệu vào điều khiển(số) thành các chuyển động cơ học(gián đoạn theo bớc). Tuỳ thuộc vào yêu cầu truyền động mà ta chọn động cơ bớc có chế độ kích thích xung và tần số xung kích thích cho phù hợp.
*Ưu nhợc điểm:
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 bớc 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.
Cuộn 3a N S Rô to Cuộn 1b Cuộn 2b Cuộn 3b Cuộn 1a Cuộn 2a 3.1.3.2 Cấu tạo.
Phần ứng của động cơ bớc là cuộn dây đợc cuốn xung quanh một lõi thép có dòng điện một chiều chạy qua. Một hệ thống vành trợt cấp điện cho cuộn dây roto quay, nh vậy ta có thể coi roto nh một nam châm điện. ở mỗi thời điểm thì chỉ có một đôi dây cuốn đợc nạp điện ( ví dụ 1a, 1b ).Chúng đợc quấn dây sao chotừ trờng của chúng thẳng hàng nhng ngợc chiều nhau. Ro to se quay cho đến khi từ trờng của roto thẳng hàng với cặp từ của stato đợc cấp điện. Hình vẽ (2-1) cặp từ 1a, 1b đợc cấp điện đây là trạng thái ổn định động cỡ sẽ giữ nguyên ở vị trí này cặp cuộn day 1 đợc ngắt điện đồng thời cấp điện cho cuộn dây 2 ( 2a, 2b ) và roto quay cho đến khi từ trờng của nó thẳng hàng với từ trờng cuộn dây 2. Mỗi bớc đơn của cuộn dây 3 pha sẽ quay đợc một góc 600. Bằng cách sử dụng nhiều số đôi cực và ststo đợc quấn phức tạp hơn ta sể tăng đ- ợc số bớc. Thông thờng động cơ này đi đợc 24 bớc trong một vòng quay (150).
Động cơ bớc là động cơ quay gián đoạn từng góc độ, góc quay đợc xác định bởi các xung đặt vào stato
3.1.3.3 Phân loại động cơ bớc.
Căn cứ vào cấu tạo, động cơ bớc đợc phân thành hai loại thông dụng là động cơ bớc có từ trở biến đổi ( Variable reluctance – VR ) và động cơ bớc nam châm vĩnh cửu ( Permanent Magnet – PM ), cả hai loại động cơ bớc này đều hoạt động bằng cách kích thích xung điện áp chữ nhật vào cuộn dây stato, từ đó sẽ biến đổi thành chuyển dịch theo góc, ngoài ra còn loại động bớc kiểu lai, nó là sự kết hợp của hai loại động cơ bớc trên.
a, Động cơ bớc loại VR:
Là động cơ có các cuộn dây cuốn trên các răng của của stato còn rôto làm bằng sắt non là loại sắt từ không có khả năng giữ từ trờng khi ngừng kích thích. Rôto quay khi các răng của rôto bị hút bởi từ trờng của các răng stato. Rô to sắt non có quán tính nhỏ hơn các loại khác. Điều này cho phép đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên do rôto không có mômen d khi ngừng kích thích , động cơ quay tự do, góc bớc của động cơ VR thờng là 7,50 và 150.
Xét nguyên lý của động cơ VR:
Ta kích thích cuộn dây một pha nào đó bắng nguồn một chiều khi đó lực từ trờng do cuộn dây của stato sinh ra sẽ đẩy rôto tới vị trí mà tại đó tiết diện răng rôto và tiết diện răng stato đối diện vì tại vị trí này từ trở nhỏ nhất nên động cơ sẽ ở trạng thái cân bằng. Trên hình vẽ ta xét động cơ VR 3 pha có 12 răng trên stato và 8 răng trên rôto. Giả xử khi pha C đợc kích thích thì Rôto ở vị trí nh hình a, nếu ngừng kích thích pha C và kích thích pha B thì răng rôto có vị trí gần pha B sẽ đợc đẩy vào vị trí đối diện thẳng hàng với răng của stato khi đó rôto sẽ chuyển động đợc một bớc. Cứ tiếp tục kích thích xung nh vậy thì rôto sẽ chuyển động theo vòng trò, đây là lý do tại sao động cơ bớc loại VR hoạt động đợc. Tuy nhiên nếu ta kích thích pha C thay vì pha A thỉ rôto sẽ quay theo chiều kim đồng hồ trở về vị trí pha C ban đầu.
C C B A (a) (b) A B C C (c) A B C C A B C B
b, Động cơ bớc nam châm vĩnh cửu.
Stato gồm một số răng trên đó mang dòng điện kích thích. Rôto là nam châm vĩnh cửu có số cực bằng số răng của stato. Để minh hoạ ta xét động cơ b- ớc gồm hai cụm điển hình, mỗi cụm có một cuộn dây giả xử là cuộn A và cuộn B. Khi đợc kích thích các cuộn tạo ra các cực nh nam châm điện. Các cực đợc tạo ra trên hai cuộn có vị trí lệch so với nhau một nửa. Nếu cuộn pha A đợc kích thích với điện áp dơng sẽ tạo ra các cực từ nh hình vẽ. Cực từ của nam châm vĩnh cửu của rôto sẽ tơng tác với cực từ đợc sinh ra trên stato theo nguyên tắc cùng dấu thì đẩy nhau trái dấu thì hút nhau, đây chính là nguyên nhân làm cho rôto chuyển động. Trên hình a là pha A đợc kích thích với điện áp dơng, khi pha A ngắt điện cho pha B đợc kích thích với điện áp dơng thì rôto sẽ dịch thêm một đoạn cùng chiều đó. Để chuyển động thì pha B không đợc kích thích và pha A sẽ đợc kích thích với điện áp âm.
3
1 2
4 3
1,2 : Hai nửa stato có dạng cực móng đợc từ hoá với cực N và S xen kẽ nhau.
3 : Hai cuộn stato (một cuộn điều khiển đơn cực và một cuộn điều khiển lỡng cực) đợc đặt ở trong hai nửa stato.
4 : Rôto nam châm vĩnh cửu có các cực từ xen kẽ.
Động cơ PM có đặc điểm là khi động cơ bị cắt nguồn cấp cho các pha thì vẫn còn có từ trờng d ở các pha stato tác dụng với từ trờng nam châm vĩnh cửu trên rôto vì vậy động cơ vẫn đợc hãm ở vị trí ổn định. Mômen này có thể coi nh mômen hãm của động cơ bớc, trong khi đó động cơ bớc kiểu VR không có khả năng hãm này khi tất cả các cuộn dây không đợc kích thích do vật liệu làm rôto không có từ d.
c, Động cơ bớc kiểu lai ( Hybrid )
Là sự kết hợp của hai loại động cơ kiểu VR và PM, cấu trúc stato gồm một số cực lớn, trên mỗi cực lớn lại đợc chia thành các răng nhỏ. Rôto là nam châm hình trụ có nhiều răng với kích cỡ giống kích cỡ răng stato. Gốc bớc của nó phụ thuộc vào số răng trên stato và rôto.
2 1 1
2
3
4
Hình 3-5: Sơ đồ cấu tạo động cơ bớc kiểu lai.
1: Hai pha điều khiển lỡng cực. 2: Stato dạng răng.
3: Cuộn dây pha điều khiển lỡng cực. 4: Hai vành răng mgoài của rôto
Phần stato đợc cấu tạo hoàn toàn giống stato của loại động cơ bớc có từ trở thay đổi. Trên các cực của stato đợc đặt các cuộn dây pha, mỗi cuộn dây pha đợcquấn thành 2 hoặc 4 cuộn dây dặt xen kẽ nhau hình thành lên các cực N và S, đồng thời đối diện với mỗi cực bối dây là các răng của rôto và cũng đợc đặt xen kẽ giữa hai vành răng của stato.
* 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:
n=60Sf (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.