CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.3 Động cơ bước
Động cơ bước hay còn gọi là Step Motor là một loại động cơ chạy bằng điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết.
Nói chung động cơ bước là một loại động cơ mà bạn có thể quy định được góc của nó.
Ví dụ một động cơ bước 1,8 độ/bước quay hết 1 vòng 360 độ thì mất 200 bước (gọi là FULL STEP). Các chế độ quay nhiều xung thì động cơ quay sẽ êm hơn.
Ở Việt Nam thì người ta hay dùng là động cơ 200 step.
Hình 3.5 Động cơ bước
3.3.1 Cấu tạo của động cơ bước
_ 1 Rotor là một dãy các lá nam châm vĩnh cữu được xếp chồng lên nhau một cách cẩn thận. Trên các lá nam châm này lại chia thành các cặp cực xếp đối xứng nhau.
_ Stato được tạo bằng sắt từ được chia thành các rãnh để đặt cuộn dây.
Hình 3.6 Cấu tạo động cơ bước
3.3.2 Cách hoạt động
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, Step motor quay theo từng bước một nên nó có độ chính xác cao về mặt điều khiển học.
Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử. Các mạch điện tử sẽ đưa các tín hiệu của lệnh điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định.
Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
3.3.3 Phân loại động cơ bước:
3.3.3.1 Động cơ bước nam châm vĩnh cữu
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có roto là nam châm vĩnh cửu, stato có nhiều răng trên mỗi răng có quấn các vòng dây. Các cuộn dây pha có cực tính khác nhau.
Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có 2 cặp cuộn pha được trình bày ở hình:
_ Ban đầu vị trí của stato và roto đang ở phase A. Khi cấp điện cho 2 cuộn dây pha B và D trong 2 cuộn sẽ xuất hiện cực tính. Do cực tính của cuộn dây pha và roto ngược nhau dẫn đến roto chuyển động đến vị trí như hình phase B on. Khi cuộn dây pha B và D ngắt điện cuộn dây A và B được cấp điện thì roto lại chuyển động đến vị trí như hình phase C on.
_ Gọi số răng trên stato là Zs, góc bước của động cơ là Sđc, góc bước của động cơ này được tính theo công thức sau:
Hình 3.8 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu 3.3.3.2 Động cơ biến từ trở cửu 3.3.3.2 Động cơ biến từ trở
Động cơ bước biến từ trở có cấu tạo giống với động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Cấu tạo của stato cũng có các cuộn pha đối xứng nhau, nhưng các cuộn pha đối xứng có cùng cực tính khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Góc bước của stato là Ss. Roto của động cơ bước biến từ trở được cấu tạo từ thép non có khả năng dẫn từ cao, do đó khi động cơ mất điện roto vẫn tiếp tục quay tự do rồi mới dừng hẳn.
Hình 3.9 Nguyên lý hoạt động của động cơ biến từ trở
_ Khi cấp điện cho pha A (hình a), từng cặp cuộn dây A bố trí đối xứng nhau có cùng cực tính là nam (S) và bắc (N). Lúc này các cuộn dây hình thành các vòng từ đối xứng.
_ Khi cấp điện cho pha B (hình b). Lúc này từ trở trong động cơ lớn, momen từ tác động lên trục roto làm cho roto quay theo chiều giảm từ trở. Roto quay cho tới khi từ trở nhỏ nhất và khi momen bằng không thì trục động cơ dừng, roto đạt đến vị trí cân bằng mới.
_ Tương tự như vật khi cấp điện cho pha C, động cơ hoạt động theo nguyên tắc trên và roto ở vị trí như hình c. Quá trình trên lặp lại và động cơ quay liên tục theo thứ tự pha A à B à C. Để động cơ quay ngược chiều chỉ cần cấp điện cho các pha theo thứ tự ngược lại.
_ Gọi số pha của động cơ là Np, ổ răng trên roto là Zr, góc bước của động cơ bước biến từ trở là S ta tính được công thức sau:
3.3.3.3 Động cơ bước 2 pha
Hiện nay các động cơ bước 2 pha được sử dụng rất thông dụng, có kết cấu như động cơ bước hỗn hợp và động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Tuy nhiên động cơ bước 2 pha còn được phân loại dựa vào cách đấu dây các cặp cực.
_ Động cơ bước đơn cực: cuộn dây pha có ba dây đầu ra. Điểm trung tâm của cuộn dây được đấu ra ngoài. Khi cấp điện, dây trung tâm được nối với đầu dương của nguồn điện, hai đầu dây còn lại được nối với đầu âm.
_ Động cơ bước lưỡng cực: cuộn dây pha của loại động cơ này chỉ có 2 đầu ra. Một đầu dây được nối với nguồn dương và đầu còn lại được nối với đầu âm của
nguồn điện. Động cơ bước lưỡng cực có kết cấu đơn giản nhưng điều khiển phức tạp hơn động cơ bước đơn cực.
Hình 3.10 Động cơ bước 2 pha lưỡng cực và đơn cực
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của động cơ bước 2 pha 3.3.4 Các phương pháp điều khiển động cơ bước pha 3.3.4 Các phương pháp điều khiển động cơ bước
Mỗi một loại động cơ bước sẽ có đặc tuyến khác nhau, vì vậy cách điều khiển sẽ khác nhau. Tùy thuộc vào lực kéo (moment) và tốc độ quay yêu cầu mà ta có thể dùng các cách điều khiển sau đây:
_ Trường hợp động cơ bước chỉ cần chạy ở tốc độ thấp: sử dụng phương pháp điều khiển cấp điện áp trực tiếp, chính nội trở cuộn dây của động cơ sẽ tạo ra một dòng điện và giới hạn dòng điện này phụ thuộc vào điện áp cấp trực tiếp cho động cơ bước.
_ Trường hợp động cơ bước chạy ở tốc độ cao: nếu tiếp tục sử dụng phương pháp cấp điện áp trực tiếp thì lực kéo (moment) sẽ bị giảm nghiêm trọng vì đặc tuyến cảm của cuộn dây sẽ kìm hãm khả năng của dòng điện.
Một thực tế ở cách điều khiển động cơ bước bằng cách cấp điện trực tiếp sẽ làm cho động cơ và mạch điều khiển động cơ bước rất nóng.
_ Trường hợp cần cải thiện và nâng cao hiệu suất của động cơ ở tốc độ thấp và cần tăng tốc độ cao thì nên sử dụng phương pháp điều khiển băm xung. Cách điều khiển động cơ bước dựa vào băm xung nhằm duy trì tần số không đổi, theo nguyên tắc duy trì dòng điện qua các cuộn dây của động cơ không đổi với mọi cấp độ. Cách điều khiển này còn gọi là điều khiển theo dòng điện.
Thực tế điều khiển cho thấy, cách điều khiển động cơ bước bằng cách băm xung sẽ giúp cho động cơ bước chạy mạnh hơn, êm hơn, và ít nóng hơn.