khiển nửa bước dễ dàng đáp ứng hơn, nhưng bộ chuyển phát xung điều khiển phức tạp hơn nhiều so với điều khiển bước đủ.
2.2.4 Nguyên lý làm việc động cơ bước
Nguyên lý làm việc của động cơ này là dựa vào tác động của một trường điện từ, tức là tác động giữa một trường điên từ và một hoặc nhiều nam châm vĩnh cửu. Rotor của động cơ tạo thành một hoạc nhiều cặp từ và mơmen điện từ của nam châm được đặt thẳng hang trên từ trường quay do các cuộn dây tạo nên.
W1 W1 W2 s n rotor
Xét cấu trúc của động cơ bước nam châm vĩnh cửu như hình vẽ:
Hình 2-10: sơ đồ kết cấu của động cơ bước
Động cơ cĩ hai cuộn dây lắp ở hai cực của stator, và một nam châm vĩnh cửu ở rotor. Khi kích thích một cuộn dây của stator (đồng thời ngắt điện cuơn kia) sẽ tạo nên hai cực bắc (north) và nam (south) của nam châm. Rotor sẽ thẳng đứng với hướng từ trường.
Nếu cho dịng điện vào cuộn dây W1 thì vị trí 1 và 3 của stator tương ứng sẽ là cực nam và cực bắc.
Giả sử trục của nam châm vĩnh cửu của rotor đang lệch với trục 1-3 một gĩc ϕ dưới tác dụng của lực hút do các cực trái dấu của nam châm sẽ sinh ra một lực quay rotor về vị trí 1, vị trí này được gọi là vị trí cân bằng. Sau đĩ cho dịng điện I2 vào cuộn dây W2 (lúc này dịng điện ở cuộn dây W1 bị ngắt), thanh nam châm sẽ quay nhanh tới vị trí 2 một gĩc 900 nếu việc cấp điện lien tục và tuần tự vào cuộn dây W1,W2,W1 ,... Và đảo chiều dịng điện sau mỗi bước, thanh nam châm quay thành những vịng trịn, từ một phần tư vịng trịn đến một phần tư vịng trịn khác.
Các cuộn dây của stator gọi là các pha. Động cơ bước cĩ thể cĩ nhiều pha: 2, 3, 4, 5 pha, nĩ được cấp điện cuộn này sang cuộn khác với việc đảo chiều dịng điện sau mỗi bước quay. Chiều các động cơ phụ thuộc vào thứ tự cung cấp điện cho các cuộn dây và hướng của từ trường.
2.2.4.2 Động cơ bước từ trở thay đổi
Nguyên lý làm việc của động cơ bước từ trở thay đổi dựa trên cơ sở định luật cảm úng điện từ, tức là dựa trên sự tác động giữa một trường điện từ và một rotor cĩ từ trở thay đổi theo gĩc quay.
Cấu trúc tiêu biểu của động cơ bước cĩ từ trở thay đổi:
Rotor động cơ điện được chế tạo bằng vật liệu dẫn từ, trên bề mặt rotor thường cĩ nhiều răng. Mỗi răng của rotor hoặc của stator gọi là một cực. Trên hai cực đối diện được mắc nối tiếp hai cuộn dây (ví dụ như cuộn dây AA’) tạo thành một phần của động cơ. Như vậy, động cơ như hình 2-4 cĩ bap ha A, B, C từ trở thay đổi theo gĩc quay răng. Khi các răng của rotor đứng thẳng hàng với các cực của stator, từ trở ở đĩ sẽ nhỏ nhất. Nếu ta cho dịng điện chạy vào cuộn dây BB’ nĩ sẽ tạo nên từ trường kéo cực gần nĩ nhất của rotor và làm rotor quay một gĩc 300 theo chiều ngược kim đồng hồ. Nếu dịng điện được đưa vào cuộn dây CC’, rotor lại tiếp tục quay một gĩc 300 nữa…… Các cuộn dây AA’, BB’, CC’ gọi là các pha.
Hướng quay của động cơ khơng phụ thuộc vào chiều của dịng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp điện cho cuộn dây. Nhiệm vụ này do các mạch logic trong bộ chuyển phát tín hiệu thực hiện. Với cách thay đổi thứ tự hoặc thay đổi cách kích thích các cuộn dây ta cũng làm thay đổi các vị trí gĩc quay.
Động cơ bước cĩ từ trở thay đổi cĩ chuyển động êm, số bước lớn và tần số làm việc cũng khá lớn từ 2Khz đến 5Khz.
Một số cơng thức tính cho động cơ bước từ trở thay đổi: Nr: số răng rotor.
Ns: số răng stator. Np: số pha.
Pr: gĩc độ răng rotor. ϴs: gĩc bước.
X= Ns/Np số răng stator cho một pha.
- Gĩc độ răng giữa hai răng kề nhau được xác định như sau:
0 369 Pr= Nr ; 0 360 Ps = Pr
- Gĩc bước được xác định bởi biểu thức:
0 360 θs = Nr.Np (độ/ bước)
- Giá trị bước:
360Rs = Rs =
φs
- Nếu tần số xung là f thì tốc độ rotor là:
69f 60fθs
ψ = = =
Rs Np.Nr 6
(vịng/ phút)
- Số răng rotor cho một pha:
NrX = X =
Np +1
2.2.4.3 Động cơ hỗn hợp
Động cơ hỗn hợp là sự kết hợp nguyên tắc làm việc của động cơ cĩ bước nam
châm vĩnh cửu và động cơ bước cĩ từ trở thay đổi nhằm cĩ được đặc tính tốt nhất của hai loại động cơ kể trên là mơmen lớn và bước lớn.
Động cơ gồm hai phần nửa rotor (1) và (2). Nửa (1) cĩ nhiều răng trên rotor , nửa (2) là nam châm vĩnh cửu. Do đĩ, cĩ sự kết hợp giữa hai phần nên tạo ra sự kích thích rotor mạnh hơn. Động cơ loại này cĩ số bước đạt đến 400 bước, nhưng giá thành đắt.
Hình 2-12: sơ đồ động cơ bước hỗn hợp
2.2.4.4 Động cơ nhiều stator
Động cơ gồm nhiều stator trên cùng một trục. Nếu ta dịch chuyển stator đi một gĩc đồng thời giữ rotor thẳng hàng hoặc ngược lại cĩ rất nhỏ. Khi cung cấp điện cho stator một cách lien tục, ta sẽ cĩ một động cơ quay liên tục. Đặc tính của nĩ khơng tốt bằng động cơ cĩ từ trở thay đổi.
hình 2-13: động cơ nhiều stator
2.2.5 đặc tính của động cơ bước
2.2.5.1 Đặc tính tĩnh
− Gĩc bước: là trị số gĩc quay của một bước, là gĩc quay của trục động cơ dưới tác dụng của một xung điện chạy qua cuộn dây điện kế tiếp. Nĩ phù hợp với số bước/ vịng. Điều khiển động cơ hỗn hợp bằng bộ
chuyển phát cho phép nhân số bước thực tế để điều khiển nửa bước (khi hai pha được cấp điện cùng một lúc) và điều khiển vi bước (khi cho dịng điện cĩ trị số khác nhau vào các pha). Số bước cĩ thể là 2000 đến 25000 bước/vịng. y Mf Mk M gĩc
Mơmen
Bx x M
− Mơmen: mơmen thay đổi theo gĩc quay của trục được gọi là đặc tính động cơ bước. nĩ được biểu hiện như hình sau:
Hình 2-14: mơmen của động cơ bước
− Mơmen tĩnh (Mo) : khi động cơ được cấp điện, rotor cĩ xu hướng nằm trên dọc trục của từ thơng, hình thành một mơmen rất lớn để động cơ cĩ thể quay. Giá trị này gọi là mơmen tĩnh.
− Mơmen hãm: là mơmen cản do trục của động cơ nam châm vĩnh cửu tạo nên khi các cuộn dây stator khơng được kích thích. Để động cơ cĩ thể hoạt động chính xác thì mơmen luơn luơn nhỏ hơn mơmen tĩnh.
− Mơmen duy trì: là mơmen lớn nhất do cuộn dây kích thích tạo nên trên trục. Động cơ từ trở thay đổi khơng cĩ mơmen này.
2.2.5.2 Đặc tính động của động cơ bước
Vận tốc của động cơ bước phụ thuộc vào tần số xung điều khiển. tần số này do bộ điện tử cung cấp.
Đặc điểm vận tốc của rotor trên một bước thể hiện tính dao động của trục động cơ. Đặc tính này cĩ thể được cải thiện bằng việc thiết kế một hộp giảm tốc đặc biệt nhằm hạn chế và loại trừ sự cộng hưởng để cĩ hằng số thời gian tốt hơn.
Khi cĩ một xung dịng điện vào cuộn dây stator, rotor động cơ khơng chuyển động ngay từ gĩc này sang gĩc khác, mà nĩ dao động một thời gian cần để quay 5% vịng thì mới đạt được vị trí ổn định. Hằng số thời gian phụ thuộc vào mơmen quán tính của từ thơng ϕ.
số giới hạn. Ở chế độ này động cơ khơng thể dừng đột ngột và cũng khơng thể đảo chiều. Muốn thực hiện dừng động cơ, cần phải giảm tần số đến vùng làm việc được.
Hai đường đặc tính hình thành vùng giới hạn làm việc là đường cong Mc và Mk.
- Mc là mơmen tới hạn, mơmen lớn nhất tác động lên trục động cơ quay ở tần số đã cho. Trên giới hạn này động cơ bị sai bước và khơng thể thay đổi tần số bước.
- Mk là mơmen khởi động lớn nhất, thường bằng 2/3 mơmen duy trì.
Trên đồ thị cĩ hai vùng làm việc động cơ là A và B.
- Vùng A: là vùng khởi động. Ở vùng này động cơ sẽ cĩ thể khởi động, dừng và đảo chiều mà khơng bị sai bước.
- Vùng B : là vùng bội tốc. Ở đây động cơ khơng thể đáp ứng tức thời các lệnh khởi động, dừng và đảo chiều. Nĩ chỉ cĩ thể quay nếu tần số tăng tuần tự đến một giá trị thích hợp. Ở vùng này khơng cho phép khởi động, dừng và đảo chiều nhưng cĩ thể tăng, giảm tốc từ từ. Muốn dừng chính xác động cơ vận tốc xung phải giảm tốc từ từ đến mơmen khởi động.
Tần số tới hạn fmax : là tần số bước lớn nhất khi động cơ chạy khơng tải. Ba đường đặc tính động cơ bươc
- Tần số tới hạn ft : là tần số bước lớn nhất mà động cơ cĩ thể làm việc khơng sai bước khi quay khơng tải.
- Tần số khởi động fk : là tần số bước lớn nhất mà động cơ cĩ thể khởi động khi cĩ tải.
- Tần sơ fkmax : là tần số bước lớn nhất mà động cơ cĩ thể khời động lúc khơng tải.
Hình 2-15 : đường đặc tính động cơ bước
2.2.6 Điều khiển động cơ bước
Điều khiển động cơ bước do một thiết bị điện tử gọi là bộ chuyển phát thực hiện.
Nĩ bao gồm một số chức năng sau :
- Tạo các xung với những tần số khác nhau.
- Chuyển đổi các phần cho phù hợp với những thứ kích từ.
- Làm giảm mạch giao động cơ học.
Sơ đồ mạch logic điện tử của bộ chuyển phát để điều khiển động cơ bước 4 pha :
Đầu vào của mạch này là các xung do máy phát xung tạo nên. Thành phần của mạch là các bán dẫn, vi mạch. Kích thích các thành phần của động cơ bước theo thứ tự 1-2-3-4 do các transistor cơng suất T1 đến T4 thực hiện. Với việc thay đổi vị trí bộ chuyển mạch động cơ cĩ thể quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại. Tất cả mọi transistor đều do mạch logic « và » điều khiển. Hai bộ ổn định hai chiều T1
a2 pha U fk A tmax A a2
và T2 tạo các tín hiệu đĩng mở cho các cơng tắc điều khiển. Trạng thái hai bộ ổn định hai chiều điều khiển 4 transistor theo cách thức như sau:
Trạng thái ổn định Trạng thái transistor A= B= 1T1 làm việc A= B=1T2 làm việc A= B=1T3 làm việc Hình 2-16 :sơ đồ mạch logic CHƯƠNG 3 PHẦN MỀM ỨNG DỤNG 3.1. PHẦN MỀM MACH3
3.1.1 Giới thiệu chung về phần mềm mach3