I. Giới thiệu về động cơ bớc.
Trong các hệ thống tự động điều khiển xa và trong máy tính điện tử ngày càng sử dụng rộng rãi hệ thống truyền động rời rạc.
Các hệ thống truyền động rời rạc này đợc thực hiện nhờ loại động cơ chấp hành đặc biệt gọi là động cơ bớc.
Động cơ bớc thờng là động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dới dạng các xung điện áp thành các chuyển động góc quay hoặc chuyển động của rơ to và có khả năng cố định rơ to vào những vị trí cần thiết. Cỡ của bớc hoặc góc bớc đ- ợc quyết định bởi sự xây dựng về mô tô và các kiểu phác thảo điều khiển đợc sử dụng
để điều khiển nó. Theo truyền thống, sự phân chia các bớc từ phạm vi 900 (4 bớc một
trên vòng) tới 150 (24 bớc một trên vòng), tới 1,80 (200 bớc trên vòng) đã trở nên phổ
biến. Hơn thế nữa, các mô tơ siêu bớc khả năng tới 0,1440 (25000 bớc trên vịng), các
mơ tơ siêu bớc lai là 200000 bớc trên vịng, các mơ tơ bớc thờng đợc dùng trong điều khiển điện tử là 25000 bớc trên vịng.
Có nhiều loại động cơ bớc đã đợc xây dựng. Tuy nhiên kiểu nam châm vĩnh cửu PM (Permanent magnet) và kiểu từ trờng có thể khác nhau (VR) variable reluctance) là các kiểu phổ biến nhất.
Encoder or resolver feedback Step Motor
Hình 6.1
Hình trên một bộ giải mã có thể đợc sử dụng để xác định vị trí chính xác số bớc quay của động cơ.
Động cơ bớc làm việc đợc là nhờ có bộ chuyển mạch điện từ để đa tín hiệu điều khiển vào các cuộn dây stato, theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc
II. Nguyên lý hoạt động động cơ bớc.
Hiện nay đa số các động cơ bớc là các động cơ đồng bộ một pha hoặc nhiều pha, khác với động cơ đồng bộ thơng thờng là rơ to của nó khơng có cuộn dây khởi động (lồng sóc mở máy) mà nó đợc khởi động bằng phơng pháp tần số. Rô to của động cơ bớc có thể đợc kích thích (rơ to tích cực) hoặc khơng đợc kích thích (rơ to thụ động). 1 4 m 2 3 F 1 4 m 2F2 3 4 1 m F2 3 2 F1 F F1 F a. Cung cấp cho từng cuộn riên lẻ 1,2,...m
c. Cung cấp đồng thời cho một số chẵn các cuộn dây. (cung cấp cho 2 cuộn dây)
c. Cung cấp đồng thời cho một số lẻ các cuộn dây. (cung cấp cho 3 cuộn dây)
Hình 6.2 (a,b,c)
Trên (Hình 6.2) vẽ sơ đồ động cơ bớc m pha với rơ to có hai cực (2p=2) và khơng đợc kích thích. Xung điện áp cung cấp cho m cuộn dây stato có thể là xung một cực (Hình 6.2.a), hoặc hai cực (Hình 6.2.b)
Hình 6.3
a. xung một cực b. xung hai cực
xung điện áp cung cấp cho cuộn dây stato
u
o
u
t
Khi cung cấp bởi xung một cực, điện áp sẽ biến đổi từ 0 đến +U, còn khi cung cấp bởi xung hai cực điện áp sẽ biến đổi từ –U đến +U.
Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stato theo từng cuộn riêng lẻ hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số và chiều của sức từ động tổng F của động cơ và do đó vị trí của rơ to trong khơng gian hoàn toàn phụ thuộc vào phơng pháp cung cấp điện cho các cuộn dây.
Ví dụ, nếu các cuộn dây trên (Hình 6.2), đợc cung cấp cho từng cuộn riêng lẻ theo trình tự 1, 2, 3, ..., m, bởi xung một cực, thì rơ to của động cơ sẽ có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (Hình 6.2.a).
Trong thực tế để tăng cờng sức từ động tổng của stato và do đó làm tăng từ thông và mô men đồng bộ, ngời ta thờng cung cấp đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây, lúc đó rơ to của động cơ bớc sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với véctơ sức từ tổng F.
Trên (Hình 6.2.b) vẽ sức từ động tổng F, khi cung cấp đồng thời cho một số chẵn cuộn dây (Trờng hợp này hai cuôn dây điện đợc cung cấp đồng thời ).
Trên (Hình 6.2.c) vẽ sức từ động tổng F, khi cung cấp đồng thời cho 3 cuộn dây (một số lẻ cuộn dây).
Trong cả hai trờng hợp (cung cấp cho một số chẵn cuộn dây và cung cấp một số lẻ cuộn dây), rô to của động cơ bớc sẽ có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch
giữa hai vị trí liên tiếp của rơ to bằng 2π/m.
Nếu cung cấp một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây, ví dụ 12 –2
–23 – 3 ... – m thì số vị trí cân bằng của rô to sẽ tăng gấp đôi là 2m.
Nếu số lợng của cuộn dây đợc điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn cuộn dây hoặc một số lẻ cuộn dây) đợc gọi là điều khiển đối xứng.
Nếu số lợng của cuộn dây đợc điều khiển ln ln thay đổi (ví dụ điều khiển theo trình tự (chẵn – lẻ – chẵn ...) đợc gọi là điều khiển khơng đối xứng.
• Số bớc quay của rô to trong khoảng 0 ữ 3600 là:
K = m.n1.n2.p Trong đó:
m – số cuộn điều khiển trên stato.
n1 – hệ số. n1 = 1 ứng với điều khiển đối xứng.
n2 – hệ sô. n2 = 1 điều khiển bằng xung một cực, n2 =2 điều khiển bằng xung hai cực.
• Nhận xét:
Sự dịch chuyển bớc của rô to chỉ thực hiện đợc trong điều kiện nhất định, nếu nh bớc quay α của rơ to khá lớn thì động cơ rơi vào vùng mất ổn định trong trờng hợp này rô to không bám đợc theo từ trờng, nó tách ra khỏi trạng thái ổn định và động cơ bị mất bớc, khi mất bớc là mất tín hiệu thơng tin. Vì vậy để động cơ khơng bị mất bớc thì cần thực hiện điều kiện sau.
Mc < Mmaxcos(π/K)
Số bớc quay của rô to không lớn (nghĩa là bớc quay α = 360/K càng nhỏ thì mơ men tải cho phép trên trục động cơ càng lớn. Trờng hợp giới hạn K → ∞ thì điều kiện làm việc ổn định khơng khác gì so với điều kiện làm việc ổn định của động cơ đồng bộ thông thờng
Mc < Mmax
Động cơ bớc đợc cung cấp bởi dịng điện một chiều dịng điện trong các cn dây stato không thay đổi đảm bảo điều khiển đợc chính xác (cịn trong động cơ xoay chiều nếu từ dẫn trên đờng đi của từ thông mà thay đổi sẽ làm thay đổi dịng điện từ hố), có nhiều loại động cơ bớc sau đây là nguyên lý hoạt động của đông cơ bớc hay dùng nhất.
1. Động cơ bớc rơ to khơng kích thích. Có thể chia làm hai trờng hợp:
Động cơ b ớc rô to khơng kích thích (Kiểu cảm ứng)
Hình a. Khơng có nam châm vĩnh cửu.
2
Hình b. Với nam châm vĩnh cửu 5 1 2 4 3 N S N S Hình 6.4 (a,b) a) Động cơ bớc kiểu cảm ứng.
Lõi thép của stato và rơ to có thể đợc chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện. Các rãnh của rơ to có dạng hở và rơ to khơng đợc kích thích. Stato có hai dạng rãnh: rãnh lớn kiểu nửa hở trong đó đặt cuộn dây điều khiển và nhờ các chuyển mạch để đa xung điện vào các cuộn dây này: Rãnh nhỏ kiểu hở đợc bố trí trên cùng một răng lớn có dạng hình lợc (Hình. 6.4.a).
1. các cực stato.
2. Nam châm vĩnh cửu N- S. 3. Rô to.
4. Cuộn dây điều khiển. 5. cuộn dây điều khiển.
Số rãnh của Stato và rơ to cũng nh kích thớc hình học của chúng cần đợc chọn một cách thích hợp để đảm bảo trị số bớc quay cần thiết và nhận đợc mô men quay đủ lớn, ứng với một dạng điện áp điều khiển cho trớc.
Đặc điểm cơ bản của động cơ bớc kiểu cảm ứng là từ thơng trong khe hở khơng khí giữa stato và rơto lúc khởi động làm việc gồm hai thành phần: Từ thông một chiều và từ thông hai chiều.
Từ thông một chiều do nam châm vĩnh cửu N – S sinh ra và từ thông xuay chiều do các xung dòng diện đa vào cuộn dây điều khiển, từ thông này quay trong không gian tơng ứng với tần số nhịp chuyển mạch. Kết cấu của động cơ bớc kiểu cảm ứng kích thích bằng nam châm vĩnh cửu đợc trình bày trên (Hình 6.4.b).
b) Động cơ bớc kiểu phản kháng.
Động cơ bớc kiểu phản kháng có kết cấu giống nh động cơ bớc kiểu cảm ứng, chỉ khác là trên stato khơng có cn dây kích thích bằng dịng điện một chiều (hoặc khơng có nam châm vĩnh cửu N – S), do đó khơng có thành phần từ thơng một chiều trong khe hở khơng khí. Loại động cơ này có chỉ số năng l- ợng và trị số mô men đồng bộ thấp hơn so với động cơ bớc kiểu cảm ứng. Mặt khác vì khơng bố trí nam châm N- S trên stato nên loại động cơ này khơng có khả năng cố định về phơng điện từ ở bên trong của rô to khi ngắt diện cuộn dây stato. Động cơ bớc hai cực một pha, loại động cơ này có cấu tạo đơn giản, nó th- ịng đợc sử dụng trong trờng hợp không yêu cầu mô men quay lớn và tốc độ nhanh. Thờng rô to chỉ quay theo một chiều nhất định.
Để tạo ra mômen khởi động, rôto đợc chế tạo khơng đối xứng và dạng hình khố.Khi cuộn dây điều khiển 1 cha có xung điện thì rơ to 2 đợc cố định vị trí nhờ nam châm vĩnh cửu 3. Nếu đa xung điện vào cuộn điều khiển 1 thì rơ to
sẽ quay theo chiều mũi tên. Khi rô to quay đợc 900 thì ngắt điện cuộn điều
khiển, lúc đó rơ to vẫn tiếp tục quay do lực quán tính, cho đến khi gặp một châm vĩnh cửu N - S thì rơ to đợc cố định lại.cực từ của nam
III. Động cơ bớc dùng trên ơ tơ.
Trên thị trờng hiện nay có nhiều loại động cơ bớc đang đợc sử dụng, trong đó có một số loại động cơ bớc chuyên dùng trên ô tô.
∗ Yêu cầu đối với động cơ bớc dùng trong điều khiển tốc độ không tải:
− Động cơ phải đảo đợc chiều quay, xung điều khiển cho động cơ bớc
một chiều quay, khi đó khơng điều khiển đợc van đi lên và đi xuống (Van trong hệ thống điều khiển tốc độ khơng tải).
− Có khả năng tự hãm chính xác tại những bớc nhất định.
− Công suất yêu cầu không cần lớn lắm (do vậy bớc quay của động cơ b-
ớc không đợc quá nhỏ để đảm bảo động cơ bớc làm việc trong vùng ổn định).
− Truyền động mơ men sang các thiết bị cơ khí dễ dàng (truyền động đợc
bằng then hoặc bằng ren).
− Tuổi thọ làm việc cao.
− Giá thành rẻ (khơng cần dùng đến động cơ bớc có thêm bộ giải mã
(Encoder) để xác định vị trí chính xác của rơ to và số bớc khơng cần lớn lắm vì giá thành chế tạo cao).
∗ Từ những yêu cầu trên ta chọn loại động cơ bớc:
4 3 N S N S Step Motor 2 5 2 2 Hình 6.5 1. Các cực stato. 2. Rơ to.
3. Cuộn dây điều khiển. 4,5. Các cuộn dây stato.
∗ Các đặc điểm kỹ thuật.
- Loại động cơ bớc rơ to khơng kích thích với nam châm vĩnh cửu trên
stato (cơng suất động cơ nhỏ khơng cần phải dùng cn dây để kích từ)
- Số bớc: K = 64 buớc.
- Số bớc quay tối đa : 1024 buớc.
- Số cuộn dây điều khiển 4.
- Điều khiển đối xứng (cung cấp lần lợt cho 2 cuộn dây).
- Điều khiển bằng xung hai cực (để đảm bảo hai chiều quay).
Xung điều khiển động cơ b ớc
t Chiều thuận
Chiều ng ợc
∗ Tính tốn các thơng số cho động cơ bớc.
• Số đơi cực trên rô to p = K/(m.n1.n2) = 64/(2.1.2) = 16 đơi cực
• Bớc quay của rơ to trong khơng gian
= 360/64 =5,6250.
∗ chú ý:
− khi tần số xung đa vào càng lớn thì động cơ càng quay nhanh.
− Để cho động cơ bớc quay đợc một số bớc nhất định thì số lợng
xung đa vào bằng đúng số bớc cần quay sau sau đó cắt xung.
− Khi ta tăng số bớc của động cơ lên thì điều khiển chính xác hơn
nhng việc tính tốn khá phức tạp phụ thuộc vào sự dao động từ trờng, việc chế tạo khó khăn giá thành chế tạo cao. Hơn nữa các loại động cơ bớc trên thị trờng hiên nay chỉ có số bớc dới 100 bớc. Một số loại động cơ có số bớc lớn đó là động cơ siêu bớc có số bớc 25000 bớc hiện đại hơn là 200000 bớc trong một vòng (dùng trong các hệ thống
điều khiển điện tử). Mục đích của ta ở đây là giá thành toàn bộ van rẻ dễ chế tạo dùng để thay thế hệ thống không tải thờng hay bị hỏng nên không cần số bớc lớn quá. Nếu số bớc nhỏ q thì điều khiển kém chính xác (qn tính lớn).