CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.2.3. Phân tích lựa chọn động cơ và trục vít me
a. Động cơ bước (Stepping Motor).
Khái niệm, đặc điểm và phân loại.
Động cơ bước (stepping motor) là một cơ cấu chấp hành cơ – điện dùng để biến đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học.
Đặc tính chuyển động của động cơ bước là rời rạc, trái ngược với đặc tính chuyển động quay liên tục và trơn của các loại động cơ khác. Mỗi xung dòng cấp cho cuộn day stato, trục động cơ thực hiện quay một bước gọi là bước góc.
Đặc điểm cơ bản của động cơ bước là vận tốc góc tỷ lệ với tần số xung vào.
Động cơ bước có thể điều khiển cả về vị trí lẫn tốc độ mà không cần mạch phản hồi nhưng vẫn đảm bảo được độ chính xác.
Hình 2.14. Động cơ bước
Tính ưu việt của động cơ bước là ở chỗ nó có khả năng điều khiển trực tiếp bằng mạch số. Vì vậy, trong mạch điều khiển không cần mạch biến đổi số – tương tự (DAC).
Điều khiển vị trí bằng động cơ bước tránh được sai số tích lũy chiều dài của chuyển động. Động cơ bước được sử dụng trong các mạch điều khiển hở và một ưu điểm nữa của động cơ bước là ít gây ồn.
Động cơ bước có ba loại: động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent motor), động cơ bước biến từ trở (Variable Reluctance) và động cơ lai (Hybrid) – kết hợp hai loại trên.
Phân loại và nguyên lý làm việc.
+ Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet).
Nguyên tắc điện của động cơ bước nam châm vĩnh cửu cũng giống như động cơ đồng bộ ba pha. Hình 2.16 trình bày động cơ bước có hai cặp cuộn pha. Hai cặp cuộn pha được bố trí đối xứng nhau qua roto. Roto của động cơ bước nam châm vĩnh cửu là nam châm vĩnh cửu. Cuộn L1, L3 hình thành một cặp cuộn pha và L2, L4 là cặp cuộn pha thứ hai. Để hiểu nguyên lý làm việc của động cơ bước nam châm vĩnh cửu, ta giả thiết vị trí ban đầu của động cơ như hình 2.15a.
Ban đầu 4 chuyển mạch S1, S2, S3, S4 đều hở nên không có dòng qua các cuộn dây. (hình 2.15a)
V+ V+
S1
S2
S3
S N S4
L1
L2
L3 L4
N
S S N
A C
B D V+
V+
V+
V+ V+
S1
S2
S3
S4 S
N L1
L2
L3 L4
S N N S
L4 L3 L2
L1 N S
S4
S3 S2
S1
V+ V+
L4 L3 L2
L1 N S
S4
S3 S2
S1
V+ V+
Hình 2.15. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu Đóng chuyển mạch S1 và S3 (hình 2.15b), dòng điện đi qua các cuộn dây pha L1 và L3, trường điện từ xuất hiện và roto quay đến vị trí như trong hình. Nếu ta cứ giữ nguyên như vậy thì roto cũng sẽ đứng yên.
Ngắt chuyển mạch S1 và S3, roto ở nguyên vị trí (hình 2.15c). Đóng chuyển mạch S2 và S4 thì dòng điện, điện trường và vị trí của roto như hình 2.15d.
Cứ luân phiên đóng và ngắt các cặp chuyển mạch S1, S3 và S2, S4 thì roto sẽ quay tròn theo một hướng.
Hình 2.16 mô tả cấu trúc bên trong động cơ bước nam châm vĩnh cửu đơn giản. Trên stato động cơ người bố trí bốn cực và trên các cực có quấn các cuộn dây pha. Roto động cơ được hình thành thừ hai chi tiết; chi tiết thứ nhất là ống nam châm vĩnh cửu và chi tiết thứ hai là trục thép có độ cách từ cao. Ống nam châm vĩnh cửu, có kết cấu phù hợp để hình thành hai cực Nam và Bắc, được lắp chặt với trục thép cách từ.
Nếu gọi số cực trên stato là Zsta thì bước góc động cơ Sđc được tính như sau:
) Z ( S 360
sta
đc o
o
=
(1) Động cơ bước nam châm vĩnh cửu trên hình 2.3 có bước góc là:
o o o
4 90 360 Z
S 360
sta
đc = = =
N S A1
B1
A2 B2
Stato
Daây pha
OÁng nam chaâm Roto vĩnh cửu Truùc theựp
cách từ
14,22
Hình 2.16. Sơ đồ cấu trúc động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2 pha + Động cơ bước biến từ trở (Variable Reluctance).
Động cơ bước biến từ trở cũng được hình thành trên cơ sở thành phần cơ bản giống như động cơ bước nam châm vĩnh cửu, bao gồm stato và roto.
Kết cấu stato trên từng pha của động cơ bước biến từ trở giống với động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Roto của động cơ bước biến từ trở được chế tạo từ thép non có độ dẫn từ cao và đặc biệt là các cuộn dây đối cứng nhau qua roto có cùng cực tính (ở động cơ bước nam châm vĩnh cửu là khác cực tính).Roto của động cơ bước biến từ trở có thể có nhiều đoạn chứ không phải là một ống liền như động cơ bước nam châm vĩnh cửu.
Để tìm hiểu nguyên lý làm việc của động cơ bước biến từ trở, ta quan sát quá trình làm việc của một pha trong động cơ bước biến từ trở ba pha, bốn cực trên stato, roto một đoạn trục với cách nối các cuộn pha như hình 2.17.
Khi cấp điện cho pha A, các cuộn A1 và A2 có cùng cực tính là cực bắc (N), từ thông của hai cực này tăng dần và khép kín với roto.
A B
C
A
B
C
A
B
C A B C
A3
1 A4 3
2 4 15°
Hình 2.17. Động cơ bước biến từ trở ba pha, bốn cặp cực
Cực A3 và A4 mang cực tính nam (S), từ thông của hai cực này cũng tăng dần và khép kín với roto. Đường sức từ rời khỏi cực bắc A1 vào răng 1 trên roto, sau đó tách thành 2 nhánh, nhánh thứ nhất phát triển đến răng 3 trên roto, qua cực nam A3 vào stato và khép kín mạch từ tại cực bắc A1. Nhánh thứ hai phát triển đến răng 4 trên roto, sau đó qua cực A4 vào stato và cũng khép kín mạch từ ở A1.
Tương tự cho đường sức từ xuất phát từ A2. Dòng điện cấp cho cuộn pha A, ở vị trí đang khảo sát thì từ trở là nhỏ nhất, động cơ ở điều kiện cân bằng, roto đứng yên.
Bây giờ ta ngắt điện trên cuộn pha A và cấp điện cho cuộn pha B thì ngay lúc này từ trở trong động cơ lớn nên trục roto sẽ quay theo chiều giảm từ trở (cùng chiều kim đồng hồ) cho đến khi từ trở nhỏ nhất thì động cơ lại đứng yên ở vị trí mới.
Cứ luân phiên cấp điện cho các cuộn dây A, B, C, A thì động cơ sẽ quay theo chiều kim đồng hồ. Muốn động cơ quay theo chiều ngược lại thì ta đảo ngược thứ tự cấp điện cho các cuộn dây thành C, B, A, C.
Một điểm cần lưu ý là vì roto của động cơ bước biến từ trở làm bằng thép non nên khi không có dòng điện qua các cuộn dây thì trên roto cũng không tồn tại từ dư do đó nó không bị hãm và quay tự do dưới tác dụng của tải. Đây cũng chính là khuyết điểm của loại động cơ này.
+ Động cơ bước kiểu lai (Hybrid Stepping motor).
Động cơ bước kiểu lai có đặc trưng cấu trúc của cả hai dạng động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ trở. Hình 2.18 là sơ đồ kết cấu bên trong của động cơ lai. Roto và stato của động cơ lai như trong hình cũng giống như động cơ bước biến từ trở có hai đoạn trục nhưng roto của động cơ lai có chứa nam châm vĩnh cửu, trục nam châm có cực tính không đổi và hai đoạn roto làm bằng thép non tương ứng với hai đoạn stato được ép lên trục nam châm và trục roto được đặt trên hai ổ lăn. Số răng trên stato và roto của động cơ bước biến từ trở là bằng nhau nhưng đối với động cơ lai thì số răng trên roto nhiều hơn trên stato.
Tỷ số giữa số răng của stato và roto thể hiện khả năng điều khiển chuyển động quay đều của động cơ ở tốc độ thấp. Răng trên các đoạn roto của động cơ bước biến từ trở được bố trí trên cùng đường sinh trụ, với động cơ lai thì các răng trên đoạn roto này trùng với các khe răng trên đoạn roto kia.
Răng trên các đoạn stato của động cơ bước biến từ trở được bố trí lệch nhau và bằng bước góc nhưng răng trên các đoạn stato của động cơ lai bố trí trên cùng đường sinh trụ trong của stato.
Phương pháp bố trí và nối các cuộn pha trong động cơ bước biến từ trở và động cơ lai cũng khác nhau. Ở động cơ bước biến từ trở thì các cuộn pha được lắp riêng biệt trên từng đoạn stato còn ở động cơ lai thì các cuộn pha được quấn nối tiếp từ đoạn stato này sang đoạn stato kia. Hình 2.19 mô tả cách quấn dây trong động cơ lai. Trong ví dụ này cuộn pha A được lắp trên các cực lẻ, còn cuộn pha B được lắp trên các cực chẵn. Hai đoạn roto của động cơ được chế tạo từ thép non và lắp chặt trên trục nam châm vĩnh cửu nên các đoạn roto này được từ hóa tương ứng với các cực của nam châm.
Ổ lăn Cuộn dây stato Raêng stato
Nam chaâm vónh cửu Raêng roto
Vỏ
Truùc K
K
L
L
Hình 2.18. Cấu trúc trong động cơ lai
3 4
5 7 6
8 1
2
1
2 3
4 5 7 6
8
I2 I1
K - K L - L
Hình 2.19. Cách quấn dây trong động cơ lai
Trong thực tế, trên các cực ngời ta lắp 2 cuộn dây có chiều quấn ngược nhau để có thể dễ dàng thay đổi cực tính trường điện từ.
Hình 2.20. Kết cấu thực tế của động cơ lai
Một số thông số cơ bản của động cơ bước
Điều khiển động cơ bước tùy thuộc vào đặc tính, kiểu điều khiển và kiểu động cơ, nhất là khi thiết kế, cần đặc biệt quan tâm đến những đặc tính này. Các đặc tính là cơ sở để lựa chọn hoặc thay thế động cơ cho phù hợp yêu cầu thiết bị mới.
Bước góc là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển.
Bước góc của động cơ được xác định bởi kiểu điều khiển (Full–Step hoặc Half–
Step) và cấu trúc động cơ.
Độ chính xác bước góc được đánh giá bằng giá trị phần trăm tăng hoặc giảm của bước góc so với bước góc danh nghĩa, ví dụ độ chính xác bước góc 5% của động cơ có bước góc 1, 8° là 0, 09°. Sai số này được tích lũy trong một bước hoặc trong 200 bước (động cơ có bước góc 1, 8°, 200 bước thực hiện một vòng của trục).
Momen tĩnh là momen ngoại lực mà momen này giữ cho trục không quay. Để động cơ quay được cần cấp điện cho động cơ, vì vậy roto quay liên quan đến dòng trong động cơ.
Momen hãm hay còn gọi là momen dư. Momen hãm là tổng các momen hiện tại trên roto khi động cơ không được cấp điện. Momen hãm chỉ tăng trong động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ lai khi lớn hơn momen tĩnh. Momen tĩnh phải nhỏ hơn momen hãm 10%.
Điện trở cuộn dây pha liên quan đến dòng qua động cơ. Dòng qua cuộn dây liên quan đến momen; dòng lớn, momen lớn và ngược lại. Nếu biết điện áp E cung cấp cho mỗi cuộn pha và điện trở R cuộn pha thì dòng điện qua cuộn pha tính theo công thức:
pha
pha R
I = E
(A) (2)
Độ tự cảm trên cuộn dây pha xác định bởi tốc độ tự cảm đến bão hòa khi cấp điện cho cuộn pha. Giá trị độ tự cảm lớn hay nhỏ phụ thuộc vào dòng qua cuộn pha.
Cần phải tính toán dòng cấp cho phù hợp khi động cơ quay ở tốc độ cao (tốc độ tự cảm).
Momen quán tính của roto dùng để tính toán gia tốc của động cơ, đơn vị đo:
kG.cm2.
Momen khởi động là momen điện từ sinh ra khi cấp điện cho động cơ để nó có thể tự khởi động (momen điện cân bằng với momen quán tính và momen ma sát) và chạy đồng bộ với tần số xung cấp (không bị mất bước). Động cơ sẽ khởi động và chạy không bỏ bước trong vùng khởi động và dừng của đồ thị momen – tần số (vùng I trong hình I.2.21).
I
II
M
0 PPS Momen khởi động
Momen keùo Momen hãm
Tốc độ khởi động Tốc độ kéo
Khởi động, dừng và đảo
chieàu
Tăng, giảm toác, khoâng đảo chiều Đường cong
momen khởi động
Đường cong momen keùo
Hình 2.21. Đồ thị quan hệ giữa momen – tần số bước.
Momen kéo là momen tải cực đại có thể đặt lên trục động cơ khi nó đang quay mà không gây ra dừng động cơ.
Tần số khởi động cực đại là tần số lớn nhất mà tại đó động cơ ở trạng thái không tải có thể tự khởi động được.
Các thông số khác:
– Tốc độ quay của động cơ tính theo tần số xung
6 S . f 360
S . f .
60 S S
=
= ω
(3) Trong đó: ω: tốc độ góc của trục động cơ (vòng/phút)
fS: tần số xung cấp cho động cơ (Hz) S: bước góc (°)
– Góc quay của trục động cơ
360 S . nx
=
θ (4)
Trong đó: θ: góc quay của trục động cơ, đơn vị là vòng.
nx: số xung cấp cho động cơ
Hệ thống điều khiển của động cơ bước Hệ điều khiển động cơ bước cần phải có hai chức năng:
Cấp nguồn cho các cuộn dây theo trình tự tín hiệu vào. Chức năng này được thực hiện nhờ mạch logic, mạch trình tự và phần mềm điều khiển.
Xung điện cấp cho cuộn dây phải đủ rộng. Đây là yếu tố rất quan trọng đối với momen động cơ. Vì vậy hệ số thời gian điện (Lm/Rm) phải lớn hơn đáng kể so với chiều rộng xung vào.
Động cơ bước có thể điều khiển theo ba cách:
Điều khiển Full step, cách điều khiển này có hai khả năng, thứ nhất là khi xung điều khiển xuất hiện thì chỉ có một cuộn pha được cấp điện (hình 2.22a), thứ hai là khi có xung điều khiển thì hai cuộn pha khác nhau được cấp điện (hình 2.22b). Khả năng thứ hai cho phép tăng momen xoắn lên 1, 4 lần trong khi phải tốn gấp đôi lượng điện tiêu thụ so với khả năng thứ nhất.
Điều khiển Half step, là cách điều khiển sử dụng cả hai khả năng của cách điều khiển Full step, nghĩa là mỗi khi xung điều khiển xuất hiện thì các cuộn pha được cấp điện luân phiên theo khả năng thứ nhất và khả năng thứ hai. Cách điều khiển này cho phép động cơ bước dịch chuyển mỗi lần 1/2 bước góc của nó. (hình 2.22c)
Điều khiển Micro step, là cách điều khiển cao cấp dành cho động cơ bước, nó sử dụng khả năng thứ hai của cách điều khiển Full step, dòng điện cấp cho hai cuộn pha được chia nhỏ thành nhiều mức và dòng điện đi qua hai cuộn pha tỷ lệ nghịch với nhau, dòng qua cuộn này tăng thì dòng qua cuộn kia giảm; cách điều khiển này cho phép động cơ bước có thể dịch chuyển được những bước nhỏ hơn góc bước thực của nó (VD: động cơ bước có góc bước 1, 8° có thể bước được những bước góc 0, 05°).
1 2 3 4 5 6 7 8Thời gian chu kỳ Pha
A B A B
8 7 6 5 4 3 2 1
Pha Thời gian chu kỳ
B A B A
8 7 6 5 4 3 2 1
Pha Thời gian chu kỳ
B A B A
(a) (b) (c)
Hình 2.22. Là giản đồ thời gian khi điều khiển theo hai cách Full step và Half step
2.2.3.2. Động cơ một chiều (DC Motor).
Ưu điểm:
Momen xoắn lớn.
Giá thành rẻ.
Dễ điều khiển.
Hình 2.23. Một số loại động một chiều DC Nhược điểm:
Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp.
Phải có mạch phản hồi thì mới có thể nâng cao độ chính xác.
c. Kết luận.
Hai trục của động cơ.
Ta chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động cho hai trục chính, vì hai trục chính cần điều khiển vị trí, tốc độ chính xác. Các thông số của động cơ bước như sau:
Điện áp làm việc: 4.5V.
Dòng điện lớn nhất: 3A.
Loại động cơ đơn cực, hai pha.
Số bước quay trên một vòng là 200(bước/vòng).
2.2.3.3. Bộ truyền, biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến.
a. Bộ truyền vít me – đai ốc.
Hình 2.24. Một số loại trục vít_đai ốc
Bộ truyền trục vít - đai ốc dùng để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, nhờ tiếp xúc giữa ren trục vít và ren đai ốc. Bộ phận truyền trục vít - đai ốc có hai bộ phận chính.
+ Trục vít số 1 quay với số vòng quay n1, công suất truyền động P1, mômen xoắn trên trục T1. Vít có ren ngoài tương tự như bulong. Trong đồ án này trục vít là khâu dẫn.
Hình 2.25. Bộ truyền trục vít_đai ốc
+ Đai ốc số 2, chuyển động tịnh tiến với vận tốc v2, công suất trên đai ốc là P2, đai ốc ren trong giống như đai ốc trong mối ghép ren, trong đồ án này đai ốc là khâu bị dẫn.
Phân loại:
+ Vít có ren hình thang. Loại này dùng phổ biến để truyền chuyển động theo hai chiều.
Hình 2.26. Trục vít ren hình thang
+ Vít có ren hình chữ nhật. Dùng thực hiện chuyển động dọc trục chính xác cao.Hiệu suất truyền động cao.
Hình 2.27. Trục vít ren hình chữ nhật
+ Vít có ren tam giác, giống như bulong. Dùng để thực hiện chuyển động chậm, chính xác cao.
+ Vít có ren răng cưa. Dùng để truyền tải trọng theo một chiều. Hiệu suất truyền động cao. Khả năng tải trọng trung bình.
Hình 2.28. Trục vít ren hình răng cưa
Ưu, nhược điểm:
Ưu điểm:
– Cấu tạo đơn giản, thắng lực lớn, thực hiện di chuyển chậm.
– Kích thước nhỏ, chịu được lực lớn.
– Thực hiện các dịch chuyển chính xác cao.
Nhược điểm:
– Hiệu suất làm việc thấp.
Các thông số hình học chủ yếu của bộ truyền vít – đai ốc.
Đường kính ngoài của trục vít d (mm). Là đường kính của vòng tròn đi qua đỉnh ren. Còn gọi là đường kính danh nghĩa. Đường kính danh nghĩa của đai ốc ký hiệu là D, là đường kính vòng tròn đi qua chân ren của đai ốc.
Đường kính trong của trục vít d1 (mm). Là đường kính của vòng tròn đi qua chân ren. Còn gọi là đường kính chân ren. Đường kính trong của đai ốc ký hiệu là D1, là đường kính vòng tròn đi qua đỉnh ren của đai ốc.
Đường kính trung của trục vít d2 (mm), của đai ốc là D2 (mm). Đường kính trung bình được tính theo công thức: d2 = (d+d1)/2 ; D2 = (D1+D)/2.
Ta có: d = 16mm, d1 = 13mm, D = 16, 5mm, D1 = 13, 5mm.
Vậy d2 = 14mm, D2 = 15mm.
Số mối ren của trục vít, ký hiệu là z, là đầu mối của các đường xoắn vít, z = 1.
Bước ren pr (mm). Giá trị của pr được tiêu chuẩn hóa theo đường kính d. Ứng với mỗi giá trị của d có quy định ren bước nhỏ, bước bình thường và bước lớn, pr= 3mm.
Bước xoắn vít λ (mm). Bước xoắn vít được tính theo công thức λ = z.pr. Vậy bước xoắn vít: λ = 3mm.
Góc nâng của đường xoắn vít γ (độ). Có quan hệ:
tgγ = λ/(π.d2) = 3/(3, 14.14) = 0, .068 → γ = 3053’
Hình dạng và kích thước của tiết diện ren. Được lấy theo tiêu chuẩn, phụ thuộc vào giá trị của đường kính d
Góc profil của tiết diện ren α (độ).
Chiều rộng của đai ốc B (mm), có thể gọi là chiều cao đai ốc, ký hiệu là H.