CHƯƠNG II. CẤU TRÚC HỆ THỐNG CIM
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ROBOT CHO HỆ THỐNG
III. Hệ điều khiển của robot
3.2. Hệ thống điều khiển điện
3.2.2. Giới thiệu về động cơ bước
Nguyên tắc hoạt động của động cơ bước:
Sơ đồ động cơ bước loại đơn giản nhất dùng nam châm vĩnh cửu gồm stato có 4 cực và roto có 2 cực:
Nếu cấp điện cho cuộn dây αα' thì roto sẽ đứng ở vị trí mà dòng từ qua cuộn dây là lớn nhất. Nếu cấp điện cho cuộn dây ββ' thì roto sẽ quay đi ±900 ( phụ
thuộc vào chiều dòng điện cấp vào ). Khi đồng thời cấp điện cho cả hai cuộn dây α và β thì roto sẽ dừng ở vị trí giữa 00 và 900 và nếu dòng điện vào hai cuộn dây hoàn toàn như nhau thì roto sẽ dừng ở vị trí 450.
Như vậy vị trí của roto phụ thuộc vào số cực được cấp điện trên stato và chiều của dòng điện cấp vào. Tuỳ theo cách cấp điện cho các cuộn dây trên stato ta có thể điều khiển vị trí dừng của roto. Việc cấp điện cho các cuộn dây có thể số hoá, cho nên có thể nói động cơ bước là loại động cơ điện chuyển các tín hiệu số đầu vào thành chuyển động cơ học từng nấc ở đầu ra.
Ưu, nhược điểm:
- Ưu điểm:
+ Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho cả điều khiển vị trí và vận tốc.
+ Thích hợp với các thiệt bị điều khiển số. Với khả năng điều khiển số trực tiếp, động cơ bước trở thành thông dụng trong các thiết bị cơ điện tử hiện đại.
- Nhược điểm:
+ Phạm vi ứng dụng là ở vùng công suất nhỏ và trung bình. Việc nghiên cứu nâng cao công suất động cơ bước đang là vấn để rất được quan tâm hiện nay.
+ Hiệu suất của động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác.
Các thông số chủ yếu của động cơ bước:
+ Góc quay:
Động cơ bước quay một góc xác định ứng với mỗi xung kích thích. Góc bước θ càng nhỏ thì độ phân giải vị trí càng cao. Số bước s là một thông số quan trọng:
θ 3600
s= + Tốc độ quay và tần số xung:
Tốc độ quay của động cơ bước phụ thuộc vào số bước trong một giây. Đối với hầu hết các động cơ bước, số xung cấp cho động cơ bằng số bước ( tính theo phút ) nên tốc độ có thể tính theo tần số xung f. Tốc độ quay của động cơ bước tính theo công thức:
s n 60.f
= Trong đó:
n: tốc độ quay ( v/ph ).
f: tần số xung ( bước/phút ).
s: số bước trong một vòng quay.
Ngoài ra còn các thông số quan trọng khác như độ chính xác vị trí, momen và quán tính của động cơ...
a) Phân loại và cấu tạo của động cơ bước.
Các loại động cơ bước được sản xuất theo tiêu chuẩn công suất hoặc theo tiêu chuẩn bước góc. Theo tiêu chuẩn bước góc, động cơ bước được sản xuất theo các bước: 0.720, 1.80, 7.50, 150, 300, 900.
Động cơ bước được chia làm ba loại. Đó là động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM (Permanent Motor), động cơ bước từ trở biến đổi VR (Varible Reluctance stepper motor) và động cơ bước kiểu lai (hybird stepper motor).
*Động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM.
Rotor của loại động cơ này được chế tạo từ nam châm vĩnh cửu. Stator là các cặp cuộn pha được lắp đối xứngvới nhau.
N
S
Hình 2.1.1 Động cơ VR có 2 cặp cuộn pha.
Động cơ từ trở biến đổi VR.
Rotor của động cơ được chế tạo từ thép non có khả năng dẫn từ cao.
Stator có lắp các cuộn dây đối xứng nhau giống như trên stator của động cơ PM, tuy nhiên các cuộn dây đối xứng ở động cơ PM có cực tính khác nhau còn các cuộn dây đối xứng ở động cơ VR có cực tính giống nhau. Điều này sẽ được phân tích chi tiết trong phần nguyên lý hoạt động của các động cơ.
Hình 2.1.2 Động cơ VR ba pha, có bốn cặp cực trên stator
Rotor của động cơ VR cũng có thể được chế tạo thành nhiều đoạn trục, khi đó số pha của động cơ bằng số đoạn trên rotor. Khi đó số răng trên rotor và trên stator là bằng nhau.
Hình 2.1.3 Động cơ VR 3 pha, 3 đoạn trục Động cơ kiểu lai.
Cấu tạo của động cơ kiểu lai mang đặc trưng của cả hai loại PM và VR.
Rotor và Stator của động cơ bước kiểu lai có cấu tạo giống nhu động cơ VR hai đoạn trục. Tuy nhiên rotor của động cơ kiểu lai có chứa nam châm vĩnh cửu. Hai rotor lam bằng thép non được ép lên trục là nam châm vĩnh cửu. Số răng trên rotor
PHA 1
PHA 1 PHA 2 PHA 3
của động cơ kiểu lai lớn hơn số răng trên stator, sự chênh lệch này thể hiện khả năng điều khiển động cơ. Các răng trên rotor của động cơ kiểu lai được bố trí đối xứng nhau trên hai đoạn trục. Nghĩa là răng trên đoạn rotor này trùng với khe giữa hai răng của đoạn rotor kia.
A A
B B
Hình 2.1.4 Cấu trúc động cơ bước kiểu lai.
b) Nguyên lý điều khiển các loại động cơ bước.
* Động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM.
Nguyên lý hoạt động:
S N
N
S
V+
S4 S1
S3 S2
+ V
L1 L2
L3 L4
L4 L3 L2
L1
V+
S2
S3
S1 S4
+ V N S
N S
S N
N S
V+
S4 S1
S3 S2
+ V
L1 L2
L3 L4 L4 L3 L2
L1
V+
S2
S3
S1 S4
+ V
S N
N S
+ V
V+
V+
V+
a b d c
Hình 2.2.1. Nguyên lý hoạt động của độngcơ PM
Để đơn giản ta xét động cơ PM có hai cặp cuộn pha. Hai cặp cuộn pha được lắp đối xứng qua rotor. Cực tính của các cuộn đối xứng là giống nhau. Sơ đồ nối dây các cuộn pha đuợc chỉ ra như hình vẽ.
Ở vị trí đầu tiên, giả sử rotor bị lệch một góc như trên hinh 2.1a. Lúc này chưa có điện vào động cơ. Khi ta đóng các khóa S1 và S3, động cơ đuợc cấp điện.
Dòng điện có hiệu điện thế V+ chạy qua các cuộn L1 và L3. Từ trường của hai cuộn tăng lên, xuất hiện mômen điện từ làm cho rotor là nam chaâ vĩnh cửu quay cho tới khi cực N của stator đối xứng với cực S của rotor như trên hình 2.1b. Tiếp theo ta mở các khóa S1, S3 và đóng S2, S4. Lúc này cặp cuộn pha L2 và L4 được cấp điện. Từ trưòng của hai cuộn này tăng dần và mômen điện từ do hai cuộn dây này tạo ra làm cho rotor quay cho tới khi đạt được vị trí như ở hình 2.1d.
Vậy, trong mỗi lần đóng và mở các chuyên mạch, rotor của động cơ sẽ quay đi một góc là 900. Đối với các động cơ có số cặp cuộn dây pha càng lớn thì
góc quay của rotor sau mỗi lân đóng, mở các chuyển mạch lại càng nhỏ, có nghĩa là các động cơ có khả năng điệu chỉnh vị trí ngày càng chính xác.
Bước góc của động cơ PM được tính theo công thức:
Zsta
S 360
= (độ)
Trong đó Zsta là số cực của stator.
Áp dụng công thức trên. Với động cơ có 4 cực stator sẽ có bước góc là 900, với động cơ có 8 cực stator sẽ có bước góc là 450…
Điều khiển động cơ PM: Để điều khiển động cơ PM, với mỗi cặp cực trên stator sẽ được nối với một dây pha và động cơ PM sẽ được điều khiển bằng cách cấp dòng một cách thứ tự cho các dây pha. Đối với động cơ PM 2 pha, ta sẽ có sơ đồ nối dây và dải cấp xung yêu cầu như sau:
Hình 2.2.2 Sơ đồ nối dây và dải xung điều khiển động cơ PM 2 pha Giả sử thời điểm bắt đầu khảo sát t0, cặp cuộn pha A của động cơ được cấp dòng dương. Dòng điện đi từ đầu A, qua hai cuộn dây đối xứng và về đất. Giữa thời gian t0 và t1 động cơ ở vị trí cân bằng. Đến thời điểm t1 dòng cấp cho pha A bị ngắt và cấp dòng dương cho pha B. Lúc này dòng điện đi từ đầu B, qua hai cuộn dây đối xứng và về đất. Mômen từ trường sẽ làm cho động cơ quay đi một góc 900, thời điểm động cơ quay được góc 900 tương ứng với thời điểm t2. Lúc này pha B được ngắt điện và cấp dòng điện âm cho pha A, lúc này hai cuộn dây trên stator nối với pha A sẽ đổi cực tính, mômen do chúng tạo ra sẽ làm cho động cơ tiếp tục quay theo chiều cũ thêm một góc 900. Thời điểm động cơ quay được 900 này tương ứng với thời điểm t3. Lúc này dòng vào pha A được cắt, cấp dòng âm cho pha B, động cơ sẽ tiếp tục quay theo chiều cũ một góc 900. Với dải xung cấp liên tục như vậy, động cơ sẽ quay với tốc độ và vị trí ổn định trong quá trình vận hành.
A
N B S
00 900 1800 2700 3600
A
B
t0 t1 t2 t3 t4
Hình2.2.3. Sơ đồ điều khiển động cơ PM 2 pha sử dụng các công tắc chuyển mạch
* Động cơ bước từ trở thay đổi VR.
Nguyên lý hoạt động:
Hình 2.2.4. Nguyên lý hoạt động của độngcơ VR ba pha bốn cặp cực trên stator Khi ta cấp điện cho các cuộn dây của cực A, các cuộn A1 và A2 có cùng cực tính (N), các cuộn A3 và A4 có cùng cực tính (S). Từ thông của các cực này tăng dần và khép kín với rotor theo đường nét đứt được chỉ ra trên hình vẽ. Dòng từ thông đi từ cực bắc A1 vào răng 1 trên stator, sau đó tách ra thành hai nhánh.
Một nhánh đi qua răng 3 của stator, một nhánh đi qua răng 4 của stator, sau đó cả hai nhánh lại về A1. Các dòng từ thông được chỉ rõ trên hình minh họa. Khi động cơ ở vị trí như hình vẽ, dòng điện cấp cho cuộn pha A có từ trở là nhỏ nhất, do đó động cơ cân bằng, rotor không quay.
Ngừng cấp điện cho pha A, cấp điện cho pha B của stator. Lúc này từ trở trong động cơ lớn, momen từ sẽ tác động lên trục rotor, làm cho rotor quay cho tới khi có từ trở nhỏ nhất, lúc đó rotor đạt tới vị trí cân bằng mới.
Ta cấp điện một cách liên tục cho các cuộn dây A B C A rotor sẽ quay theo từng bước. Quá trình cấp dòng một cách thứ tự cho các cuộn dây được thực hiện qua các chuyển mạch cơ khí hoặc chuyển mạch điện.
Vì rotor của động cơ VR làm bằng thép non nên khi không có điện, rotor sẽ không có từ dư và không bị hãm, động cơ sẽ tiếp tục quay theo quán tính. Đây chính là nhược điểm cần khắc phục khi điều khiển loại động cơ này.
Bước góc của động cơ VR được tính theo công thức:
P R
N
S = S (độ)
Trong đó SR là bước góc của rotor, Np là số pha của động cơ.
A
A A A
B
B C
C C
B
C B
S S
N N
1
2
3 4
A1
A3
A2
A4
st
rt
S
S N
S
3600
= (độ)
R
R N
S
3600
= NS, NR: số răng của stator và của rotor.
Đối với động cơ chúng ta đang khảo sát:
12 30 360=
S =
S (độ) 45
8 360=
R =
S (độ) 15
3 45=
S = (độ)
Tương tự, đối với động cơ VR 3 pha, 4 răng trên Stator ta có bước của động cơ là S = 300.
Thứ tự cấp dòng cho các pha của động cơ cũng tương tự như trên, tuy nhiên mỗi bước quay, rotor sẽ quay đi một góc gấp đôi động cơ ta đã khảo sát. Điều này có nghĩa là độ chính xác về vị trí của động cơ cũng bị giảm đi.
Hình 2.2.5. Sơ đồ cấp dòng cho động cơ VR 3 pha, bước góc S = 300
* Động cơ bước kiểu lai.
Nguyên lý hoạt động.
Hình 2.2.6. Mặt cắt dọc động cơ bước kiểu lai.
Hình 2.2.7. Sơ đồ nối dây động cơ bước kiểu lai
Rotor của động cơ bước kiểu lai được cấu tạo từ hai đoạn trục. Bên ngoài được chế tạo bằng thép non, bên trong là trục nam châm vĩnh cửu. Cách nối dây trên hai đoạn trục được chỉ ra ở hình trên. Trong đó dây pha A có màu sẫm, dây pha B có màu mờ hơn. Cuộn pha A lắp trên các cực lẻ còn cuộn pha B được lắp trên các trục chẵn.
Trên hai đoạn rotor của động cơ bước kiểu lai, răng trên đoạn rotor này trùng với rãnh trên đoạn rotor kia, hai đoạn rotor được từ hóa tương ứng với cực của nam châm vĩnh cửu. Ở đây ta giả sử đoạn trục A có cực từ là N, đoạn trục B có cực từ là S.
Khi ta cấp điện cho cuộn pha A, dòng từ trường chạy từ rotor A chia làm hai nhánh, nhánh thứ nhất di từ nam châm vĩnh cửu lan sang rotor A, sau đo đi qua răng trên cực 1, vì răng trên cực 1 đối diện với răng của rotor nên từ kháng là nhỏ nhất. Sau đó dòng từ lan sang stator A và từ stator A lan sang stator B. Dòng từ này tiếp tục lan theo đường mà từ trở là nhỏ nhất, trong hình minh họa ở trên, ví dụ là cực 3 của stator B, vì cực này có răng đối xứng với răng của rotor. Dòng từ đi vào rotor B, lan tới nam châm vĩnh cửu và khép kính mạch. Dòng thứ hai cũng đi từ nam châm vĩnh cửu qua rotor A, đi tới răng 5 của rotor A và lan sang stator A, từ stator A lan sang stator B, từ stator B qua răng 7 lan tới rotor B, từ rotor B lan tới nam châm vĩnh cửu và khép kín mạch từ. Lúc này rotor đứng yên do động cơ ở trạng thái cân bằng.
Dừng cấp điện cho pha A và cấp điện cho pha B, lúc này từ trở không còn là nhỏ nhất, nó sẽ làm cho rotor quay đi theo hướng giảm từ trở. Trong hình minh họa, rotor sẽ quay đến vị trí cực 4 và 8 trên rotor A có các răng đối xứng với các răng của stator, tương ứng với các cực 2 và 6 trên đoạn rotor B.
B B A A
A B
7 8
1 2
3
4
5
6 6
5
7 8
1 2
3
4
* Hệ thống điều khiển động cơ bước.
Một hệ thống có sử dụng động cơ bước có thể được khái quát theo sơ đồ sau.
Hình.2.2.8. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ bước.
D.C.SUPPLY: Có nhiệm vụ cung cấp nguồn một chiều cho hệ thống.
Nguồn một chiều này có thể lấy từ pin nếu động cơ có công suất nhỏ. Với các động cơ có công suất lớn có thể dùng nguồn điện được chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều.
CONTROL LOGIC: Đây là khối điều khiển logic. Có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển động cơ. Khối logic này có thể là một nguồn xung, hoặc có thể là một hệ thống mạch điện tử. Nó tạo ra các xung điều khiển. Động cơ bước có thể điều khiển theo cả bước hoặc theo nửa bước.
POWER DRIVER: Có nhiệm vụ cấp nguồn điện đã được điều chỉnh để đưa vào động cơ. Nó lấy điện từ nguồn cung cấp và xung điều khiển từ khối điều khiển để tạo ra dòng điện cấp cho động cơ hoạt động.
STEPPER MOTOR: Động cơ bước. Các thông số của động cơ gồm có:
Bước góc, sai số bước góc, mômen kéo, mômen hãm, mômen làm việc.
Đối với hệ điều khiển động cơ bước, ta thấy đó là một hệ thống khá đơn giản vì không hề có phần tử phản hồi. Điều này có được vì động cơ bước trong quá trình hoạt động không gây ra sai số tích lũy, sai số của động cơ do sai số trong khi chế tạo. Việc sử dụng động cơ bước tuy đem lai độ chính xác chưa cao nhưng ngày càng được sử dụng phổ biến. Vì công suất và độ chính xác của bước góc đang ngày càng được cải thiện.
Bước góc của động cơ bước được chế tạo theo bảng tiêu chuẩn sau:
Hình 2.2.9. Các bước góc tiêu chuẩn của động cơ bước.
c) Vấn đề về sự trượt bước.
Trong điều khiển động cơ thì hai vấn đề cơ bản là tốc độ và độ chính xác về vị trí. Tốc độ của động cơ bước có khả năng điều khiển một cách khá chính xác thông qua lượng xung cấp cho động cơ. Vấn đề quan trọng đối với động cơ bước là độ chính xác về vị trí, hay còn gọi là sự trượt trong quá trình hoạt động của động cơ.
Sau khi thực hiện mỗi bước dịch chuyển, rotor của động cơ bước luôn có xu hướng dao động xung quanh vị trí cân bằng một thời gian. Nó cũng tương tự như sự dao động trong một hệ thống cơ học, nguyên nhân của sự dao động này là do tải trọng và do nguồn cấp nguồn điện điều chỉnh của động cơ (Power driver).
Sự trượt này có thể được cải thiện bằng cách tăng ma sát hoặc sử dụng hệ thống dập tắt dao động cơ khí, tuy nhiên sử dụng hai phưong pháp này đều làm tăng giá thành và sự phức tạp của hệ thống. Cách tốt nhất và thường được sử dụng là sử dụng phương pháp chống dao động bằng điện. Phương pháp đơn giản nhất được sử dụng là làm trễ xung cuối cùng, do đó thời gian tác động của xung cuối cùng bị giảm bớt và do đó sau khi kết thúc bước cuối cùng, động cơ có thể dừng lại một cách chính xác hơn.
a. Không sử dụng hệ thống chống dao động b. Sử dụng hệ thống chống dao động bằng điện
Hình 2.2.10. Chống dao động bước
Mỗi xung điều khiển đều có thể được chia ra thành 3 phần như chỉ ra trên hình 2.10b. Sừ dụng phương pháp chống dao động bằng điện được thực hiện như sau: Khi đến xung cuối cùng, nó sẽ được làm trễ đi một khoảng thời gian, do đó, thay vì tác động từ thời điểm t0, xung cuối cùng sẽ tác động lên động cơ ở thời điểm t1. Do vậy thời gian tác động của xung cuối cùng sẽ gỉam đi. Điều này làm giảm mômen hãm cũng như giảm quán tính của động cơ, do đó vấn đề trượt bước của động cơ có thể được cải thiện.
d) Điều khiển cả bước và điều khiển nửa bước.
Điều khiển cả bước.
Điều khiển nửa bước Hình 2.2.11. Điều khiển cả bước và điều khiển nửa bước.
Để đơn giản, ta khảo sát với động cơ PM có 2 cặp cực, 4 pha.
Điều khiển cả bước được thực hiện bằng cách cấp điện cho mỗi cuộn pha một cách tuần tự và khi một cuộn pha được cấp điện thì các cuộn pha khác sẽ không có điện. Khi điều khiển cả bước, vị trí cân bằng của động cơ, cực của rotor luôn có vị trí đối xứng với cực của stastor.
Điều khiển nửa bước được thực hiện bằng cách cấp điện cho một cuộn pha và hai cuộn pha đồng thời. Trong điều khiển nửa buớc, có thời điểm cả hai cuộn pha đều có điện. Điều này cho phép bổ xung các vị trí cân bằng mới cho động cơ.
Đó là các vị trí ở giữa các bước của động cơ. Như vậy trong qua trình hoạt động, động cơ sẽ quay nửa bước một chứ không phải quay một buớc một.
e) Lựa chọn động cơ cho robot.