CHƯƠNG 2. CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ HÀN MAG TỰ ĐỘNG
2.2. Hệ thống cơ khí của thiết bị hàn MAG tự động
2.2.2. Giới thiệu về động cơ bước
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 của động cơ DC và AC. Mỗi xung dòng cấp cho cuộn dây stato, trục động cơ thực hiện quay một góc gọi là bước góc. Đặc điểm cơ bản của động cơ bước là tốc độ góc tỷ lệ với tần số xung vào. Động cơ bước điều khiển tín hiệu số được sử dụng khá phổ biến trong hệ thống máy điều khiển số, hệ thống tự động. Động cơ bước có thể điều khiển cả về vị trí và tốc độ mà không cần mạch phản hồi nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác vị trí. Tần số cung cấp cho động cơ nằm ở vùng tần số thấp, độ chính xác vị trí trong khoảng từ 1% - 5% bước góc.
Hình 2.7. Mô hình số hóa động cơ bước 1) Nguyên lý hoạt động của động cơ bước
Khác với động cơ đồng bộ thông thường, rôto của động cơ bước không có cuộn dây khởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số, rôto.
Nguyên lý làm việc của động cơ bước là dựa trên sự tác động tương hỗ giữa từ trường của stato và rôto, hình thành mômen điện từ làm quay rôto đi một góc nhất định khi cho xung dòng điện tác động vào cuộn dây pha. Hình 2.8 mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ bước m pha với rôto có hai cực và rôto không được kích thích.
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto 2 cực và các lực điện từ khi điều khiển bằng xung đơn cực
Xung điện cấp cho động cơ có thể là xung đơn cực hoặc xung hai cực (hình 2.9)
Hình 2.9. Xung điện áp cấp cho cuộn dây
Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stato theo từng cuộn dây riêng lẻ hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số và chiều của lực điện từ tổng F quyết định vị trí của rôto động cơ có nghĩa là phụ thuộc hoàn toàn vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây. Như mô tả trên hình 2.8a nếu các cuộn dây của động cơ được cấp điện cho từng cuộn riêng lẻ theo thứ tự 1, 2, 3,…,m bởi xung một cực thì rôto của động cơ có m vị trí ổn định trùng với trục các cuộn dây. Trên thực tế để tăng cường lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ thông và mô men đồng bộ thì ta thực hiện cấp điện đồng thời cho hai hay nhiều cuộn dây. Lúc đó rôto của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng trùng với véc tơ lực điện từ tổng. Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ thành phần của cuộn dây stato như biểu diễn trên hình 2.8b và 2.8c.
Ở hình 2.8b biểu diễn lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho
t u
o
a t
u
o
b
nằm ở vị trí chính giữa hai trục của hai cuộn dây. Còn ở hình 2.8c biểu diễn lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho ba cuộn dây (một số lẻ cuộn dây) thì ta có lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn nằm ở vị trí trùng với trục cuộn dây giữa. Trong cả hai trường hợp này rô to của động cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch giữa hai vị trí liên tiếp của rô to bằng 2π/m.
Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây rồi cấp cho một số lẻ cuộn dây, có nghĩa là số lượng cuộn dây được cấp điều khiển luôn luôn thay đổi từ chẵn sang lẻ rồi từ lẻ sang chẵn thì số vị trí cân bằng của rô to sẽ tăng lên gấp đôi là 2m vị trí, độ lớn của mỗi bước giảm đi một nửa bằng 2π/2m. Trường hợp này gọi là điều khiển nửa bước (half step) hoặc điều khiển không đối xứng. Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi một số chẵn hoặc một số lẻ thì rô to có m vị trí cân bằng và trường hợp này gọi là điều khiển cả bước (full step) hoặc điều khiển đối xứng.
Như vậy xét về yêu cầu đảm bảo độ chính xác trong điều khiển, thì phương pháp điều khiển nửa bước đáp ứng tốt hơn nhưng điều khiển phát xung sẽ phức tạp hơn so với phương pháp điều khiển cả bước.
Công thức tính số bước quay cuả rôto trong khoảng 00÷3600 như sau:
K = m. n1n2p Trong đó:
p: Số đôi cực của rô to.
m: Số pha của động cơ.
n1: Là hệ số n1 = 1 ứng với điều khiển cả bước, n1 = 2 ứng với điều khiển nửa bước.
n2: Là hệ số n2 = 1 ứng với điều khiển bằng xung đơn cực.
n2 = 2 ứng với điều khiển bằng xung hai cực.
Bước quay của rô to là α = 3600/K
Chiều quay của động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy trong các cuộn dây stato, mà phụ thuộc vào thứ tự cuộn dây stato được cấp xung điều khiển. Nhiệm vụ này do bộ chuyển phát nhận tín hiệu xung điều khiển thực
Ưu điểm lớn của động cơ bước là nó có khả năng điều khiển trực tiếp bằng mạch số. Vì vậy, trong hệ thống mạch điều khiển không cần mạch biến đổi tương tự số, và nó cũng không cần các chuyển mạch hoặc chổi than như động cơ điện DC điều khiển servo. Điều khiển vị trí bằng động cơ bước tránh được sai số tích lũy chiều dài của chuyển động. Khi hoạt động thì động cơ bước ít tạo ra tiếng ồn.
Động cơ bước được sản xuất theo tiêu chuẩn bước góc hoặc theo công suất. Dải bước góc của động cơ từ 0,720÷ 900.
2) Phân loại
Động cơ bước có ba kiểu là động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM (permanent motor), động cơ bước có từ trở biến đổi VR (variable – reluctance stepper motor) và động cơ bước kết hợp từ hai dạng động cơ bước PM và VR gọi là động cơ lai (hybrid stepper motor).
- Động cơ bước PM (permanent motor- động cơ bước nam châm vĩnh cửu)
Hình 2.10. Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu (PM)
Cấu tạo stato của động cơ bước PM được bố trí các cặp cực trên các cặp cực lắp các cuộn dây pha. Roto là nam châm vĩnh cửu được hình thành từ chi tiết ống nam châm vĩnh cửu và chi tiết trục thép có độ cách từ cao. Ống nam châm có kết cấu phù hợp để hình thành hai cực bắc (N) và cực nam (S). Nguyên lý làm việc của động cơ này là dựa vào tác động của một trường điện từ trên một mômen điện từ, tức là tác động giữa một trường điện từ và một hoặc nhiều nam châm vĩnh cửu.
- Động cơ bước VR
Rôto động cơ được chế tạo bằng vật liệu dẫn từ, trên bề mặt rôto thường
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 2.11 có ba pha A, B, C, từ trở thay đổi theo góc quay của răng. Khi các răng của rôto đứng thẳng hàng với các cực của stato, từ trở ở đó sẽ nhỏ nhất. Nếu cho dòng điện chạy vào cuộn dây BB' nó sẽ tạo nên từ trường kéo cực gần nó nhất của rôto và làm rôto quay một góc 300 theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. Nếu dòng điện được đưa vào cuộn dây CC', Roto lại tiếp tục quay một góc 300 nữa… Các cuộn dây AA', BB', CC' gọi là các pha. Với cách thay đổi thứ tự hoặc thay đổi cách kích thích các cuộn dây ta cũng làm thay đổi các vị trí góc quay. Động cơ bước có từ trở thay đổi có chuyển động êm, số bước lớn và tần số làm việc cũng khá lớn.
Hình 2.11. Cấu tạo động cơ bước có từ trở biến đổi(VR) - Động cơ bước kiểu lai (hybrid stepper motor).
Động cơ bước kiểu lai (hybrid stepper motor) là sự kết hợp nguyên tắc làm việc của động cơ có bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước có từ trở thay đổi nhằm có được đặc tính tốt nhất của hai loại kể trên là momen lớn và số bước lớn.
Động cơ loại này có số bước đạt đến 400 bước, nhưng giá thành đắt.