2.3 Các thành phần cơ bản của robot
3.2.1 Yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển
- Điều khiển động cơ về vị trí.
- Điều khiển động cơ về vận tốc.
- Ghép nối máy tính.
3.2.2 Mô hình động cơ bước Giới thiệu về động cơ bước
- Động cơ bước là một thiết bị cơ điện dùng để chuyển đổi xung điên 1 chiều thành chuyển động quay cơ học rời rạc. Góc quay và tốc độ quay tương ứng với số xung và tần số xung điện cấp cho động cơ. Mỗi một vòng quay của trục động cơ được thiết lập bởi một số hữu hạn các góc bước, là góc góc quay của rotor mỗi khi cuộn dậy stator bị đảo cực tính.
- Có nhiều loại động cơ bước với các độ phân giải góc quay(góc bước) khác nhau. Những động cơ thô thường có góc bước 90, 30, 15, 7,5. Những động cơ mịn thường có góc bước 1,80,72. Ngoài ra, bằng việc điều khiển các tín hiệu xung điện một chiều với những tuần tự và giá trị thích hợp có thể điều khiển động cơ quay được nửa bước hoặc vi bước.
Tĩnh học
- Momen động cơ được tạo bởi lực hút giữa các cực stato và rotor. Khi các cực này càng gần nhau thì lực hút càng mạnh. Do vậy, momen động cơ phụ thuộc vào vị trí góc rotor. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa momen động cơ và vị trí góc của rotor được gọi là đường cong momen. Hình dáng của đường cong này phụ thuộc vào hình dáng hình học các cực rotor và stato. Với những động cơ nam châm vĩnh cửu phổ biến thì đường công momen thường có dạng hình sin.
Ngoài ra nó cũng có dạng hình thang hình răng cưa…
- Với góc bước của động cơ là S radian, chu kỳ đường cong momen của động cơ từ trở 3 cuộn dây là 3S, của động cơ nam châm vĩnh cửu 5 pha là 5S, của động cơ nam châm vĩnh cửu 2 cuộn dây và động cơ lai là 4S.
Hình 3.18 Đường cong momen của động cơ vĩnh cửu 2 cuộn dây
Momen của động cơ vĩnh cửu 2 cuộn dây lý tưởng được biểu diễn bằng công thức toán học sau
3.1 Trong đó
T : Momen động cơ h : Momen giữ
S : Góc bước( radian) (độ phân giải góc quay của động cơ) : Góc trục( radian) ( góc quay rotor)
Có 2 khái niệm về góc trục điện và góc trục cơ cần phân biệt rõ. Trong cơ học, 2 red được định nghĩa là một vòng quay. Trong điện học, một vòng quay được định nghĩa là một chu kì của đường cong momen. Như vậy, trong công thức 3.1, là góc trục cơ và . là góc trục điện.
Do tính chất của mạch từ của động cơ bước, sẽ có hiện tượng nhiễm từ dư trong mạch từ stato và tạo ra momen dư nhỏ trong động cơ biến trở từ. Với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ lai, rotor là nam châm vĩnh cửu sẽ tương lai với từ dư ở stato tạo ra lượng momen dư đáng kể.
Momen dư trong động cơ nâm châm vĩnh cửu và động cơ lai, còn được gọi là momen răng hoặc momen hãm vì những người có ít hiểu biết về động cơ bước tưởng rằng có một kết cấu hãm cơ khí bên trong động cơ. Những thiết kế động cơ phổ biến nhất đem lại momen hãm thay đổi theo hình sin với góc rotor, với một vị trí cân bằng tại mỗi bước và một biên độ xấp xỉ 10% momen giữ danh định của động cơ. Đối với những động cơ khác thì tỷ lệ này cũng thay đổi, với những động cơ công suất rất nhỏ thì tỷ lệ này có thể lên tới 23%, với động cơ cỡ trung bình thì tỷ lệ này có thể xuống tới 2,6%.
Nửa bước và vi bước
Với giả thiết không có phần nào của mạch từ bị bão hòa và đường cong momen của cuộn dây là một hình sin lý tưởng, việc cấp điện cho cả 2 cuộn dây động cơ cùng 1 lúc sẽ sinh ra đường cong momen bằng tổng các đường cong momen của hai cuộn dây động cơ khí vận hành riêng rẽ. Với động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ lai 2 cuộn dây, hai đường cong momen của 2 cuộn dây lệch pha S rad. Nếu dòng qua 2 cuộn dây là như nhau thì giá trị đỉnh (Peak) và máng (Valley) của đường cong momen tổng và đường cong momen một cuộn dây sẽ lệch nhau S/2 rad( xem hình 3.19).
Hình 3.19 Đường cong momen nửa bước
Đây chính là cơ sở cho việc tạo ra chuyển động quay nửa bước, trước khi tiếp tục ta làm quen với một số khái niệm sau.
- Momen giữ một cuộn dây : là giá trị đỉnh của đường cong momen khi dòng điện lớn nhất cho phép chạy qua một cuộn dây động cơ.
- Momen giữ hai cuộn dây : là giá trị đỉnh của đường cong momen tổng khi cả 2
Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ lai hai cuộn dây phổ biến, momen giữ 2 cuộn dây được tính bằng công thức :
3.2 Trong đó
: momen giữ một cuộn dây : momen giữ 2 cuộn dây
Điều khiển vi bước cho phép tạo ra những góc nhỏ hơn độ phân giải góc quay của động cơ bằng cách cấp dòng có giá trị khác nhau cho 2 cuộn dây động cơ.
Hình 3.20 Đường cong momen vi bước
Đối với động cơ biến từ trở và động cơ nâm châm vĩnh cửu 2 cuộn dây, giả sử rằng mạch từ chưa bão hòa và đường cong momen của các cuộn dây là hình sin là lý tưởng, momen vị trí giữ và vị trí cần bằng tổng được tính như sau
(3.3) (3.4) Trong đó
a : momen được cấp bởi cuộn dây có vị trí cân bằng tại 0 rad b : momen được cấp bởi cuộn dây có vị trí cần bằng tại S rad h : momen giữ tổng
x : vị trí cân bằng tổng S : góc bước(rad)