Bảng 2.1 Chuyển mạch của các cuộn dây chế độ bước đủ
Bƣớc A B C D
1 1 1 0 0
2 0 1 1 0
3 0 0 1 1
4 1 0 0 1
Hình 2.7 Giản đồ xung trong chế độ bước đủ
- Chế độ nửa bước( Half drive): Ở chế độ này một trong những cuộn dây được
cấp điện và sau đó hai cuộn dây được cấp điện luôn phiên ( đây là cách cấp điện theo thứ tự số lẻ cuộn dây rồi đến số chẵn cuộn dây rồi ngược lại ). Chế độ này có momen xoắn nhỏ hơn chế độ bước đủ.Sơ đồ chuyển mạch như hình sau.
Bảng 2.2 Chuyển mạch của các cuộn dây chế độ nửa bước
Bƣớc A B C D 1 1 0 0 0 2 1 1 0 0 3 0 1 0 0 4 0 1 1 0 5 0 0 1 0 6 0 0 1 1 7 0 0 0 1 8 1 0 0 1 D A B C A
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.8 Giản đồ xung trong chế độ half drive
- Chế độ bước đủ( 1 pha on): Trong chế độ này chỉ có một cuộn dây được cấp xung
điều khiển chế độ này góc bước tương tự như chế độ bước đủ tuy nhiên momen xoắn ít hơn đáng kể. Thường dùng trong trường hợp yêu cầu momen xoắn nhỏ.
Bảng 2.3 Chuyển mạch của các cuộn dây chế độ bước đủ( 1 pha on)
Hình 2.9 giản đồ xung trong chế độ ware drive
- Chế độ vi bước: Chế độ bước đủ và nửa bước có nhược điểm là động cơ bị giật.
Số bước di chuyển bị giới hạn bởi số cực của rotor. Chế độ vi bước thường được ứng dụng trong các trường hợp yêu cầu định vị chính xác. Số lượng bước có thể tăng lên bằng cách sử dụng bộ điều khiển đưa xung tới động cơ, dòng điện c trong hai cuộn dây tính luôn là lệch pha với nhau.
giảm
trung gian. Các cuộn dây động cơ sẽ một tụ được nối trong ứng dụng này. Vi bước một bước công nghệ động cơ tương đối mới điều khiển dòng điện trong cuộn dây động cơ. Bước A B C D 1 1 0 0 0 2 0 1 0 0 3 0 0 1 0 4 0 0 0 1 A B C D A B C D
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.10 Giản đồ xung của chế độ vi bước
* sử dụng kỹ thuật vi bước như sau: - Chuyển động ở tốc độ thấp.
-Tăng độ phân giải bước định vị như là kết quả của góc bước nhỏ hơn. - Mômen xoắn cực đại ở cả hai mức bước thấp và cao.
của kỹ thuật vi bước như sau: - Độ chính xác góc bị hạn chế.
- Ch nmô-men xoắn cần phải được khắc phục vì những đặc tính không hình sin động cơ bước PM.
- Chi phí thực hiện lớn.
2.2.3 Các đại lượng điều khiển
- Điều khiển tốc độ quay của động cơ bước
Động cơ bước có thể quay với bất kì tốc độ nào trong giải tốc độ 0 vòng / phút đến giá trị cực đại cho phép. Do tính chất đặc biệt động cơ bước có thể dừng đột ngột ở bất kì vị trí nào trong độ phân giải của góc bước khi đang quay với bất kì tốc độ nào trong giải cho phép. Vì vậy động cơ bước thường dùng để điều khiển thích nghi tức là tốc độ quay biến đổi liên tục, thậm chí động cơ phải dừng ở vị trí bám sát. Vì vậy vận tốc quay của động cơ bước được hiểu là vận tốc trung bình.
Giả sử trong thời gian t( giây ) ta thực hiện n lần dịch bước thì tần số dịch bước là: Gọi là góc bước của động cơ, để động cơ quay được 1 vòng thì động cơ phải quay được bước quay.
Vận tốc trung bình của động cơ là (vòng / giây) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hay (vòng/ phút)
Việc điều khiển vận tốc động cơ bước được thực hiện bằng cách thay đổi tần số dịch bước. Vì vậy việc điều khiển này được thực hiện bằng bộ vi xử lí. Với vận
A B C D
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
tốc lớn hơn 300 vòng / phút momen của động cơ sẽ bị giảm dần theo chiều tăng của vận tốc. Do đó việc lựa chọn tải trọng và vận tốc quay cực đại phải được tính toán trước khi thiết kế hệ truyền động dùng động cơ bước. Một yếu tố rất quan trọng đối với động cơ bước là vận tốc tức thời, vận tốc này phải nhỏ hơn vận tốc cực đại đã được tính toán với tải trọng cho trước. Gọi Tcb là thời gian giữa hai lần chuyển bước liên tiếp, ta tính được vận tốc tức thời như sau:
(vòng/ giây)
Thời gian Tcb không nhất thiết phải cố định nhưng phải đảm bảo
- Điều khiển chiều quay động cơ bước
Đối với động cơ bước, chiều quay không đồng nhất với chiều dòng điện cấp cho các cuộn dây mà phụ thuộc vào thứ tự dịch chuyển các bước. Chẳng hạn, rotor đang ở vị trí bước thứ n, nếu ta cấp điện cho nó chuyển sang vị trí bước thứ (n+1) thì động cơ quay phải, nếu ta cấp điện cho rotor chuyển sang bước (n-1) thì động cơ quay trái. Bộ tạo xung điều khiển sẽ thực hiện việc này.
Chiều quay của động cơ bước được xác định bằng thứ tự chuyển dịch các trạng thái cấp điện của các cuộn dây stato. Đối với động cơ 2 pha, nếu điều khiển cả bước sẽ có 4 trạng thái cấp điện, nếu điều khiển nửa bước sẽ có 8 trạng thái cấp điện.
Đối với động cơ 4 pha, nếu cấp xung 1 cực thì cũng có 4 và 8 trạng thái cấp điện vào các cuộn dây cho trường hợp điều khiển cả bước và nửa bước.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Bảng 2.4 Trạng thái cấp điện vào cuộn dây
TT Cuộn dây 1 2 3 4 5 6 7 8 1 1 1 0 0 0 0 0 1 2 0 1 1 1 0 0 0 0 3 0 0 0 1 1 1 0 0 4 0 0 0 0 0 1 1 1
Trong bảng: Tương ứng với trạng thái 1 là cuộn dây được cấp xung 1 cực, trạng thái 0 là cuộn dây không được cấp điện. Nếu điều khiển cả bước chỉ có 4 trạng thái 1, 3, 5, 7 hoặc 2, 4, 6, 8. Nếu điều khiển nửa bước thì có 8 trạng thái. Khi đã xác định được cấp điện như trên, trong lúc làm việc động cơ chỉ có thể ở 8 trạng thái ổn định đó, ngoài ra không còn trạng thái nào khác. Mỗi lần dịch chuyển trạng thái cấp điện sang trạng thái liền kề thì động cơ dịch chuyển 1 bước ( bước đủ hay nửa bước).
Nếu chiều dịch chuyển từ trái qua phải thì động cơ quay phải, ngược lại nếu chiều dịch chuyển từ phải qua trái thì động cơ quay ngược lại. Ví dụ ở trạng thái 8( cuộn 1 và cuộn 4 cấp điện), nếu dịch chuyển sang trạng thái 7 (cuộn 1 cắt điện, cuộn 4 có điện) động cơ quay ngược lại. Nếu quay thuận sang trạng thái 1( cuộn 1 có điện, cuộn 4 cắt điện) động cơ quay thuận. Từ bảng trạng thái trên ta thấy quá trình hoạt động ( quay hay giữ ) thì ít nhất một cuộn dây phải được cấp điện. Nếu tất cả các cuộn dây không được cấp điện thì rotor sẽ quay trơn, có nghĩa nếu tải gây ra momen quay thì rotor động cơ sẽ bị quay bởi lực bên ngoài. Ngược lại muốn dùng lực bên ngoài để thay đổi vị trí tải thì phải đưa động cơ về trạng thái Turn- off. Điều này còn quan trọng ở chỗ: Hệ truyền động động cơ bước sẽ không hoạt động đúng được nếu ta điều khiển nó luôn ở hai trạng thái Turn- off và dịch bước, mà phải điều khiển ở hai chế độ giữ và dịch bước, có nghĩa là bắt buộc phải cấp điện cho cuộn dây pha kể cả khi hệ dừng và hệ chuyển động. Vấn đề cốt lõi của điều khiển động cơ bước là cấp điện lúc động cơ dừng- giữ. Do vậy phải cấp điện cả lúc động cơ dừng và quay.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.2.4 Đặc trưng của tín hiệu điều khiển động cơ bước.
Tín hiệu điều khiển động cơ bước là những xung rời rạc kế tiếp nhau. Việc điều khiển động cơ bước phụ thuộc vào các tham số sau của xung điều khiển:
- Dòng điện và cực tính của dòng điện.
- Độ rộng xung ( liên quan tới khả năng dịch bước). - Tần số xung( liên quan tới tốc độ quay).
- Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự và số lượng cuộn dây pha được cấp xung ( liên quan tới momen của tải và chiều quay của tải).
Tùy thuộc vào việc cấp xung động cơ có 4 trạng thái sau: * Trạng thái không hoạt động.
Khi không có cuộn dây nào được cấp điện: - Động cơ phản kháng, rotor quay trơn.
- Động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp: Động cơ có momen hãm, rotor có xu hướng dừng tại những vị trí mà đường khép từ thông giữa các cực của rotor và stato là nhỏ nhất.
* Trạng thái giữ
- Khi một số cuộn dây pha được cấp điện một chiều, rotor mang tải sẽ được giữ chặt tại vị trí góc bước nhất định do lực điện từ sinh ra momen giữ.
* Trạng thái dịch chuyển bước.
- Rotor sẽ dịch chuyển từ vị trí bước đang được giữ sang bước tiếp theo khi các cuộn dây pha được cấp dòng phù hợp.
* Trạng thái quay quá giới hạn.
- Trong chế độ không tải, nếu xung điều khiển có giá trị quá cao động cơ sẽ quay vượt tốc độ. Ở chế độ này động cơ không thể đảo chiều, không thể dừng đúng vị trí nhưng vẫn có thể tăng giảm tốc độ từ từ. Muốn dừng và đảo chiều động cơ phải giảm tốc độ động cơ xuống dưới tốc độ tới hạn để động cơ làm việc ở chế độ dịch bước. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.3 Mô hình toán học của động cơ bƣớc.
Sử dụng mô hình của động cơ bước 2 pha PM thể hiệ ể
nghiên cứu cơ cấu điều khiển động cơ bước.
Hình 2.11 Mô hình động cơ bước
Khi các cuộn dây được cung cấp x ung nó tạo ra hai cực từ ở stator.Ví dụ trên hình vẽ cuộn dây 3 sinh ra từ trường là cực bắc và cuộn dây 4 sinh ra từ trường là cực nam. Từ trường này đẩy rotor chuyển động 1 góc 900. Khi cuộn 1 và cuộn 4 được cấp xung cuộn 2 là cực bắc cuộn 1 là cực nam làm cho rotor chuyển động 1 góc tiếp theo là 900 vậy rotor ở 1 vị trí ổn định với từng vị trí chỉ có pha 2 cung cấp. Ngoài ra từ trường do các cuộn dây stator sinh ra ngược chiều so với từ trường của rotor.
S= N.P
S là số bước đủ của rotor N là số cực của rotor P là số pha của rotor Góc bước của mỗi bước
Mô men xoắn của động cơ TMJ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ : Vị trí thực tế của rotor
: Dòng điện cuộn dây : Vị trí cuộn dây j của stator
Vì dòng điện Ij(t) trong cuộn dây là hàm số của điện áp cung cấp Vj(t) và điện cảm của cuộn dây L
Trong đó:
emj: Sức điện động cảm ứng trong pha j và được biểu diễn theo công thức
: Vận tốc của rotor R: Điện trở của cuộn dây L: Điện cảm của cuộn dây
Mô men xoắn được tạo ra bởi các bước được tính như sau (1)
Các phương trình chuyển động của động cơ bước (2)
Trong đó:
- Jm: Tổng quán tính của rotor - Tl: momen xoắn của tải - F: Hệ số ma sát
Vận tốc góc
(3)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.4 Đặc điểm của hệ truyền động động cơ bƣớc.
- Không sảy ra đánh lửa chổi than làm tổn hao năng lượng. Đặc biệt trong những môi trường như hầm, lò, môi trường có hóa chất… Có thể gây nguy hiểm.
- Tạo được momen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là giữ tốc độ động cơ thấp nhưng vẫn duy trì được momen lớn. Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ. Nó có thể giữ được momen thậm chí là vị trí nhờ vào tác dụng hãm của từ trường rotor.
- Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là có thể điều chỉnh vị trí quay của rotor theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc.
- Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác đặc tính của tải ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển. Với động cơ bước tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải. Khi momen của tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, không kiểm soát được góc quay.
- Động cơ bước đáp ứng tốt khi khởi động, đảo chiều, hay điều chỉnh góc quay.
2.5 Kết luận chƣơng 2
Chương 2 đã trình bày được phân loại của động cơ bước, cấu tạo của động cơ bước, ưu điểm của hệ truyền động động cơ bước. Phân tích được nguyên lí làm việc của động cơ bước ở các chế độ làm việc bước đủ, nửa bước, vi bước. Trên cơ sở đó xây dựng mô hình toán hoc. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
CHƢƠNG 3
XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƢỚC DÙNG VI XỬ LÍ TMS320F2812
Trong chương này, tiến hành lựa chọn cấu trúc điều khiển và xây dựng cấu trúc phần cứng dùng vi điều khiển điều khiển động cơ bước.Cấu hình phần cứng về cơ bản là sự kết hợp của một động cơ bước, điều khiển động cơ TMS320F2812 với một kết nối nối tiếp với PC thông qua một ULN2003.
3.1 Các cấu trúc điều khiển.
3.1.1 Điều hiển hở.
Về bản chất, hình thức điều khiển này cũng giống như bài toán tìm tín hiệu điều khiển thích hợp áp đặt ở đầu vào đối tượng nhưng được bổ xung thêm bộ điều khiển để tạo ra tín hiệu điều khiển đó. Đây là hình thức điều khiển một chiều và chất lượng điều khiển cũng phụ thuộc vào độ chính xác của mô hình toán học và coi như không có tác động không mong muốn từ bên ngoài khi hệ thống làm việc.
Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển vòng hở
3.1.2 Điều khiển phản hồi trạng thái.
Ở đối tượng điều khiển các tín hiệu trạng thái X1(t), X2(t)….Xn(t), được viết chung dưới dạng véc tơ X(t)=(X1(t), X2(t)….Xn(t))T là thành phần chứa đầy đủ nhất các thông tin chất lượng động học của hệ thống. Nó phản ánh nhanh nhất sự ảnh hưởng của những tác động bên ngoài vào hệ thống kể cả những tác động của nhiễu không mong muốn bởi vậy nó có thể tạo ra được cho đối tượng một chất lượng mong muốn, ổn định với tác động của nhiễu, cần có tín hiệu áp đặt đầu vào là u(t) phản ứng kịp theo sự thay đổi trạng thái của đối tượng.
W (t) U(t) Y(t)
Bộ điều khiển
Đối tượng điều khiển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.2 Cấu trúc phản hồi trạng thái
3.1.3 Điều khiển phản hồi tín hiệu ra
Tuy rằng vecto trạng thái X(t) cung cấp cho ta đầy đủ nhất các thông tin về chất lượng động học của đối tượng, song không phải mọi trạng thái của đối tượng đều đo được trực tiếp. Vì vậy trong nhiều trường hợp sử dụng bộ phản hồi đầu ra.
Hình 3.3 Cấu trúc phản hồi tín hiệu ra
3.2 Cấu trúc điều khiển động cơ bƣớc.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ bước
Trong đó
- DC SUPPLY: Cung cấp nguồn một chiều cho hệ thống. Nguồn một chiều này có thể lấy từ pin nếu động cơ có công suất nhỏ.
- CONTROL LOGIC: Là khối điều khiển logic có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu diều khiển động cơ, khối điều khiển này có thể là một nguồn xung, hoặc một hệ thống mạch điện tử. Nó tạo ra các xung điều khiển.
- POWER DRIVER: Có nhiệm vụ cấp nguồn điện đã được điều chỉnh đưa vào