Động cơ bước có thể được phân chia thành ba loại chính như sau: - Biến từ trở (Variable Reluctance)
- Nam châm vĩnh cửu {Permanent Magnet) - Hỗn hợp/Lai {Hybrid)
Sau đây chúng ta sẽ xem cấu tạo và nguyên lý điều khiển của các loại động cơ bước trên.
5.1.2.1. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet
Stepper Motor)
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có nguyên tắc hoạt động tương tự động cơ đồng bộ ba pha. Rôto của động cơ bước loại này là nam châm vĩnh cừu, stato của động cơ có nhiều răng, trên mỗi răng được quấn các vòng dây tạo thành các cuộn dây pha (phần ứng). Các cuộn dây pha được lắp đối x.íng tạo thành cặp cuộn pha. Các cuộn pha có cực tính khác nhau.
RO؛, nam châm vinh cửu a Mặt !ắp ghẻp Đầu dãy ra Cuộn dây ١ قﺀق؛ه
Hình 5.2: Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Nguyên lý hoạt động của dộng cơ bước nam châm vĩnh cửu có hai cặp cuộn pha dược trinh bày ở hình 5.3.
Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý của động cơ bước nam châm vĩnh c ầ cỏ hai cặp cuộn pha
Ban đầu vị tr؛ của rôto và stato như hình 5.3a. Kh؛ dóng SI và S3, dòng d؛ện chạy qua các cuộn dây pha LI và L3, trong LI và L3 xuất h؛ện cực tinh như trên hình 5.3b. Do cực tinh của cuộn dây pha và rOto ngược nhau dẫn dến rOto chuyển dộng dến vị tri như hính 5.3b. Lúc này các cuộn dây LI và L3 bị ngắt diện và S2 và S4 dược dOng, cuộn dây pha L2 và L4 có d؛ện và có cực tinh như hình 5.3c. Tưong tự Ể ư !úc dầu, rOto chuyển dộng dến vị tri mới như hình 5.3d và các cuộn dây L2, L4 bị ngắt dỉện.
Gọi số răng trên stato là Zs, góc bước của dộng co là Sđc, góc bước của dộng co này dược tinh theo công thức sau:
. - 3 6 0
Zs
5.I.2.2. Động ctf bưởc bìến từ trờ (Variable Reluctance Motor Stepper)
Dộng co bước biến từ trở có cấu tạo tưong tự dộng co bước nam châm vĩnh cửu. Cấu tạo của stato cũng có các cuộn pha dối xứng nhau, nhưng các cuộn pha đối xứng có cùng cực tinh khác với động cơ bước nam châm vĩnh c ầ . Góc bước của stato là Ss.
ROto của dộng co bước biến từ trở chế tạo từ thép n
dẫn từ cao. ROto dưọc chế tạo thành dạng răng có góc bước là Sr, số răng của stato và rOto bằng nhau. Do rOto làm từ thép non nên khi dộng co mất diện, rOto v n tiếp tục quay tự do rồi mới dừng hẳn.
Hình 5.4: Stato và roto của động cơ bước biển từ trở
Nguyên lý hoạt dộng của dộng co bước biến tò trở dược trinh bày như sau: - Khi cấp diện cho pha A (hình 5.5), từng cặp cuộn dây A bố tri dốỉ xứng nhau có cUng cực tinh là nam (S) và bắc (N). Lúc này bốn cuộn dây hình thành bốn vOng từ khép kin.
Phase A
/
0
Hình 5.5: Cấp điện pha A cho động cơ biển từ trở
- Khi cấp điện cho pha B (hình 5.6), lúc này từ trở trong động cơ lớn,
mômen từ tác động lên trục rôto làm cho rôto quay theo chiều giảm từ trờ. Rôto quay cho tới khi từ trở nhỏ nhất và khi mômen bằng không thì trục động cơ dừng, rôto đạt đến vị trí cân bàng mới.
o ٠■٠■
/
®٠
Phase A ® - ® +
Hình 5.6: Cấp điện pha B cho động cơ biến từ trở
- Tương tự cấp điện tiếp cho cuộn dây pha c , động cơ hoạt động theo nguyên tác trên và rôto ở vị trí như hình 5.7. Quá trình trên lặp lại và động cơ quay liên tục theo thứ tự pha A —> B —>· c để đến vị trí yêu cầu.
Hình 5.7: Cấp điện pha c cho động cơ biến từ trở
Để rôto động cơ hoạt động theo chiều ngược lại cần cấp điện cho cuộn dây theo thứ tư pha A —> c —> B.
Gọi số pha của động cơ là Np, số răng trên rô to là Zr, góc bước của động cơ bước biến từ trở là s và được tính theo công thức sau:
s =
2 6Ữ
Ngoài ra còn có loại động cơ bước biến từ trở có rôto được chia thành
١ f f
nhiêu đoạn. Hình 5.8 trình bày kêt câu của động cơ bước có rôto và stato
Ệ ١
được chia làm ba đoạn, sô răng của rôto và stato băng nhau.
p١al p٠٦٥2 R١i 3 ؛ ؛ r r ٦ --- '
b) Cách bổ trí các cuộn dây pha Hình 5.8: Động cơ bước có biến từ thay ăẩỉ ba bậc trục
Răng trên mỗi đoạn của stato được bố trí lệch nhau. Nếu răng trên stato pha A đối diện với răng trên rôto, thì tại đó góc bước bằng không. Khi đó răng trên stato pha B sẽ lệch với răng của rôto một góc bằng góc bước của động cơ là 20. (hình 5.9). Tương tự, răng trên stato của pha c sẽ lệch so với pha A một góc bàng hai lần góc bước và bàng 40°.
P h H s e / f
Phase B
Phase c
Hình 5.9: Độ lệch giữa các pha trong động cơ bước biến từ trở ba bậc trục
Khi cấp dòng điện cho pha A, rôto quay được một góc bước. Sau đó cắt dòng điện pha A, cấp dòng cho pha B, động cơ tiếp tục quay được một góc bước. Quá trình trên lặp lại tương tự cho pha c , Sau đó tiếp tục trở lại pha A.
5.1.2.3. Động cơ bước hỗn hợp (Hybrid Stepper Motor)
Động cơ bước hỗn hợp {còn gọi là động cơ bước lai) có đặc trưng cấu trúc của động cơ bước nam châm vĩnli cừu và động cơ bước biến từ trở. Stato và rôto có cấu tạo tương tự động cơ bước biến từ trở rửiưng số răng
cùa stato và rôto không bằng nhau, sổ răng của rôto thường nhiều hơn số
răng của stato. Rôto của động cơ bước hồn họp gồm có 2 phần: phần trong là nam châm vĩiứi cửu được gắn chặt lên trục động cơ, phần ngoài là 2 đoạn rôto được chế tạo từ các tấm thép lá non và răng của 2 đoạn rôto được đặt lệch nhau (hình 5.10). Hoạt động của động cơ bước loại này tương tự động cơ bước biến từ trở và nam châm vĩnh cửu của rôto giúp dòng từ lan từ cực bắc cùa rôto đến stato, đến cực nam của rôío tạo thành dòng từ khép kín.
Góc bước của động cơ hỗn hợp được tính theo công thức sau:
Z؛■
Trong đó: s là góc bước của động cơ, Sr là góc giữa hai răng kề nhau trên rôto, Zs là số cặp cực trên stato.
Rôto 1 Nam chàm vĩnh cưu
Rôt.2
Các tấm thép Nam châm non vinh cửu T٢ục X a U T M I ت ا ح
động cơ
M
Cuộn dày
Hlnh 5.10: Kết cấu cUa động cơ bưởc hỗn hợp
Dộng cơ hỗn hợp dược sử.dụng rộng rãi vì kết hợp các ưư dlểm của ha؛ loại dộng cơ trên là dộng cơ bước nam châm vĩnh cUu và dộng cơ bước biến ض trơ.
Ngoài ra, hiện nay còn có dộng cơ bước kiểu Lavet. Dộng cơ bước loại này chỉ có một pha, rOto dược làm bàng nam châm vĩnh cửu. Dộng cơ bước kiểu Lavet thưímg nhỏ, tiêu tốn ít năng lượiìg và thường dược dUng trong các kết cấu rôbốt.
Dặc điểm của các loạỉ dộng cơ bước dược trinh bày ở bảng 5.1.
Bảng 5.1 : So sánh các loại động cơ bước \ \ ¥ : ẻ u Dặc đ i ể r n \ \ Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Dộng cơ bước bíến từ trở Dộng cơ bước hỗn hợp Góc bước Trung bình Nhỏ Rất nhỏ
MOmen dộng cơ Cao Tliấp Cao
Hướng chiều quay của dộng cơ Theo thứ tự cấp nguồn cho các cuộn dây Theo thứ tự cấp nguồn cho các cuộn dây Theo thứ tự cấp nguồn và chiều dOng diện trong các cuộn dây
Tần số làm việc Thấp Cao Cao
5.12.4. Động cơ bước haipha
Hiện nay dộng cơ bước haỉ pha dược sử dụng rất thông dụng, có kết cấu như dộng cơ bước hỗn hợp và dộng cơ bước nam châm vĩnh cửu. Tuy nhiên, dộng cơ bước hai pha còn dược phân loại dựa vào cách dấu dây cho các cặp cực:
- Động cơ bước đơn cực {Unipoìar stepper motor): đôi khi còn được gọi là động cơ bốn cực (four-phase motor), cuộn dây pha có ba đầu dây ra và cuộn dây được quấn như ở hình 5.1 la. Điểm trung tâm của cuộn dây quấn được nối ra ngoài (dây trung tâm). Khi cấp điện, dây trung tâm thường được nối với đầu dương của nguồn điện, còn hai đầu dây còn lại được nối với đầu âm.
- Động cơ bước lưỡng cực (Bipolar stepper motor): cuộn dây pha của loại động cơ này chỉ có hai đầu ra và cuộn dây được quấn như ở hình 5.1 Ib. Một đầu dây được nối với nguồn dương và đầu còn lại được nối với đầu âm của nguồn điện. Động cơ bước lưỡng cực có kết cấu đơn giản nhưng việc điều khiển động cơ phức tạp hơn so với động cơ đơn cực.
o— Phase A ٧M ٩ " — ٠A Phase A , - ١ ٧ ٧ ٧ ' 1٧ o 6 B o Phase B V „ Phase B 3
a) Động cơ bước đơn cục b) Động cơ bước lưỡng cực Hình 5.1 ỉ: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước hai pha