Tìm hiểu hệ truyền động – động cơ bước

TÌM HIỂU HỆ TRUYỀN ĐỘNG – ĐỘNG CƠ BƯỚC Yêu cầu: Cấu tạo động cơ. Phân loại động cơ. Nguyên tắc điều khiển động cơ. Các loại Driver có sẵn trên thị trường. Ứng dụng của hệ. Lời nói đầu Trong điều khiển chuyển động kĩ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số.Đức,Nhật,Trung quốc,Mỹ,v,v…là những nước chế tạo nhiều động cơ bước, trong đó chủ yếu là loại 2 cuộn, 4 cuộn, và 5 cuộn dây pha.Chúng được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ thống tự động, điều khiển xa và nhiều thiết bị điện tử khác, nổi bật là trong các lĩnh vực sau: điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm, và máy in trong hệ máy tính, điều khiển robot,điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học,điều khiển vị trí trong các hệ quang khắc phức tạp, điều khiển bắt,bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công, cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay v.v… Nội dung báo cáo nghiên cứu những vấn đề và khái niệm cơ bản như cấu tạo, phân loại, nguyên tắc điều khiển động cơ,một vài loại driver có sẵn trên thị trường, ứng dụng của hệ truyền động động cơ bước.Nội dung báo cáo chỉ đề cập tới những khái niệm và vấn đề cơ bản của đông cơ bước và hệ truyền động sử dụng động cơ bước, mặc dù có sự hướng dẫn tận tình của giảng viên nhưng do trình độ có hạn nên trong bài viết của em còn nhiều thiếu sót không thể tránh khỏi, em rất mong nhận được sự giúp đỡ góp ý của thầy để em có thể hiểu thêm về nội dung liên quan bản báo cáo của mình đã chọn. Chương 1 CẤU TẠO ĐỘNG CƠ I. KHÁI NIỆM Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ chuyển mạch. Cụ thể, các mấu trong động cơ là Stator và Rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bộ điều khiển, và đặc biệt các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở vị trí bất kỳ nào đó. Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Thực chất nó là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc chuyển động của rotor có khả năng cố định rô to ở những vị trí cần thiết. Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản,những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển vòng kín với động cơ bước. Nếu một động cơ bước trong hệ điều khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại; servo motor thì không xảy ra vấn đề này. II. CẤU TẠO Về cấu tạo động bước có thể coi là tổng hợp của hai động cơ : Động cơ một chiều không tiếp xúc Động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ Hình 2.1 hình dạng của một loại động cơ bước Chương 2 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG CƠ BƯỚC I.Phân loại Xét về cấu tạo động cơ bước có 3 loại chính: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Động cơ bước biến trở từ Động cơ bước lai (động cơ bước hỗn hợp) Về cơ bản động cơ bước lai không khác biệt gì với động cơ nam châm vĩnh cửu Nếu mất đi nhãn trên động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến trở từ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng. Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Bạn cũng có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế. Động cơ biến từ trở thường có 3 mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm. Nút trung tâm được dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực. Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.80 đến 0.720 mỗi bước. Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước. Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một mấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ (hold torque) của động cơ. I. Động cơ nam châm vĩnh cửu Động cơ nam châm vĩnh cửu lại được chia làm 3 loại: Kiểu đơn cực, kiểu lưỡng cực, kiểu nhiều pha. Kiểu đơn cực. Hình 1.1 Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 1.1, với một đầu nối trung tâm trên các cuộn. Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó. Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và bên trái động cơ. Rotor là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và 3 Bắc, xếp xen kẽ trên vòng tròn. Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng hơn. Động cơ 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ nam châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5 độ là khá lớn. Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1.8 độ và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.6 độ đến 1.8 độ, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.72 độ. Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay động cơ một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy: Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110011001 Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110 Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100 Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011 thời gian ‐‐> thời gian ‐‐> Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai dãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm. Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên. Vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoắn lớn hơn dãy bên trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần. Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả, kết hợp 2 chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một cách lần lượt tại những vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên. Chuỗi kết hợp như sau: Mấu 1a 11000001110000011100000111 Mấu 1b 00011100000111000001110000 Mấu 2a 01110000011100000111000001 Mấu 2b 00000111000001110000011100 Thời gian ‐‐> . hình 1.2 hình minh họa cấp xung điều khiển 1.Kiểu lưỡng cực Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp lưỡng cực có cấu trúc cơ khí giống y như động cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn, không có đầu trung tâm. Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn. Minh hoạ ở hình 1.3 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở đây giống y như ở hình 1.1. Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi mấu. Tóm lại, một cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mấu được điều khiển một cách độc lập. Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loại động cơ này được nêu bên dưới, dùng + và - để đại diện cho các cực của nguồn áp được áp vào mỗi đầu của động cơ: Đầu 1a + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ Đầu 1b ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + Đầu 2a ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ Đầu 2b ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + thời gian ‐‐> Hình 1.3 Chú ý rằng những dãy này giống như trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực, ở mức độ lý thuyết, và rằng ở mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điều khiển cho hai loại động cơ này là giống nhau. Để phân biệt một động cơ nam châm vĩnh cửu hai cực với những động cơ 4 dây biến từ trở, đo điện trở giữa các cặp dây. Chú ý là một vài động cơ nam châm vĩnh cửu có 4 mấu độc lập, được xếp thành 2 bộ. Trong mỗi bộ, nếu hai mấu được nối tiếp với nhau, thì đó là động cơ hai cực điện thế cao. Nếu chúng được nối song song, thì đó là động cơ hai cực dùng điện thế thấp. Nếu chúng được nối tiếp với một đầu trung tâm, thì dùng như với động cơ đơn cực điên thế thấp. Kiểu nhiều pha. Hình 1.4 các pha và cách nối dây của động cơ bước 5 pha thành 5 đầu ra Một bộ phận các động cơ không được phổ biến như những loại trên đó là động cơ nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vòng kín như hình 1.4. Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha. Bộ điều khiển cần ½ cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động cơ này có thể cung cấp moment xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước khác cùng kích thước. Một vài động cơ 5 pha có thể xử lý cấp cao để có được bước 0.720 (500 bước mỗi vòng). Với một động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước mỗi vòng bước, như trình bày dưới đây: Đầu 1 + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + Đầu 2 ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ Đầu 3 + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + Đầu 4 + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ Đầu 5 ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ thời gian ‐‐> Ở đây, giống như trong trường hợp động cơ hai cực, mỗi đầu hoặc được nối vào cực dương hoặc cực âm của hệ thống cấp điện động cơ. Chú ý rằng, tại mỗi bước, chỉ có một đầu thay đổi cực. Sự thay đổi này làm ngắt điện ở một mấu nối vào đầu đó (bởi vì cả hai đầu của mấu có cùng điện cực) và áp điện vào một mấu đang trong trạng thái nghỉ trước đó. Hình dạng của động cơ được đề nghị như hình 1.4, dãy điều khiển sẽ điều khiển động cơ quay 2 vòng. Để phân biệt động cơ 5 pha với các loại động cơ có 5 dây dẫn chính, cần nhớ rằng, nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếp của một động cơ 5 pha là R, thì điện trở giữa hai đầu không liên tiếp sẽ là 1.5R. Và cũng cần ghi nhận rằng một vài động cơ 5 pha có 5 mấu chia, với 10 đầu dây dẫn chính. Những dây này có thể nối thành hình sao sử dụng mạch điều khiển gồm 5 nửa cầu H, nói cách khác mỗi mấu có thể được điều khiển bởi một vòng cầu H đầy đủ của nó. Để tránh việc tính toán lý thuyết với các linh kiện điện tử, có thể dùng chip mạch cầu tích hợp đầy đủ để tính toán gần đúng. II. Động cơ bước biến trở từ Hình 2.1 Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình 2.1, với một đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hẳn là một động cơ biến từ trở. Khi sử dụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn được kích theo thứ tự liên tục. Dấu thập trong hình 2.1 là rotor của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước. Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai cực đối diện. Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1. Nếu dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 30 độ theo chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2. Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân phiên cho 3 cuộn. Theo logic đặt ra, trong bảng dưới đây 1 có nghĩa là có dòng điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng: Cuộn 1 1001001001001001001001001 Cuộn 2 0100100100100100100100100 Cuộn 3 0010010010010010010010010 thời gian --> Hình dạng động cơ được mô tả trong hình 2.1, quay 30 độ mỗi bước, dùng số răng rotor và số cực stator tối thiểu. Sử dụng nhiều cực và nhiều răng hơn cho phép động cơ quay với góc nhỏ hơn. Tạo mặt răng trên bề mặt các cực và các răng trên rotor một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ đến vài độ. III.Động cơ bước lai (động cơ bước hỗn hợp) Về cấu tạo kết hợp cả 2 loại trên, phát huy được ưu điểm của 2 loại. Rotor cho động cơ bước lai có nhiều răng , giống như loại từ thông thay đổi, chứa lõi từ hóa tròn đồng tâm xoay quanh trục của nó. Có moomen hãm khi ngắt điện,có mômen giữ và mômen quay lớn, hoạt động với tốc độ cao và có số bước lớn. Hình 3.1 IV. Đặc điểm của hệ truyền động điện động cơ bước Hệ truyền động động cơ bước có 5 đặc điểm cơ bản: Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò...) có thể gây nguy hiểm. Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn. Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ. Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor. Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của roto 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 (khác với servo). Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển. Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được). Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay. Đáp ứng tốt: Động cơ bước có thể đáp ứng tốt khi khởi động, dừng và đảo chiều quay một cách dễ dàng. V. So sánh ưu nhược điểm giữa Step motor (động cơ bước) và Servo motor (động cơ servo) Step motor Ưu điểm Có thể điều khiển chính xác góc quay. Giá thành thấp. Nhược điểm Về cơ bản dòng từ Driver tới cuộn dây động cơ không tăng hoặc giảm trong lúc hoạt động. Do đó, nếu bị quá tải động cơ sẽ bị trượt bước gây sai lệch trong điều khiển. Động cơ bước gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động cơ servo. Động cơ bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao. Servo motor Ưu điểm Nếu tải đặt vào động cơ tăng, bộ điều khiển sẽ tăng dòng tới cuộn dây động cơ giúp tiếp tục quay. Tránh hiện tượng trượt bước như trong động cơ bước. Có thể hoạt động ở tốc độ cao. Nhược điểm Đông cơ servo hoạt động không trùng khớp với lệnh điều khiển bằng động cơ bước. Giá thành cao. Khi dừng lại, động cơ servo thường dao động tại vị trí dừng gây rung lắc. Cả hai loại động cơ có những ưu - nhược điểm riêng. Việc lựa chọn loại động cơ nào là tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Dưới đây là bảng so sánh những đặc điểm cơ bản giữa hai loại động cơ: Động cơ bước Động cơ servo Mạch Driver Đơn giản. Người dùng có thể chế tạo chúng Mạch phức tạp. Thông thường người sử dụng phải mua mạch driver từ các nhà sản xuất Nhiễu và rung động Đáng kể Rất ít Tốc độ Chậm (tối đa 1000-2000 rpm) Nhanh hơn (tối đa 3000-5000 rpm) Hiện tượng trượt bước Có thể xảy ra (Nếu tải quá lớn) Khó xảy ra (Động cơ vẫn chạy trơn tru nếu tải đặt vào tăng) Phương pháp điều khiển Vòng hở (không encoder) Vòng kín (có encoder) Giá thành (Motor + Driver) Rẻ Đắt Độ phân giải 2 pha PM: 7.5° (48 ppr) 2 pha HB: 1.8° (200 ppr) hoặc 0.9° (400 ppr)5 pha HB: 0.72° (500 ppr) hoặc 0.36° (1000 ppr) Phụ thuộc độ phân giải của encoder.Thông thường vào khoảng 0.36° (1000ppr) – 0.036° (10000ppr) Chương 3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN I. Nguyên lý hoạt động Khác với động cơ đồng bộ bình thường, rôto của động cơ bước không có cuộn dây khởi động mà nó được khởi động bàng phương pháp tần số.Rôto cửa động cơ bước có thể được kích thích (rôto tích cục) hoặc không được kích thích (rôto thụ động). Hình 1.1 vẽ sơ đồ nguyên lý đông cơ bước m pha với rôto có 2 cực (2p=2) và không được kích thích. Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Hình 1.2 hình minh họa thứ tự cấp điện các cuộn dây và các bước quay II.Điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ bước động cơ bước thường quay theo các bước xác định vì vậy mà nó thường sử dụng chủ yếu để điều khiển thích nghi nghĩa là tốc độ quay biến đổi liên tục,thậm chí động cơ bước phải dừng và đứng yên ở vị trí bám sát.với lẽ đó,vận tốc quay của động cơbước thường luôn được hiểu là vận tốc trung bình vtb f: tần số dịch bước (f=n/t ,trong t giây ta thực hiện n lần dịch bước mỗi lần dịch 1 bước) ө: là góc của 1 bước của động cơ Từ công thức ta thấy Việc điều khiển động cơ bước được thực hiện bằng cách thay đổi tần số dịch bước f.lưu ý rằng tần số dịch bước f trong trường hợp tổng quát không đồng nhất với tần số các xung điều khiển,mà nó là tổ hợp của sự biến đổi các trạng thái của cá xung điều khiển đó và việc điều khiển này được thực hiện bởi bộ vi xử lý. Vận tốc tức thời và vận tốc trung bình trên đồ thị mô men –vận tốc phải nhỏ hơn vận tốc cực đại vmax thì mô men động cơ mới giữ mức cực đại Chiều quay của động cơ bước phụ thuộc vào thứ tự chuyển dịch các bước(thứ tự chuyển dịch các trạng thái cấp điện của các cuộn dây).Chẳng hạn ,rô to đang ở vị trí bước thứ n;nếu ta cấp điện sao cho nó chuyển sang vị trí bước thứ (n+1) thì động cơ quay phải; nếu ta cấp điện sao cho rô to chuyển sang vị trí bước thứ(n-1) thì động cơ quay trái. việc phát xung để cấp điện do bộ xử lý điều khiển Với động cơ 2pha,điều khiển cả bước có 4 trạng thái cấp điện,nếu điều khiển nửa bước sẽ có 8 trạng thái cấp điện.với động cơ 4 pha được cấp xung1 cực thì cũng có 4 và 8 trạng thái như trên cho 2 trường hợp điều khiển cả bước và nửa bước.bảng sau cả bước có 4 trạng thái 1,3,5,7 hoặc 2,4,6,8.cả bước có cả 8 trạng thái của động cơ 4 pha Hình 2.1 Bảng trạng thái cấp điện các pha của động cơ 4 pha III. Các chế độ hoạt động Động cơ bước hoạt động ở 3 chế độ: Full step, half step và micro step 1.Chế độ full step Động cơ bước tiêu chuẩn có rotor 200 răng , hoặc 200 full step cho mỗi trục xoay của động cơ. Chia 200 bước cho 360 º 's sẽ được một góc full step 1,8 º . Thông thường, chế độ full step được thực hiện bằng cách tiếp điện cho theo thứ tự liên tiếp theo số chẵn cuộn dây hoặc số lẻ cuộn dây, trong khi duy trì dòng thay đổi. Về cơ bản mỗi đầu vào từ trình điều khiển tương đương một bước. 2. Chế độ half step Half step đơn giản chỉ có nghĩa là động cơ quay ở 400 bước mỗi vòng. Trong chế độ này, một trong những cuộn dây được tiếp điện và sau đó hai cuộn dây được tiếp điện thay phiên ( đây cách cấp điện theo thứ tự số lẻ cuộn dây rồi tới số chẵn cuộn dây hoặc ngược lại) , làm các cánh quạt xoay ở nửa khoảng cách, hoặc 0,9 º 's. (Các tác dụng tương tự có thể đạt được bằng cách điều khiển ở chế độ full step với 400 bước cho mỗi vòng xoay động cơ). Tuy nhiên, nửa bước là một giải pháp thực tế hơn trong các ứng dụng công nghiệp. Mặc dù nó cung cấp mô-men xoắn hơi ít hơn. Chế độ nửa bước giảm số lượng "sự tăng vọt" vốn có trong vận hành chế độ full step. 3.Chế độ micro step Công nghệ vi bước điều khiển dòng điện tại các cuộn dây đến một mức độ mà số vị trí giữa các cực được chia nhỏ hơn nữa. Bộ điều khiển vi bước AMS có khả năng luân phiên tại 1 / 256 của một bước (mỗi bước) tương ứng với 51.200 bước mỗi vòng xoay (đối với dòng động cơ 1,8 độ).Vi bước thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi phải định vị chính xác và sự chuyển hóa tốt hơn nhiều tốc độ. Chương 4 CÁC MẠCH ĐIỀU KHIỂN I. Động cơ biến trở từ Bộ điều khiển điển hình của động cơ bước biến từ trở dựa theo nguyên tắc như trên hình 1.1 Hình1.1 Trên Hình 1.1, các hộp ký hiệu cho công tắc, bộ điều khiển (controller – không thể hiện trên hình) chịu trách nhiệm cung cấp tín hiệu điều khiển đóng mở công tắc tại từng thời điểm thích hợp để quay động cơ. Trong nhiều trường hợp, chúng ta phải thiết kế bộ điều khiển, có thể là một máy tính hoặc một mạch điều khiển giao tiếp lập trình được, với phần mềm trực tiếp phát tín hiệu điều khiển đóng mở, nhưng trong một số trường hợp khác mạch điều khiển được thiết kế kèm theo động cơ, và đôi khi được cho miễn phí. Cuộn dây, lõi solenoid của động cơ hoặc các chi tiết tương tự đều là các tải cảm ứng. Như vậy, dòng điện qua cuộn dây không thể đóng ngắt tức thời mà không làm áp tăng vọt đột ngột. Khi công tắc điều khiển cuộn dây đóng, cho dòng điện đi qua, làm dòng điện tăng chậm. Khi công tắc mở, sự tăng mạnh điện áp có thể làm hư công tắc trừ khi ta biết cách giải quyết thích hợp. Có hai cách cơ bản để xử lý sự tăng điện áp này, đó là mắc song song với cuộn dây một diod hoặc một tụ điện. Hình 1.2 minh họa hai cách này: Hình 1.2 Diod trên Hình 1.2 phải có khả năng dẫn toàn bộ dòng điện qua cuộn dây, nhưng nó chỉ dẫn mỗi khi công tắc mở, khi dòng điện không còn qua cuộn dây. Nếu ta sử dụng diod tác dụng tương đối chậm như họ 1N400X chung với các mạch chuyển tác dụng nhanh thì cần phải mắc song song với diod một tụ điện.Tụ điện trên Hình 1.2 dẫn đến vấn đề thiết kế phức tạp hơn. Khi công tắc đóng, tụ điện sẽ xả điện qua công tắc xuống đất, do đó công tắc phải chịu được dòng điện xả này. Một điện trở mắc nối tiếp với tụ điện hoặc với nguồn sẽ giới hạn dòng điện này. Khi công tắc mở, năng lượng tích trữ trong cuộn dây sẽ nạp vào tụ điện cho đến khi điện áp vượt quá áp cung cấp, và công tắc cũng phải chịu được điện áp này. II. Động cơ hỗn hợp và nam châm vĩnh cửu đơn cực Hình 2.1 Bộ điều khiển điển hình động cơ bước đơn cực thay đổi theo sơ đồ trên Hình 2.1 Trên Hình 2.1, cũng như Hình 1.1, hộp biểu diễn các công tắc và một bộ điều khiển (không thể hiện trên hình) chịu trách nhiệm cung cấp tín hiệu điều khiển đóng mở công tắc vào thời điểm thích hợp để quay động cơ. Bộ điều khiển thường là máy tính hay một mạch điều khiển lập trình được, với phần mềm trực tiếp phát ra tín hiệu cần thiết để điều khiển công tắc. Cũng như đối với mạch dẫn động của động cơ biến từ trở, chúng ta phải giải quyết sự thay đổi độ tự cảm bất ngờ khi công tắc hở. Một lần nữa, ta có thể chuyển sự thay đổi này bằng cách dùng diod, nhưng bây giờ ta phải dùng 4 diod như trên Hình 2.2: Hình 2.2 Ta cần thêm vào các diod vì cuộn dây của động cơ không phải là hai cuộn dây độc lập mà là một cuộn center-tapped đơn giản với tap giữa có điện áp cố định. Chúng hoạt động như một bộ tự chuyển đổi. Khi một đầu của cuộn dây bị kéo xuống đầu kia sẽ bị đẩy lên và ngược lại. Khi một công tắc hở, độ tự cảm kickback sẽ làm đầu bên đó của động cơ nối với nguồn dương và bị kẹp bởi các diod. Đầu bên kia bị đẩy lên và nếu nó không đạt được điện áp cung cấp cùng lúc thì sẽ xuống dưới mức 0, đảo chiều điện áp qua công tắc ở đầu đó. Một vài công tắc có thể chịu được sự đảo chiều như vậy nhưng những công tắc khác sẽ bị hư. Một tụ điện có thể được dùng để giới hạn điện áp kickback như trên hình 2.3: Hình 2.3 Hình 2.4 sơ đồ mạch đầy đủ III. Động cơ lưỡng cực và mạch cầu H Mọi thứ trở nên phức tạp hơn với động cơ bước nam châm vĩnh cửu lưỡng cực vì không có đầu nối chung trên các cuộn dây. Vì thế để đảo chiều của từ trường sinh ra bởi cuộn dây ta phải đảo chiều dòng điện qua cuộn dây. Ta có thể dùng một công tắc kép hai cực để làm cộng việc này, mạch điện tương đương của một công tắc như vậy được gọi là cầu H và được mô tả trên Hình 3.1 Hình 3.1 Cũng như với mạch dẫn động đơn cực đã đề cập ở trên, các công tắc sử dụng trong cầu H phải được bảo vệ khỏi sự vọt điện áp khi ngắt dòng điện trong cuộn dây. Ta luôn sử dụng diod cho việc này, như Hình 3.1. Cần chú ý rằng cầu H có thể áp dụng không chỉ để điều khiển động cơ bước lưỡng cực mà còn điều khiển động cơ DC, hút nhả lõi solenoid (trong pittông nam châm vĩnh cửu) và nhiều ứng dụng khác. Với 4 công tắc cầu H cho ta tổ hợp 16 mode hoạt động, trong đó có 7 mode làm ngắn mạch nguồn. Các mode sau đây thường được sử dụng: Mode thuận: các công tắc A và D đóng Mode ngược: các công tắc B và C đóng Các mode này cho phép dòng điện đi từ nguồn qua cuộn dây động cơ về đất. Hình 3.2 minh họa mode thuận: Hình 3.2 Mode suy giảm nhanh hay mode trượt: tất cả các công tắc đều mở Bất kỳ dòng điện nào qua cuộn dây sẽ chống lại điện áp nguồn, gây sụt áp trên diod nên dòng điện sẽ bị suy giảm nhanh. Mode này không tạo ra hoặc tạo ra rất ít hiệu ứng hãm động lên rotor của động cơ, do đó rotor sẽ quay tự do (trượt) nếu tất cả cuộn dây được cấp nguồn theo mode này. Hình 3.3 minh họa dòng điện ngay sau khi chuyển từ mode thuận sang mode suy giảm nhanh Hình 3.3 Mode suy giảm chậm hay mode hãm động lực: Trong mode này dòng điện có thể chạy vòng lại qua cuộn dây của động cơ với điện trở nhỏ nhất. Nhờ đó dòng điện chạy trong cuộn dây ở một trong hai mode này sẽ suy giảm chậm, và nếu rotor đang quay, nó sẽ sinh ra một dòng điện cảm ứng có vai trò như một cái hãm rotor. Hình 3.4 minh họa một trong nhiều mode suy giảm chậm có ích, với công tắc D đóng, nếu cuộn dây mới vừa ở mode thuận thì công tắc B có thể đóng hoặc mở: Hình 3.4 Hấu hết các cầu H được thiết kế sao cho bao gồm cả mạch logic dùng để phòng ngừa ngắn mạch nhưng ở mức độ rất thấp trong thiết kế. Hình 3.5 minh họa một thiết kế được cho là tốt nhất: Hình 3.5 Với thiết kế này ta có các mode điều khiển sau: XY ABCD Mode 00 0000 Giảm dòng nhanh 01 1001 Chạy thuận 10 0110 Chạy nghịch 11 0101 Hãm Lợi ích của thiết kế này là tất cả các mode điều khiển có ích được giữ lại và chúng được mã hóa với một số bit tối thiểu - điều này rất quan trọng khi sử dụng vi xử lý hay máy tính để điều khiển cầu H vì các hệ thống như vậy chỉ có sẵn một số bit hữu hạn ở cổng song song. Tuy nhiên chỉ vài con chip tích hợp cầu H có sẵn trên thị trường là có sơ đồ điều khiển đơn giản. IV. HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ BƯỚC Một hệ truyền động động cơ bước bao gồm 3 thành phần cơ bản là Controller, Driver và Step.Ngoài ra chúng thường được kết nối với một số loại giao diện người dùng – user interface ( máy tính chủ, PLC …) Controller( hay Indexer) là một bộ vi xử lý có thể phát ra xung bước và tín hiệu trực tiếp cho driver. Thêm vào đó, bộ Controller được yêu cầu thể hiện nhiều hàm chức năng phức tạp khác. Driver ( hay bộ khuếch đại) chuyển đổi tín hiệu lệnh từ Controller thành năng lượng cần thiết cho động cơ. V. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ HỆ TĐĐ CÓ SẴN TRÊN THỊ TRƯỜNG Ngày nay trên thị trường có rất nhiều hãng sản xuất của trong và ngoài nước sản xuất động cơ bước cũng như hệ TĐĐ động cơ bước.Việc lựa chọn động cơ chúng ta cần dựa vào yêu cầu mà đối tượng chúng ta cần điều khiển, môi trường làm việc và độ chính xác cần điều khiển. Giới thiệu về động cơ bước của autonics Thông số kỹ thuật Giới thiệu về driver động cơ bước của VEXTA Sơ đồ đấu nối minh họa Dòng AS Series Dòng AS Plus Mạch điện mô phỏng sử dụng vi mạch L297 để điều khiển động cơ bước Chương 5 ỨNG DỤNG CỦA HỆ TĐĐ – ĐỘNG CƠ BƯỚC Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số. Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay... Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in … Dưới đây là một số hình ảnh minh họa ứng dụng của hệ: Hình 5.1. Điều khiển Rô-bôt Hình 5.2. Máy cắt gọt kim loại Hình 5.3 Ổ đĩa cứng Mục lục: trang Chương 1 cấu tạo động cơ bước 3 I.khái niệm 3 II.cấu tạo 3 Chương 2 phân loại và đặc điểm động cơ bước 4 I.phân loại 4 II.động cơ biến từ trở 8 III.động cơ bước hỗn 9 IV.đặc điểm của hệ truyền động điện động cơ bước 9 V. so sánh ưu nhược điểm của động cơ bước và động cơ servo 10 Chương 3 nguyên lý hoạt động và điều khiển 11 I.nguyên lý hoạt động 11 II.điều khiển tốc độ và chiều quay 12 III.các chế độ hoạt động (cả bước,nửa bước, vi bước) 13 Chương 4 các mạch điều khiển động cơ bước 14 I.động cơ biến từ trở … 14 II.động cơ hỗn hợp và nam châm vĩnh cửu đơn cực 15 III.động cơ lưỡng cực và mạch cầu H 17 IV.hệ truyền động động cơ bước 19 V.giới thiệu ví dụ về một số loại động cơ và driver trên thị trường 20 Chương 5 ứng dụng của hệ truyền động sử dụng động cơ bước 23