Chuyên đề động cơ bước - TaiLieu.VN

Chuyên đề động cơ bước

ĐỀ CƯƠNG

1. Khái niệm về động cơ bước 2. Phân loại động cơ bước

Giới thiệu 2.1. Động cơ bước từ trở biến thiên 2.2. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2.3. Động cơ bước lai 2.4. Động cơ bước đơn cực 2.5. Động cơ bước lưỡng cực

3. Pha của động cơ bước 4. Các đặc tính của động cơ bước 5. Điều khiển động cơ bước 6. Nhận dạng động cơ bước 7. So sánh động cơ bước với động cơ DC và động cơ servo 8. Lập trình điều khiển động cơ bước

1. Khái niệm về động cơ bước Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành những chuyển động cơ học rời rạc. Trục của động cơ bước quay những bước tăng rời rạc khi các xung điện điều khiển được áp đến nó theo một trình tự hợp lí. Sự quay của các động cơ liên hệ trực tiếp với các xung được áp vào. Trình tự của các xung áp vào quan hệ trực tiếp với hướng quay của trục động cơ. Tốc độ quay của trục động cơ quan hệ trực tiếp với tần số các xung vào và chiều dài vòng quay thì liên hệ trực tiếp với số lượng các xung được áp vào.

Hình: Một số mẫu động cơ bước trong thực tế. Ứng dụng đầu tiên của động cơ bước là vào năm 1935. Các mô hình động cơ bước trước đây có hiệu suất kém và không hiệu quả lắm. Các động cơ bước ngày nay đã được cải tiến rất nhiều và có thể được tìm thấy trong các thiết bị ngoại vi máy tính, các robot, các máy ghi biểu đồ, các máy vẽ x-y, các máy bơm, các đồng hồ, các bàn vẽ, các van, các máy công cụ, các thiết bị y khoa, các thiết bị ôtô, các máy bán hàng nhỏ, và các máy quét, …

Hình ?: Cơ chế lái tờ giấy sử dụng động cơ bước được ứng dụng trong máy in.

2. Phân loại động cơ bước Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộn dây trên stator.

Động cơ bước Bộ lái

Dây ra từ động cơ

Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước được chia thành 3 loại: - Động cơ bước từ trở biến thiên. - Động cơ bước nam châm vĩnh cửu, và - Động cơ bước lai.

Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại: - Động cơ bước đơn cực. - Động cơ bước lưỡng cực.

Hình ?: Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước.

Ngoài ra, các loại này còn rơi vào một trong hai phương pháp cấu tạo. Trong phương pháp thứ nhất, Hình 1.3a, rotor có các răng bình thường. Stator có các răng tương tự để giữ các cuộn dây. Trong phương pháp thứ hai, Hình 1.3b, mặt răng của rotor và stator có nhiều răng nhỏ hơn. Ưu điểm của các răng nhỏ này là tạo ra các góc bước nhỏ hơn. 2.1. Động cơ bước từ trở biến thiên Các động cơ bước từ trở biến thiên có rotor bằng thép mềm, rotor quay khi các răng trên rotor bị hút bởi các răng điện từ trên stator. Hoạt động này tương tự như hoạt động của cuộn solenoid. Các rotor bằng thép có quán tính nhỏ hơn các loại khác. Điều này cho phép nó đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên, vì rotor không có từ tính nên không có lực từ dư khi động cơ không còn được cấp điện và rotor có thể quay tự do. Thông thường, các góc bước của các động cơ bước từ trở biến thiên là 7,5o hoặc 15o.

Hình : Động cơ bước từ trở.

2.2. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu chứa rotor nam châm vĩnh cửu có mô men duy trì khi động cơ không còn được cấp điện. Mỗi răng nam châm vĩnh cửu được định hướng theo trục với các cực nam và bắc thay đổi.

Hình : Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.

Một số động cơ bước có các nam châm được chèn vào stator để cải thiện trường điện từ và cung cấp mô men cao hơn. Các nam châm được làm bằng hợp kim (gồm nhôm, nickel, và cobalt) hoặc các chất thuộc đất hiếm (samarium-cobalt). Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu đòi hỏi công suất vận hành nhỏ hơn các loại khác. Chúng cũng có đặc tính chống rung đáp ứng tốt hơn. Các góc bước có thể được tìm thấy trên toàn phạm vi các góc chuẩn, bao gồm 1,8o; 7,5o, 30o; 45o; và 90o. 2.3. Động cơ bước lai Các động cơ bước lai kết hợp các đặc điểm rotor của động cơ bước từ trở biến thiên và động cơ nam châm vĩnh cửu. Một nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn được bọc xung quanh trục động cơ. Nó khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu ở chổ có một đầu rotor là cực bắc còn đầu rotor đối diện là cực nam. Răng rotor được cắt thành hai chén lõi thép được gắn chặt trên mỗi đầu. Động cơ bước lai chỉ sử dụng phương pháp cấu tạo thứ hai. Các động cơ bước lai có nhiều răng hơn và có mô men lớn hơn. Các góc bước tiêu biểu là 0,9o và 1,8o.

Hình : Động cơ bước lai

Ngày nay, các động cơ bước được sử dụng rộng rãi là động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước lai, với góc bước 1,8o. Độ chính xác của hầu hết các động cơ

bước là 3% góc bước (bất chấp số bước trên vòng); thế thì, độ chính xác được cải thiện nhờ vào các góc bước nhỏ hơn. Bảng 1.1: Các góc bước tiêu biểu của các loại động cơ bước Loại động cơ bước Góc bước tiêu biểu Từ trở biến thiên 7,5o; 15o

Nam châm vĩnh cửu 1,8o; 7,5o; 15o; 30o; 45o; 90o

Lai 0,9o; 1,8o 2.4. Động cơ bước lưỡng cực Mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất. Bằng cách đảo dòng điện trong các cuộn dây, cực tính điện từ cũng bị đảo.

a) Sơ đồ quấn dây lưỡng cực. b) Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý.

2.5. Động cơ bước đơn cực Một kiểu quấn dây phổ biến khác là quấn dây đơn cực. Nó bao gồm hai cuộn dây trên một cực được kết nối sao cho khi một cuộn dây được cấp năng lượng thì cực bắc nam châm được tạo ra, khi cuộn dây còn lại được cấp năng lượng thì cực nam được tạo ra. Cách quấn dây kiểu này được gọi là đơn cực bởi vì cực tính điện, tức là dòng điện, từ mạch lái đến các cuộn dây không bao giờ bị đảo chiều. Thiết kế này cho phép làm đơn giản mạch điện tử lái. Tuy nhiên, mô men sinh ra bị giảm khoảng 30% so với quấn dây kiểu lưỡng cực.

a) Sơ đồ quấn dây đơn cực. b) Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý. Một số động cơ bước được quấn hai cuộn dây tách biệt trên một pha, chẳng hạn loại ra 8 dây. Người dùng có thể tùy chọn cách nối lưỡng cực hay đơn cực cho động cơ này. Chúng được gọi là các động cơ bước đa năng.

Hình ?: Ký hiệu động cơ bước đa năng trên sơ đồ nguyên lý.

3. Pha của động cơ bước Pha động cơ bước liên quan đến số lượng các cuộn dây độc lập trên stator. Nói chung, số răng trên stator và rotor được liên hệ bởi

NS = NR P trong đó NS = số răng stator NR = số răng rotor P = số răng stator trên pha Góc bước o tính theo độ trên bước được cho bởi:

N360

0

trong đó N là số bước trên vòng:

SR

SR

NNNNN

Một động cơ bước thường được phân loại theo số dây nối đưa ra từ vỏ động cơ, điều này không liên quan đế số pha. 4. Các đặc tính của động cơ bước 5. Điều khiển động cơ bước 5.1. Lái động cơ bước Mạch lái động cơ bước có hai nhiệm vụ chính:

- Thay đổi dòng điện và hướng từ thông trong các cuộn dây pha. - Lái cường độ dòng điện có thể điều khiển được chạy qua các cuộn dây nhằm đạt

được tốc độ cao nhất có thể. Điều khiển hướng từ thông Điều khiển bước các động cơ bước đòi hỏi sự thay đổi hướng của từ thông, độc lập trong mỗi cuộn dây. Sự thay đổi hướng được thực hiện bằng cách thay đổi hướng dòng điện, và có thể được thực hiện bằng một trong hai cách:

- Lái lưỡng cực - Lái đơn cực

Lái lưỡng cực Hình ? trình bày cơ chế lái động cơ bước lưỡng cực. Trên hình chỉ vẽ ra cho một pha, pha còn lại thì tương tự.

Hình ?: Cơ chế lái lưỡng cực điều khiển dòng điện

và hướng từ thông trong cuộn dây.

Lái lưỡng cực đề cập đến nguyên lý mà ở đó hướng dòng điện trong một cuộn dây bị thay đổi bằng cách dịch chuyển cực tính điện áp ngang qua các đầu cuộn dây. Để thay đổi cực tính, một nhóm bốn công tắc được cần đến, hình thành một cầu H. Phương pháp lái lưỡng cực đòi hỏi một cuộn dây trên một pha. Một động cơ hai pha sẽ có hai cuộn dây và tương ứng bốn dây ra kết nối. Lái đơn cực Nguyên lý lái đơn cực đòi hỏi một cuộn dây có đầu ra điểm giữa hoặc hai cuộn dây riêng biệt trên pha. Hướng từ thông được thay đổi bằng cách di chuyển dòng điện từ một nửa cuộn dây sang một nửa còn lại. Phương pháp này chỉ đòi hỏi hai chuyển mạch trên một pha. Hay nói cách khác, lái lưỡng cực chỉ sử dụng một nửa lượng dây đồng đang có của cuộn dây. Công suất tiêu hao do đó gấp đôi công suất của lái lưỡng cực với cùng công suất ra.

Hình ?: Cơ chế lái đơn cực điều khiển dòng điện

và hướng từ thông trong cuộn dây.

5.2. Trình tự điều khiển

6. Những ưu điểm và nhược điểm của động cơ bước Các ưu điểm:

1. Góc quay của động cơ tỉ lệ với xung vào. 2. Động cơ có mô men toàn phần khi dừng lại (nếu các cuộn dây được cấp năng

lượng). 3. Định vị chính xác và có khả năng lặp lại sự chuyển động vì các động cơ bước

có độ chính xác 3%-5% bước và sai số này không tích lũy từ bước này sang bước kế tiếp.

4. Đáp ứng khởi động/dừng/đảo chiều tuyệt vời. 5. Rất tin cậy vì không có các chổi than tiếp xúc trong động cơ. 6. Đáp ứng của các động cơ đối với các xung số đưa vào cung cấp sự điều khiển

vòng hở, làm đơn giản sự điều khiển và giảm giá thành. 7. Có khả năng đạt được sự quay đồng bộ ở tốc độ thấp với tải được ghép trực tiếp

với trục động cơ. 8. Một phạm vi rộng các tốc độ quay có thể được thực hiện khi tốc độ tỉ lệ với tần

số của các xung vào. Các nhược điểm: 1. Sự cộng hưởng xảy ra nếu không được điều khiển hợp lí. 2. Không dễ dàng hoạt động ở những tốc độ cực cao.

7. So sánh động cơ bước với các loại động cơ khác So sánh động cơ bước với động cơ DC

Khi so sánh động cơ bước với động cơ DC, có một số ưu điểm và nhược điểm liên quan đến việc sử dụng chúng trong thiết kế:

1. Các động cơ bước thuộc loại vòng hở. Chúng quay một góc cố định đối với mỗi xung vào. Hầu hết các động cơ DC được điều khiển bằng vòng kín. Chúng đòi hỏi các cảm biến góc quay để cảm biến vị trí trục và cảm biến tốc độ để cảm biến vận tốc. Điều này làm tăng số lượng thiết bị và giá thành.

2. Các động cơ bước dễ dàng được điều khiển bởi các bộ vi xử lí. Tuy nhiên, logic điều khiển và mạch lái thì phức tạp hơn.

3. Các động cơ bước không dùng chổi than. Các chổi than gây ra nhiều vấn đề. Chúng bị hao mòn và phải được thay thế. Chổi than phát sinh tia lửa có thể gây nguy hiểm cho các môi trường dễ cháy và dễ nổ. Các chổi than có thể gây ra các xung điện có thể dẫn đến các gai điện trong các thiết bị điện tử.

4. Các động cơ DC có độ lệch liên tục và có thể được định vị chính xác. Sự chuyển động của động cơ bước gia tăng không liên tục và độ phân giải của nó bị giới hạn bởi kích cỡ bước.