Bài giảng Động cơ bước Stepper motor

Chia sẻ: Phạm Tới | Ngày: | Loại File: PPTX | Số trang:58

Thêm vào BST

Báo xấu

952
lượt xem 218
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Động cơ bước Stepper motor cung cấp giới thiệu ngắn gọn về các máy điện có ứng dụng đặc biệt. Đó là các máy mà dây quấn stator được cấp điện bởi các dòng điện chuyển mạch điện tử.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Động cơ bước Stepper motor

ĐỘNG CƠ BƯỚC STEPPER MOTOR
NỘI DUNG CHÍNH § Giới thiệu về động cơ bước § Các loại động cơ bước + Biến từ trở_VRSM (variable - reluctance stepper motor) + Nam châm vĩnh cữu_PMSM (permanent-magnet stepper motor) + Hỗn hợp (lai) (hybrid stepper motor)
39.1 Introduction (Giới thiệu): This chapter provides a brief introduction to electrical machines which have special applications. It includes machines whose stator coils are energized by electronically switched currents. Chương này cung cấp giới thiệu ngắn gọn về các máy điện có ứng dụng đặc biệt. Đó là các máy mà dây quấn stator được cấp điện bởi các dòng điện chuyển mạch điện tử. The examples are: various types of stepper motors, brushless d.c. motor and switched reluctance motor etc. Ví dụ như: các loại động cơ bước, động cơ DC không chổi than và động cơ từ trở đóng ngắt.
There is also a brief description of d.c./a.c. servomotors, synchro motors and resolvers. These motors are designed and built primarily for use in feedback control systems. Cũng như mô tả ngắn gọn động cơ servo dc/ac, Synchro (động cơ tự đồng bộ) và Resolver. Những động cơ này ban đầu được thiết kế và xây dựng trong các hệ thống điều khiển phản hồi.
39.2 Stepper Motor As we know, industrial motor are used to convert electric energy into mechanical energy but they cannot be used for precision positioning of an object or precision control of speed without using closed-loop feedback. Như chúng ta biết, động cơ công nghiệp dùng để biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ, nhưng chúng lại không thể điều chỉnh vị trí 1 cách chính xác hay điều khiển tốc độ chính xác mà không sử dụng mạch hồi tiếp vòng kín. The unique features of a stepper motor is that its output shaft rotates in a series of discrete angular intervals or steps, one step being taken each time a command pulse is received. Cái tên động cơ bước được sử dụng bởi vì nó quay 1 góc cố định đáp ứng theo xung điện nhận vào từ bộ điều khiển.
Tại sao gọi là động cơ bước? The name stepper is used because this motor ratates through a fixed angular step in response to each input current pulse received by its controller. Cái tên động cơ bước được sử dụng bởi vì nó quay 1 góc cố định đáp ứng theo xung điện nhận vào từ bộ điều khiển. In recent years, there has been wide-spread demand of stepping motors because of the explosive growth of the computer industry. Their popularity is due to the fact that they can be controlled directly by computers, microprocessors and programmable controllers. Ngày nay, việc sử dụng ĐC bước trở nên thịnh hành bởi vì sự bùng nổ của nền công nghiệp máy vi tính. Sự phổ biến của chúng là do thực tế chúng có thể được điều khiển trực tiếp bởi máy vi tính, vi xử lý và các bộ điều khiển lập trình.
Đặc điểm của động cơ bước The unique features of a stepper motor is that its output shaft rotates in a series of discrete angular intervals or steps, one step being taken each time a command pulse is received. When a definite number of pulses are supplied, the shaft turns through a definite known angle. This fact makes the motor well-suited for open-loop position control because no feedback need be taken from the output shaft. ĐC bước có trục ngõ ra quay những góc rời rạc hay gọi là bước, mỗi bước đáp ứng với mỗi xung lệnh nhận vào. Khi xác định được số xung lệnh cấp vào thì trục quay sẽ xác định được góc quay. Thực tế này rất phù hợp cho ĐC hoạt động trong mạch điều khiển vòng hở bởi vì sẽ không cần hồi tiếp ở đầu trục ĐC.
Đặc điểm của động cơ bước Such motors develop torques ranging from 1µN-m (in a tiny wrist watch motor of 3 mm diameter) upto 40N-m in a motor of 15cm diameter suitable for machine tool application. Their output ranges from about 1W to a maximum of 2500W. The only moving part in a stepping motor is its rotor which has no windings, commutator or brushes. This feature makes the motor quite robust and reliable. Dải moment ĐC gia tăng từ 1µN-m (ĐC trong các đồng hồ đeo tay nhỏ với đường kính 3mm) lên tới 40 N-m trong các ĐC đường kính 15cm thích ứng cho các máy công cụ. Dải công suất ngõ ra từ 1W tới tối đa 2500W. Phần di chuyển duy nhất trong ĐC bước là rotor của nó, trong đó không có cuộn dây, vành góp hay chổi than. Đặc điểm này làm cho ĐC trở nên khá mạnh và an toàn.
Đặc điểm của động cơ bước Stepping motor are designed to operate for long periods with the rotor held in a fixed positon and with rated current flowing in the stator windings. It means that stalling is no problem for such motors whereas for most of the other motors, stalling results in the collapse of back emf (Ef) and a very high current which can lead to a quick burn-out. ĐC bước được thiết kế để hoạt động trong chu trình lâu dài mà rotor giữ cố định ở một vị trí với dòng định mức trong cuộn dây stator. Điều này có nghĩa là khi ĐC dừng ở 1 vị trí cố định thì sẽ không có vấn đề gì trong khi phần lớn các loại ĐC khác thì khi dừng như vậy kết quả là sự phá hủy của lực điện động và với dòng cao thì sẽ gây cháy hỏng một cách nhanh chóng.
Góc bước The angle through which the motor shaft rotates for each command pulse is called the step angle β. Góc quay mà trục ĐC quay được khi nhận 1 xung lệnh được gọi là góc bước β. Smaller the step angle, greater the number of steps per revolution and higher the resolution or accuracy of positioning obtained. Góc bước bé hơn, số lượng bước trên mỗi vòng quay cao hơn và độ phân giải cao hơn hay đạt được độ chính xác trong việc điều chỉnh vị trí. The step angles can be as small as 0.72o or as large as 90o . But the most common step sizes are 1.8o, 2.5o, 7.5o và 15o. Góc bước có thể nhỏ như 0.72o hay lớn đến 90o. Nhưng thông thường, độ rộng góc bước phổ biến là 1.8o, 2.5o, 7.5o và 15o.
Góc bước The value of step angle can be expressed either in terms of the rotor and stator poles (teeth) Nr and Ns repestively or in terms of the number of stator phases (m) and the number of rotor teeth. Giá trị của góc bước được thể hiện thông qua số lượng cực (răng) tương ứng của rotor (Nr) và stator (Ns) hay số pha của stator (m) và số răng của rotor. (Ns − Nr) β= 3600 Ns Nr hay 360 360 β= = m.Nr S�pha stator S�� rotor r ng Ví dụ: Ns=8 và Nr=6, β = (8 - 6) x 360o/8 x 6 = 15o
Độ phân giải Resolution is given by the number of steps needed to complete one revolution of the rotor shaft. Độ phân giải được định nghĩa là số lượng bước cần để hoàn thành 1 vòng quay của trục rotor. Higher the resolution, greater the accuracy of positioning of objects by the motor. Độ phân giải cao hơn, độ chính xác trong việc xác định vị trí đối tượng bằng ĐC sẽ cao hơn. Độ phân giải = Số lượng bước/vòng quay = 360o/ β
Tốc độ quay A stepping motor has the extraordinary ability to operate at very high stepping rates (upto 20000 steps per second in some motors) and yet to remain fully in synchronism with the command pulses. When the pulse rate is high, the shaft rotation seems continuous. Operation at high speeds is called ‘slewing’. When in the slewing range, the motor generally emits an audible whine having a fundamental frequency equal to the stepping rate. ĐC bước có khả năng đặc biệt hoạt động ở tần số bước rất cao (lên tới 20,000 bước trên giây ở 1 vài loại ĐC) nhưng vẫn đồng bộ với xung lệnh. Khi ở tần số xung cao, trục quay xem như liên tục. Việc hoạt động ở tốc độ cao được gọi là “slewing” (quay). Khi quay, động cơ phát ra âm thanh rên rỉ có tần số bằng với tần số bước.
Tốc độ quay If f is the stepping frequency (or pulse rate) in pulses per second (pps) and β is the step angle, then motor shaft speed is given by: Nếu f là tần số bước (hay tần số xung) trong 1 giây (pps- pulses per second) và β là góc bước, thì tốc độ ĐC được xác định như sau: n = β x f/ 360 rps = độ phân giải tần số xung If the stepping rate is increased too quickly, the motor loses synchronism and stop. Same thing happens if when the motor is slewing, command pulse are sudddenly stopped instead of being grogressively slowed. Nếu tần số bước tăng quá nhanh thì, thì ĐC bị mất đồng bộ và dừng. Điều này cũng xảy ra khi ĐC đang quay mà xung lệnh tắt đột ngột thay vì giảm từ từ.
Ví dụ 1 Một ĐC bước biến từ trở lai có 8 cực chính, mỗi cực có 5 răng. Nếu rotor có 50 răng, tính góc bước. Ns = 8 x 5 = 40, Nr = 50 β = (50 – 40) x 360o/50 x 40 = 1.8o
Ví dụ 2 Một ĐC bước có góc bước 2.5o. Xác định: a/ Độ phân giải b/ Số lượng bước để trục quay được 25 vòng c/ Tốc độ, nếu cho tần số bước là 3600 xung/giây a/ Độ phân giải = 360o/ β = 360o/ 2.5o = 144 bước/vòng b/ Ta có: 1 vòng có 144 bước. Vậy số bước yêu cầu để quay được 25 vòng là 144 x 25 = 3600 bước c/ n = β x f / 360o = 2.5 x 3600 / 360o= 25 vòng/giây.
Ứng dụng Such motors are used for operation control in computer peripherals, textile industry, IC fabrications and robotics etc. Sử dụng cho việc điều khiển hoạt động các thiết bị ngoại vi máy vi tính, công nghiệp dệt, chế tạo IC và robot… Applications requiring incremental motion are typewriters, line printers, tape drives, floppy disk drives, numerically-controlled machine tools, process control systems and X-Y plotters. Những ứng dụng đòi hỏi sự dịch chuyển liên tục như máy đánh chữ, máy in, ổ băng, ổ đĩa, máy điều khiển bằng số, hệ thống điều khiển tiến trình và máy vẽ đồ thị XY. They also take part in the manufacture of packed food stuffs, commercial end-products and even the production of science fiction movies. Chúng cũng tham gia một phần trong việc đóng gói các sản phẩm thức ăn, các sản phẩm thương mại mà các bộ phim khoa học viễn tưởng.
Các loại ĐC bước Biến từ trở Nam châm vĩnh cữu Hỗn hợp (Lai) (VR stepper (permanent-magnet (hybrid stepper motor) stepping motor) motor)
ĐC bước biến từ trở
ĐC bước biến từ trở Construction: A variable-reluctance motor is constructed from ferromagnetic material with salient poles as shown in Fig. 39.2. Một động cơ từ trở biến thiên được cấu trúc từ vật liệu sắt t ừ v ới các cực lồi như hình. The stator is made from a stack of steel Stator A lamination and has sis equally-spaced 1 projecting poles (or teeth) each wound with an B C’ exciting coil. 6 1 2 Stator được làm từ những lá thép và 4 2 có 6 cực nhô ra (hay răng) mỗi cực chứa 1 cuộn dây cảm ứng. 3 3 5 Rotor C B’ The rotor which may be solid or laminated 4 has four projecting teeth of the same width as A’ the stator teeth. Rotor có thể làm đặc hoặc ghép lại có 4 răng có độ rộng bằng với răng stator. As seen, there are three independent stator circuit or phases A, B and C and each one can be energized by a direct current pulse from the drive circuit (not show in the figure). Stator có 3 mạch hay 3 pha A, B, C riêng và m ỗi pha s ẽ đ ược v ận hành từ bộ điều khiển bên ngoài.