Bài tập điều khiển động cơ bước

Chia sẻ: ádajd Akshdj | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:38

Thêm vào BST

Báo xấu

339
lượt xem 65
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu hướng dẫn này gói gọn các đặc tính cơ bản của động cơ bước và các hệ thống điều khiển động cơ bước, bao gồm cả phần vật lý học động cơ, điện học các hệ điều khiển cơ bản, và phần mềm điều khiển động cơ tương ứng. Để phù hợp với thực tế Việt Nam, cuối mỗi chương tôi bổ sung thêm phần tóm tắt để bạn đọc dễ nhớ các ý chính của chương và cung cấp một số thủ thuật mà giáo sư không tiện đề cập trong một tài liệu hướng dẫn tổng quát....

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài tập điều khiển động cơ bước

Điều khiển động cơ bước Biên dịch Đoàn Hiệp Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh ‐ Chương trình PFIEV Đây là bản dịch từ Tài liệu hướng dẫn điều khiển động cơ bước của giáo sư Douglas W. Jones, Đại học IOWA. Tài liệu tiếng Anh nguyên bản của giáo sư đã được đăng ký bản quyền và chống mọi hình thức in ấn thương mại. Được sự cho phép của giáo sư, tôi đã dịch tài liệu này ra tiếng Việt và cung cấp miễn phí tại một số địa chỉ cố định. Đề nghị bạn đọc không sao chép, in ấn vì mục đích thương mại, và không đưa lên các trang web khác, mà chỉ download và in ấn sử dụng cho mục đích cá nhân. Thanks to Prof. Douglas W. Jones, this tutorial was translated with more ease. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các bạn tôi, đã ủng hộ và giúp đỡ rất nhiều trong quá trình biên dịch cũng như phổ biến tài liệu này đến mọi người. Trong tài liệu dịch có nhiều điểm sai sót do yêu cầu về thời gian dịch cũng như những hạn chế về mặt ngôn ngữ, mong các bạn thông cảm. Nếu phát hiện các lỗi dù nhỏ, hoặc có ý kiến bổ sung, mong bạn đọc thông tin cho tác giả qua email: doanhiep_pfiev@yahoo.fr. Nội dung Tóm tắt Giới thiệu 1. Các loại động cơ bước 2. Vật lý học động cơ bước 3. Các mạch điều khiển cơ bản 4. Hạn dòng 5. Điều khiển vi bước 6. Điều khiển bậc trung bình 7. Điều khiển thời gian thực bậc cao 8. Phần mềm điều khiển động cơ bước 9. Ví dụ Các nguồn tư liệu khác Tóm tắt Tài liệu hướng dẫn này gói gọn các đặc tính cơ bản của động cơ bước và các hệ thống điều khiển động cơ bước, bao gồm cả phần vật lý học động cơ, điện học các hệ điều khiển cơ bản, và phần mềm điều khiển động cơ tương ứng. Để phù hợp với thực tế Việt Nam, cuối mỗi chương tôi bổ sung thêm phần tóm tắt để bạn đọc dễ nhớ các ý chính của chương và cung cấp một số thủ thuật mà giáo sư không tiện đề cập trong một tài liệu hướng dẫn tổng quát. 1
Giới thiệu 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 bởi 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 các vị trí bất kỳ. Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước. Cả hai loại động cơ này đều như nhau vì có thể xác định được vị trí chính xác, nhưng chúng cũng khác nhau ở một số điểm. Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi tiếp analog. Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ tắc‐cô để cung cấp tín hiệu hồi tiếp về vị trí của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị trí mong muốn và vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần. Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xét một số vấn đề, và nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế. Ví dụ, khả năng trở về một vị trí đã vượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả năng lặp lại vị trí của động cơ servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô và các linh kiện analog khác trong mạch hồi tiếp. 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. Động cơ bước trong tiếng Đức là SCHRITTMOTOREN, trong tiếng Pháp là MOTEURS PAS À PAS, và trong tiếng Tây Ban Nha là MOTOR PASO PASO. Từ step‐motor và stepper motor cũng được dùng khá phổ biến. 2
Các nguồn tư liệu khác Các trang web Một số trang web khác về điều khiển động cơ • http://www.ams2000.com/stepping101.html một tài liệu hướng dẫn tóm gọn rất hay • http://motioncontrol.com/ trang web thương mại về điều khiển chuyển động • http://www.doc.ic.ac.uk/~ih/doc/stepper/ • http://www.euclidres.com/apps/stepper_motor/stepper.html Một số nhà cung cấp động cơ • http://www.ams2000.com/ • http://www.dmicrotek.com/ (động cơ rất bé) • http://www.eadmotors.com/ (động cơ cỡ trung bình) • http://www.gunda‐gmbh.de/ (German) • http://www.hsi‐inc.com/ • http://www.linengineering.com/ (100 to 800 steps per revolution) • http://www.micromo.com/ (động cơ siêu nhỏ) • http://www.mitsumi.co.jp/cgi‐bin/agree.cgi?lang=1 (Japan) Các nhà cung cấp đồ cũ • ALL Electronics (new and surplus) • DIY Electronics (kits, Hong Kong) • EIOʹs Stepper Motor Page (surplus) • PC Gadgets (the Gadgetmaster interface) • Hi‐Tech Surplus; • Vorlac (Surplus, australia) • Wirz Electronics (Hobbyist oriented, controllers) 3
Dịch vụ thiết kế, lựa chọn và tạo mô hình động cơ • Yeadon Engineering Services, yes@up.net (Michigan) Dịch vụ tư vấn • Simon Bridger Design (New Zealand) Những trang web khác • The Art of Motion Control; • EIOʹs Stepper Motor Page; Sách Handbook of Small Electric Motors William H. Yeadon and Alan W, Yeadon, eds. McGraw‐Hill, c2001. LC number: TK2537 .H34 2001 Stepping motors: a guide to modern theory and practice Acarnley, P. P. P. Peregrinus on behalf of the IEE, 1984, c1982. LC number: TK2537 .A28 1984 A third edition has recently been released. Stepping motors and their microprocessor controls Kenjo, Takashi Oxford University Press, c1984. LC number: TK2785 .K4 1984 4
Các loại động cơ bước Phần 1: Động cơ bước dịch bởi Đoàn Hiệp • Giới thiệu • Động cơ biến từ trở • Động cơ đơn cực • Động cơ hai cực • Động cơ nhiều pha Giới thiệu Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (cũng có loại động cơ hỗn hợp nữa, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam châm vĩnh cửu). Nếu mất đi nhãn trên động cơ, 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 1.8 độ đến 0.72 độ 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. 1
Động cơ biến từ trở Hình 1.1 Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình 1.1, 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 1.1 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 ‐‐> Phần Điều khiển mức trung bình cung cấp chi tiết về phương pháp tạo ra các dãy tín hiệu điều khiển như vậy, và phần Các mạch điều khiển bàn về việc đóng ngắt dòng điện qua các cuộn để điều khiển động cơ từ các chuỗi như thế. Hình dạng động cơ được mô tả trong hình 1.1, 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. 2
Động cơ đơn cực Hình 1.2 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 1.2, 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. Sự khác nhau giữa hai loại động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực và động cơ hỗn hợp đơn cực không thể nói rõ trong nội dung tóm tắt của tài liệu này. Từ đây, khi khảo sát động cơ đơn cực, chúng ta chỉ khảo sát động cơ nam châm vĩnh cửu, việc điều khiển động cơ hỗn hợp đơn cực hoàn toàn tương tự. 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. 3
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 xoắy lớn hơn dãy bên trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần. Phần Điều khiển mức trung bình trong tài liệu này sẽ cung cấp chi tiết về phương pháp tạo ra những dãy tín hiệu điều khiển như vậy, còn phần Các mạch điều khiển nói về mạch đóng ngắt các mạch điện cần thiết để điều khiển các mấu động cơ từ các dãy điều khiển trên. 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 ‐‐> 4
Động cơ hai cực Hình 1.3 Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai 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 1.2. Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi mấu; điều này sẽ được bàn chi tiết trong phần Các mạch điều khiển. 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 ‐‐> 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. Chú ý khác là có rất nhiều chip điều khiển cầu H có một đầu vào điều khiển đầu ra và một đầu khác để điều khiển hướng. Có loại chip cầu H kể trên, dãy điều khiển dưới đây sẽ quay động cơ giống như dãy điều khiển nêu phía trên: 5
Enable 1 1010101010101010 1111111111111111 Hướng 1 1x0x1x0x1x0x1x0x 1100110011001100 Enable 2 0101010101010101 1111111111111111 Hướng 2 x1x0x1x0x1x0x1x0 0110011001100110 thời gian ‐‐> 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. Động cơ nhiều pha Hình 1.4 Một bộ phận các động 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 0.72 độ (500 bước mỗi vòng).Với một động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước mỗi vòng bước, như trình bày dưới đây: 6
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 như hình minh hoạ trên, 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. 7
Tóm tắt chương Qua chương này, các bạn đã có thể phân biệt các loại động cơ như động cơ biến từ trở, động cơ đơn cực, động cơ hai cực, và động cơ nhiều pha dựa vào cảm nhận bằng tay khi quay rotor và dùng Ohm kế. Việc phân biệt các cặp đầu ra của các cuộn dây cũng có thể suy ra từ việc dùng Ohm kế để đo các đầu dây. Tuy nhiên, việc xác định cặp dây ra của từng cuộn dây trong động cơ đơn cực hơi khó khăn hơn một chút. Để phân biệt hai cặp dây của động cơ đơn cực 5 dây, trước tiên chúng ta dùng Ohm kế để xác định dây nối trung tâm. Áp điện áp xoay chiều vào dây trung tâm và một trong 4 dây còn lại. Dùng Volt kế xoay chiều đo điện áp giữa dây nối trung tâm và 3 dây còn lại. Chúng ta sẽ thấy rằng điện áp giữa dây trung tâm với 2 trong 3 dây còn lại đó gần như bằng không, và với dây thứ ba thì gần như bằng điện áp xoay chiều áp vào động cơ. Như vậy, hai dây cho điện áp gần bằng 0 là một cặp, hai dây còn lại sẽ là cặp thứ hai. Lời khuyên: ‐ Khi dùng Ohm kế để đo, nhớ ghi chú và vẽ ngay lại cách nối dây trong động cơ để tránh nhầm lẫn về sau ‐ Các dây nối trung tâm luôn được nối với nguồn dương trong mạch điều khiển (kể cả động cơ biến từ trở và động cơ đơn cực) ‐ Điện áp xoay chiều dùng để phân biệt các cặp dây trong động cơ đơn cực phải đủ nhỏ để không làm hư động cơ. Điện áp đỉnh của dòng xoay chiều phải nhỏ hơn điện áp ngưỡng của động cơ. Thông thường, với động cơ 24VDC, và 12VDC tôi thường dùng 9VAC và 6VAC để thí nghiệm. ‐ Luôn ghi nhớ rằng động cơ bước là động cơ điện một chiều Bài tập: Tự viết ra (hoặc làm thí nghiệm thực tế) tất cả các trường hợp để phân biệt tất cả các loại động cơ kể trên và phân biệt các dây nối động cơ của từng loại khi chỉ có Ohm kế và Volt kế. Làm thế nào để biết điện áp ngưỡng của động cơ mình đang có? 8
Trang này bỏ trống để ghi chú 9
Vật lý học động cơ bước Phần 2: Động cơ bước dịch bởi Đoàn Hiệp • Giới thiệu • Tĩnh học • Điều khiển nửa bước và vi bước • Lực ma sát và vùng chết • Động lực học • Cộng hưởng • Sống chung với cộng hưởng • Vận tốc moment xoắn cản • Vấn đề về điện từ Giới thiệu Khi nói về các đại lượng vật lý, việc chú ý đến đơn vị đo được dùng là rất quan trọng! Trong phần trình bày này về động cơ bước cũng vậy, chúng ta sẽ nhắc lại các đơn vị vật lý tiêu chuẩn: English CGS MKS KHỐI LƯỢNG slug gram kilogram LỰC pound dyne newton KHOẢNG CÁCH foot centimeter meter THỜI GIAN second second second GÓC radian radian radian Theo bảng trên, lực một pound sẽ gia tốc cho một khối lượng một slug là một foot trên một giây bình phương. Mối quan hệ này giữa đơn vị của lực, khối lượng và thời gian và khoảng cách trong các hệ đơn vị đo khác cũng giống như vậy. Người ta thường lẫn lộn góc thì đo bằng độ và khối lượng lại đo bằng pound rồi lực lại tính bằng kilograms sẽ làm thay đổi kết quả đúng của các công thức dưới đây! Cẩn thận khi biến đổi những đơn vị không chính quy thành các đơn vị tiêu chuẩn được liệt kê trên đây trước khi áp dụng các công thức tính toán! 1
Tĩnh học Cho một động cơ quay S radian mỗi bước, biểu đồ moment xoắn theo vị trí góc của rotor so với vị trí cân bằng ban đầu sẽ có dạng gần đúng hình sin. Hình dạng thực tế của biểu đồ phụ thuộc vào hình dạng các cực của rotor và stator, nhưng trong bảng thông số (datasheet) của động cơ lại không có biểu đồ này, và cũng không trình bày hình dạng các cực! Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, biểu đồ moment theo vị trí góc rotor thường giống như hình sin, nhưng cũng không hẳn vậy. Đối với động cơ biến từ trở, đường này giống hình sin một chút, hình thang một chút nhưng cũng không hẳn là hình răng cưa. Đối với động cơ 3 mấu biến từ trở hoặc nam châm vĩnh cửu có góc bước S, chu kỳ của moment so với vị trí sẽ là 3S; hay một động cơ 5 pha, chu kỳ sẽ là 5S. Đối với động cơ 2 mấu nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp, loại phổ biến nhất, chu kỳ sẽ là 4S, như được mô tả trong Hình 2.1 Hình 2.1 Nhắc lại, đối với một động cơ nam châm vĩnh cửu 2 mấu lý tưởng, đường cong này có thể mô tả toán học như sau: T = ‐h sin( (( /2) / S) ) trong đó T ‐‐ moment xoắn (torque) h ‐‐ moment xoắn giữ (holding torque) S ‐‐góc bước, tính bằng radian (step angle) = góc trục (shaft angle) Nhưng nhớ rằng, thường thì đường biểu đồ thực không bao giờ có dạng hình sin lý tưởng như trên. Moment xoắn giữ (holding torque) trên một mấu (winding) của động cơ bước là giá trị đỉnh của moment xoắn trên biểu đồ khi dòng qua một mấu đạt giá trị lớn nhất. Nếu cố tăng giá trị moment xoắn lên cao hơn giá trị đỉnh trong khi vẫn giữ nguyên điện áp kích ở một mấu, rotor sẽ quay tự do. 2
Đôi khi việc phân biệt giữa góc trục điện và góc trục cơ là việc làm cần thiết. Về mặt cơ, một vòng quay của rotor sẽ là 2 rad. Về phương diện điện, một vòng được định nghĩa là một chu kỳ của đường cong moment xoắn đối với góc trục. Trong tài liệu này, sẽ dùng để chỉ góc trục cơ, và (( /2)/S) để chỉ góc trục điện của một động cơ 4 bước/vòng. Cho rằng đường cong moment xoắn so với vị trí góc gần đúng hình sin. Chừng nào mà moment xoắn còn bằng moment xoắn giữ, rotor sẽ vẫn nằm trong ¼ chu kỳ so với vị trí cân bằng. Đối với một động cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp hai mấu, điều này có nghĩa là rotor sẽ giữ nguyên vị trí so với vị trí cân bằng trong phạm vi một bước. Nếu không có nguồn cấp vào các mấu động cơ, moment xoắn sẽ không bao giờ giảm xuống 0! Trong các động cơ bước biến từ trở, từ trường dư trong mạch từ của động cơ có thể tạo ra một moment xoắn dư nhỏ, và trong các động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp, lực hút giữa các cực và từ trường vĩnh cửu của rotor có thể tạo ra một moment xoắn đáng kể mà không cần nguồn áp. Moment xoắn dư trong một động cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp thường được gọi là moment xoắn trên răng của động cơ, bởi vì một người khờ khạo sẽ nghĩ rằng có một kết cấu cơ khí dạng mấu răng nằm ở bên trong động cơ giữ rotor lại. Thông thường, moment xoắn trên răng biễu diễn theo góc rotor không có dạng hình sin, ở một vị trí cân bằng tại mỗi bước và một biên độ lớn hơn khoảng 10% moment xoắn giữ của động cơ, nhưng nhìn chung các động cơ từ các nhà sản xuất cho ra giá trị cao đến 23% đối với động cơ nhỏ và dưới 26% đối với động cơ cỡ trung bình. Điều khiển nửa bước và vi bước Miễn là không có phần nào của mạch từ bão hòa, thì việc cấp điện đồng thời cho hai mấu động cơ sẽ sinh ra một moment xoắn theo vị trí là tổng của các moment xoắn đối với hai mấu động cơ riêng lẻ. Đối với động cơ hai mấu nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp, hai đường cong này sẽ là S radians khác pha, và nếu dòng qua hai mấu bằng nhau, đỉnh của tổng sẽ nằm ở vị trí S/2 radians kể tử đỉnh của đường cong gốc, như ở Hình 2.2 3
Hình 2.2 Đấy là cơ bản của điều khiển nửa bước. Moment xoắn giữ là đỉnh của đường cong moment xoắn kết hợp khi hai mấu có cùng dòng lớn nhất đi qua. Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp thông thường, moment xoắn giữ hai mấu sẽ là: h2 = 20.5 h1 trong đó: h1 – moment xoắn giữ trên một mấu h2 – moment xoắn giữ hai mấu Điều này cho thấy rằng không có phần nào trong mạch từ bão hoà và moment xoắn theo đường cong vị trí đối với mỗi mấu là hình sin lý tưởng. Hầu hết các bảng hướng dẫn động cơ nam châm vĩnh cửu và biến từ trở đều chỉ ra moment xoắn giữ hai mấu mà không có đưa ra moment xoắn giữ trên một mấu; phần nào, có lẽ vì nó sẽ chiếm nhiều giấy hơn, và phần nào cũng vì hầu hết các bộ điều khiển đủ bước thông thường luôn áp điện áp vào cả hai mấu cùng lúc. Nếu bất kỳ phần nào trong mạch từ của động cơ bị bão hoà, hai đường cong moment xoắn sẽ không thể cộng tuyến tính với nhau. Kết qủa là moment tổng hợp có thể không nằm chính xác tại vị trí S/2 kể từ vị trí cân bằng ban đầu. Điều khiển vi bước cho phép các bước nhỏ hơn bằng việc dùng các dòng khác nhau qua hai mấu động cơ, như vẽ trên Hình 2.3: Hình 2.3 4
Đối với một động cơ hai mấu biến từ trở hoặc nam châm vĩnh cửu, cho rằng các mạch từ không bão hoà và các đường cong moment xoắn trên mỗi mấu theo vị trí là một hình sin hoàn hảo, công thức dưới đây đưa ra những đặc tính chủ chốt của đường cong moment xoắn tổng hợp: h = ( a2 + b2 )0.5 x = ( S / ( /2) ) arctan( b / a ) trong đó: a – moment xoắn áp trên mấu với vị trí cân bằng tại 0 radians b – moment xoắn áp trên mấu với vị trí cân bằng tại S radians h – moment xoắn giữ tổng hợp x ‐‐ vị trí cân bằng tính theo radians S – góc bước, tính theo radians. Khi không có bão hoà, các moment xoắn a và b tỉ lệ với dòng đi qua các mấu tương ứng. Điều này rất thông dụng khi làm việc với các dòng và moment xoắn bình thường, để moment xoắn giữ mấu đơn hoặc dòng cực đại được chấp nhận trong một mấu động cơ là 1.0. Ma sát và vùng chết Đường cong moment xoắn so với vị trí được chỉ ra trong Hình 2.1 không tính đến moment xoắn động cơ để thắng lực ma sát! Chú ý rằng các lực ma sát có thể được chia thành hai loại lớn, lực ma sát nghỉ là lực ma sát trượt, cần phải có một moment xoắn đủ lớn để thắng lại nó, không kể đến vận tốc và ma sát động học hay lực nhớt, hoặc các cản trở khác không phụ thuộc vận tốc. Ở đây, chúng ta quan tâm đến lực ma sát nghỉ. Cho rằng moment xoắn cần thiết để thắng lực ma sát nghỉ trong hệ là ½ giá trị đỉnh moment xoắn của motor, như miêu tả trong Hình 2.4. Hình 2.4 Đường gạch đứt trong hình 2.4 chỉ ra moment xoắn cần thiết để thắng ma sát, chỉ có một phần đường cong moment xoắn bên ngoài đường gạch đứt là làm cho rotor chuyển động. Đường cong chỉ ra moment xoắn hiệu quả khi có ma sát trục không giống những đường cong này, Hình 2.5: 5
Hình 2.5 Chú ý rằng tác dụng của lực ma sát gồm hai phần. Đầu tiên, tổng moment xoắn hiệu quả để quay tải bị giảm, thứ hai, có một vùng chết nằm ở mỗi vị trí cân bằng của động cơ lý tưởng. Nếu rotor động cơ được đặt tại bất cứ đâu trong vùng chết đối với vị trí cân bằng tức thời, moment xoắn ma sát sẽ vượt quá moment xoắn tác dụng bởi các mấu động cơ, rotor sẽ không di chuyển. Cho rằng một đường cong hình sin lý tưởng giữa moment xoắn và vị trí khi không có ma sát, độ rộng góc của những vùng chết sẽ là: d = 2 ( S / ( /2) ) arcsin( f / h ) = ( S / ( /4) ) arcsin( f / h ) trong đó: d ‐‐ độ rộng vùng chết tính bằng radians S – góc bước tính bằng radians f – moment xoắn cần thiết để thắng lực ma sát h – moment xoắn giữ Điều quan trọng phải ghi chú về vùng chết là nó giới hạn độ chính xác vị trí sau cùng! Một ví dụ, khi lực ma sát nghỉ là 1/2 giá trị đỉnh moment xoắn, một động cơ bước mỗi bước 90° sẽ có vùng chết là 60°! Điều đó có nghĩa là các bước hiệu quả sẽ dao động trong khoảng 30° đến 150°, tuỳ thuộc vào rotor dừng ở đâu trong vùng chết sau mỗi bước! Sự xuất hiện của vùng chết có một ảnh hưởng rất lớn đến việc điều khiển vi bước thực tế! Nếu vùng chết rộng x°, thì việc điều khiển vi bước với độ rộng một bước nhỏ hơn x° có thể sẽ không làm cho rotor quay được một chút nào. Vì vậy, đối với các hệ thống định dùng điều khiển vi bước có độ phân giải cao, việc giảm thiểu ma sát nghỉ là rất quan trọng. Động lực học Mỗi lần bạn quay động cơ một bước, bạn di chuyển rotor khỏi vị trí cân bằng S radians. Điều này di chuyển toàn bộ đường cong được miêu tả trong hình 2.1 một khoảng cách S radians, như Hình 2.6: 6
Hình 2.6 Điều đầu tiên ghi nhận về quá trình quay một bước là giá trị ngẫu lực hiệu dụng lớn nhất đạt tại giá trị nhỏ nhất khi roto đang quay nửa đường từ bước này sang bước kế tiếp. Giá trị nhỏ nhất này xác định moment xoắn động (running torque), giá trị moment xoắn lớn nhất của động cơ có thể đạt được khi nó bước tới trước rất chậm. Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu hai mấu thông thường với những đường cong hình sin lý tưởng của moment xoắn so với vị trí và moment xoắn giữ h, giá trị moment xoắn động sẽ là h/(20.5). Nếu động cơ được quay bằng cách cấp điện cho hai mấu cùng lúc, moment xoắn động của một động cơ nam châm vĩnh cửu hai mấu lý tưởng sẽ bằng moment xoắn giữ loại một mấu. Cũng nên ghi nhận rằng ở một tốc độ bước cao, moment xoắn động đôi khi được định nghĩa như là moment kéo ra (pull‐out torque). Nghĩa là, nó là moment xoắn lớn nhất mà động cơ có thể vượt qua để quay tải từ bước này sang bước tiếp trước khi tải bị kéo ra khỏi vị trí bước bởi lực ma sát. Một vài hướng dẫn động cơ định nghĩa một moment xoắn thứ hai là moment xoắn kéo vào (pull‐in torque). Nó là moment xoắn ma sát cực đại mà động cơ có thể vượt qua để gia tốc một tải đang đứng yên đến một tốc độ đồng bộ (vận tốc điều khiển mong muốn). Moment xoắn kéo vào được nêu trong các tài liệu sử dụng động cơ bước là giá trị không chính xác, bởi vì moment xoắn kéo vào phụ thuộc vào moment ban đầu của tải được sử dụng khi chúng được đo, và một vài bảng hướng dẫn động cơ chỉ ra giá trị này. Trong thực tế, luôn có lực ma sát, vì thế, sau khi vị trí cân bằng quay một bước, rotor giống như dao động nhỏ xung quanh vị trí cân bằng mới. Quỹ đạo kết qủa có thể tương tự như trong Hình 2.7: Hình 2.7 Ở đây, quỹ đạo của vị trí cân bằng được biểu diễn bằng đường gạch đứt, trong khi đó, đường cong trên hình là quỹ đạo của rotor động cơ. 7