intTypePromotion=3

Chuyên đề động cơ bước

Chia sẻ: NguyễnThanh Hiếu | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:29

1
700
lượt xem
290
download

Chuyên đề động cơ bước

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chuyên đề động cơ bước

  1. Chuyên đề động cơ bước
  2. 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 . Nh ận 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
  3. 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 n hững 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 h ệ trực tiếp với hướng quay của trục động cơ. Tốc độ quay của trục động cơ quan h ệ trực tiếp với tần số các xung vào và chiều dài vòng quay thì liên hệ trực tiếp với số lư ợng các xung được áp vào. Động cơ bước Bộ lái Dây ra từ động cơ 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 b ơm, các đồng hồ, các bàn vẽ, các van, các máy công cụ, các thiết bị y khoa, các thiết bị ôtô, các máy bán h àng 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.
  4. Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước đ ược chia thành 3 lo ại: - 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 lo ại: - Động cơ bước đơn cực. - Động cơ bước lưỡng cực. Hình ?: Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước. Ngoài ra, các lo ại n ày còn rơi vào một trong hai phương pháp cấu tạo. Trong phương pháp thứ nhất, Hình 1.3a, roto r 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 h ơn. 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 lo ại khác. Điều này cho phép nó đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên, vì rotor không có từ tính nên không có lực từ d ư khi động cơ không còn được cấp điện và rotor có thể quay tự do. Thông thường, các góc bước của các động cơ bư ớc từ trở biến thiên là 7,5 o ho ặc 15 o. Hình : Độn g cơ bước từ trở.
  5. 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 b ắc 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 h ơn. Các nam châm được làm bằng hợp kim (gồm nhôm, nickel, và cobalt) ho ặc 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 đ ược 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 đ ầu rotor đối diện là cực nam. Răng rotor đ ược cắt th ành 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 bư ớc 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 bư ớc được sử dụng rộng rãi là động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước lai, với góc bước 1,8 o. Độ chính xác của hầu hết các động cơ
  6. bước là 3% góc bước (bất chấp số bước trên vòng); th ế th ì, 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 7,5 o; 15o Từ trở biến thiên 1,8 o; 7,5o; 15 o; 30o; 45 o; 90o Nam châm vĩnh cửu 0,9 o; 1,8o Lai 2.4. Động cơ bước lưỡng cực Mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất. Bằng cách đảo dòng đ iện 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 đ ược kết nối sao cho khi một cuộn dây đư ợc cấp năng lượng th ì 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 đư ợc gọi là đơn cực bởi vì cực tính điện, tức là dòng đ iện, từ mạch lái đến các cuộn dây không bao giờ bị đảo chiều. Thiết kế n ày cho phép làm đơn giản mạch điện tử lái. Tuy nhiên, mô men sinh ra bị giảm khoảng 30% so với quấn dây kiểu lư ỡng cực.
  7. 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 d ây. Người dùng có thể tùy ch ọn 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 đ ến 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 đư ợc cho bởi: 360 0  N trong đó N là số bước trên vòng:
  8. NR NS N NR  NS 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 đ iện có thể điều khiển đư ợc 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 hư ớng 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 ch ỉ vẽ ra cho một pha, pha còn lại thì tương tự. Hình ?: Cơ chế lái lưỡng cực điều khiển dòng đ iện và hướng từ thông trong cuộn dây.
  9. Lái lưỡng cực đề cập đến nguyên lý mà ở đ ó hư ớng dòng đ iện trong một cuộn dây bị thay đ ổi 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 đ ơn 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 su ất ra. Hình ?: Cơ ch ế lái đ ơn cực điều khiển dòng đ iện và hư ớng từ thông trong cuộn dây. 5.2. Trình tự điều khiển
  10. 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 n ày không tích lũy từ bư ớc n ày 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 h ở, làm đơn giản sự điều khiển và giảm giá th ành. 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 d àng 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 h ở. Chúng quay m ột 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 đ iều 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 n guy 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 bư ớc gia tăng không liên tục và độ phân giải của nó bị giới hạn b ởi kích cỡ bước.
  11. 5. Các động cơ bước có thể bị trượt bước nếu quá tải và sai số có thể dẫn đến không phát hiện được. Vì lí do này mà m ột ít động cơ bước sử dụng điều khiển vòng kín. 6. Điều khiển hồi tiếp dùng các động cơ DC cho thời gian đáp ứng nhanh h ơn nhiều khi được so sánh với các động cơ bước. So sánh động cơ bước với động cơ servo Các động cơ bước là các đ ộng cơ ‘bước’ một góc mỗi khi mạch điều khiển cấp một xung. Chúng không đòi hỏi sự hồi tiếp vị trí nếu chạy bên trong những giới hạn của chúng. Khi dừng lại, chúng vẫn giữ nguyên vị trí. Các động cơ servo thuộc loại động cơ DC chu ẩn hoặc không chổi than có vòng hồi tiếp sử dụng cảm biến góc (encoder). Mạch điều khiển đọc vị trí của động cơ và điều khiển nguồn cấp cho động cơ. Các động cơ bước cũng có độ chính xác như các đ ộng cơ servo và đơn giản hơn, tin cậy h ơn và b ảo dưỡng thoải mái trong các ứng dụng ở môi trường bụi bặm. Các cảm biến góc quay của động cơ servo dễ bị ảnh hưởng do dơ b ẩn và sự dao động gây ra nhiều vấn đề rắc rối. Động cơ servo di chuyển điểm-điểm nhanh hơn và tốt h ơn khi gia tốc cho các máy móc nặng tải, nhưng cần được bảo dư ỡng nhiều hơn. Hệ thống động cơ bước có thể nhanh ho ặc nhanh hơn nhiều hệ thống servo nhờ vào thu ật toán điều khiển bằng phần mềm. Bảng ?: So sánh giữa động cơ bước và động cơ Servo Các đặc tính Động cơ Servo Động cơ bước chuyển động Có thể đ ược xem xét nếu giá Các ứng dụng có chu kỳ công tác Mô men cao, tốc độ thấp thành/tính phức tạp không phải liên tục đòi hỏi mô men cao và là một vấn đề. tốc độ thấp. Mô men cao và Các ứng dụng có chu kỳ công Nếu tốc độ thấp hơn 2000 rpm tốc độ cao tác liên tục đòi hỏi mô men cao thì sử dụng động cơ bước có thể (> 2000 rpm ) và tốc độ cao. Một động cơ kinh tế hơn. Các động cơ bước servo DC có th ể tạo ra công suất trở n ên cồng kềnh ở tốc độ cao. trục liên tục lớn hơn ở các tốc độ cao khi được so sánh với các động cơ bước. Di chuyển Sử dụng servo nếu bạn cần các Động cơ bước sẽ mang đến giải n gắn, nhanh, yêu cầu động cao. pháp kinh tế hơn khi các yêu cầu có tính lặp lại bình thường hơn. Các ứng dụng Servo có th ể điều khiển hiệu quả Sử dụng động cơ bước nếu mô đ ịnh vị khi tải hầu nh ư có quán tính thay men thấp hơn 500 oz-in, nhỏ hơn vì ma sát. Khả năng kéo quá sức 2000 rpm, tỉ số gia tốc từ thấp động cơ servo trong chu kỳ công đến trung bình. tác không liên tục cho phép một
  12. động cơ nhỏ hơn có thể được sử dụng. Các ứng dụng Sử dụng động cơ servo không Sử dụng động cơ bư ớc. chổi than. trong các môi trư ờng nguy h iểm Tốc độ thấp, Sử dụng servo DC. Sử dụng vi bước. độ mịn cao Phương pháp Được ưa chuộng sử dụng trong Vòng kín. đ iều khiển các ứng dụng vòng h ở. 8. Các đặc tính của động cơ bước 9. Sử dụng động cơ bước 9.1 Thủ tục lựa chọn động cơ bước Trư ớc hết hãy xác đ ịnh các 1 Xác định thành phần cơ cấu lái đ ặc điểm thiết kế như cơ Xác định cơ cấu và các thông số kỹ thuật đòi hỏi. cấu, đường kính thô, khoảng cách di chuyển, và chu kỳ định vị. Từ độ phân giải đòi hỏi, 2 Tính toán độ phân giải đòi hỏi xác định ch ỉ động cơ được Tìm kiếm độ phân giải góc bước cho động cơ. dùng hay đ ộng cơ giảm tốc được dùng. Tìm chu k ỳ gia tốc (giảm 3 Xác định mẫu vận hành Xác đ ịnh mẫu vận hành đáp ứng các thông số kỹ tốc) và tốc độ xung vận h ành để tính toán mô men thu ật đòi hỏi. gia tốc. Tính toán mô men tải, mô 4 Tính toán mô men đòi hỏi m en gia tốc và mô men đòi Tính toán mô men tải. hỏi được yêu cầu bởi động Tính toán mô men gia tốc. cơ. Tính toán mô men giảm tốc. Chọn lựa một động cơ mà 5 Lựa chọn động cơ Đưa ra một lựa chọn tạm thời cho động cơ dựa trên các đ ặc tính mô men-tốc độ của nó thỏa mãn yêu mô men đòi hỏi. Xác định động cơ cần được sử dụng từ các đặc tính cầu. mô men-tốc độ. Kiểm tra tỉ số gia tốc/giảm 6 Kiểm tra động cơ được chọn Xác nhận tỉ số gia tốc/giảm tốc và hệ số quán tính. tốc và hệ số quán tính đ ể xác định khả năng phù h ợp với sự lựa chọn. 9.2 Nhận dạng động cơ bước May mắn là các nhà ch ế tạo động cơ bước hầu như luôn luôn in loại, góc b ước, điện trở cuộn dây và điện áp cuộn dây trên các động cơ.
  13. Hình : Một mẫu nhãn được dán trên vỏ của động cơ bước được chế tạo bởi hãng ??? Khi các thông tin này không có sẵn thì vẫn có thể xác định được chúng nhờ vào sự trợ giúp của một VOM và một vài kiểm tra cơ bản.  Xác định loại động cơ bước đơn cực, lưỡng cực hay đa năng Phần lớn động cơ bước trên thị trường thuộc loại đơn cực, lưỡng cực, và đa năng. Dựa trên giả định này, bước thứ nhất là b ạn có thể đ ưa ra đư ợc ư ớc đoán đầu tiên về loại động cơ bằng cách đếm các đầu dây ra. Bảng : Quan hệ giữa số đầu dây ra và lo ại động cơ Số đầu dây ra Lo ại động cơ Động cơ DC chổi than – Không phải động cơ bước 2 Động cơ bước lưỡng cực 4 Động cơ bước đơn cực – Dây chung điểm giữa 5 Động cơ bước đơn cực 6 Động cơ bước đa năng 8 Bước cuối cùng là sử dụng m ột ohm kế để xác định sự kết nối của mỗi đầu dây ra và kiểm nghiệm ước đoán loại động cơ ban đầu của bạn. - Động cơ lưỡng cực là đơn giản nhất, bạn chỉ cần kiểm nghiệm những dây n ào nối đến mỗi cuộn. - Đối với loại đơn cực, điện trở đầu V+ đến đầu chung và đầu V- đến đầu chung là bằng nhau và b ằng một nửa điện trở giữa V+ và V-.  Xác định thứ tự các pha
  14. Kết nối các đầu dây của động cơ bước với nguồn áp theo một mẫu trình tự điều khiển nhất định, đồng thời quan sát hướng quay trục của động cơ. Nếu hướng trụ c quay th ực hiện liên tục là các pha đã đúng thứ tự.  Xác định loại động cơ bước từ trở biến thiên, nam châm vĩnh cửu, hay lai - Không cần phải xem nh ãn ghi trên động cơ, bạn vẫn có thể nói được động cơ bước đang dùng thuộc loại n ào. Khi không cấp nguồn, các động cơ nam châm vĩnh cửu và lai có khuynh hướng “vấu lại” khi bạn quay rôto bằng các ngón tay của bạn, trong khi các động cơ từ trở biến thiên hầu như quay tròn một cách tự do (mặc dù chúng có thể vấu lại một chút do từ dư trong rôto). - Bạn cũng có thể ph ân biệt hai dạng động cơ này b ằng một ohm kế. Các động cơ từ trở biến thiên có ba (đôi khi bốn) cuộn dây, với một đầu chung, trong khi các động cơ nam châm vĩnh cửu th ường có hai cuộn độc lập, có hoặc không có các đầu chung. Cuộn lấy đầu chung điểm giữa được sử dụng trong các động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực. 10. Điều khiển động cơ bước 10.1 Nguyên lý điều khiển Để biết một động cơ bước làm việc như thế nào, hãy xem xét một động cơ bước đơn giản gồm có: - Một rotor nam châm vĩnh cửu có một cực Bắc – Nam (N-S). - Một stator bốn răng đ ược lái bởi một cặp hai cuộn dây A1-A2 và B1-B2. Hình : Trình tự cấp năng lượng cho động cơ bước Khi A1-A2 (và B1-B2) được nối đến điện áp cung cấp DC và đ ất, một cách tương ứng, răng phía trên đỉnh (và răng phía bên phải) trở th ành cực Bắc và răng đối diện trở thành cực Nam như trên Hình ??. Điều này làm đẩy rotor sang vị trí ổn định + 45o, khi đó các cực rotor nằm giữa các cực đối diện của hai cuộn dây. Khi cực tính của cuộn A1-A2 bị đảo lại nhờ chuyển mạch điện áp cung cấp và đất, rotor tiến một góc 90o đến vị trí mới ổn định ở -45o. Điều n ày có nghĩa rằng nó có góc bước là 90o. Một động cơ bước có thể được điều khiển theo trình tự kiểu đủ bước hoặc nửa bước. Với góc bước 90o, một trình tự bốn bước sẽ liên tiếp sẽ làm động cơ quay được một vòng. Khi trình tự b ước được lặp lại, động cơ sẽ quay tiếp tục. Nếu trình tự bư ớc bị đảo ngư ợc, hướng động cơ cũng bị đảo theo. Số lượng các bước trình tự và m ẫu chuyển mạch sẽ thay đổi theo cấu tạo và nhà sản xuất động cơ. Các kiểu bước Dưới đây là các kiểu lái động cơ bước phổ biến nhất: - Lái gợn sóng (cấp điện 1 pha) - Lái đủ bước (cấp điện 2 pha) - Lái nửa bước (cấp điện 1 pha và 2 pha) - Lái vi bước (liên tục biến đổi dòng điện động cơ)
  15. Bảng: Trình tự kích thích cho các kiểu lái khác nhau. Trong kiểu lái gợn sóng, mỗi lần chỉ một cuộn dây đ ược cấp năng lượng. Stator được cấp năng lượng theo trình tự A  B  A  B và rotor bước từ vị trí 8  2  4  6 . Đối với các động cơ qu ấn dây đơn cực và lưỡng cực với các tham số cuộn d ây như nhau thì kiểu kích thích này sẽ sinh ra một vị trí cơ khí như nhau. Nhược điểm của kiểu lái này là trong kiểu lái n ày động cơ quấn dây đơn cực chỉ sử dụng có 25% và động cơ lưỡng cực chỉ sử dụng 50% của to àn bộ cuộn dây động cơ ở thời điểm đã cho. Điều này có nghĩa là không sử dụng hết mô men xuất ra từ động cơ. Ở kiểu lái đủ bước, mỗi lần hai pha được cấp năng lượng cùng lúc. Stator được cấp năng lượng theo trình tự AB  AB  A B  A B và rotor bước từ các vị trí 1  3  5  7 . Mô m en tạo ra từ động cơ qu ấn dây đơn cực thấp hơn động cơ lưỡng cực (xét các động cơ có cùng tham số cuộn dây) vì các đ ộng cơ đơn cực chỉ sử dụng 50% cuộn dây trong khi động cơ lưỡng cực thì dùng hết. Lái n ữa bước kết hợp hai kiểu lái gợn sóng và đủ b ước (cấp điện cho 1 và 2 cuộn). Trình tự cấp năng lượng AB  B  AB  A  A B  B  A B  A và rotor bước từ vị trí 1  2  3  4  5  6  7  8 . Điều này tạo ra sự di chuyển góc bằng một nửa so với các kiểu lái 1 pha hoặc 2 pha. Kiểu nửa bước có thể làm giảm được hiện tượng cộng hưởng có thể gặp phải ở các kiểu lái 1 hoặc 2 pha. Ở kiểu lái vi bước, các dòng điện trong các cuộn dây b iến thiên liên tục để có thể ngắt một bước đủ ra th ành nhiều bư ớc rời rạc nhỏ hơn. 10.2 Mạ ch điện điều khiển Mạch điện ở đây được tập trung vào một vấn đề duy nhất, đó là chuyển mạch đóng và ngắt dòng điện trong mỗi cuộn dây động cơ. Mạch điện đ ược thảo luận trong phần này được kết nối trực tiếp đến các cuộn dây động cơ và nguồn cung cấp, và m ạch điện được điều khiển bởi một hệ thống số (mạch số, mạch vi xử lí, mạch vi điều khiển, máy tính, hay PLC) xác đ ịnh khi nào các chuyển mạch được đóng hay mở. Phần này đ ề cập đến tất cả các dạng động cơ, từ mạch cơ bản được cần đến để điều khiển động cơ từ trở biến thiên, đến mạch cầu H đ ược cần đến để điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu lưỡng cực. Mỗi loại mạch lái được minh họa bằng các ví dụ thực tiễn, nh ưng các ví dụ này không được xem như một catalog thấu đáo của các mạch điều khiển có sẵn trên thị trường, hoặc thông tin được cho ở đây không được dùng đ ể thay thế cho thông tin được tìm thấy trong các phiếu dữ liệu linh kiện của các hãng ch ế tạo.
  16. Phần n ày ch ỉ bao quát m ạch điều khiển cơ b ản nhất cho mỗi loại động cơ. Tất cả các mạch này giả sử rằng nguồn cung cấp động cơ cung cấp một điện áp lái không lớn hơn điện áp định mức của động cơ, và điều này làm giới hạn hiệu suất động cơ một cách đáng kể. 7.2.1 Mạch điện điều khiển động cơ bước từ trở biến thiên Các bộ điều khiển động cơ bước từ trở biến thiên thay đ ổi dựa trên mạch nguyên lý trên Hình ? Hình ?: Mạch nguyên lý đ iều khiển động cơ bước từ trở biến thiên. Trên Hình ?, các hộp vuông được sử dụng để đại diện cho các chuyển mạch, một đ ơn vị điều khiển, không đư ợc vẽ ở đây, chịu trách nhiệm cung cấp các tín hiệu điều khiển để mở hoặc đóng các chuyển mạch ở những thời điểm t ương ứng để quay trục động cơ. Triệt EMF ngược Các cu ộn dây động cơ, các rơ le, solenoid và các thiết bị tương tự đều là các tải cảm. Như th ế, dòng điện qua cuộn dây động cơ không thể được đóng hoặc ngắt tức thời m à không liên quan đến điện áp vô cùng! Khi chuyển mạch điều khiển cuộn dây động cơ được đóng, cho phép dòng điện chạy qua, điều này dẫn đến một sự tăng chậm trong dòng đ iện. Khi chuyển mạch điều khiển cuộn dây động cơ m ở, điều này dẫn đến một gai điện áp có thể phá hủy nghiêm trọng chuyển mạch trừ khi nó được quan tâm một cách hợp lí. Vấn đề n ày được giải quyết tương tự như trong mục ? Điều khiển rơ le và solenoid. Hình: Các m ạch nguyên lý triệt EMF ngược.  Sử dụng Diode
  17. Nếu các diode dẫn tương đối chậm như họ 1N400X phổ biến được sử dụng chung với một chuyển mạch nhanh, n ên thêm một tụ điện nhỏ song song với diode.  Sử dụng Tụ điện Tụ điện trên Hình ? đ ưa ra các vấn đề thiết kế phức tạp h ơn! Khi chuyển mạch được đóng, tụ điện sẽ xả điện qua chuyển mạch xuống đất, và chuyển mạch phải có khả năng điều khiển gai dòng đ iện xả này. Một điện trở mắc nối tiếp với tụ điện hoặc nối tiếp với nguồn cung cấp sẽ giới hạn d òng điện n ày. Khi chuyển mạch hở, năng lượng tích trữ trong cuộn dây động cơ sẽ nạp vào tụ điện lên đến một điện áp trên điện áp cung cấp một mức đáng kể, và chuyển mạch phải có khả năng chịu đựng điện áp này. Để giải quyết kích cỡ của tụ điện, chúng ta xét hai công thức tính năng lượng được lưu trữ trong mạch cộng hưởng: P = C V2 / 2 P = L I2 / 2 Trong đó: năng lượng được lưu trữ [W.s] hoặc [C.V] P điện dung C [F] điện áp ngang qua tụ V [V] điện cảm của cuộn dây động cơ L [H] cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây động cơ I [A] Kích cỡ tối thiểu của tụ điện được đòi hỏi để ngăn chặn quá áp trên chuyển mạch dễ dàng được tìm bởi: C > L I2 / (Vb - Vs)2 Trong đó: điện áp đánh thủng chuyển mạch Vb điện áp cung cấp Vs Các động cơ từ trở biến thiên có điện cảm biến đổi tùy thuộc góc quay của trục động cơ. Do đó, việc thiết kế trong trư ờng hợp xấu nhất phải được sử dụng để lựa chọn tụ điện. Hơn thế nữa, điện cảm động cơ thư ờng ít được nêu ra trong các tài liệu. Tụ điện và cuộn dây động cơ, kết hợp lại, tạo thành một mạch cộng h ưởng. Nếu hệ thống điều khiển lái động cơ ở các tần số cao gần tần số cộng hưởng của mạch điện này, dòng điện thông qua các cuộn dây động cơ, và do đó, mô men bị ép sử dụng bởi động cơ, sẽ khá khác biệt so với mô men ở trạng thái ổn định ở điện áp hoạt động bình thường. Tần số cộng hưởng được xác định: f = 1 / ( 2 (L C)0.5 ) Nh ắc lại, tần số cộng h ưởng điện đối với một động cơ từ trở biến thiên sẽ phụ thuộc vào góc quay của trục động cơ. Khi các động cơ từ trở biến thiên được hoạt động với các xung kích thích gần cộng hưởng, dòng điện dao động trong cuộn dây động cơ sẽ dẫn đến một từ trường hướng đến bằng không ở tần số bằng hai tần số cộng hưởng, và điều n ày có thể làm giảm mạnh mô men vốn có. 7.2.2 Mạch điện điều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu và lai đơn cực
  18. Các bộ điều khiển cho các động cơ bước đơn cực thay đổi dựa trên m ạch nguyên lí trên Hình ? Hình: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu và lai đơn cực. Cững như đối với mạch lái các động cơ từ trở biến thiên, chúng ta phải quan tâm đến sự phản kháng điện cảm được tạo ra khi mỗi trong các chuyển mạch được bật tắt. Tương tự, chúng ta có thể chuyển sự phản kháng điện cảm n ày sang nơi khác nhờ sử dụng các diode, nhưng bây giờ, 4 diode được đòi hỏi. Hình: Mạch nguyên lý đ iều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu và lai đơn cực có triệt EMF ngược b ằng các diode. Các diode bổ sung được đòi hỏi bởi vì cuộn dây động cơ không ph ải là hai cuộn cảm độc lập, nó là một cuộn cảm duy nhất có đầu ra ở giữa với đầu ra có điện áp cố định. Nó hoạt động như một biến áp tự động. Khi một đầu ra của cuộn dây động cơ được kéo xuống, đầu còn lại sẽ bỏ không (fly up), và ngược lại. Khi chuyển mạch mở, điện cảm phản kháng ngược sẽ lái đầu dây n ày của cuộn dây động cơ đến điện áp cung cấp dương, đã được xén bởi diode. Đầu đối diện sẽ thả xuống, và khi đó nó đang không thả nổi ở điện áp cung cấp tại thời điểm n ày, nó sẽ rớt xuống d ưới đất (dưới không), đảo ngược điện áp ngang qua chuyển mạch ở đầu dây này. Một tụ điện cũng có thể đ ược sử dụng để hạn chế điện áp ph ản kháng, nh ư được trình bày trên Hình ?.
  19. Hình: Mạch nguyên lý đ iều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu và lai đơn cực có triệt EMF ngư ợc bằng tụ điện. Các qui tắc để định kích cỡ tụ điện trên Hình ? cũng tương tự như các qui tắc để định kích cỡ tụ điện trên Hình ?, nhưng ảnh hưởng của sự cộng h ưởng thì khá khác biệt. Với động cơ nam châm vĩnh cửu, nếu tụ điện được lái ở tại hoặc gần tần số cộng hưởng, mô men sẽ tăng đến mức bằng hai lần mô men tốc độ thấp. Mô men kết quả so với đường cong tốc độ có thể khá phức tạp, như được trình bày trên Hình ? Hình: Đường cong mô tả quan hệ giữa mô men và tốc độ cộng hưởng. Trên Hình ? trình bày một đỉnh trên mô men có sẵn tại tần số cộng hưởng điện, và một lõm tại tần số cộng hưởng cơ. Nếu tần số cộng hưởng điện đư ợc đặt tương ứng trên nơi xảy ra tốc độ cắt (cutoff speed) đối với động cơ nhờ sử dụng bộ lái dựa trên diode, kết quả có thể là một sự tăng đáng kể trong tốc độ cắt hiệu quả. Tần số cộng hưởng cơ phụ thuộc vào mô men, vì vậy nếu tần số cộng hưởng cơ ở b ất cứ nơi nào gần cộng hưởng điện, nó sẽ bị dịch bởi cộng h ưởng điện. Hơn thế nữa, bề rộng của cộng hưởng cơ trên độ dốc lân cận của đường cong mô men so với tốc độ; nếu mô men rớt theo tốc độ, cộng hưởng cơ sẽ nhọn hơn, trong khi nếu mô men leo lên theo tốc độ, nó sẽ b ành ra hơn ho ặc th ậm chí chặt thành nhiều tần số cộng h ưởng. Các bộ lái động cơ bước từ trở biến thiên và đơn cực thực tế Trong các m ạch trên, chi tiết về các chuyển mạch cần thiết đã cố ý bị bỏ qua. Mỗi trong các chuyển mạch trên Hình ? tương thích với ngõ vào TTL. Điện áp cung cấp +5V để tạo logic cần được ổn áp, điện áp cho động cơ từ +5V đến +24V chỉ cần được ổn áp bình th ường. Transistor SK3180 trong Hình là loại Darlington công suất với độ lợi dòng trên 1000, thế thì, dòng đ iện 10 mA chạy qua điện trở phân cực 470 hoặc lớn hơn cho phép transistor chuyển mạch dẫn dòng vài amp chạy qua cuộn dây động cơ. Bộ đệm 7407
  20. được dùng để lái Darlington có thể được thay thế bằng bất kỳ chíp cực thu để hở điện áp cao nào mà có thể rút ít nhất 10 mA. Ngay cả khi transistor bị hư, bộ lái cực thu để hở điện áp cao giữ vai trò bảo vệ phần còn lại của mạch công suất tránh khỏi nguồn cung cấp động cơ. Hình: Mạch lái động cơ bước từ trở biến thiên và đơn cực thực tế (minh họa 1 pha). IRC IRL540 trên Hình là một transistor hiệu ứng trư ờng công suất. Nó có thể điều khiển dòng đ iện lên đến 20A, và chịu điện áp đánh thủng lên đến 100V. Nó có thể hấp thu các gai điện áp cảm kháng mà không cần các diode bảo vệ nếu nó được ghép đến một tấm giải nhiệt đủ lớn. Transistor này có th ời gian chuyển mạch rất nhanh, vì vậy các diode bảo vệ phải đủ nhanh hoặc được bypass bởi các tụ điện nhỏ. Điều này đặc biệt quan trong với các diode được sử dụng để bảo vệ transistor chống lại sự phân cực ngược. Trong tình huống đó, transistor bị h ư, diode zener và điện trở 100 b ảo vệ mạch TTL. Đối với các ứng dụng mà trong đó mỗi cuộn dây động cơ d ẫn dòn g d ưới 500 m A, họ mạch tích hợp ULN200X hoặc ULN2803 của Allegro Microsystems hoặc DS200X của National Semiconductor hay Motorola MC1413 có th ể được dùng. Hình: Đối với các động cơ d ẫn dòng dưới 600 mA trên cuộn, bộ lái công suất tứ UDN2547D được chế tạo bởi Allegro Microsystems sẽ điều khiển cả 4 cuộn của các động cơ bước đơn cực có đầu chung. Đối với các động cơ dẫn dòng dưới 300 mA trên cuộn, các bộ lái công suất kép SN7541, 7542, và 7543 của Texas Instruments là một sự chọn lựa tốt;

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản