Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:101

Thêm vào BST

Báo xấu

60
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc, các phương pháp điều khiển và ứng dụng của động cơ bước; thiết kế bộ điều khiển vị trí động cơ bước, mô phỏng, thí nghiệm và kết luận. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP HOÀNG TRỌNG DIỄN NGHIÊN CỨU VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ BƯỚC SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA TS. CAO XUÂN TUYỂN PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN 2018
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi là Hoàng Trọng Diễn học viên lớp cao học khóa 18 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện nay tôi đang công tác tại khoa Điện - Trường Cao đẳng nghề số 1 - BQP. Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi” dưới sự hướng dẫn của TS. Cao Xuân Tuyển là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều được ghi trong danh mục tham khảo, không sử dụng tài lệu nào khác mà không được ghi trong danh mục. Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luân văn đúng như trong đề cương và yêu cầu của giáo viên hướng dẫn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
iii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương được sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy TS. Cao Xuân Tuyển, luận văn với đề tài “Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi” đã được hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS. Cao Xuân Tuyển đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập. Tác giả Hoàng Trọng Diễn
iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ ii LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. iii MỤC LỤC .......................................................................................................... i DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI ............................. x MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC .............. 2 1.1. Các loại động cơ bước và nguyên lý cấu tạo ............................................. 2 1.1.1. Giới thiệu................................................................................................. 2 1.1.2. Các loại đông cơ bước............................................................................. 3 1.1.3. Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu ................................................ 4 1.1.4. Động cơ bước từ kháng (Variable Reluctance) ...................................... 5 1.1.5. Động cơ bước lai (Hybrid) ...................................................................... 6 1.2. Ứng dụng của động cơ bước ...................................................................... 7 1.3. Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước ............................. 7 1.3.1. Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước lưỡng cực ......... 7 1.3.2. Sơ đồ nguyên lí mạch động lực và các nguyên lí điều khiển động cơ bước đơn cực. .................................................................................................. 15 1.3.3. Nguyên tắc điều chỉnh tốc độ vị trí và đảo chiều động cơ bước........... 24 1.3.4.Kết luận.......................................... .............................. ..........................28 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ BƯỚC30 2.1. Mô hình toán học động cơ bước .............................................................. 30 2.2. Bộ điều khiển vị trí hệ hở ......................................................................... 33 2.3.Tổng quan về phàn cứng của vi xử lý TMS 320 F2812 ........................... 34 2.3.1. Giới thiệu chung về vi xử lý TMS 320 F2812 ...................................... 34 2.3.2. Phần cứng của vi xử lý F2812............................................................... 37
v 2.3.3. Sơ đồ chức năng của vi xử lý TMS320F2812 ...................................... 38 2.4. Động cơ bước đơn cực (unipolar) ............................................................ 48 2.5. Mạch động lực điều khiển động cơ bước ................................................. 48 2.5.1. Động cơ bước đơn cực .......................................................................... 48 2.5.2. Sơ đồ kết nối TMS320 vào động cơ bước ............................................ 51 2.6. Thiết kế phần mềm cho động cơ bước dùng vi xử lý TMS320F2812 ..... 52 2.6.1. Mã ccs (ex 24 ) của chế độ bước đủ 2 pha on. ...................................... 52 2.6.2. Mã ccs của chết độ bước đủ 1 pha on ................................................... 54 2.6.3 Mã ccs của chét độ nửa bước ................................................................. 55 2.6.4 Chế độ vi bước. ...................................................................................... 56 2.7. Thao tác với chương trình dịch Ccstudio ................................................. 58 2.7.1. Màn hình khởi động chương trình. ....................................................... 58 2.7.2. Kết nối phần mềm điều khiển với DSP TMS320F2812 ....................... 58 2.7.3 Mở Project .............................................................................................. 59 2.7.4. Dịch chương trình. ................................................................................ 60 2.7.5. Nạp mã chương trình vào bộ nhớ.......................................................... 61 2.7.6. Ra lệnh chạy hệ thống điều khiển động cơ bước. ................................. 62 2.8. Bộ điều khiển vị trí hệ kín PID cho PMSM ............................................ 62 2.8.1. Sơ đồ mạch phần cứng .......................................................................... 62 2.8.2. Phần mềm điều khiển hệ thống ............................................................. 64 2.9. Thiết kế bộ điều khiển hệ kín gồm bộ điều khiển dòng điện phi tuyến Backstepping và bộ điều khiển vị trí PID mờ cho động cơ PMSM ............... 69 2.9.1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ kín, sơ đồ nguyên lý và sơ đồ khối mạch phần cứng cho hệ thống điều khiển PMSM ................................................... 69 2.9.2. Thiết kế bộ điều khiển Backstepping mạch vòng điều khiển vị trí động cơ PMSM ........................................................................................................ 71 2.9.3. Thiết kế bộ điều chỉnh thành phần Iq ................................................... 75 2.9.4. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi Backstepping mạch vòng điều khiển vị trí động cơ PMSM. ...................................................................................... 77
vi 2.9.5.Kết luận.......................................... ................................ ........................79 CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG, THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN............... 81 3.1. Kết quả mô phỏng trong MATLAB......................................................... 81 3.1.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống kín ............................................................... 81 3.2. Kết quả thí nghiệm ................................................................................... 85 3.2.1. Mô hình thí nghiệm ............................................................................... 85 3.2.2. Kết quả thí nghiệm ................................................................................ 86 3.3 Kết luận ..................................................................................................... 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................... ......................... ......87 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 90
vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình vẽ Tên hình vẽ Trang Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ bước 3 Hình 1.2 Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu 4 Hình 1.3 Mặt cắt ngang của động cơ bước từ kháng 6 Hình 1.4 Sơ đồ mặt cắt ngang của động cơ bước lai 6 Hình 1.5 Cấu tạo dây quấn động cơ bước bipola 7 Hình 1.6 Sơ đồ mạch cầu dùng transistor bipolar 8 Hình 1.7 Mạch động lực động cơ bước lưỡng cực với 3 nhánh nửa cầu 9 Hình 1.8 Sơ đồ mô tả chế độ bước đủ một pha được cấp xung 10 Hình 1.9 Dạng xung trong dây quấn 10 Hình 1.10 Chiều dòng điện chạy trong cuộn dây 11 Hình 1.11 Chế độ bước đủ khi cả 2 pha được cấp xung 11 Hình 1.12 Dạng xung của chế độ 2 pha on 12 Hình 1.13 chế độ hoạt động nửa bước 12 Hình 1.14 Giản đồ xung cấp cho các cuộn dây 14 Hình 1.15 Pha của dòng điện ở chế độ vi bước 14 Hình 1.16 Mạch động lực động cơ bước đơn cực 15 Hình 1.17 Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước unipolar 15 Hình 1.18 Sơ đồ nguyên lí nối dây 16 Hình 1.19 Giản đồ của động cơ bước đơn cực ở chế độ bước đủ 1 pha 17 Hình 1.20 Chế độ hoạt động bước đủ 1 pha ở động cơ bước đơn cực 18 Hình 1.21 Giản đồ xung cấp điện cho mỗi cuộn dây ở chế độ bước đủ 2 19 pha Hình 1.22 Chế độ bước đủ 2 pha cùng 1 lúc ở động cơ bước đơn cực 20 Hình 1.23 Giản đồ xung cấp điện cho mỗi cuộn dây ở chế độ nửa bước 21 Hình 1.24 Chế độ hoạt động nửa bước của động cơ bước đơn cực 22 Hình 1.25 Giản đồ dạng xung trong chế độ vi bước 23 Hình 1.26 Giản đồ tần số xung cấp cho cuộn dây 24
viii Hình 1.27 Động cơ bước lưỡng cực ở chế độ nửa bước quay thuận 26 Hình 1.28 Động cơ bước lưỡng cực ở chế độ nửa bước quay ngược 28 Hình 2.1 Cấu trúc động cơ PMSM 31 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí hệ hở động cơ bước 33 Hình 2.3 Sơ đồ 176 chân của vi xử lý TMS320F2812 37 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc của vi xử lý TMS320F2812 38 Hình 2.5 Mô tơ bước và các đi ốt bảo vệ 48 Hình 2.6 Mạch driver cung cấp dòng cho cuộn dây mô tơ bước 49 Hình 2.7 Sơ đồ mạch lực cho động cơ bước đơn cực 50 Hình 2.8 Sơ đồ kết nối TMS320 vào động cơ bước lưỡng cực 51 Hình 2.9 Sơ đồ kết nối động cơ bước đơn cực với TMS320 52 Hình 2.10 Màn hình khởi động chương trình 58 Hình 2.11 Kết nối phần mềm điều khiển với DSP TMS320F2812 58 Hình 2.12 Mở Project 59 Hình 2.13 Mở Project 59 Hình 2.14 Mở Project 60 Hình 2.15 Dịch chương trình 60 Hình 2.16 Dịch chương trình 61 Hình 2.17 Mã nạp chương trình vào bộ nhớ 61 Hình 2.18 Ra lệnh chạy hệ thống điều khiển động cơ bước 62 Hình 2.19 Sơ đồ khối cấu trúc phần cứng 62 Hình 2.20 Cấu trúc của Encoder và các xung đầu ra của nó 63 Hình 2.21 Thuật toán để điều khiển động cơ PMSM theo hệ kín PID 63 Hình 2.22 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển hệ kín cho PMSM 64 Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng 69 Hình 2.24 Sơ đồ khối mạch phần cứng hệ thống điều khiển vị trí PMSM 70 Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển vị trí phi tuyến Backstepping 71 Hình 2.26 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển thành phần dòng phi tuyến 75 Backstepping Id
ix Hình 2.27 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển vị trí thích nghi phi tuyến 76 Backstepping Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 80 Hình 3.2 Sơ đồ chi tiết mạch kín 81 Hình 3.3 Quỹ đạo đặt của vị trí góc rotor 81 Hình 3.4 Sự thay đổi hệ số ma sát của động cơ trong quá trình làm 82 việc Hình 3.5 Vị trí góc thực của động cơ 82 Hình 3.6 Sai lệch vị trí với bộ điều khiển thích nghi phi tuyến 82 Backstepping và bộ điều khiển phi tuyến Backstepping Hình 3.7 Tốc độ của động cơ với bộ điều khiển hệ kín thích nghi phi 83 tuyến Backstepping và phi tuyến backstepping Hình 3.8 Mô men của động cơ với nhiễu loạn ngẫu nhiên 83 Hình 3.9 Dòng điện pha của động cơ với bộ điều khiển hệ kín thích 84 nghi phi tuyến Backstepping Hình 3.10 Dòng điện pha của động cơ với bộ điều khiển hệ kín phi 84 tuyến Backstepping Hình 3.11 Kết nối máy tính, máy hiện sóng và TMS320 85 Hình 3.12 Đối tượng điều khiển 85 Hình 3.13 Adapter chuyển đổi giao tiếp USB – JTAG và Bo mạch 85 TOP2812 Hình 3.14 Vị trí thực của rotor với hệ điều khiển mạch kín PID và hệ 86 điều khiển mạch hở Hình 3.15 Các tín hiệu ra của Encoder và dòng điện pha của động cơ 87
x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI Controller : Bộ điều khiển VR : Động cơ bước từ kháng (Variable Reluctance) Hybrid : Động cơ bước lai Bipola : Động cơ bước lưỡng cực Uniporla : Động cơ bước đơn cực PMSM : Động cơ bước nam châm vĩnh cửu PID : Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, đạo hàm)
1 MỞ ĐẦU 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 nghành Tự động hóa, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác như điều khiển rô bốt, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển bắt... Do vậy động cơ bước phải được điều chỉnh tốc độ để phù hợp trong quá trình sản xuất. Với những điều kiện cụ thể của từng ứng dụng như vậy thì điều khiển tốc độ động cơ bước là một yêu cầu cần thiết của máy sản xuất. Từ những yêu cầu trên, đề tài luận văn của tôi sẽ nghiên cứu hệ điều khiển vị trí của động cơ bước, đồng thời nâng cao chất lượng của hệ điều khiển. Với cách đặt vấn đề như vậy nên đề tài luận văn được chọn là: ”Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi” Nội dung luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1: Cấu tạo, nguyên lý làm việc, các phương pháp điều khiển và ứng dụng của động cơ bước Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển vị trí động cơ bước Chương 3: Mô phỏng, thí nghiệm và kết luận Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận văn Hoàng Trọng Diễn
2 CHƯƠNG I: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC 1.1. Các loại động cơ bước và nguyên lý cấu tạo 1.1.1. Giới thiệu Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung rời rạc kế tiếp nhau thành chuyển động của roto và có khả năng định vị roto ở các vị trí cần thiết. Động cơ bước làm việc là nhờ các bộ chuyển mạch điện đưa các tín hiệu điều khiển vào stator theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung điện áp đặt vào stator của động cơ bước thì rotor động cơ sẽ quay một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào các cuận dây stator thay đổi liên tục thì rotor sẽ quay liên tục (nhưng chuyển động ấy vẫn là theo các bước rời rạc) Trong khi động cơ một chiều không chổi than có rotor thường là nam châm vĩnh cửu (số đối cực 2p=2) và cần có một cảm biến vị trí rotor (để thực hiện chức năng tạo ra các tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều) thì động cơ bước rotor dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều cấu thành các cặp năm châm N-S xen kẽ nhau để tạo thành các cặp cực lớn hơn và không cần có bộ cảm biến vị trí rotor. Có thể điều khiển dòng 1 chiều vào cuộn dây stator để có từ trường quay liên tục nên động cơ 1 chiều không chổi than quay liên tục. Đối với động cơ bước vì từ trường quay không liên tục do các xung điện cấp vào các cuộn dây stator rời rạc nên rotor quay theo các bước.
3 Giống như động cơ đồng bộ tốc độ thấp công suất nhỏ động cơ bước có các bối dây tạo thành các pha trên stator, đồng thời trên cả stator và rotor đều có các răng để tạo thành các cặp cực và các nam châm điện. Động cơ đồng bộ thì cần dòng diện kích thích để tạo từ trường kích thích, còn động cơ bước thì không cần yếu tố này. Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là thiết bị số mà ở đó các thông tin số hóa đã thiết lập sẽ được chuyển thành các bước quay của động cơ. Động cơ bước sẽ thực hiên các lệnh đã số hóa từ máy tính. Một hệ thống động cơ bước thường có sơ đồ khối như sau: Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ bước Bộ điều khiển (Controller) sẽ tạo ra xung, mạch điều khiển động cơ bước (Driver) nhận các xung tạo ra các xung với công xuất cần thiết cấp cho các cuộn dây của động cơ. Động cơ là khâu cuối cùng biến đổi các xung điện tạo ra mô men quay. Sau đây sẽ có cái nhìn tổng quan về động cơ bước. 1.1.2. Các loại đông cơ bước Động cơ bước là một loại động cơ có cấu tạo và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất 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 chuyển động quay với góc quay tỉ lệ với số xung đư vàu các cuộn dây stator. Về cấu tạo động cơ bước được coi là tổng hợp của 2 loại động cơ: Động cơ một chiều không chổi than và động cơ đồng bộ công suất nhỏ, tốc độ
4 quay của rotor động cơ bước phụ thuộc vào tần số của xung cấp cho các cuộn dây stator, chiều quay phụ thuộc vào thứ tự các cuộn dây được cấp xung. Động cơ bước gồm có ba loại chính: - Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu - Động cơ bước từ kháng - Động cơ bước lai 1.1.3. Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu Động cơ bước hoạt động trên cơ sở tương tác giữa các nam châm vĩnh cửu ở phía rotor và từ trường của các cuộn dây stator. Hình vẽ sau cho thấy một sơ đồ điển hình động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Rotor là các nam châm vĩnh cửu còn stato là các cuộn dây. Rotor sẽ chuyển động khi cuộn dây stator nhận được xung điện khi nó sinh ra từ trường để tương tác với từ trường của rotor làm rotor quay Hình 1.2. Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu *Stator Hai bộ phận chính của stator là lõi thép (mạch từ) và dây quấn. - Lõi thép làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dập theo khuôn rồi ghép lại với nhau thành hình trụ rỗng, mặt trong của lá thép có phay rãnh để đặt dây quấn. - Trong rãnh đặt dây quấn có thể là dây quấn 2 pha, ba pha, 4 pha hoặc 5 pha. Dây quấn của động cơ thường là dây đồng, có tiết diện hình tròn hoặc chữ nhật. Dây quấn được chia thành nhiều pha, mỗi pha có một tổ bối dây,
5 mỗi tổ bối dây có W số vòng dây và được lồng vào cực từ của stator. Phía ngoài stator có vỏ bằng nhôm hoặc hợp kim của nhôm, hai đầu stator có hai nắp làm bằng cùng vật liệu với vỏ và bắt chặt vào vỏ. Trên nắp máy có lắp ổ trục để đỡ trục quay của rotor. *Rotor Rotor của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có cấu tạo thường không có răng cực từ, được từ hoá vĩnh cửu vuông góc với trục (ngang trục) và được lồng vào phía trong của Stator. Rotor thường là 2 hoặc 6 cực từ có cực tính xen kẽ nhau xen kẽ nhau. o o o o o Các góc bước thường là 1,8 ; 7,5 ; 30 ; 45 ; và 90 . 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 tốt hơn. Hạn chế của loại động cơ này là có mô-men xoắn tương đối thấp được sử dụng khi yêu cầu tốc độ thấp. 1.1.4. Động cơ bước từ kháng (Variable Reluctance) Động cơ bước từ kháng (VR) về cơ bản khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu (PM) ở chỗ, rotor của nó không dùng nam châm vĩnh cửu, có cấu tạo như rotor động cơ đồng bộ, nhưng không có dây quấn kích thích và do đó không có mô-men để giữ rotor khi dừng. Startor có cấu tạo tương tự như động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Rotor được chế tạo từ các vật liệu sắt từ mềm có các răng và rãnh. Khi cuộn dây stator được cung cấp điện các răng của rotor xếp thẳng hàng với các cực của stator, khi stator không được cấp năng lượng không có từ trường trong khe hở không khí giữa stator và rotor vì vậy không có mô men tương tác giữa stator và rotor , mỗi khi stator được cấp năng lượng thì rotor sẽ chuyển đến vị trí mới.
6 Hình 1.3. Mặt cắt ngang của động cơ bước từ kháng Ở động cơ được thể hiện trong hình trên, rotor có bốn răng chúng cách nhau 90 độ và startor có 6 cực . Vì vậy, khi các cuộn dây được cung xung thì mỗi bước động cơ sẽ quay một góc 30 độ. 1.1.5. Động cơ bước lai (Hybrid) Động cơ bước lai được thực hiện bằng cách kết hợp giữa động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước từ kháng. Mô-men chủ yếu được tạo ra trong động cơ lai là do tương tác giữa từ trường của nam châm vĩnh cửu và từ trường sinh ra bởi các cuộn dây stator. Hình 1.4. Sơ đồ mặt cắt ngang của động cơ bước lai Cấu trúc stator tương tự như động cơ bước nam châm vĩnh cửu, và rotor là hình trụ và từ hóa như động cơ bước nam châm vĩnh cửu (PM) với
7 răng rãnh giống như một động cơ bước từ kháng(VR). Điều này dẫn đến mô men của động cơ bước lai lớn hơn mô men của hai loại động cơ trên. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước lai được dùng phổ biến hơn so với động cơ bước từ kháng. Trong phạm vi đồ án này chỉ tập chung vào nghiên cứu điều khiển động cơ bước Nam Châm Vĩnh Cửu bao gồm động cơ đơn cực và lưỡng cực. 1.2. Ứng dụng của động cơ bước Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa 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.. 1.3. Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước 1.3.1. Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước lưỡng cực Hình 1.5. Cấu tạo dây quấn động cơ bước bipolar Trong hình vẽ trên chúng thấy rằng các đầu 1-2, và 3-4 được nối vào hai cặp cầu khác nhau còn các đầu A nối với C, B nối với D được nối tại phía trong của động cơ
8 1.3.1.1. Sơ đồ mạnh động lực động cơ bước lưỡng cực (Bipola). a) Sơ đồ sử dụng 2 mạch cầu. Hình 1.6. Sơ đồ mạch cầu dùng transistor bipolar Các transistor từ Q1- Q4 tạo thành cặp cầu thứ nhất tạo dòng điện chạy qua cuộn dây 1. Khi có tín hiệu điều khiển từ A1 và C1, Q1và Q4 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q1 qua cuộn dây rồi qua Q4 về mát . Khi có tín hiệu điều khiển từ B1 và D1, Q2 và Q3 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q3 qua cuộn dây rồi qua Q2 về đất trong rường hợp này dòng chạy theo hướng ngược lại. Các transistor từ Q5- Q8 tạo thành cặp cầu thứ nhất tạo dòng điện chạy qua cuộn dây của động cơ. Khi có tín hiệu điều khiển từ A2 và C2 thì Q5 và Q8 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q5 qua cuộn dây rồi qua Q8 về đất. Khi có tín hiệu điều khiển từ B2 và D2, Q6 và Q7 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q7 qua cuộn dây rồi qua Q6 về đất trong rường hợp này dòng chạy theo hướng ngược lại. Như vậy căn cứ vào dạng xung từ mạch điều khiển đưa vào đầu vào của các mạch cầu dòng qua các cuộn dây sẽ thay đổi phù hợp với các chế độ cho động cơ bước
9 b) Mạch động lực động cơ bước lưỡng cực với 3 nhánh nửa cầu Hình 1.7. Mạch động lực động cơ bước lưỡng cực với 3 nhánh nửa cầu Khi T1 và T4 được cấp xung, cuộn dây pha 1 được cấp xung dương và có dòng chay qua theo chiều thuận, từ dương nguồn +V qua T1, qua cuộn dây pha 1qua T4 về mát. Ngược lại,khi T3 và T2 được cấp xung cuộn dây pha 1 được cấp xung âm và có dòng chay qua theo chiều ngược, từ dương nguồn +V qua T3, qua cuộn dây pha 1 qua T2 về mát. Khi T3 và T6 được cấp xung cuộn dây pha 1 được cấp xung âm và có dòng chay qua theo chiều ngược, từ dương nguồn +V qua T3, qua cuộn dây pha 2 qua T6 về mát. Ngược lại, khi T5 và T4 được cấp xung cuộn dây pha 2 được cấp xung dương và có dòng chay qua theo chiều ngược, từ dương nguồn +V qua T5, qua cuộn dây pha 2 qua T4 về mát.
10 1.3.1.2. Nguyên lý điều khiển động cơ bước lưỡng cực (bipola) a) Chế độ điều khiển bước đủ 1 pha được cấp xung Hình 1.8. Sơ đồ mô tả chế độ bước đủ một pha được cấp xung Nhìn trên hình vẽ chúng ta nhận thấy rằng khi pha A được cung cấp xung thì rotor quay một góc 900 cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn B. Tiếp theo khi pha C được cung cấp xung thì rotor quay một góc 900 cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn D. Tiếp theo khi pha B được cung cấp xung thì rotor quay một góc 900 cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn A. Tiếp theo khi pha D được cung cấp xung thì rotor quay một góc 900 cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn dây C . Như vậy qua một vòng bốn bước vị trí của rotor quay lại vị trí ban đầu. ( cách dịch chuyển như vậy người ta gọi là một pha ON) Giản đồ xung để điều khiển các cuộn dây như sau: Hình 1.9. Dạng xung trong dây quấn