CHƯƠNG I: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC 1. Các loại động cơ bước và nguyên lý cấu tạo 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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. 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. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. 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. 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, LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. 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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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. 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. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. 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. Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước 1. Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước lưỡng cực Hình 1. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Sơ đồ mạnh động lực động cơ bước lưỡng cực (Bipola). a) Sơ đồ sử dụng 2 mạch cầu. 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.