CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC 1. Khái quát về động cơ bước 1. Khái niệm chung Các hệ truyền động rời rạc thường được thực hiện nhờ động cơ chấp hành đặc biệt gọi là động cơ bước. Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần thiết.
Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục.
Về cấu tạo , động cơ bước có thể coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ. Trong khi động cơ một chiều không tiếp xúc có roto thường là một nam châm vĩnh cửu (số đôi cực 2p = 2) và cần có một cảm biến vị trí roto (để thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều) thì động cơ bước có roto dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều cấu thành các cặp nam châm N-S xen kẽ nhau để tạo ra số cặo cực 2p lớn hơn và không cần phải có bộ cảm biến vị trí roto. Nhờ cảm biến vị trí roto, có thể điều khiển dòng một chiều vào các cuộn dây stato để có từ trường quay liên tục nên động cơ một chiều không tiếp xúc quay liên tục. Đối với động cơ bước, vì từ ３ trường quay không liên tục do các xung điện cấp vào rời rạc nên roto quay theo các bước.
Cũng giống như động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ, động cơ bước có các bối dây tạo thành các pha trên stato, đồng thời trên cả roto và stato đều có các răng để tạp các cặp cực và các nam châm điện. Nhưng động cơ đồng bộ giảm tốc có các cuộn kích thích và cần phải có dòng điện kích thích để khởi động, còn động cơ bước không cần yếu tố này. Mặt khác, trên stato của động cơ đồng bộ giảm tốc, ngoài cuộn dây phụ (để kích thích) thì cuộn dây chính thường là ba pha hoặc là hai pha được nuôi bằng nguồn xoay chiều tạo ra từ trường quay liên tục với vận tốc góc . Vì vậy sau khi hoàn thành việc khời động, roto quay với vận tốc đồng bộ (nhỏ hơn vận tốc của từ trường quay).
Trong khi đó, stato của động cơ bước chỉ có một loại cuộn dây pha và chúng có vai trò như nhau. Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện (hay dụng cụ) số (Digiltal Device) mà ở đó các thông tin số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theo từng bước. Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá mà máy tính yêu cầu (xem hình 1). Hình 1: Mô hình số hoá động cơ bước 1.
Nguyên lý hoạt động Khác với động cơ đồng bộ thông thường, roto của động cơ bước không có cuộn dây khởi động (lồng sóc mở máy) mà nó được khởi động bằng phương ４ pháp tần số. Roto của động cơ bước có thể được kích thích (roto tích cực) hoặc không được kích thích (roto thụ động). Hình 2 vẽ sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với roto có 2 cực (2p = 2) và không được kích thích. Hình 2: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với roto 2 cực và các lực điện từ khi điều khiển bằng xung 1 cực Xung điện áp cấp cho m cuộn dây Stato có thể là xung một cực (hình 3a) hoặc xung 2 cực (hình 3b).
Hình 3: Xung điện áp cấp cho cuộn dây stato: a, xung một cực ; b, xung hai cực Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stato theo từng cuộn dây riêng lẻ hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số và chiều của lực điện từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của roto trong không gian hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây. ５ Ví dụ, nếu các cuộn dây của động cơ trên hình được cấp điện cho từng cuộn dây riêng lẻ theo thứ tự 1, 2, 3,…m, bởi xung 1 cực, thì roto của động cơ có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình 2a). Trong thực tế để tăng cường lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ thông và momen đồng bộ, người ta thường cấp điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây.
Lúc đó roto của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với vectơ lực điện từ tổng F. Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ thành phần của các cuộn dây stato (hình 2b và 2c). Trên hình 2b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số chẵn cuộn dây (2 cuộn dây). Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị trí chính giữa hai trục của hai cuộn dây.
Trên hình 2c vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số lẻ cuộn dây (3 cuộn dây). Lực điện từ tổng F nằm trùng với trục của một cuộn dây nhưng có trị số lớn hơn. Trong cả hai trường hợp (cấp điện cho một số chẵn cuộn dây và cho một số lẻ cuộn dây), roto của động cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch giữa hai vị trí liên tiếp của roto bằng 2/ m.
Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rổi một số lẻ cuộn dây (ví dụ, kết hợp giữa hình 2b và 2c), có nghĩa là số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn thay đổi từ chẵn sang lẻ và từ lẻ sang chẵn thì số vị trí cân bằng của roto sẽ tăng lên gấp đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi một nửa bằng 2/ 2m. Trường hợp này được gọi là điều khiển không đối xứng, hay điều khiển nửa bước (Half Step). Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn cuộn dây hoặc một số lẻ cuộn dây, ví dụ hình 2b hoặc hình 2c) thì roto có m vị trí cân bằng và được gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cả bước (Full Step). Một cách tổng quát, số bước quay của roto trong khoảng 0 3600 là: K = m.
p (1) Trong đó: p: số đôi cực của roto; m: số cuộn dây điều khiển trên stato (số pha); ６ n1: hệ số, n1 = 1 ứng với điều khiển đối xứng; n1 = 2 ứng với điều khiển không đối xứng; n2: hệ số, n2 = 1 điều khiển bằng xung 1 cực; n2 = 2 điều khiển bằng xung 2 cực. Bước quay của roto trong không gian là = 3600/K. Trường hợp riêng công thức (1) không đúng (sẽ đề cập sau). Mômen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bước Biểu thức mômen đồng bộ tĩnh của động cơ bước khác với biểu thức mômen đồng bộ của động cơ đồng bộ thường có cùng cấu trúc.
Sự khác nhau đó là do động cơ bước được cấp bởi dòng điện một chiều, chứ không phải dòng điện xoay chiều. Trong động cơ được cấp bởi nguồn một chiều, sau quá trình quá độ, dòng điện trong các cuộn stato là hằng số U I= − Const rs Từ thông do nó sinh ra tác động vào các cặp cực roto: = B. sin (2) Trong đó: B là cường độ từ trường do dòng điện I sinh ra trong cuộn dây có điện cảm L; S là tiết diện vuông góc của cặp cực; là góc giữa trục cặp cực với trục của cuộn dây pha; là góc giữa trục cặp cực với đường vuông góc với trục của cuộn dây pha: Do góc thay đổi nên từ dẫn dọc theo đường đi của từ thông thay đổi theo, làm cho từ thông thay đổi trong một giới hạn rộng. Nếu viết biểu thức dưới dạng: =l.I (L là điện cảm) thì sự thay đổi cửa góc cùng với sự thay đổi của khe hở không khí giữa các răng của stato và roto làm cho điện cảm L thay đổi theo dẫn đến từ thông và do đó mômen của động cơ thay đổi.
７ Mômen đồng bộ tĩnh của động cơ bước khi stato và roto có răng và được kích thích, có thể viết dưới dạng tổng của 3 momen quay dLS dLR dLSR M() = MS + MR + MSR = CM. d d d Trong đó IS , IR , LS() , LR() , LSR() là các trị số xác lập tương ứng của dòng điện, điện cảm và hỗ cảm của stato (S) và roto (R); CM là hằng số, phụ thuộc vào cấu tạo của từng loại động cơ. Mômen MS được hình thành do sự thay đổi từ dẫn của khe hở không khí trên đường đi của từ thông stato được kích thích bởi dòng IS. MR được hình thành do sự thay đổi từ dẫn trên đường đi của từ thông roto được kích thích bởi dòng IR.
MSR được hình thành do sự thay đổi hỗ cảm giữa stato và roto được kích thích bởi dòng IS và IR. Hiện nay, phần lớn các động cơ bước đều có cấu tạo roto không có cuộn kích thích. Do đó biểu thức mômen có dạng đơn giản sau: dLS M() = CM. d Quan hệ giữa mômen với góc quay thường là không hình sin do ảnh hưởng của cấu trúc răng và cấu trúc cực lồi của stato và roto, cũng như do xung điện áp cấp vào có dạng xung vuông là tổng của các thành phần điều hoà.
Do đó quan hệ phức tạp này chỉ có thể biểu diễn được nhờ chuỗi số Fourier và nó có dạng tổng của các thành phần điều hoà, thậm chí với vận tốc góc thành phần không phải là bội số lần của vận tốc góc thành phần cơ bản.