CHƯƠNG III GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC Trong hệ thống tự động máy tính điện tử ngày sử dụng rộng rải hệ thống truyền động rời rạc Các hệ thống truyền động rời rạc thực nhờ loại động chấp hành đặc biệt gọi động bước Động bước thường động đồng dùng để phổ biến tín hiệu điều khiển dươí dạng xung điện áp thành chuyển động góc quay chuyển động rotor có khả cố đònh rotor vào vò trí cấn thiết Động bước làm việc nhờ có chuyển mạch điện tử , để đưa tín hiệu điều khiển vào cuộn dây stator, theo thứ tự tần số đònh Tổng số góc quay rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, chiều quay tốc độ quay rotor, phụ thuộc vào thứ tự chuyển tần số chuyển đổi Động bước chia thành hai loại, động bước nam châm vónh cửu động bước từ trở thay đổi( có loại động phối hợp hai loại ) cách chia phụ thuộc quan điểm người sử dụng Nếu đánh nhãn động ta tổng quát nêu lên hai khác biệt cảm nhận qua giác quan Động nam châm vónh cửu có xu hướng “khớp “ ta dùng tay xoay rotor động từ trở thay đổi quay tự nhiên, ta phân biệt khác dùng Ohm-Metter động từ trở thay đổi thường có ba hay bốn cuộn dây với đầu chung động nam châm vónh cửu có hai cuộn dây độc lập có hay đầu nối tâm (loại nam châm vónh cửu đơn cực thường dùng ) Động bước có tầm rộng độ phân giải góc, bước lớn khoảng 90 độ bước Đối với động nam châm vónh cửu có độ phân giải cao thường điều khiển 1.8 hay 0.72 độ cho bước Với điều khiển thích hợp, động nam châm vónh cửu hổn hợp hoạt động chế độ Hafl-Step, số điều khiển điều khiển bước nhỏ gọi micro-step Cho động nam châm vónh cửu lẫn từ trở thay đổi cấp điện cho cuộn dây rotor chuyển động nhanh tới góc cố đònh giữ góc đến moment quay vượt moment giữ động lúc rotor quay cố giữ điểm I ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI Hình 3.1 Nếu động có cuộn dây thường kết nối hình với đầu chung cho tất cuộn dây Khi sử dụng cuộn dây chung thường đưa vào nguồn dương cuộn dây độ nối mức thấp Theo hình động từ trở thay đổi có bước 30 độ rotor động có stator có cực với cuộn dây bao phủ cực đối diện Khi cuộn dây cấp lượng rotor đánh dấu X bò kéo cuộn dây Nếu dòng điện qua cuộn dây bò ngắt cuộn dây nạp rotor quay 30 độ theo chiều đồng hồ để cực đánh dấu Y thẳng hàng với cực đánh dấu Để quay động liên tục ta phải cấp nguồn cho ba cuộn dây cách Giả sử dùng mức logic tương ứng cấp điện cho cuộn dây Hình sau minh hoạ cách điều khiển: Winding 1001001001001001001001001 Winding 0100100100100100100100100 Winding 0010010010010010010010010 time > Cũng có loại động từ trở thay đổi có từ đến cuộn dây hoặ Cách điều khiển tương tự cho cuộn dây Nhưng điều quan trọng xác đònh xác thứ tự bước Dạng động có 30 độ cho bước dùng rotor dạng răng, stator có số cực Dùng rotor có nhiều động có góc bước nhỏ II ĐỘNG CƠ ĐƠN CỰC Hình 3.2 Động bước đơn cực nam châm vónh cửu lẫn động bước hỗn hợp có hay đầu dây thường dùng sơ đồ kết nối cho dây Khi sử dụng kết nối cuộn dây thường kết vào nguồn cung cấp dương hai đầu cuộn dây nối xuống đất, tuỳ thuộc đầu vào nối đất ta xác đònh chiều quay rotor Động mô tả loại động nam châm vónh cửu hay hỗn hợp bước tương ứng 30 độ Cuộn dây số động đònh cực cực stator cuộn dây thứ động đònh cực trái phải động Rotor động nam châm vónh cửu có cực nam bắc xêáp vòng tròn Cho độ phân giải cấp cao rotor động phải có nhiều cực loại động 30 độ cho bước thiết kế động điện phổ biến nhiên loại động 15 hay 7.5 độ cho bước cực có giá trò Như hình vẽ minh họa dòng điện chạy từ điểm cuộn dây tới điểm cuối nguyên nhân gây cho đỉnh cực stator bắc cực lại nam , hút rotor vò trí hình vẽ Nếu ta ngưng cấp điện cho cuộn thứ cấp điện cho cuộn thứ hai rotor quay 30 độ hay bước Để cho động quay liên tục ta cấp điện cho hai cuộn dây Hình sau minh hoạ cho động quay theo chiều thuận: Winding 1a 1000100010001000100010001 Winding 1b 0010001000100010001000100 Winding 2a 0100010001000100010001000 Winding 2b 0001000100010001000100010 time -> Winding 1a 1100110011001100110011001 Winding 1b 0011001100110011001100110 Winding 2a 0110011001100110011001100 Winding 2b 1001100110011001100110011 time -> Chú ý hai cuộn dây không mức lúc Cả hai kiểu kích làm động quay thời điểm Cách trứơc có cuộn dây kích thời điểm dẫn tốn lïng Đối với cách hai thời điểm có hai cuộn dây kích đồng thời tốn nhiều lượng Tuy nhiên lại cung cấp moment gấp 1.4 lần so với cách kích trước (chú ý hai nửa cuộn dây không kích đồng thời) Nếu sử dụng phối hợp hai cách lại với ta cách điều khiển theo kiểu hafl-step: Winding 1001001001001001001001001 Winding 0100100100100100100100100 Winding 0010010010010010010010010 time -> III ĐỘNG CƠ LƯỢNG CỰC Hình 3.3 Động nam châm vónh cửu cấu tạo với phần giống hệt loại đơn cực hai cuộn dây kết nối đơn giản hơn, mối nối Như động có cấu tạo đơn giản nhiên mạch điều khiển để đổi chiều quay phức tạp nhiều Mạch điều khiển động yêu cầu mạch điều khiển cầu H (H-bridge) cho cuộn dây Mạch cầu H cung cấp lượng cách độc lập đầu cuộn dây Tín hiệu điều khiển cho bước động sau: Terminal 1a + -+ -+ -+ - ++ ++ ++ ++-Terminal 1b + -+ -+ -+- ++ ++ ++ ++ Terminal 2a -+ -+ -+ -+ -++ ++ ++ ++Terminal 2b -+ -+ -+ -+ + ++ ++ ++ + time -> Thông thường H-bridge có tín hiệu cho phép xuất tín hiệu điều khiển khác dùng để điều khiển chiều quay cho cực: Enable 1010101010101010 1111111111111111 Direction 1x0x1x0x1x0x1x0x 1100110011001100 Enable 0101010101010101 1111111111111111 Direction x1x0x1x0x1x0x1x0 0110011001100110 time -> Ta nhận động bước lưỡng cực nam châm vónh cửu đầu dây động cách đo điện trở đầu dây ta xác đònh hai cuộn dây Trong dây hai đầu mắc nối tiếp động sử dụng mức điện áp cao Nếu chúng mắc song song chúng sử dụng mức điện áp thấp Nếu chúng mắc với điểm chúng chế độ động đơn cực IV ĐỘNG CƠ NHIỀU PHA Hình 3.4 Loại động thấy loại động bước nam châm vónh cửu, đầu cuộn dây nối tuần hoàn với nút hai cặp cuộn dây hình tròn Phổ biến loại phase phase Điều khiển động yêu cầu 1/2 cầu H cho cực động cơ, loại động cung cấp moment lớn so với động khác có kích thước Động có phase đạt tới 0.72 độ /step hay 500 vòng Với loại phase động có 10 bước cho chu kỳ lặp lại: Terminal +++ -+++++ -++ Terminal +++++ -+++++ Terminal + -+++++ -++++ Terminal +++++ -+++++ Terminal +++++ -+++++time -> Ở trường hợp động bước nam châm vónh cửu lõng cực, đầu dây nối với nguồn cung cấp nối xuống đất, ý bước có đầu dây đảo chiều Để nhân động với dây ta thấy từ trở hai đầu liên tiếp động R điện trở hai cuộn dây liên tiếp 1.5 R Chú ý loại động phase loại mắc song song với 10 dây Những loại dây nối hình hình vẽ dùng cầu H để điều khiển cuộn dây điều khiển mạch cầu H đầy đủ I CÁC MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC CƠ BẢN Ở phần em xin giới thiệu số mạch điều khiển động bước, mạch tồn dạng khác tuỳ thuộc vào cấu trúc động khác Mạch điều khiển động bước từ trở thay đổi Hình 3.5 Các tín hiệu dùng để đóng mở khoá cho phép cung cấp điện động làm motor quay Trong nhiều trường hợp điều khiển PC hay PLC với phần mềm thích hợp để điều khiển đóng ngắt cách cho phép động quay theo ý muốn Cuộn dây động cơ, cuộn dây soilenoide thiết bò tương tự điều gây tượng cảm ứng dòng điện cuộn dây tăng giảm cách đột ngột ta ngắt khoá analog dòng điện tức mà phải thời gian đònh Kết gai điện áp xuất làm hỏng khoá không dùng thiết bò phù hợp Có hai cách để khác để khắc phục tình trạng mắc đối song cực cuộn dây động với diode cách khác dùng tụ Diode cho phép dẫn toàn dòng cuộn dây, dẫn thời gian ngắn khoá bò ngắt, dòng điện giảm Nếu ta dùng họ diode phổ biến 1N400X dùng với khoá đóng ngắt nhanh ta nên dùng tụ mắc song với diode Tụ sơ đồ đưa số vấn đề thiết kế Khi kích đóng tụ xả lượng qua khoá xuống đất khoá phải chòu xung áp tụ xả thời gian ngắn Điện trở mạch nguồn cung cấp giới hạn dòng Khi khóa mở lượng tích trữ cuộn dây motor nạp lượng cho tụ có đặc tính áp cao nguồn khoá phải chòu áp Ta tính toán tụ theo phương trình lượng: CV P= P= LI 2 P: lượng tồn trữ (W.s hay Cu.v) C: giá trò tụ điện (F) V: điện áp đặc lên tụ (V) L: Trở kháng cuộn dây (H) I: dòng qua cuộn dây(A) Vb: điện áp đánh thủng khóa Vs :áp nguồn cung cấp Động bước từ trở thay đổi tuỳ thuộc vào góc cắt thiết kế ta chọn giá trò tụ không tính toán xác Thêm vàó ta lúc xác đònh độ tự cảm cuộn dây Nếu tụ điện cuộn dây động nối mạch cộng hưởng dòng điện chạy qua cuộn dây động moment động khác trạng thái tónh moment Tần số cộng hưởng là: F= LC Hình 3.6 Khi hai tượng xảy gần làm giảm moment động cách chanh chóng Mạch điều khiển động bước nam châm vónh cửu động hỗn hợp Hình 3.7 Cũng tương tự điều khiển gửi tín hiệu điều khiển tương ứng để đóng hay mở khoá cho phép lượng cung cấp cho cuộn dây cách Với mạch điều khiển động bước từ trở thay đổi chúng sinh dòng điện cảm ứng làm hỏng khoá khoá bò khích ngắt ta phải mắt thêm diode sau: Hình 3.8 Các diode thêm vào bắt buộc cuộn dây động không hai phần điện cảm riêng biệt, chúng nối chung với hình vẽ nối với điện áp cố đònh Trong hai đầu dây lại đầu đưa xuống mức thấp đầu lại phải đưa lên mức cao ngược lại Khi khoá chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái ngắt dòng điện cảm ứng sinh làm hư mạch, điều hạn chế diode Một tụ điện sử dụng để hạn chế điều trên: Hình 3.9 Cách tính giá trò tụ tương tự hình thông số cộng hưỡng khác Với động bước nam châm vónh cửu tụ hoạt động gần tần số cộng hưởng moment tăng gấp đôi kết đồ thò moment tốc độ phức tạp: Hình 3.10 Mạch cầu điều khiển động bước lưỡng cực cầu H Điều khiển động bước nam châm vónh cửu lưỡng cực phức tạp nhiều cuộn dây cuộn dây động để đảo chiều động cách trực tiếp phải đảo chiều dòng điện cuộn dây Ta phải dùng hai cặp cực ghép với khoá để tạo điện trường mong muốn, mạch thường gọi mạch cầu H: Hình 3.11 Như đề cập, mạch cầu H phải bảo vệ xung áp đóng khoá, ta phải dùng diode hình Cầu H giá trò điều khiển động bước lưỡng cực mà để điều khiển động DC servo nhiều thiết bò khác Với khoá cầu H tạo 16 trạng thái, có trạng thái làm ngắn mạch nguồn Những trạng thái sau dùng: Mode chạy tới, khoá A D đóng, B C ngắt Mode chạy lui, khoá B C đóng, A D ngắt Hình minh họa mode chạy tới: Hình 3.12 Mode khoá khoá, dòng điện cảm ứng nhanh chóng bò triệt tiêu Mode dòng điện cảm ứng bò triệt tiêu với thời gian chậm Trong trường hơp dòng điện chạy vòng qua cuộn dây động rotor có dòch chuyển sinh dòng điện cảm ứng làm rotor dừng lại: Hình 3.13 [...]... hưỡng thì khác Với một động cơ bước nam châm vónh cửu nếu tụ hoạt động gần tần số cộng hưởng thì moment sẽ tăng gấp đôi kết quả là đồ thò moment và tốc độ sẽ phức tạp: Hình 3. 10 3 Mạch cầu điều khiển động cơ bước lưỡng cực và cầu H Điều khiển động cơ bước nam châm vónh cửu lưỡng cực thì phức tạp hơn nhiều vì không có cuộn dây ở giữa mỗi cuộn dây động cơ vậy để đảo chiều động cơ một cách trực tiếp chúng...Hình 3. 7 Cũng tương tự như trên bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu điều khiển tương ứng để đóng hay mở các khoá cho phép năng lượng cung cấp cho các cuộn dây một cách tuần tự Với mạch điều khiển động cơ bước từ trở thay đổi chúng sinh dòng điện cảm ứng làm hỏng khoá khi khoá bò khích ngắt ta phải mắt thêm 4 diode như sau: Hình 3. 8 Các diode thêm vào là bắt buộc bởi vì cuộn dây của động cơ không là... Hình 3. 11 Như đã đề cập, mạch cầu H phải được bảo vệ xung áp khi đóng khoá, do đó ta phải dùng diode như hình Cầu H không chỉ có giá trò điều khiển động cơ bước lưỡng cực mà còn để điều khiển động cơ DC servo và nhiều thiết bò khác nữa Với 4 khoá cầu H có thể tạo ra được 16 trạng thái, trong đó có 7 trạng thái làm ngắn mạch nguồn Những trạng thái sau được dùng: Mode chạy tới, khoá A và D đóng, B và C... C ngắt Mode chạy lui, khoá B và C đóng, A và D ngắt Hình minh họa mode chạy tới: Hình 3. 12 Mode các khoá đều khoá, dòng điện cảm ứng nhanh chóng bò triệt tiêu Mode dòng điện cảm ứng bò triệt tiêu với thời gian chậm hơn Trong trường hơp này dòng điện chạy vòng qua cuộn dây của động cơ nếu rotor có dòch chuyển thì sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng làm rotor dừng lại: Hình 3. 13 ... với nhau như hình vẽ và được nối với một điện áp cố đònh Trong hai đầu dây còn lại nếu một đầu được đưa xuống mức thấp thì đầu còn lại phải đưa lên mức cao và ngược lại Khi một khoá đang chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái ngắt thì dòng điện cảm ứng sinh ra có thể làm hư mạch, điều này được hạn chế bằng diode Một tụ điện cũng có thể được sử dụng để hạn chế điều trên: Hình 3. 9 Cách tính giá trò ... BƯỚC CƠ BẢN Ở phần em xin giới thiệu số mạch điều khiển động bước, mạch tồn dạng khác tuỳ thuộc vào cấu trúc động khác Mạch điều khiển động bước từ trở thay đổi Hình 3. 5 Các tín hiệu dùng để đóng... Nhưng điều quan trọng xác đònh xác thứ tự bước Dạng động có 30 độ cho bước dùng rotor dạng răng, stator có số cực Dùng rotor có nhiều động có góc bước nhỏ II ĐỘNG CƠ ĐƠN CỰC Hình 3. 2 Động bước. .. Chú ý loại động phase loại mắc song song với 10 dây Những loại dây nối hình hình vẽ dùng cầu H để điều khiển cuộn dây điều khiển mạch cầu H đầy đủ I CÁC MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC CƠ BẢN Ở phần