Động Cơ Bước

Động cơ bước - Stepping motor
1. Mở đầu
2. Phân loại và cấu tạo động cơ bước
3. Nguyên lý họat động và cách điều khiển
4. Phương pháp điều khiển và mạch điều khiển
5. Cách lựa, chọn thông số và ứng dụng
LỢI ÍCH CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC
Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò...) có thể gây nguy hiểm.
Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn. Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ. Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí nhờ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor.
Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo).
Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển. Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được). Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay.

PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC
Động cơ bước cơ bản được chia làm 3 loạI:

Động cơ bước nam châm vĩnh cữu

Động cơ bước biến trở từ

Động cơ bước lai
Động cơ bước nam châm vĩnh cữu cơ bản gồm 3 lọai:

Động cơ bước đơn cực

Động cơ bước lưỡng cực

Động cơ bước nhiều pha
ĐỘNG CƠ BƯỚC NAM CHÂM VĨNH CỮU
STEP loại đơn cực bao gồm 2 cuộn dây, mỗi cuộn được nối ra ngoài ở giữa cuộn, vì vậy thông thường trên thực tế đây là loại động cơ 5 hoặc 6 dây ra, STEP loại này được điều khiển bẳng cách cho đầu dây chung nối lên nguồn và từng đầu dây còn lại lần lượt được nối mass
ĐỘNG CƠ BƯỚC ĐƠN CỰC
ĐỘNG CƠ BƯỚC LƯỠNG CỰC
Động cơ loại lưỡng cực (Bipolar), thường có 4 đầu ra. Về cấu tạo đơn giản hơn nhưng khó cho điều khiển vì phải đảo chiều dòng điện qua cuộn dây a,b.
ĐỘNG CƠ BƯỚC NHIỀU PHA
Một loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu ít thông dụng hơn đó là động cơ bước có tất cả các cuộn dây được nối tiếp với nhau thành vòng kín và giữa mỗi cặp dây có một điểm giữa gọi là động cơ bước nhiều pha hay đa cực. Kiểu thông dụng nhất là kiểu 3 pha và 5 pha
Động cơ bước kiểu từ trở
Thông thường có ba hoặc bốn cuộn dây đấu chung một đầu. Đầu chung được nối với nguồn dương, các đầu còn lại lần lượt cho thông với đất để quay rotor.
Trên hình vẽ, rotor có 4 răng và stator có 6 cực. Mỗi cuộn dây sẽ được quấn trên hai cực đối nhau. Vì vậy, giả sử, khi cấp điện cho cực 1 (stator), rotor sẽ quay cực gần nhất (X) để răng thẳng với cực 1. Cắt điện cuộn số 1, tiếp tục cấp điện cho cuộn 2, rotor sẽ quay răng tiếp sau (Y) cho thẳng với cực 2. Cứ như vậy điều khiển quay rotor.
ĐỘNG CƠ BƯỚC LAI
STEP lai là loại kết hộp giữa STEP từ thông thay đổi và loại nam châm
vĩnh cửu. rotor cho động cơ STEP lai có nhiều răng , giống như loại từ thông thay
đổi, chứa lõi từ hóa tròn đồng tâm xoay quanh trục của nó. Răng của rotor tạo
đường dẫn giúp định hướng cho từ thông ưu tiên vào trong lỗ không khí. STEP lai
được lái giống như STEP đơn cực và lưỡng cực.
Phương pháp điều khiển
Điều khiển chế độ cả bước (Full-step)
* Điều khiển cả bước 1 pha
* Điều khiển cả bước 2 pha
Điều khiển chế độ nửa bước (Half-step)
Điều khiển cả bước 1 pha
Giản đồ xung 1 pha
Điều khiển cả bước 2 pha
Giản đồ xung 2 pha
Điều khiển chế độ nửa bước
Giản đồ xung nửa bước
Mạch điều khiển động cơ đơn cực
Mạch điều khiển
Điều khiển chiều quay động cơ
Đổi chiều quay bằng cách lập trình
*Nếu dịch bước từ trái sang phải thì động cơ sẽ quay phải
*Nếu dịch bước từ phải sang trái thì động cơ sẽ quay trái
Đổi chiều quay bằng phần cứng

Điều khiển tốc độ động cơ bước
Trong đó :
V : vận tốc trung bình của động cơ bước. (vòng/giây)
n : số lần dịch bước.
t : thời gian động cơ thực hiện n lần dịch bước. (giây)
: góc bước của động cơ (độ)
f : tần số dịch bước.
Sơ đồ điều khiển cơ bản - động cơ từ trở
Điện áp được cấp qua các khoá chuyển để nuôi các cuộn dây, tạo ra từ trường làm quay rotor. Các khoá ở đây không cụ thể, có thể là bất cứ thiết bị đóng cắt nào điều khiển được như rơle, transitor công suất... Tín hiệu điều khiển có thể được đưa ra từ bộ điều khiển như vi mạch chuyên dụng, máy tính.
+ MOSFET ( Metal Oxit Semiconductor Field Effect Transitor):
Điều khiển bằng điện áp,Ron nhỏ, tự ngắt ở điện áp source-drain quá cao, có thể bật tắt với tốc độ cao, hoàn toàn tuyến tính.
MOSFET IRC IRL 540 có thể dẫn dòng lên tới 20 Ampe và tự ngắt tại điện áp 100V. Điều này dẫn đến việc không cần phải có diode bảo vệ khi gắn switch với một phiến tản nhiệt phù hợp.
Trên mạch còn một diode ổn áp 5.1 V, một điện trở 100 Ohm. Trong trường hợp transitor bị hỏng, áp ngược không thể vượt quá cao làm hỏng các linh kiện TTL của mạch điều khiển.
Với điều khiển động cơ chỉ cần dòng qua cuộn dây cỡ 500 mili Ampe, có thể dùng IC loại dãy darlington collector hở:
+ ULN2003, ULN2803 ( Allegro Microsystem)
+ DS2003 (National Semiconductor), MC1413 ( Motorola)
IC họ ULN200x có đầu vào phù hợp TTL, các đầu emitor được nối với chân 8.
Mỗi transitor darlington được bảo vệ bởi hai diode. Một mắc giữa emitor tới collector chặn điện áp ngược lớn đặt lên transitor. Diode thứ hai nối collector với chân 9. Nếu chân 9 nối với cực dương của cuộn dây, tạo thành mạch bảo vệ cho transitor.
ĐIỀU KHIỂN MOTOR LƯỠNG CỰC VỚI CẦU H
Motor bước lưỡng cực trên cuộn dây không có điểm giữa nên khi đảo chiều quay động cơ gặp khó khăn. Để đảo được chiều từ trường sinh ra trong cuộn dây ( cũng có nghĩa đảo chiều dòng điện) phải dùng một cấu trúc gọi là cầu H
Thông thường sử dụng A,D đóng trong chế độ thuận và B,C đóng trong chế độ ngược
MỘT MẠCH CẦU H THỰC TẾ
Sơ đồ có đầu vào TTL, có thể điều khiển bởi một đầu collector hở như đã trình bày.
Khi một trong hai tín hiệu X hoặc Y ở mức cao, đầu còn lại ở mức thấp, hai transitor chéo nhau sẽ đóng dẫn dòng qua cuộn dây. Khi cả hai ở mức thấp, hai transitor phía trên sẽ hở, khi cả hai ở mức cao, hai transitor phía dưới sẽ mở và như vậy cả hai trường hợp 00, 11 đều đặt mạch vào chế độ phanh động.
DÙNG IC CHUYÊN DỤNG
L293: Phải mắc thêm cầu diode bên ngoài.
L293D: Đã có sẵn cầu diode bên trong.
SGS-Thompson
- Để tản nhiệt cho IC có thể thiết kế chân GND rộng hay gắn thêm một phiến tản nhiệt
- Dòng chịu được lên tới 3A
Chip L298 cũng có thể dùng điều khiển động cơ có dòng qua cuộn dây chừng 2A. Để nâng dòng lên khoảng 4A, giống như trong trường hợp dùng 74LS244 ta mắc song song hai đầu ra như sơ đồ bên phải.
Một điều đáng lưu ý với chip này là tốc độ switch rất nhanh, đến mức diode loại thường như 1N4007 không kịp dẫn. Vì vậy, phải dùng diode nhanh hơn.
Tương đương với L298 có LMD18200 của National Semiconductor.
· So sánh động cơ đơn cực và lưỡng cực:
Động cơ loại lưỡng cực sẽ có moment sinh ra nhiều hơn 30% so với loại đơn cực có cùng kích thước. Tuy nhiên động cơ loại lưỡng cực lại có mạch điều khiển phức tạp hơn so với loại đơn cực.
· So sánh động cơ lai và động cơ nam châm vĩnh cửu:
Step size :
Nam châm vĩnh cửu : (3,6 - > 7,5 ) độ
Lai : (0.9 - > 3.6 ) độ
Và để có độ phân giải nhở hơn, chúng ta có thể sử dụng thêm hộp giảm tốc.
Moment :
Moment là một trong những vấn đề quan trọng khi lựa chọn động cơ bước.
· Moment giữ: là moment cần thiết để xoay trục động cơ khi cuộn dây được cấp điện.
· Moment kéo: là moment sinh ra khi động cơ xoay ở vận tốc ổn định, moment này chống lại khả năng tăng tốc của động cơ mà không bị trượt bước.
· Moment kéo ra: moment này có thể làm cho động cơ di chuyển khi đang động cơ đang hoạt động.
· Moment chốt: là moment đòi hỏi để xoay động cơ khi cuộn dây động cơ không cấp điện.
Lựa chọn động cơ bước
Các thông số
INDUSTRIAL MOTOR