Cơ bản về động cơ bước - Lâm Quốc Hưng

Người thực hiện : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp. BÀI VIẾT: CƠ BẢN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC ( STEPPING MOTOR FUNDAMENTALS _ COPYRIGHT BY MICROCHIP ) I. GIỚI THIỆU: Động cơ bước được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển và đo lường. Một vài ứng dụng động cơ bước đơn giản mà công ty Việt Vmicro đang thực hiện: XY table (CNC – close loop control), Boat loader (Furnace System), Bơm lưu lượng ngoài ra Động cơ bước (trong tài liệu sẽ gọi là STEP) còn được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống máy từ đơn giản đến phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao. STEP có 5 ( tạm thời) đặc tính cơ bản sau: · Brushlesss ( không chổi than ): STEP là loại động cơ không chổi than. · Load Independent ( độc lập với tải ): động cơ bước quay với tốc độ ổn định trong tầm moment của động cơ. · Open loop positioning ( điều khiển vị trí vòng hở): thông thường chúng ta có thể đếm xung kích ở động cơ để xác định vị trí mà không cần phải có cảm biến hồi tiếp vị trí, nhưng đôi khi trong những ứng dụng đòi hỏi tính chính xác cao STEP thường được sử dụng kết hợp với các cảm biến vị trí như : encoder, biến trở · Holding Torque (moment giữ ): STEP có thể giữ được trục quay của nó, so với động cơ DC không có hộp số thì moment giữ của STEP lớn hơn rất nhiều. · Excellent Response ( Đáp ứng tốt): STEP đáp ứng tốt khi khởi động, dừng lại và đảo chiều quay một cách dễ dàng. II. PHÂN LOẠI: Có 3 loại động cơ bước cơ bản: · động cơ nam châm vĩnh cửu. · đông cơ từ trở thay đổi. · động cơ lai ( nghĩa là kết hợp giữa hai loại động cơ trên ). STEP nam châm vĩnh cửu là động cơ có rotor được từ hóa, trong khi STEP từ trở thay đổi xoa rotor được sẽ rãnh nhỏ, và động cơ lai (hybrid) kết hợp cả hai kĩ thuật trên tạo thành. Stator của STEP có nhiều cuộn dây quấn trên nó. Sự sắp xếp các cuộn dây này tạo nên hệ số thứ cấp, hệ số này sẽ phân biệt thành các loại động cơ khác nhau. STEP nam châm vĩnh cửu và loại STEP lai có thể được kết liên kết lại với nhau để phân biệt thành 3 chủng loại motor: đơn cực, lưỡng cực, và STEP hai dây song song. Sau đây chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu đặt tính của các loại động cơ trên: 1. STEP từ trở thay đổi: thông thường loại STEP này có 3 hoặc 5 cuộn dây với cấu tạo được mô tả ở hình 1. STEP từ trở thay đổi trong hình 1 bao gồm 3 cuộn dây được nối chung ở một đầu. stator STEP có 6 cực và rotor có 4 răng. Chúng ta có thể nhìn vào hình thì cuộn dây 1 đang được cấp điện, vì thể răng X ở vị trí cực 1. Sau đó khi cuộn 2 được cấp điện lực PDF created w ith pdfFactory Pro trial version www.pdf factory.com 1/9 Người thực hiện : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp. từ sinh ra sẽ hút đầu Y về cực 2, và trong trường hợp này nếu cuộn 3 được cấp điện thì răng Y sẽ di chuyển về phía cực 3 lúc đó động cơ STEP sẽ di chuyển ngược chiều kim đồng hồ. Như vậy chúng ta thấy mỗi bước động cơ di chuyển là 30 độ, và để thực hiện một vòng thì STEP phải di chuyển 12 bước. ( winding : cuộn dây , time : thời gian thực hiện ) Trên thực tế thì động cơ STEP từ trở thay đổi có số cực và số răng nhiều hơn để di chuyển những bước nhở hơn. STEP loại này có thể đạt tới 1 độ / bước. 2. STEP đơn cực: 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. STEP loại đơn cực hoạt động giống như tất cả động cơ STEP nam châm vĩnh cữu và STEP lai, nghĩa là nó hoạt động trên nguyên tắc dòng từ thông ngắn nhất giữa cực stator và răng rotor. STEP hoạt động dựa trên lưc hút giữa cực bắc và cực nam của rotor được nhiễm từ vĩnh cữu và cực của stator tạo ra do chiều dòng điện chạy qua stator. Cực bắc và nam trên rotor nam châm vĩnh cữu đã được từ hóa trước, và cực từ của stator được quy định tùy theo chiều di chuyển của dòng điện qua các cực stator, và trên nguyên tắc từ thông sẽ hướng từ cực bắc đến cực nam. Trên hình vẽ chúng ta thấy cuộn dây 1a được cấp điện chạy theo hướng từ trên xuống dưới, nghĩa là khi đó, cực phía trên sẽ trở thành cực bắc và phía dưới là cực nam, cực bắc cửa cuộn dây sẽ hút cực nam của rotor và làm cho rotor di chuyển, và sau đó chúng ta sẽ cấp điện cho cuộn 2a, thì cuộn bên trái sẽ trở thành cực bắc sẽ hút cực nam của rotor làm cho rotor xoay theo chiều kim đồng hồ, ngược lại nếu chúng ta cấp điện cho cuộn 2b thì động cơ sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ, và mỗi bước động cơ STEP di chuyển 1 góc 30 độ. PDF created w ith pdfFactory Pro trial version www.pdf factory.com 2/9 Người thực hiện : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp. Tại mỗi thời điểm chỉ có một nữa cuộn dây có điện, hoặc 1a hoặc 1b hoặc 2a hoặc 2b vì vậy để thực hiện hết vòng quay động cơ phải di chuyển 1 bước. Ở phương pháp điều khiển thứ hai, thì tại mỗi thời điểm 2 nữa cuộn dây sẽ được cấp điện, làm tăng thêm moment động cơ, và do đó động cơ sẽ tiêu hao nhiều công suất hơn. Ở hai phương pháp trên thì mỗi bước động cơ đi chuyển 1 góc 30 độ (full step). Và kết hợp hai phương pháp trên khi đó động cơ di chuyển mỗi bước 15 độ (half step) và vì vậy động cơ sẽ di chuyển 24 bước / vòng. Để có được độ phân giải nhở hơn cho mỗi bước di chuyển thì STEP cần phải tăng thêm số cực rotor của động cơ STEP. 3. STEP lưỡng cực: STEP lưỡng cực bao gồm 2 cuộn dây, vì thế trên thực tế đối với loại STEP này sẽ có 4 dây ra. Không giồng với động cơ loại đơn cực, tại mỗi thời điểm dòng điện sẽ đi qua toàn bộ cuộn dây, nhờ vậy moment sinh ra sẽ lớn hơn nhiều so với STEP đơn cực. Dòng điện qua hai cuộn dây là hai chiều điều này đòi hỏi cực của động cơ STEP phải được thay đổi. Dựa vào hình chúng ta thấy dòng điện chạy từ đầu 1b sang đầu 1a Và dòng điện sẽ chạy theo hướng ngược lại khi đảo chiều cấp điện. Vì vậy để điều khiển được động cơ loại lưỡng cực chúng ta cần 2 mạch cầu H để thay đổi cực tính ở mỗi cuộn dây. PDF created w ith pdfFactory Pro trial version www.pdf factory.com 3/9 Người thực hiện : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp. Phương pháp điều khiển động cơ STEP loại lưỡng cực: Đối với phương pháp trên thì tại mỗi thời điểm chỉ có 1 cuộn dây được cấp điện, khi đó công suất tiêu thụ của động cơ thấp. Và ở phương pháp thứ 2 thì 2 cuộn dây động cơ được cấp điện cùng lúc, khi đó moment động cơ là cực đại và công suất tiêu thụ của động cơ lúc này cũng lớn. Và kết hợp hai phương pháp này động cơ STEP sẽ di chuyển 1 góc 15 độ thay vì 30 độ như trên, tuy nhiên khi đó moment do động cơ sinh ra sẽ không đều. 4. STEP hai dây song song: Đối với loại STEP này thì chúng ta hoàn toàn có thể đấu nối để nó trở thành động cơ đơn cực hoặc lưỡng cực PDF created w ith pdfFactory Pro trial version www.pdf factory.com 4/9 Người thực hiện : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp. Chúng ta sẽ kết nối song song hai cuộn dây khi cần dòng điện hoạt động lớn, và kết nối hai dây nối tiếp khi cần điện áp hoạt động lớn. 5. STEP 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. III. LỰA CHỌN MOTOR BƯỚC: · So sánh động cơ từ trở thay đổi với loại nam châm vĩnh cửu và loại lai: Để lựa chọn động cơ cho các ứng dụng chúng ta cần quan tâm đến loại động cơ nào sử dụng phù hợp cho ứng dụng này, moment của hệ thống như thế nào, độ phức tạp của bộ điều khiển, và các đặc tính vật lý của động cơ. Đối với loại động cơ từ thông thay đổi, loại động cơ này có lợi từ sự đơn giản của ứng dụng. Nó không yêu cầu rotor từ thông vĩnh cửu phức tạp, vì thế nó hoạt động ổn định hơn rất nhiều, so với loại nam châm vĩnh cửu. Tuy nhiên, moment của tất cả các loại động cơ bước đều giảm khi vận tốc tăng, tuy nhiên đối với STEP từ trở thay đổi thì sự giảm momet này hầu như không đáng kể khi vận tốc tăng, vì vậy loại STEP này có thể dạt được tốc độ 10.000 bước/ giây. Và STEP nam châm vĩnh cửu chỉ đạt được 5.000 bước/giây, và thông thường là 1.000 bước/ giây. Sự suy giảm moment không đáng kể của loại từ trở thay đổi, nên loại động cơ này thường được sử dụng không cần hộp giảm tốc, thường được ứng dụng trong các máy giặt. Ngược lại động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ STEP lai ít tạo ra tiếng ồn, trong khi loại từ trở thay đổi thì tiếng ồn tương đối lớn. PDF created w ith pdfFactory Pro trial version www.pdf factory.com 5/9 Người thực hiện : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp. Với hệ thống điều khiển thích hợp: động cơ loại nam châm vĩnh cửu và lai có thể điều khiển vi bước phụ thuộc vào tỉ số dòng điện ở các cuộn dây. · 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 lựu 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. Trong đó tất cả các loại moment đều là hàm theo vận tốc. dựa vào moment này mà chúng ta có thể lựa chọn động cơ phù hợp với tải, sao cho không bị trượt bước. Và khi bị trượt bước thì bộ điều khiển không thể biết được vị trí trục động cơ đang ở đâu, nếu không có bộ hồi tiếp vị trí. Tất cả các loại moment này được ghi lại trong đặc tính động cơ do nhà sản xuất cung cấp. Và luôn nhớ rằng, trừ động cơ từ trở thay đổi, các loại còn lại thì moment đều thay đổi rất nhanh theo vận tốc. Tuổi thọ : Khi lựa chọn động cơ ,chúng ta chọn động cơ phù hợp với moment cản của tải, chọn tải làm việc có moment cản bằng 40%-60% moment của động cơ. Và khi sử dụng động cơ trong môi trường ẩm ướt, xù xì, chúng ta cần bảo vệ động cơ để động cơ hoạt động hiệu quả, tăng tuổi thọ động cơ. IV. MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC CƠ BẢN: 1. STEP từ trở thay đổi: Đối với STEP loại này thì mạch điều khiển bao gồm 3 Mosfet điều khiển đóng mở 3 cuộn dây. Khi Mosfet chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở, sẽ xuất hiện các xung điện áp, có thể làm hỏng Mosfet, vì thế chúng ta cần lắp them diode bảo vệ khi chuyển mạch. PDF created w ith pdfFactory Pro trial version www.pdf factory.com 6/9 Người thực hiện : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp. 2. STEP đơn cực: STEP loại này cách điều khiển cũng hoàn toàn tương tự cách điều khiển STEP loại từ trở thay đổi. 3. STEP lưỡng cực: Đối với step loại này, do có hai cuộn dây, và dòng điện qua 2 cuộn dây đảo chiều, nên mạch điều khiển của nó gồm 2 cầu H. PDF created w ith pdfFactory Pro trial version www.pdf factory.com 7/9 Người thực hiện : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp. Và khi sử dụng cầu H để lái động cơ thì chúng ta phải chú ý đến hiện tượng trùng dẫn, nghĩa là hai mosfet trên cùng một nhánh đều đóng, làm cho dòng điện tăng nhanh, sẽ đánh hỏng mosfet. Trong mạch cầu ở hình trên sử dụng kết hợp mosfet loại N là Q2, Q4 cho phân cực dương, và Q1, Q3 cho phân cực âm. Hiện tại, đã có nhiều hãng thiết kế IC cầu H với công suất tương đối phù hợp cho các động cơ loại vừa. nhỏ, hoặc chúng ta có thể sử dụng module PWM của vi điều khiển phù hợp cho việc điều khiển tốc độ động cơ và tạo khoảng thời gian delay tránh trùng dẫn. 4. Điều khiển vi bước (microstep) đối với loại đơn cực và lưỡng cực: Đối với STEP di chuyển một bước đơn hoàn toàn, nghĩa là kích điện áp trực tiếp, cách này chỉ được áp dụng khi động cơ làm việc ở vận tốc thấp, nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là moment động cơ sẽ bị suy giảm nghiêm trọng do tính cảm của cuộn dây sẽ tạo ra thời hằng, lúc đó cần có thời gian để dòng điện qua cuộn dây dạt giá trị max. PDF created w ith pdfFactory Pro trial version www.pdf factory.com 8/9 Người thực hiện : Lâm Quốc Hưng – R&D Manager- Viet Vmicro Corp. Microstepping được sử dụng để tăng độ phân giải bước cho động cơ và tạo ra sự chuyển đổi mịn giữa các bước. Thông thường phương pháp Microstepping được áp dụng trong các hệ thống giới hạn tiếng ồn và các vấn đề về cộng hưởng. Microstepping làm việc trên nguyên tắc sự gia tăng dòng điện từ cuộn dây này qua cuộn dây khác của động cơ bước. Điều này có thể đạt được nhờ vào việc điều xung điện áp cấp vào cuộn dây động cơ. Tỉ số điều xung trên cuộn dây này giảm thì tỉ số điều xung trên cuộn dây khi lại tăng lên tạo ra sự chuyển bước mịn, không tạo ra tiếng ồn. PDF created w ith pdfFactory Pro trial version www.pdf factory.com 9/9