Động cơ bước

Click to edit Master title style Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 12/7/2013 ‹#› ĐỘNG CƠ BƯỚC STEPPER MOTOR Giới thiệu về động cơ bước Các loại động cơ bước + Biến từ trở_VRSM (variable - reluctance stepper motor) + Nam châm vĩnh cữu_PMSM (permanent-magnet stepper motor) + Hỗn hợp (lai) (hybrid stepper motor) NỘI DUNG CHÍNH 39.1 Introduction (Giới thiệu): This chapter provides a brief introduction to electrical machines which have special applications. It includes machines whose stator coils are energized by electronically switched currents. Chương này cung cấp giới thiệu ngắn gọn về các máy điện có ứng dụng đặc biệt. Đó là các máy mà dây quấn stator được cấp điện bởi các dòng điện chuyển mạch điện tử. The examples are: various types of stepper motors, brushless d.c. motor and switched reluctance motor etc. Ví dụ như: các loại động cơ bước, động cơ DC không chổi than và động cơ từ trở đóng ngắt. There is also a brief description of d.c./a.c. servomotors, synchro motors and resolvers. These motors are designed and built primarily for use in feedback control systems. Cũng như mô tả ngắn gọn động cơ servo dc/ac, Synchro (động cơ tự đồng bộ) và Resolver. Những động cơ này ban đầu được thiết kế và xây dựng trong các hệ thống điều khiển phản hồi. 39.2 Stepper Motor As we know, industrial motor are used to convert electric energy into mechanical energy but they cannot be used for precision positioning of an object or precision control of speed without using closed-loop feedback. Như chúng ta biết, động cơ công nghiệp dùng để biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ, nhưng chúng lại không thể điều chỉnh vị trí 1 cách chính xác hay điều khiển tốc độ chính xác mà không sử dụng mạch hồi tiếp vòng kín. The unique features of a stepper motor is that its output shaft rotates in a series of discrete angular intervals or steps, one step being taken each time a command pulse is received. Cái tên động cơ bước được sử dụng bởi vì nó quay 1 góc cố định đáp ứng theo xung điện nhận vào từ bộ điều khiển. The name stepper is used because this motor ratates through a fixed angular step in response to each input current pulse received by its controller. Cái tên động cơ bước được sử dụng bởi vì nó quay 1 góc cố định đáp ứng theo xung điện nhận vào từ bộ điều khiển. In recent years, there has been wide-spread demand of stepping motors because of the explosive growth of the computer industry. Their popularity is due to the fact that they can be controlled directly by computers, microprocessors and programmable controllers. Ngày nay, việc sử dụng ĐC bước trở nên thịnh hành bởi vì sự bùng nổ của nền công nghiệp máy vi tính. Sự phổ biến của chúng là do thực tế chúng có thể được điều khiển trực tiếp bởi máy vi tính, vi xử lý và các bộ điều khiển lập trình. Tại sao gọi là động cơ bước? Đặc điểm của động cơ bước The unique features of a stepper motor is that its output shaft rotates in a series of discrete angular intervals or steps, one step being taken each time a command pulse is received. When a definite number of pulses are supplied, the shaft turns through a definite known angle. This fact makes the motor well-suited for open-loop position control because no feedback need be taken from the output shaft. ĐC bước có trục ngõ ra quay những góc rời rạc hay gọi là bước, mỗi bước đáp ứng với mỗi xung lệnh nhận vào. Khi xác định được số xung lệnh cấp vào thì trục quay sẽ xác định được góc quay. Thực tế này rất phù hợp cho ĐC hoạt động trong mạch điều khiển vòng hở bởi vì sẽ không cần hồi tiếp ở đầu trục ĐC. Đặc điểm của động cơ bước Such motors develop torques ranging from 1µN-m (in a tiny wrist watch motor of 3 mm diameter) upto 40N-m in a motor of 15cm diameter suitable for machine tool application. Their output ranges from about 1W to a maximum of 2500W. The only moving part in a stepping motor is its rotor which has no windings, commutator or brushes. This feature makes the motor quite robust and reliable. Dải moment ĐC gia tăng từ 1µN-m (ĐC trong các đồng hồ đeo tay nhỏ với đường kính 3mm) lên tới 40 N-m trong các ĐC đường kính 15cm thích ứng cho các máy công cụ. Dải công suất ngõ ra từ 1W tới tối đa 2500W. Phần di chuyển duy nhất trong ĐC bước là rotor của nó, trong đó không có cuộn dây, vành góp hay chổi than. Đặc điểm này làm cho ĐC trở nên khá mạnh và an toàn. Stepping motor are designed to operate for long periods with the rotor held in a fixed positon and with rated current flowing in the stator windings. It means that stalling is no problem for such motors whereas for most of the other motors, stalling results in the collapse of back emf (Ef) and a very high current which can lead to a quick burn-out. ĐC bước được thiết kế để hoạt động trong chu trình lâu dài mà rotor giữ cố định ở một vị trí với dòng định mức trong cuộn dây stator. Điều này có nghĩa là khi ĐC dừng ở 1 vị trí cố định thì sẽ không có vấn đề gì trong khi phần lớn các loại ĐC khác thì khi dừng như vậy kết quả là sự phá hủy của lực điện động và với dòng cao thì sẽ gây cháy hỏng một cách nhanh chóng. Đặc điểm của động cơ bước Góc bước Smaller the step angle, greater the number of steps per revolution and higher the resolution or accuracy of positioning obtained. Góc bước bé hơn, số lượng bước trên mỗi vòng quay cao hơn và độ phân giải cao hơn hay đạt được độ chính xác trong việc điều chỉnh vị trí. The step angles can be as small as 0.72o or as large as 90o . But the most common step sizes are 1.8o, 2.5o, 7.5o và 15o. Góc bước có thể nhỏ như 0.72o hay lớn đến 90o. Nhưng thông thường, độ rộng góc bước phổ biến là 1.8o, 2.5o, 7.5o và 15o. The angle through which the motor shaft rotates for each command pulse is called the step angle β. Góc quay mà trục ĐC quay được khi nhận 1 xung lệnh được gọi là góc bước β. The value of step angle can be expressed either in terms of the rotor and stator poles (teeth) Nr and Ns repestively or in terms of the number of stator phases (m) and the number of rotor teeth. Giá trị của góc bước được thể hiện thông qua số lượng cực (răng) tương ứng của rotor (Nr) và stator (Ns) hay số pha của stator (m) và số răng của rotor. Ví dụ: Ns=8 và Nr=6, β = (8 - 6) x 360o/8 x 6 = 15o Góc bước Độ phân giải Resolution is given by the number of steps needed to complete one revolution of the rotor shaft. Độ phân giải được định nghĩa là số lượng bước cần để hoàn thành 1 vòng quay của trục rotor. Higher the resolution, greater the accuracy of positioning of objects by the motor. Độ phân giải cao hơn, độ chính xác trong việc xác định vị trí đối tượng bằng ĐC sẽ cao hơn. Độ phân giải = Số lượng bước/vòng quay = 360o/ β Tốc độ quay A stepping motor has the extraordinary ability to operate at very high stepping rates (upto 20000 steps per second in some motors) and yet to remain fully in synchronism with the command pulses. When the pulse rate is high, the shaft rotation seems continuous. Operation at high speeds is called ‘slewing’. When in the slewing range, the motor generally emits an audible whine having a fundamental frequency equal to the stepping rate. ĐC bước có khả năng đặc biệt hoạt động ở tần số bước rất cao (lên tới 20,000 bước trên giây ở 1 vài loại ĐC) nhưng vẫn đồng bộ với xung lệnh. Khi ở tần số xung cao, trục quay xem như liên tục. Việc hoạt động ở tốc độ cao được gọi là “slewing” (quay). Khi quay, động cơ phát ra âm thanh rên rỉ có tần số bằng với tần số bước. If f is the stepping frequency (or pulse rate) in pulses per second (pps) and β is the step angle, then motor shaft speed is given by: Nếu f là tần số bước (hay tần số xung) trong 1 giây (pps- pulses per second) và β là góc bước, thì tốc độ ĐC được xác định như sau: n = β x f/ 360 rps = độ phân giải tần số xung If the stepping rate is increased too quickly, the motor loses synchronism and stop. Same thing happens if when the motor is slewing, command pulse are sudddenly stopped instead of being grogressively slowed. Nếu tần số bước tăng quá nhanh thì, thì ĐC bị mất đồng bộ và dừng. Điều này cũng xảy ra khi ĐC đang quay mà xung lệnh tắt đột ngột thay vì giảm từ từ. Tốc độ quay Ví dụ 1 Một ĐC bước biến từ trở lai có 8 cực chính, mỗi cực có 5 răng. Nếu rotor có 50 răng, tính góc bước. Ns = 8 x 5 = 40, Nr = 50 β = (50 – 40) x 360o/50 x 40 = 1.8o Một ĐC bước có góc bước 2.5o. Xác định: a/ Độ phân giải b/ Số lượng bước để trục quay được 25 vòng c/ Tốc độ, nếu cho tần số bước là 3600 xung/giây a/ Độ phân giải = 360o/ β = 360o/ 2.5o = 144 bước/vòng b/ Ta có: 1 vòng có 144 bước. Vậy số bước yêu cầu để quay được 25 vòng là 144 x 25 = 3600 bước c/ n = β x f / 360o = 2.5 x 3600 / 360o= 25 vòng/giây. Ví dụ 2 Ứng dụng Such motors are used for operation control in computer peripherals, textile industry, IC fabrications and robotics etc. Sử dụng cho việc điều khiển hoạt động các thiết bị ngoại vi máy vi tính, công nghiệp dệt, chế tạo IC và robot… Applications requiring incremental motion are typewriters, line printers, tape drives, floppy disk drives, numerically-controlled machine tools, process control systems and X-Y plotters. Những ứng dụng đòi hỏi sự dịch chuyển liên tục như máy đánh chữ, máy in, ổ băng, ổ đĩa, máy điều khiển bằng số, hệ thống điều khiển tiến trình và máy vẽ đồ thị XY. They also take part in the manufacture of packed food stuffs, commercial end-products and even the production of science fiction movies. Chúng cũng tham gia một phần trong việc đóng gói các sản phẩm thức ăn, các sản phẩm thương mại mà các bộ phim khoa học viễn tưởng. Các loại ĐC bước Biến từ trở (VR stepper motor) Nam châm vĩnh cữu (permanent-magnet stepping motor) Hỗn hợp (Lai) (hybrid stepper motor) ĐC bước biến từ trở 1 2 3 4 5 6 Construction: A variable-reluctance motor is constructed from ferromagnetic material with salient poles as shown in Fig. 39.2. Một động cơ từ trở biến thiên được cấu trúc từ vật liệu sắt từ với các cực lồi như hình. The stator is made from a stack of steel lamination and has sis equally-spaced projecting poles (or teeth) each wound with an exciting coil. Stator được làm từ những lá thép và có 6 cực nhô ra (hay răng) mỗi cực chứa 1 cuộn dây cảm ứng. The rotor which may be solid or laminated has four projecting teeth of the same width as the stator teeth. As seen, there are three independent stator circuit or phases A, B and C and each one can be energized by a direct current pulse from the drive circuit (not show in the figure). Stator có 3 mạch hay 3 pha A, B, C riêng và mỗi pha sẽ được vận hành từ bộ điều khiển bên ngoài. 1 2 3 4 Stator Rotor A A’ B B’ C C’ ĐC bước biến từ trở Rotor có thể làm đặc hoặc ghép lại có 4 răng có độ rộng bằng với răng stator. A simple circuit arrangement for supplying current to the stator coils in proper sequence is shown in Fig. 3.92 (e). Một mạch điện luân chuyển điện vào các cuộn dây stator một cách trình tự như hình. The sis stator coils are connected in 2-coil groups to form three separate circuit called phases. Each phase has its own independent switch. 6 cuộn dây stator đấu nối thành từng cặp tạo thành 1 mạch 3 pha riêng biệt. Mỗi pha có công tắc đóng mở riêng. ĐC bước biến từ trở Diametrically opposite pairs of stator coils are connected in series such that when one tooth becomes a N-pole, the other one becomes a S-pole. Các cặp đối diện nhau được đấu nối tiếp để khi một trong hai trở thành cực N thì đầu còn lại sẽ trở thành cực S. ĐC bước biến từ trở Although shown as mechanical switches in Fig. 39.2 (e), in actual practice, switching of phase currents is done with the help of solid-state control. Mạch đóng tắc nguyên lý được cho như hình, nhưng trên thực tế cần sự trợ giúp điều khiển của vật liệu bán dẫn. Energizing one or more stator coils cause the rotor to step forward (or backward) to a position that forms a path of least reluctance with the magnetized stator teeth. The step angle of this three-phase, four rotor teeth motor is β=360/4x3= 30o. Khi một hay nhiều cuộn dây có điện rotor sẽ dịch chuyển 1 bước tới (hay lùi lại) tạo thành 1 đường với răng stator do lực từ. 1 bước của động cơ ba pha rotor 4 răng là β=360/4x3= 30o. When there is no current in the stator coils, the rotor is completely free to rotate. Khi không có dòng trong các cuộn dây stator, rotor quay tự do. + 1 pha ON hay bước đủ Fig. 39.2 (a) shows the position of the rotor when switch S1 has been closed for energizing phase A. A magnetic field with its axis along the stator poles of phase A is created. The rotor is therefore, attracted into a position of minimum reluctance with diametrically opposite rotor teeth 1 and 3 lining up with stator teeth 1 and 4 respectively. ĐC bước biến từ trở Đóng công tắt S1 cho pha A hoạt động, một lực từ có trục từ cặp cực pha A được tạo ra. Rotor bị hút vào vị trí có từ trở bé nhất với răng 1 và 3 của rotor thẳng hàng với răng 1 và 4 của stator (góc 0o). ĐC bước biến từ trở + 1 pha ON hay bước đủ Closing S2 and opening S1 energizes phase B causing rotor teeth 2 and 4 to align with stator teeth 3 and 6 respestively as shown in Fig. 39.2 (b). The rotor rotates through full-step of 30o in the clockwise (CW) direction. Đóng S2 và mở S1 cho pha B hoạt động làm cho răng 2 và 4 của rotor thẳng hàng với răng 3 và 6 của stator như hình. Rotor quay 1 góc 30o theo chiều kim đồng hồ. ĐC bước biến từ trở + 1 pha ON hay bước đủ Similarly, when S3 is closed after opening S2, phase C is energized which causes rotor teeth 1 and 3 to line up with stator teeth 2 and 5 respestively as shown in Fig. 39.2 (c). The rotor rotates through an additional angle of 30o in the clockwise (CW) direction. Tương tự, khi S3 đóng khi mở S2, pha C có điện làm răng 1 và 3 của rotor thành hàng với răng 2 và 5 của stator như hình. Rotor tiếp tục quay thêm 1 góc 30o theo chiều kim đồng hồ. + 1 pha ON hay bước đủ ĐC bước biến từ trở Next if S3 is opened and S1 is closed again, the rotor teeth 2 and 4 will align with stator teeth 4 and 1 respectively thereby making the rotor turn through a further angle of 30o as shown in Fig. 39.2 (d). By now the total angle turned is 90o. Kế tiếp nếu S3 mở ra và S1 được đóng lại, răng 2 và 4 của rotor thành hàng với răng 4 và 1 của stator và làm cho rotor quay tiếp được 1 góc 30o như hình. Lúc này tổng góc quay là 90o. This mode of operation is known as 1-phase-ON mode or Full-step operation and is the simplest and widely-used way of making the motor step. Chế độ này được gọi là 1 pha ON hay bước đủ và là cách đơn giản và phổ biến nhất để làm động cơ bước. It may be noted that direction of the stator magnetizing current is not significant because a stator pole of either magnetic polarity will always attract the rotor pole by inducing opposite polarity. Chú ý rằng chiều dòng từ hóa stator không quan trọng bởi vì cực stator của cả 2 cực từ sẽ luôn hút cực rotor có cực đối ngược. ĐC bước biến từ trở + 1 pha ON hay bước đủ As each switch is closed and preceding one opened, the rotor each time rotates through an angle of 30o. By repetitively closing the switches in the sequence 1-2-3-1 and thus energizing stator phases in sequence ABCA etc., the rotor will rotate clockwise in 30o steps . If the switch sequence is made 3-2-1-3 which makes phase sequence CBAC (or ACB), the rotor will rotate anticlockwise. Khi mỗi công tắc đóng lại và công tắc trước nó mở ra, Rotor mỗi lần quay được 1 góc 30o. Lặp đi lặp lại theo các bước 1-2-3-1 và stator theo các pha ABCA… Rotor sẽ quay theo chiều kim đồng hồ 30o mỗi bước. Nếu sắp xếp theo 3-2-1-3 làm stator theo các pha CBAC (hay ACB), rotor sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ. ĐC bước biến từ trở + 1 pha ON hay bước đủ In this mode of operation, two stator phases are excited simultaneously. When phases A and B are energized together, the rotor experiences torques from both phases and comes to rest at a point mid-way between the two adjacent full-step positions. Ở chế độ này, 2 pha sẽ cảm ứng đồng thời. Khi pha A và B hoạt động đồng thời, moment sẽ đến từ cả hai pha bằng lực hút tại điểm giữa 2 bước đủ cạnh nhau. If the stator phases are witched in the sequence AB, BC, CA, AB etc., the motor will take full steps of 30o each (as in the 1-phase-ON mode) but its equilibrium positions will be interleaved between the full-step positions. Nếu stator được đóng tắc cho các pha theo thứ tự AB, BC, CA, AB thì rotor sẽ bước đủ với góc 30o mỗi lần nhưng vị trí cân bằng của nó sẽ xen kẽ giữa những vị trí bước đủ. The 2-phases-ON mode provides greater holding torque and a much better damped single-stack reponse than the 1-phase-ON mode of operation. Chế độ 2 pha ON cho moment giữ tốt hơn và giảm rung động hơn so với chế độ 1 pha ON. + 2 pha ON Bảng trạng thái hoạt động ĐC bước biến từ trở + Vận hành kiểu nửa bước ĐC bước biến từ trở Half-step operation of “half-stepping” can be obtained by exciting the three phases in the sequence A, AB, B, BC, C etc. i.e. alternately in the 1-phase-ON and 2-phase-ON modes. Vận hành nửa bước của “nửa bước” có thể đạt được bằng cách kích thích 3 pha theo thứ tự A, AB, B, BC, C… luân phiên nhau giữa chế độ 1-pha-ON và 2-Pha-ON. It is sometime known as “wase” excitation and it causes the rotor to advance in steps of 15o i.e. half the full-step angle. Thường được biết như là “sóng” kích thích và nó làm cho rotor tiến những bước 15o i.e. bằng phân nửa góc của bước đủ. + Vận hành kiểu nửa bước Energizing only phase A causes the rotor position shown in Fig. 39.4 (a). Khi chỉ có pha A có điện làm rotor ở vị trí như hình: Energizing phases A and B simultaneously moves the rotor to position shown in Fig. 39.4 (b) Khi pha A và B đồng thời có điện rotor dịch chuyển sang một nửa bước 15o. ĐC bước biến từ trở It will be seen that in the half-stepping mode, the angle is halved thereby doubling the resolution. Moreover, continuos half-stepping produces a smoother shaft rotation. Như ta thấy thì trong chế độ nửa bước, góc dịch chuyển được chia đôi làm độ phân giải tăng gấp đôi. Cứ thế, tiếp tục nửa bước làm cho động cơ quay êm hơn. ĐC bước biến từ trở + Vận hành kiểu nửa bước Energizing only phase B moves the rotor through another half-step as shown in Fig. 39.4 (c). With each pulse, the rotor moves 30o /2 = 15o in the CCW direction. Khi chỉ pha B có điện, rotor tiếp tục dịch chuyển tiếp một nửa bước còn lại. Với mỗi xung, rotor dịch chuyển 1 bước 30o/2 = 15o theo chiều kim đồng hồ. + Vi bước It is also known as mini-stepping. It utilizes two phases simultaneously as in 2-phase-ON mode but with the two currents deliberately made unequal (unlike in half-stepping where the two phase currents have to be kept equal). Cũng được biết đến như là bước nhỏ. Sử dụng 2 pha đồng thời như trong chế độ 2-pha-ON nhưng dòng qua 2 pha không bằng nhau (không giống như trong nửa bước dòng qua 2 pha được giữ như nhau). The current in phase A is held constant while that in phase B is increased in very small increments until maximum current is reached. The current in phase A is then reduced to zero using the same very small increments. In this way, the resultant step becomes very small and is called a microstep. Dòng qua pha A không thay đổi trong khi dòng qua pha B tăng nhưng giá trị rất nhỏ cho đến khi chạm đến giá trị đỉnh. Khi đó dòng qua pha A giảm từ từ những giá trị rất nhỏ tương tự cho đến khi bằng 0. Bằng cách này, kết quả các bước trở nên rất nhỏ và được gọi là vi bước. ĐC bước biến từ trở ĐC bước biến từ trở + Vi bước Một động cơ bước từ trở biến thiên với độ phân giải 200 step/rev (β=1.8o) có thể vi bước với độ phân giải 20000 steps/rev (β=0.018o). Động cơ bước sử dụng vi bước được ứng dụng trong công nghệ in ấn, chế bản phim yêu cầu độ phân giải cao. Như đã thấy, vi bước làm động cơ hoạt động tốc độ thấp êm và có độ phân giải cao. Ví dụ + Moment VR stepper motors have a high (torque/inertia) ratio giving high rates of acceleration and fast response. Động cơ bước từ trở biến thiên tỷ số cao (moment/quán tính) cho khả năng tăng tốc và quán tính cao. A possible disadvantage is the absence of detent torque which is necessary to retain the rotor at the step position in the event of a power failure. Điểm bất lợi của nó là không có moment hãm cần thiết để giữ rotor tại vị trí bước khi hỏng nguồn. ĐC bước biến từ trở If Ia is the d.c. current pluse passing through phase A, the torque produced by it is given by Nếu iA là xung dòng điện một chiều đi qua A, thì moment do nó gây ra là ĐC bước biến từ trở đa lớp So far we have discussed single-stack VR motors though multi-stack motor are also available which provide smaller step angles. Như vậy, chúng ta đã thảo luận rất nhiều về động cơ biến từ trở đơn lớp mặc dù động cơ bước biến từ trở đa lớp cho góc bước nhỏ hơn. The multi-stack motor is devided along its axial length into a number of magnetically-isolated sections or stack which can be excited by a separate winding or phase. Both stator and rotor have the same number of poles. The stators have a common frame while rotors have a common shaft as shown if Fig. 39.5 (a) which represents a three-stack VR motor. Động cơ đa lớp thì dọc theo chiều dài trục rotor của nó chia ra các khu vực từ tính cách ly với nhau từng bộ phận hay từng lớp có thể được kích thích bởi một cuộn dây riêng biệt hoặc theo từng pha. Cả stator và rotor đều có số cực như nhau. Stator có một cái khung chung trong khi Rotor có một cái trục chung như hình, đại diện cho động cơ biến trở 3 lớp. The teeth of all the rotor are perfectly aligned with respect to themselves but the stator teeth of various stack have a progressive angular displavement as shown in the developed diagram of Fig. 39.5 (b) for phase excitation. Các răng của Rotor thì hoàn toàn thống nhất với nhau của nó nhưng đối các răng của Stator của các lớp khác nhau có sự dịch chuyển một góc, được thể hiện trong sơ đồ phát triển hình. ĐC bước biến từ trở đa lớp ĐC bước biến từ trở đa lớp Three-stack motors are most common although motors with upto seven stacks and phases are available. They have step angles in the range of 2o to 15o. For example, in a six-stack VR motor having 20 rotor teeth, the step angle β=360o/6x20=3o. Động cơ 3 lớp là loại động cơ phổ biến nhất mặc dù loại động cơ với tối đa bảy lớp và bảy góc pha thì có thể hoàn toàn làm được. Người ta có thể chế tạo góc bước khoảng từ 2o đến 15o. Ví dụ như trong một động cơ bước biến trở sáu lớp thì có tới 20 răng rotor có bước góc là 360o /6x20=3o. ĐC bước nam châm vĩnh cửu + Cấu tạo Its stator construction is similar to that of the single-stack VR motor discussed above but the rotor is made of a permanent-magnet material like magnetically ‘hard’ ferrite. Cấu tạo của Stator thì giống như của động cơ bước biến trở đơn lớp đã nối ở trên nhưng mà đối với Rotor thì được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu giống như từ tính ‘cứng’ của ferit. As shown in Fig. 39.6 (a), the stator has projecting poles but the rotor is cylindrical and hasradially magnetized permanent magnets. Stator đã hình thành nên các cực, Rotor là hình trụ và từ hoá vĩnh viễn. + Nguyên lý hoạt động The operating principle of such a motor can be understood with the help of Fig. 39.6 (a) where the rotor has two poles and the stator has foul poles. Since two stator poles are energized by one winding, the motor has two winding or phases marked A and B. Nguyên tắc hoạt động của động cơ này có thể được thể hiện thông qua hình, Rotor có 2 cực va stator có 4 cực. 2 cực của stator thì được cấp điện bởi một cuộn dây, động cơ có 2 cuộn dây hoặc được làm từ 2 pha A và B. ĐC bước nam châm vĩnh cửu The step angle of this motor: Góc bước của động cơ này là: + Nguyên lý hoạt động Khi từng pha của stator được cung cấp điện, các cực từ của rotor sẽ dịch chuyển theo chiều kim đồng hồ với sự kích thích của các cực từ của stator. Các cuộn dây stator A và B có thể được kích thích bởi một trong hai điện cực (A+ hình thành nên dòng điện dương iA+ trong pha A và A- hình thành nên dòng điện âm iA-). ĐC bước nam châm vĩnh cửu When a particular stator phase is energized, the rotor magnetic poles move into alignment with the excited stator poles. The stator windings A and B can be excited with either polarity current (A+ refers to positive current iA+ in the phase A and A─ to negative current iA─). Fig. 39.6 (a) shows the condition when phase A is excited with posotive current iA+. Here, . Khi pha A được kích thích bởi dòng điện dương iA+. Góc . + Nguyên lý hoạt động ĐC bước nam châm vĩnh cửu If excitation is now switched to phase B as in Fig. 39.6 (b), the rotor rotates by a full step of 90o in the clockwise direction. Nếu chuyển mạch tới pha B, Rotor sẽ quay với 1 góc 90o theo chiều kim đồng hồ. Next, when phase A is excited with negative current iA-, the rotor turns through another 90o in CW direction as shown in Fig. 39.6 (c). Tiếp theo, trong khi pha A được khích thích bởi dòng điện âm iA-, Rotor quay qua một góc 90o khác theo chiều kim đồng hồ. ĐC bước nam châm vĩnh cửu + Nguyên lý hoạt động Similarly, excitation of phase B with iB─ further turns the rotor through another 90o in the same direction as shown in Fig. 39.6 (d). After this, excitation of phase A with iA+ makes the rotor turn through one complete revolution of 360o. Tương tự khi mà ta kích thích pha B với dòng điện âm iB─ làm rotor tiếp tục quay 1 góc 90o khác trong cùng 1 hướng. Cuối cùng, kích thích pha A với dòng điện dương iA+ làm cho rotor quay qua 1 vòng 360o. It will be noted that in a permanent-magnet stepper motor, the direction of rotation depends on the polarity of the phase currents as tabulated below: Hướng quay phụ thuộc vào sự phân cực của pha dòng điện như bảng dưới đây: iA+ ; iB+; iA- ; iB- ; iA+,……………… A+ ; B+; A- ; B- ; A+ ;…………….. theo chiều kim đồng hồ iA+ ; iB- ; iA- ; iB+; iA+;…………….. A+ ; B- ; A- ; B+ ; A+; …………. …ngược chiều kim đồng hồ ĐC bước nam châm vĩnh cửu + Nguyên lý hoạt động ĐC bước nam châm vĩnh cửu + Nguyên lý hoạt động Table No.2 represents 2-phase-ON mode when two phases are energized simultaneously. Bảng số 2 đại diện cho chế độ 2-phase-ON khi 2 pha được cấp điện đồng thời kết quả là các bước có cùng kích thước nhưng vị trí của rotor là khoảng giữa của 2 bước đầy đủ. Microstepping can also be employed which will give further reduced step sizes thereby increasing the resolution. Vi bước có thể được sử dụng để giảm kích thước bước do đó làm tăng độ phân giải. ĐC bước nam châm vĩnh cửu + Nguyên lý hoạt động Table No.1 applies when only phase is energized at a time in 1-phase-ON mode giving step size of 90o. Bảng số 1 áp dụng khi chỉ có 1 pha duy nhất được cấp điện tại 1 thời điểm trong 1-phase-ON mode cho bước nhảy 90o. Table No.3 represents half-stepping when 1-phase-ON and 2-phase-ON mode are used alternately. In this case, the step size becomes half of the normal step or one-fourth of the pole-pitch (i.e: 90o/2 = 45o or 180o /4 = 45o). Bảng số 3 đại điện cho ½ bước khi 1-phase-ON và 2-phase-ON được sử dụng luân phiên. Trong trường hợp này, bước nhảy trở thành 1 nửa của bước bình thường hoặc ¼ của bước cực. + Ưu, nhược điểm ĐC bước nam châm vĩnh cửu Since the permanent magnets of the motor do not require external exciting current, is has a low power requirement but possesses a high detent torque as campared to a VR stepper motor. This motor has higher inertia and hence slower acceleration. However, it produces more torque per ampere stator current than a VR motor. Since it is difficult to manufacture a small permanent-magnet rotor with large number of poles, the step size in such motors is relatively large ranging from 30o to 90o. However, recently disc rotors have been manufactured which are magnetized axially to give a small step size and low inertia. Kể từ khi có động cơ nam châm vĩnh cữu thì không cần dòng điện kích thích từ bên ngoài. Nó yêu cầu nguồn thấp nhưng có 1 bánh cóc moment xoắn lớn so với động cơ bước biến trở. Động cơ này có quán tính cao hơn và do đó khả năng tăng tốc chậm hơn. Vì nó gặp khó khăn để sản xuất 1 nam châm nhỏ thường xuyên với số lượng lớn các cực, kích thước bước trong động cơ như vậy là tương đối lớn phạm vi từ 30o đến 90o. Tuy nhiên gần đây đã sản xuất được rotor dĩa từ hóa dọc trục để làm cho kích thước của bước nhỏ và quán tính thấp. ĐC bước hỗn hợp (lai) + Cấu tạo It combines the features of the variable reluctance and permanent-magnet stepper motors. The rotor consist of a permanent-magnet that is magnetized axially to create a pair of poles marked N and S in Fig. 39.8 (b). two end-caps are fitted at both ends of this axial magnet. These end-caps consist of equal number of teeth which are magnetized by respective polarities of the axial magnet. The rotor teeth of one end-cap are offset by a half tooth pitch so that a tooth at one end-cap coincides with a slot at the other. The cross-sectional views perpendicular to the shaft along X-X’ and Y-Y’ axes are shown in Fig. 39.8 (a) and (c) repectively. Nó bao gồm các đặc tính của động cơ bước từ trở biến thiên và động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Rotor gồm 1 nam châm vĩnh cửu có trục được từ hóa để tạo 1 cặp cực N và S. 2 đầu mút vừa với cả 2 đầu của trục nam châm. 2 đầu mút gồm những răng được từ hóa bởi mỗi cực của trục nam châm. Răng rotor của 1 đầu mút dịch 1 nửa bước răng để 1 răng của đầu mút trùng khớp với đầu còn lại. Mặt chiếu cắt ngang thẳng đứng theo trục X-X’ và Y-Y’ ĐC bước hỗn hợp (lai) + Cấu tạo Như ta thấy, Stator bao gồm 4 cực được kích thích bởi 2 cuộn dây stator theo cặp. Rotor có 5 cực N ở 1 đầu và 5 cực S ở đầu còn lại của trục nam châm. Góc bước của động cơ là: + Nguyên lý hoạt động ĐC bước hỗn hợp (lai) In Fig. 39.8 (a), phase A is shown excited such that the top stator pole is a S-pole so that it attracts the top N-pole of the rotor and brings it in line with the A-A’ axis. To turn the rotor, phase A is denergized and phase B is excited positively. The rotor will turn in the CCW direction by a full step of 18o. Pha A được kích thích làm phần đỉnh cực stator trở thành cực S hút cực N của rotor và tạo thành đường thẳng theo trục A-A’ . Để quay rotor, pha A ngừng hoạt động và pha B được kích thích. Rotor sẽ quay theo chiều kim đồng hồ đủ 1 góc 18o. Next, phase A and B are energize negatively one after the other to produce further rotations of 18o each in the same direction. Kế tiếp, 2 pha A và B luân phiên hoạt động để làm rotor tiếp tục quay thêm những góc 18o theo cùng chiều. The truth table is shown in Fig. 39.9 (a). For producing clockwise rotation, the phase sequence should be A+; B─; A─; B+; A+ etc. Bảng trạng thái hoạt động được cho trong hình. Để quay theo chiều kim đồng hồ, các pha phải hoạt động theo trình tự A+; B─; A─; B+; A+ … Practical hybrid stepping motors are built with more rotor poles than shown in Fig. 39.9 in order to give higher angular resolution. Hence, the stator poles are often slotted or castleated to increase the number of stator teeth. Thực tế động cơ bước hỗn hợp có nhiều cực rotor hơn so với hình để đạt được độ phân giải góc cao. Do đó, cực stator thường được chia rãnh hoặc castleated để tăng số răng stator. + Nguyên lý hoạt động ĐC bước hỗn hợp (lai) + Nguyên lý hoạt động ĐC bước hỗn hợp (lai) As shown in Fig. 39.9 (b), each of the eight stator poles has been alloted or castleated into five smaller poles making Ns=8x5=40. If rotor has 50 teeth, then step angle =(50-40)x360o/50x40=1.8o. Step angle can also be decreased (and hence resolution increased) by having more than two stacks on the rotor. Như trong hình 39.9 (b), mỗi 8 cực stator được phân bố hay castleated vào trong 5 cực nhỏ hơn tạo Ns= 8x5=40o. Nếu rotor có 50 răng, thì góc bước = (50-40)x360o/50x40= 1.8o. Góc bước có thể giảm hơn (do đó tăng độ phân giải) bằng cách có nhiều hơn 2 răng trên rotor. + Ưu, nhược điểm This motor achieves small step size easily and with a simpler magnet structure whereas a purely PM motor requires a multiple permanent-magnet. As compared to VR motor, hybrid motor requires less excitation to achieve a given torque. However, like a PM motor, this motor also develops good detent torque provided by the permanent-magnet flux. This torque holds the rotor stationary while the power is switched off. This fact is quite helpful because the motor can be left overnight without fear of its being accidentally moved to a new position. Động cơ tạo được bước nhỏ một cách dễ dàng với 1 nam châm đơn giản trong khi động cơ PM yêu cầu nhiều nam châm vĩnh cửu. So với động cơ VR, động cơ hỗn hợp cần kích thích để tạo ra moment. Tuy nhiên, giống với động cơ PM, nó cũng tạo ra moment hãm tốt do nam châm vĩnh cửu. Moment giữ rotor lại khi ngắt nguồn điện cung cấp cho động cơ. Điều này khá hữu ích vì động cơ có thể vận hành mà không cần lo sợ sự cố dịch chuyển đến vị trí khác. ĐC bước hỗn hợp (lai) Tổng hợp đặc điểm động cơ bước A stepper motor can be looked upon as a digital electromagnetic device where each pulse input results in a discrete output i.e. a definite angle of shaft rotation. It is ideally suited for open-loop operation because by keeping a count of the number of input pulses, it is possible to know the exact position of the rotor shaft. 1 động cơ bước có thể dược xem giống như 1 thiết bị điện tử số khi mà với mỗi xung sẽ làm cho ngõ ra rotor quay 1 góc. Nó lý tưởng phù hợp với 1 quá trình vòng hở bởi vì bằng cách đếm số xung vào ta có thể biết được chính xác vị trí của rotor. 1 Tổng hợp đặc điểm động cơ bước In a VR motor, excitation of the stator phases gives rise to a torque in a direction which minimizes the magnetic circuit reluctance. The reluctance torque depends on the square of the phase current and its direction is independent of the polarity of the phase current. A VR motor can be a single-stack or multi-stack motor. The step angle β =360o/mNr where Nr is the number of rotor teeth and m is the number of phases in the single-stack motor or the number of stacks in the multi-stack motor. Trong động cơ VR, kích thích của 1 pha stator sẽ trực tiếp tăng moment và làm giảm đến mức tối thiểu từ trở biến thiên của mạch từ. Moment từ trở phụ thuộc vào bình phương dòng điện pha và hướng của nó độc lập với cực của dòng pha. 1 động cơ VR có thể đơn hoặc đa ngăn. Góc bước β =360o/mNr với Nr là số tăng rotor và m là số pha trong đơn ngăn hoặc số ngăn trong đa ngăn. 2 Tổng hợp đặc điểm động cơ bước A permanent-magnet stepper motor has permanently-magnetized cylindrical rotor. The direction of the torque produced depends on the polarity of the stator current. 1 động cơ bước nam châm vĩnh cửu có rotor hình trụ nam châm vĩnh cửu. Hướng của moment phụ thuộc vào cực của dòng stator. A hybrid motor combines the features of VR and PM stepper motors. The direction of its torque also depends on the polarity of the stator current. Its step angle β =360o/mNr. 1 động cơ hỗn hợp bao gồm các đặc tính của động cơ bước VR và PM. Hướng của moment phụ thuộc vào cực của dòng stator. Góc bước β =360o/mNr. 3 4 Tổng hợp đặc điểm động cơ bước Half-stepping can be achieved by alternating between the 1-phase-ON and 2-phase-ON mode. Step angle is reduced by half. Nửa bước bằng cách luân phiên giữa chế độ 1-pha-On và 2-pha-ON. Góc bước giảm 1 nửa. Microstepping is obtained by deliberately making two phase currents unequal in the 2-pha-ON mode. Vi bước bằng cách giữ cho dòng pha không cân bằng trong chế độ 2-pha-ON. In the 1-phase-ON mode of excitation, the rotor moves by one full-step for each change of excitation. In the 2-phase-ON mode, the rotor moves in full step although it comes to rest at a point midway between the two adjacent full-step positions. Trong kích thích chế độ 1-pha-ON, rotor di chuyển 1 bước đủ mỗi lần thay đổi kích thích. Trong chế độ 2-pha-ON, rotor dịch chuyển 1 bước đủ dù nó có 1 điểm nghỉ ở giữa 2 bước đủ cạnh nhau. 6 5 7 END