C
Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ
chuyển mạch. Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm
vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng
làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên
ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế
để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất
kỳ vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh,
cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có
thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ.
Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước. Cả
hai loại động cơ này đều như nhau vì có thể xác định được vị trí chính xác,
nhưng chúng cũng khác nhau ở một số điểm. Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi
tiếp analog. Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ tắc‐cô để cung cấp tín hiệu hồi
tiếp về vị trí của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị
trí mong muốn và vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần.
Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xét một số vấn đề,
và nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế. Ví dụ, khả năng trở về một vị trí đã
vượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả năng
lặp lại vị trí của động cơ servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô
và các linh kiện analog khác trong mạch hồi tiếp.
Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản;
những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh,
nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ
điều khiển vòng kín với động cơ bước. Nếu một động cơ bước trong hệ điều
khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ
thống phải nhận diện lại; servo motor thì không xảy ra vấn đề này.
Động cơ bước trong tiếng Đức là SCHRITTMOTOREN, trong tiếng Pháp là
MOTEURS PAS À PAS, và trong tiếng Tây Ban Nha là MOTOR PASO PASO.
Từ step‐motor và stepper motor cũng được dùng khá phổ biến.
Một số trang web khác về điều khiển động cơ
http://www.ams2000.com/stepping101.html
một tài liệu hướng dẫn tóm gọn rất hay
http://motioncontrol.com/
trang web thương mại về điều khiển chuyển động
http://www.doc.ic.ac.uk/~ih/doc/stepper/
http://www.euclidres.com/apps/stepper_motor/stepper.html
Một số nhà cung cấp động cơ
http://www.ams2000.com/
http://www.dmicrotek.com/ (động cơ rất bé)
http://www.eadmotors.com/ (động cơ cỡ trung bình)
http://www.gunda‐gmbh.de/ (German)
http://www.hsi‐inc.com/
http://www.linengineering.com/ (100 to 800 steps per revolution)
http://www.micromo.com/ (động cơ siêu nhỏ)
http://www.mitsumi.co.jp/cgi‐bin/agree.cgi?lang=1 (Japan)
Các loại động cơ bước
Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (cũng có
loại động cơ hỗn hợp nữa, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam châm
vĩnh cửu). Nếu mất đi nhãn trên động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại
động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng. Động cơ nam
châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của
chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm
thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Bạn cũng có
thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế. Động cơ biến từ trở thường có 3
mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường
có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm. Nút trung tâm được
dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực.
Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi
bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8
độ đến 0.72 độ mỗi bước. Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam
châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ
điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước.
Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một
mấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và
sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment
xoắn giữ (hold torque) của động cơ.
Hình 1.1Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình 1.1, với một
đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hẳn là một động cơ biến từ trở.
Khi sử dụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và
các cuộn được kích theo thứ tự liên tục.
Dấu thập trong hình 1.1 là rotor của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước.
Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai
cực đối diện. Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1. Nếu
dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 30 độ theo
chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2.
Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân
phiên cho 3 cuộn. Theo logic đặt ra, trong bảng dưới đây 1 có nghĩa là có dòng
điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim
đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng:
Cuộn 1 1001001001001001001001001
Cuộn 2 0100100100100100100100100
Cuộn 3 0010010010010010010010010
thời gian ‐‐>
Phần Điều khiển mức trung bình cung cấp chi tiết về phương pháp tạo ra các
dãy tín hiệu điều khiển như vậy, và phần Các mạch điều khiển bàn về việc
đóng ngắt dòng điện qua các cuộn để điều khiển động cơ từ các chuỗi như thế.
Hình dạng động cơ được mô tả trong hình 1.1, quay 30 độ mỗi bước, dùng số
răng rotor và số cực stator tối thiểu. Sử dụng nhiều cực và nhiều răng hơn cho
phép động cơ quay với góc nhỏ hơn. Tạo mặt răng trên bề mặt các cực và các
răng trên rotor một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ đến vài độ.
Hình 1.2Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc
8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 1.2, với một đầu nối trung tâm trên
các cuộn. Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương
nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ
trường tạo bởi cuộn đó.
Sự khác nhau giữa hai loại động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực và động cơ hỗn
hợp đơn cực không thể nói rõ trong nội dung tóm tắt của tài liệu này. Từ đây,
khi khảo sát động cơ đơn cực, chúng ta chỉ khảo sát động cơ nam châm vĩnh cửu,
việc điều khiển động cơ hỗn hợp đơn cực hoàn toàn tương tự.
Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và
bên trái động cơ. Rotor là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và 3 Bắc,
xếp xen kẽ trên vòng tròn.
Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng hơn.
Động cơ 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ nam
châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5 độ là khá
lớn. Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là
1.8 độ và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.6 độ đến
1.8 độ, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.72 độ.
Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra
cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở
mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay động cơ
một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy.
Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110011001
Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110
Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100
Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011
thời gian ‐‐> thời gian ‐‐>
Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai
dãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời
điểm. Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong
hình trên; vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho
cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoắy lớn hơn dãy bên
trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần.
Phần Điều khiển mức trung bình trong tài liệu này sẽ cung cấp chi tiết về
phương pháp tạo ra những dãy tín hiệu điều khiển như vậy, còn phần Các mạch
điều khiển nói về mạch đóng ngắt các mạch điện cần thiết để điều khiển các
mấu động cơ từ các dãy điều khiển trên.
Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả, kết hợp 2
chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một cách lần
lượt tại những vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên. Chuỗi kết hợp như sau:
Mấu 1a 11000001110000011100000111
Mấu 1b 00011100000111000001110000
Mấu 2a 01110000011100000111000001
Mấu 2b 00000111000001110000011100
Thời gian ‐‐>
Hình 1.3Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí giống y
như động cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn,
không có đầu trung tâm. Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng
mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn. Minh
hoạ ở hình 1.3 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở đây giống y
như ở hình 1.2.
chuyển mạch. Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm
vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng
làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên
ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế
để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất
kỳ vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh,
cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có
thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ.
Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước. Cả
hai loại động cơ này đều như nhau vì có thể xác định được vị trí chính xác,
nhưng chúng cũng khác nhau ở một số điểm. Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi
tiếp analog. Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ tắc‐cô để cung cấp tín hiệu hồi
tiếp về vị trí của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị
trí mong muốn và vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần.
Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xét một số vấn đề,
và nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế. Ví dụ, khả năng trở về một vị trí đã
vượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả năng
lặp lại vị trí của động cơ servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô
và các linh kiện analog khác trong mạch hồi tiếp.
Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản;
những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh,
nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ
điều khiển vòng kín với động cơ bước. Nếu một động cơ bước trong hệ điều
khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ
thống phải nhận diện lại; servo motor thì không xảy ra vấn đề này.
Động cơ bước trong tiếng Đức là SCHRITTMOTOREN, trong tiếng Pháp là
MOTEURS PAS À PAS, và trong tiếng Tây Ban Nha là MOTOR PASO PASO.
Từ step‐motor và stepper motor cũng được dùng khá phổ biến.
Một số trang web khác về điều khiển động cơ
http://www.ams2000.com/stepping101.html
một tài liệu hướng dẫn tóm gọn rất hay
http://motioncontrol.com/
trang web thương mại về điều khiển chuyển động
http://www.doc.ic.ac.uk/~ih/doc/stepper/
http://www.euclidres.com/apps/stepper_motor/stepper.html
Một số nhà cung cấp động cơ
http://www.ams2000.com/
http://www.dmicrotek.com/ (động cơ rất bé)
http://www.eadmotors.com/ (động cơ cỡ trung bình)
http://www.gunda‐gmbh.de/ (German)
http://www.hsi‐inc.com/
http://www.linengineering.com/ (100 to 800 steps per revolution)
http://www.micromo.com/ (động cơ siêu nhỏ)
http://www.mitsumi.co.jp/cgi‐bin/agree.cgi?lang=1 (Japan)
Các loại động cơ bước
Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (cũng có
loại động cơ hỗn hợp nữa, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam châm
vĩnh cửu). Nếu mất đi nhãn trên động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại
động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng. Động cơ nam
châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của
chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm
thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Bạn cũng có
thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế. Động cơ biến từ trở thường có 3
mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường
có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm. Nút trung tâm được
dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực.
Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi
bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8
độ đến 0.72 độ mỗi bước. Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam
châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ
điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước.
Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một
mấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và
sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment
xoắn giữ (hold torque) của động cơ.
Hình 1.1
đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hẳn là một động cơ biến từ trở.
Khi sử dụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và
các cuộn được kích theo thứ tự liên tục.
Dấu thập trong hình 1.1 là rotor của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước.
Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai
cực đối diện. Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1. Nếu
dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 30 độ theo
chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2.
Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân
phiên cho 3 cuộn. Theo logic đặt ra, trong bảng dưới đây 1 có nghĩa là có dòng
điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim
đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng:
Cuộn 1 1001001001001001001001001
Cuộn 2 0100100100100100100100100
Cuộn 3 0010010010010010010010010
thời gian ‐‐>
Phần Điều khiển mức trung bình cung cấp chi tiết về phương pháp tạo ra các
dãy tín hiệu điều khiển như vậy, và phần Các mạch điều khiển bàn về việc
đóng ngắt dòng điện qua các cuộn để điều khiển động cơ từ các chuỗi như thế.
Hình dạng động cơ được mô tả trong hình 1.1, quay 30 độ mỗi bước, dùng số
răng rotor và số cực stator tối thiểu. Sử dụng nhiều cực và nhiều răng hơn cho
phép động cơ quay với góc nhỏ hơn. Tạo mặt răng trên bề mặt các cực và các
răng trên rotor một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ đến vài độ.
Hình 1.2
8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 1.2, với một đầu nối trung tâm trên
các cuộn. Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương
nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ
trường tạo bởi cuộn đó.
Sự khác nhau giữa hai loại động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực và động cơ hỗn
hợp đơn cực không thể nói rõ trong nội dung tóm tắt của tài liệu này. Từ đây,
khi khảo sát động cơ đơn cực, chúng ta chỉ khảo sát động cơ nam châm vĩnh cửu,
việc điều khiển động cơ hỗn hợp đơn cực hoàn toàn tương tự.
Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và
bên trái động cơ. Rotor là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và 3 Bắc,
xếp xen kẽ trên vòng tròn.
Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng hơn.
Động cơ 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ nam
châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5 độ là khá
lớn. Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là
1.8 độ và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.6 độ đến
1.8 độ, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.72 độ.
Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra
cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở
mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay động cơ
một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy.
Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110011001
Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110
Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100
Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011
thời gian ‐‐> thời gian ‐‐>
Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai
dãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời
điểm. Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong
hình trên; vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho
cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoắy lớn hơn dãy bên
trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần.
Phần Điều khiển mức trung bình trong tài liệu này sẽ cung cấp chi tiết về
phương pháp tạo ra những dãy tín hiệu điều khiển như vậy, còn phần Các mạch
điều khiển nói về mạch đóng ngắt các mạch điện cần thiết để điều khiển các
mấu động cơ từ các dãy điều khiển trên.
Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả, kết hợp 2
chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một cách lần
lượt tại những vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên. Chuỗi kết hợp như sau:
Mấu 1a 11000001110000011100000111
Mấu 1b 00011100000111000001110000
Mấu 2a 01110000011100000111000001
Mấu 2b 00000111000001110000011100
Thời gian ‐‐>
Hình 1.3
như động cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn,
không có đầu trung tâm. Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng
mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn. Minh
hoạ ở hình 1.3 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở đây giống y
như ở hình 1.2.
Last edited by a moderator:
