LỜI NÓI ĐẦU Việt Nam ta ngày giàu giàu mạnh tạo nhiều bước ngoặc đáng kể để thay đổi đất nước tạo hội cho nắm bắt nhiều thành tựu vĩ đại giới, đặc biệt lĩnh vực khoa học kĩ thuật Vì hệ trẻ cần phấn đấu khơng ngừng học hỏi để ko lạc hạu so với nước giới.Việc nghiên cứu chuyên đề kĩ thuật giúp nắm bắt rõ công nghệ tạo tảng vững cho sinh viên trình học tập làm việc Hiện hầu hết nhà máy, xí nghiệp sử dụng rộng rãi loại động trình sản xuất để nâng cao suất chât lượng sản phẩm Vì vậy, nhóm em chọn đề tài “nghiên cứu điều khiển tốc độ động bước” Đây đề tài có tính ứng dụng rộng rãi thực tế không xa lạ với người ứng dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng Ví dụ như: máy tính, máy in, đầu DVD, CD, rót nước tự động, băng tải, Nội dung báo cáo nghiên cứu vấn đề khái niệm cấu tạo, phân loại, nguyên tắc điều khiển động cơ, ứng dụng hệ truyền động động bước Thơng qua quan sát, tìm hiểu thực tế, kiến thức học lớp với hướng dẫn giảng viên chúng em có sở nghiên cứu đề tài cách khách quan Bên cạnh khơng thể tránh hạn chế trình độ nên sai sót mong nhận góp ý từ thầy để chúng em hiểu rõ đề tài Đề tài chúng em trình bày qua mục *Đặt vấn đề *Nội dung nghiên cứu kết *Kết luận kiến nghị CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ Trong điều khiên kĩ thuật số, động bước cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu thực lệnh đưa dạng số Các nước có kĩ thuật phát triển giới Đức, Mỹ, Nhật, Trung Quốc, nước chế tạo nhiều động bước, chủ yếu loại cuộn, cuộn, cuộn dây pha Chúng sủ dụng ngày rộng rãi hệ thống tự động, điều khiển từ xa nhiều thiết bị điện tử khác, bật lĩnh vực: điều khiển đọc ổ cúng, ổ mềm, máy in hệ máy tính, điều khiển robot, điều khiển tiêu cự hệ quang học, điều khiển vị trí hệ quang phức tạp, điều khiển bắt, bám mục tiêu khí tài quan sát, điều khiển lập trình trình gia công, cắt gọt, điều khiển cấu lái phương chiều máy bay, Hiện nước ta q trình cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước, việc ứng dụng thành tựu khoa học kĩ thuật giới vào trình sản xuất đời sống thực cần thiết Vì việc nghiên cứu động bước đề tài trọng đầu tư phát triển Việt Nam Do hạn chế mặt kĩ thuật nên trình độ nên việc nghiên cứu gặp số trở ngại để ứng dụng vào đời sống thực tiễn Việc ứng dụng rộng rãi động bước góp phần mang lại lợi ích to lớn nâng cao suất lao động, nâng cao chất lượng sống, thúc đẩy nhanh trình phát triển quốc gia, tản việc phát triển khoa học kĩ thuật Nhận thấy lợi ích ứng dụng to lớn động bước nên nhóm chúng em lựa chọn đề tài để nghiên cứu nhằm tạo hội tìm hiểu kĩ động bước để có tảng kiến thức đáp ứng cho việc nghiên cứu làm việc sau Do thời gian có hạn hạn chế mặt kiến thức nên nhóm chúng em tìm hiểu khái niệm cấu tạo, phân loại, nguyên tắc điều khiển động cơ, ứng dụng hệ truyền động động bước Qua quan sát tìm hiểu thực tế sản xuất đời sống với kiến thức thầy hướng dẫn lớp nhóm chúng em cố gắng đưa mặt kiến thức sâu xác đề tài CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 2.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC - Khái niệm: Động bước mơ tả động điện không dùng chuyên mạch Cụ thể, mẫu động Stator Rotor nam châm vĩnh cửu trường hợp động biến từ trở, khối làm vật liệu nhẹ có từ tính Tất mạch đảo phải điều khiển bên điều khiển, đặc biệt động điều khiển thiết kế để động giữ ngun bắt kỳ vị trí định quay đến bắt kỳ vị trí Hầu hết động bước chuyển động tần số âm thanh, cho phép chúng quay nhanh, với điều khiển thích hợp, chúng có thê khởi động dừng lại dễ dàng vị trí Động bước loại động điện có nguyên lý ứng dụng khác biệt với đa số động điện thông thường Thực chất động đồng dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyền động góc quay chuyền động rotor có khả định rơ to vị trí cần thiết - Nguyên lý hoạt động động bước: Động bước không quay theo chế thông thường, chúng quay theo bước nên có độ xác cao mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ chuyển mạch điện tử đưa tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự tần số định Tổng số góc quay rơto tương ứng với số lần chuyển mạch, chiều quay tốc độ quay rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi tần số chuyển đổi - Cấu tạo động bước: Động bước coi tổng hợp hai loại động cơ: Động chiều không tiếp xúc động đồng giảm tốc công suất nhỏ - Ứng dụng động bước: Động bước dùng hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản,những hệ thống đảm bảo cho hệ thống điều khiến gia tốc với tải trọng tĩnh, tải trọng thay đổi điều khiến gia tốc lớn, người ta dùng hệ điều khiển vòng kín với động bước Nếu động bước hệ điều khiển vòng mở tải, tất giá trỊ vị trí động bị mắt hệ thống phải nhận diện lại; servo motor không xảy vấn đề Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động bước cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu thực trung thành lệnh đưa dạng số Động bước ứng dụng nhiều ngành Tự động hoá, chúng ứng dụng thiết bị cần điều khiển xác Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự hệ quang học, điều khiển định vị hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu khí tài quan sát, điều khiển lập trình thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển cấu lái phương chiều máy bay Trong công nghệ máy tính, động bước sử dụng cho loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in 2.2 Phân loại đặc điểm động bước 2.2.1 Phân loại Xét câu tạo động bước có loại chính: Động bước nam châm vĩnh cửu Động bước biến trở từ Động bước lai (động bước hỗn hợp) Về động bước lai khơng khác biệt với động nam châm vĩnh cửu Nếu nhãn động nam châm vĩnh cửu động biến trở từ, phân biệt hai loại động cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng Động nam châm vĩnh cửu dường có nắc bạn dùng tay xoay nhẹ rotor chúng, động biến từ trở dường xoay tự (mặc dù cảm thấy chúng có nắc nhẹ giảm từ tính rotor) Ta có thê phân biệt hai loại động ohm kế Động biến từ trở thường có mấu, với dây chung, đó, động nam châm vĩnh cửu thường có hai mắấu phân biệt, có khơng có nút trung tâm Nút trung tâm dùng động nam châm vĩnh cửu đơn cực Động bước phong phú góc quay Các động quay 90 độ bước, động nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 đến 0.72 độ bước Với điều khiến, hầu hết loại động nam châm vĩnh cửu hỗn hợp chạy chế độ nửa bước, vài điều khiến có thê điều khiến phân bước nhỏ hay gọi vi bước Đối với động nam châm vĩnh cửu động biến từ trở, mẫu động kích, rotor (ở khơng tải) nhảy đến góc cố định sau giữ nguyên góc moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ (hold torque) động 2.2.2 Đặc điểm loại động bước 2.2.2.1 Động nam châm vĩnh cửu Động nam châm vĩnh cửu lại chia làm loại: Kiểu đơn cực, kiểu lưỡng cực, kiêu nhiều pha A, Kiểu đơn cực Hình Động nam châm vĩnh cửu kiểu đơn cực Động bước đơn cực, nam châm vĩnh cửu động hỗn hợp, với 5, dây thường qn sơ hình 1, với đâu nơi trung tâm cuộn Khi dùng, đâu nôi trung tâm thường nôi vào cực dương nguôn câp, hai đâu lại mơi mâu lân lượt nôi đât đê đảo chiêu từ trường tạo cuộn Mẫu năm cực stator, mẫu nằm hai cực bên phải bên trái động Rotor nam châm vĩnh cửu với cực, Nam Bắc, xếp xen kẽ vòng tròn Để xử lý góc bước mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng Động 30 độ bước hình thiết kế động nam châm vĩnh cửu thông dụng nhất, động có bước I5 độ 7.5 độ lớn Người ta tạo động nam châm vĩnh cửu với bước 1.8 độ với động hỗn hợp bước nhỏ đạt 3.6 độ đến 1.8 độ, tốt nữa, có thê đạt đến 0.72 độ Như hình, dòng điện qua từ đầu trung tâm mẫu đến đầu a tạo cực Bắc stator cực lại stator cực Nam Nếu điện mẫu bị ngắt kích mẫu 2, rotor quay 30 độ, hay I bước Để quay động cách liên tục, cần áp điện vào hai mẫu đông theo dãy: Mấu la 1000100010001000100010001 Mắu 1a 1100110011001100110011001 Mấu Ib 0010001000100010001000100 Mắu 1b 0011001100110011001100110 Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mắu 2a 0110011001100110011001100 Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mắu 2b 1001100110011001100110011 Thời gian > Thời gian > Nhớ hai nửa mẫu khơng kích lúc Cả hai dãy nêu quay động nam châm vĩnh cửu bước thời điểm Dãy bên trái cấp điện cho mẫu thời điểm, mơ tả hình Vì vậy, dùng lượng Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho hai mẫu lúc nói chung tạo moment xoắn lớn dãy bên trái 1.4 lần phải cấp điện gấp lần Vị trí bước tạo hai chuỗi không giống nhau; kết quả, kết hợp chuỗi cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cách vị trí nêu hai dãy Chuỗi kết hợp sau: Mẫu la 11000001110000011100000111 Mẫu Ib 00011100000111000001110000 Mẫu 2a 01110000011100000111000001 Mẫu 2b 00000111000001110000011100 Thời gian > Hình Hình minh họa cấp xung điều khiển B, Kiểu đơn cực Động nam châm vĩnh cửu hỗn hợp lưỡng cực có cầu trúc khí giống y động đơn cực, hai mẫu động nối đơn giản hơn, khơng có đầu trung tâm Vì vậy, thân động đơn giản hơn, mạch điều khiến để đảo cực cặp cực động phức tạp Minh hoạ hình cách nối động cơ, phần rotor giống y hình Mạch điều khiển cho động đòi hỏi mạch điều khiển cầu H cho mẫu Tóm lại, cầu H cho phép cực nguôn áp đến đầu mẫu điều khiển cách độc lập Các dãy điều khiển cho bước đơn loại động nêu bên dưới, dùng + - đê đại diện cho cực nguôn áp áp vào môi đâu động cơ: Đầu la + - + - + - + - ++ ++ ++ ++ + Đầu 1b + - + - + - + - ++ ++ ++ ++ + Đầu 2a - + - + - + - + - ++ ++ ++ ++ + - Đầu 2b - + - + - + - + + ++ ++ ++ ++ + thời gian > Hình Cách nối động Chú ý dãy giống động nam châm vĩnh cửu đơn cực, mức độ lý thuyết, mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điều khiến cho hai loại động giông Để phân biệt động nam châm vĩnh cửu hai cực với động dây biến từ trở, đo điện trở cặp dây Chú ý vài động nam châm vĩnh cửu có mắu độc lập, xếp thành Trong bộ, hai mẫu nối tiếp với nhau, động hai cực điện cao Nếu chúng nỗi song song, động hai cực dùng điện thấp Nếu chúng nồi tiếp với đầu trung tâm, dùng với động đơn cực điên thấp C, Kiểu nhiều pha Hình Các pha cách nối dây động bước pha thành đầu Một phận động không phố biến loại động nam châm vĩnh cửu mà cuộn quấn nối tiếp thành vòng kín hình Thiết kế phơ biến loại sử dụng dây nối pha pha Bộ điều khiển cần 1⁄2 cầu H cho đầu động cơ, động có thê cung cấp moment xoắn lớn so với loại động bước khác kích thước Một vài động pha xử lý cấp cao để có bước 0.72” (500 bước vòng) Với động pha quay mười bước vòng bước, trình bày đây: Đầu I +++ - +++++ - ++ Đầu +++++ +++++ Đầu + - - - - - +++++ - ++++ Đầu 4+ ++++ +++++ Đầu + + +++ +++++thời gian > Ở đây, giống trường hợp động hai cực, đầu nối vào cực dương cực âm hệ thống cấp điện động Chú ý rằng, bước, có đầu thay đối cực Sự thay đối làm ngắt điện mấu nối vào đầu (bởi hai đầu mấu có điện cực) áp điện vào mấu trạng thái nghỉ trước Hình dạng động đề nghị hình 4, dãy điều khiển điều khiến động quay vòng Đề phân biệt động pha với loại động có dây dẫn chính, cần nhớ rằng, điện trở đầu liên tiếp động pha R, điện trở hai đầu không liên tiếp 1.5R Và cần ghi nhận vài động pha có mẫu chia, với 10 đầu dây dẫn Những dây nối thành hình sử dụng mạch điều khiến gồm nửa cầu H, nói cách khác mắu có thê điều khiển vòng cầu H đầy đủ Đề tránh việc tính tốn lý thuyết với linh kiện điện tử, dùng chip mạch cầu tích hợp đầy đủ đề tính tốn gần 2.2.2.2 Động bước biến trở từ Hình Nếu motor có cuộn dây, nói biểu đồ hình 5, với đầu nối chung cho tất cuộn, hăn động biến từ trở Khi sử dụng, dây nôi chung (C) thường nối vào cực dương nguồn cuộn kích theo thứ tự liên tục Dấu thập hình rotor động biến từ trở quay 30 độ bước Rotor động có stator có cực, cuộn quân quanh hai cực đối diện Khi cuộn Ï kích điện, X rotor bị hút vào cực Nếu dòng qua cuộn bị ngắt đóng dòng qua cuộn 2, rotor quay 30 độ theo chiều kim đồng hồ Y hút vào cực Để quay động cách liên tục, cần cấp điện liên tục luân phiên cho cuộn Theo logic đặt ra, bảng l có nghĩa có dòng điện qua cuộn, chuỗi điều khiến sau quay động theo chiều kim đồng hồ 24 bước vòng: Cuộn I 1001001001001001001001001 Cuộn 0100100100100100100100100 Cuộn 0010010010010010010010010 thời gian > Hình dạng động mơ tả hình 2.1, quay 30 độ bước, dùng số rotor số cực stator thiểu Sử dụng nhiều cực nhiều cho phép động quay với góc nhỏ Tạo mặt bề mặt cực rotor cách phù hợp cho phép bước nhỏ đến vài độ 2.2.2.3 Động bước lai Hình Về cấu tạo kết hợp loại trên, phát huy ưu điểm loại Rotor cho động bước lai có nhiều , giống loại từ thơng thay đổi, chứa lõi từ hóa tròn đồng tâm xoay quanh trục Có moomen hãm ngắt điện,có mơmen giữ mơmen quay lớn, hoạt động với tốc độ cao có số bước lớn 2.3 Đặc điểm hệ truyền động điện động bước Hệ truyền động động bước có đặc điểm bản: Không chỗi than: Không xảy tượng đánh lửa chỗi than làm tôn hao lượng, số mơi trường đặc biệt (hầm lò ) gây nguy hiểm 2.Tạo mơmen giữ: Một đề khó điều khiến điều khiển động tốc độ thấp mà giữ mômen tải lớn Động bước thiết bị làm việc tốt vùng tốc độ nhỏ Nó giữ mơmen chí vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại từ trường rotor Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi lớn động bước ta điều chỉnh vị trí quay roto theo ý muốn mà khơng cần đến phản hồi vị trí động khác, dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo) Độc lập với tải: Với loại động khác, đặc tính tải ảnh hưởng tới chất lượng điều khiến Với động bước, tốc độ quay rotor không phụ thuộc vào tải (khi nằm vùng momen kéo được) Khi momen tải lớn gây tượng trượt, khơng thê kiểm sốt góc quay Đáp ứng tốt: Dộng bước đáp ứng tốt khởi động, dừng đảo chiều quay cách dễ dàng 2.4 Nguyên lý hoạt động mạch điều khiển 2.4.1 Nguyên lý hoạt động Khác với động đồng bình thường, rơto động bước khơng có cuộn dây khởi động mà khởi động bàng phương pháp tân sô.Rôto cửa động bước có thê kích thích (rơto tích cục) khơng kích thích (rơto thụ động) Hình Sơ đồ ngun lý đơng bước m pha với rơto có cực (2p=2) khơng kích thích Động bước không quay theo chế thông thường, chúng quay theo bước nên có độ xác cao mặt điều khiến học Chúng làm việc nhờ chuyền mạch điện tử đưa tín hiệu điều khiến vào sfato theo thứ tự tần số định Tổng số góc quay rơto tương ứng với số lần chuyên mạch, chiều quay tốc độ quay rôto phụ thuộc vào thử tự chuyển đơi tần số chuyển đối Hình Hình minh họa thứ tự cấp điện cuộn dây bước 2.4.2 Điều khiến tốc độ chiều quay động bước Động bước thường quay theo bước xác định mà thường sử dụng chủ yếu để điều khiến thích nghi nghĩa tốc độ quay biến đổi liên tục,thậm chí động bước phải dừng đứng yên vị trí bám sát.với lẽ đó,vận tốc quay động cơbước thường ln hiểu vận tốc trung bình Vtb f : tần số dịch bước (f=n/t ,trong t giây ta thực n lần dịch bước lần dịch bước) : góc bước động Từ công thức ta thấy Việc điều khiến động bước thực băng cách thay đổi tần số dịch bước f.lưu ý tần số dịch bước f trường hợp tổng quát không đồng với tần số xung điều khiển,mà tổ hợp biến đổi trạng thải cá xung điều khiển việc điều khiển thực vi xử lý Vận tốc tức thời vận tốc trung bình thị mơ men -vận tốc phải nhỏ vận tốc cực đại v„ụạ„ mơ men động giữ mức cực đại Chiều quay động bước phụ thuộc vào thứ tự chuyên dịch bước(thứ tự chuyển dịch trạng thái cấp điện cuộn dây).Chăng hạn ,rô to vị trí bước thứ n;nếu ta cấp điện cho chuyền sang vị trí bước thứ (n+1) động quay phải; ta cấp điện cho rô to chun sang vị trí bước thứ(n-1) động quay trái việc phát xung để cấp điện xử lý điều khiển Với động 2pha,điều khiển bước có trạng thái cấp điện,nếu điều khiển nửa bước có trạng thái cấp điện.với động pha cấp xung] cực có trạng thái cho trường hợp điều khiển bước nửa bước.bảng sau bước có trạng thái 1,3,5,7 2,4,6,8.cả bước có 8§ trạng thái động pha 2.5 Các chế độ hoạt động Động bước hoạt động chế độ: Full step, haÏlf step micro step Chế độ full step Động bước tiêu chuẩn có rotor 200 , 200 full step cho trục xoay động Chia 200 bước cho 360 ° 's góc full step 1,8 ° Thông thường, chế độ full step thực băng cách tiếp điện cho theo thứ tự liên số chăn cuộn dây số lẻ cuộn dây, trì dòng thay đơi Về đầu vào từ trình điều khiển tương đương bước Chế độ half step Half step đơn giản có nghĩa động quay 400 bước vòng Trong chế độ này, cuộn dây tiếp điện sau hai cuộn dây tiếp điện thay phiên ( cách cấp điện theo thứ tự số lẻ cuộn dây tới số chãn cuộn dây ngược lại), làm cánh quạt xoay nửa khoảng cách, 0,9 ° 1s, (Các tác dụng tương tự đạt cách điều khiển chế độ full step với 400 bước cho môi vòng xoay động cơ) Tuy nhiên, nửa bước giải pháp thực tế ứng dụng công nghiệp Mặc dù cung cấp mơ-men xoắn Chế độ nửa bước giảm số lượng "sự tăng vọt" vốn có vận hành chế độ full step Chế độ micro step Công nghệ vi bước điều khiến dòng điện cuộn dây đến mức độ mà số vị trí cực chia nhỏ Bộ điều khiến vi bước AMS có khả luân phiên /256 bước (mỗi bước) tương ứng với 51.200 bước vòng xoay (đối với dòng động 1,8 độ) Vi bước thường sử dụng ứng dụng đòi hỏi phải định vị xác chuyển hóa tốt nhiều tốc độ  ... cửu Động bước biến trở từ Động bước lai (động bước hỗn hợp) Về động bước lai khơng khác biệt với động nam châm vĩnh cửu Nếu nhãn động nam châm vĩnh cửu động biến trở từ, phân biệt hai loại động. .. hệ điều khiển vòng kín với động bước Nếu động bước hệ điều khiển vòng mở tải, tất giá trỊ vị trí động bị mắt hệ thống phải nhận diện lại; servo motor khơng xảy vấn đề Trong điều khiển chuyển động. .. khởi động, dừng đảo chiều quay cách dễ dàng 2.4 Nguyên lý hoạt động mạch điều khiển 2.4.1 Nguyên lý hoạt động Khác với động đồng bình thường, rơto động bước khơng có cuộn dây khởi động mà khởi động