Hệ thông TĐĐ chính xác (hệ Servo) và TĐĐ sử dụng động cơ bước

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
225
Chương 12: Hệ thông TĐĐ chính xác (hệ Servo) và TĐĐ sử dụng
động cơ bước

11.2 Các đặc điểm của hệ TĐ Servo – Khái quát

Việc phân loại các chuyển động do các hệ TĐĐ tạo nên có thể được thực hiện
như sau:

1. Các chuyển động quay hay thẳng chủ yếu để

thắng mômen cản

của đối tượng TĐ (ví dụ: trong máy móc xử lý và gia công, trong máy công cụ).
Bộ ĐK tốc độ quay giúp thích ứng công suất cơ lấy từ động cơ v
ới đối tượng
TĐ. Phạm vi tốc độ quay của mục tiêu này thường nhỏ và thường chỉ cần tỷ lệ
1 : 10 là đủ. Vì đó cũng thường là nhiệm vụ chính của hệ TĐ, tất nhiên còn
thêm cả các nhiệm vụ khác, ta hay gọi đó là hệ TĐ chính (ví dụ) của một máy
công cụ.

Trọng tâm khi thiết kế thường nhằm đạt được hiệu suất t
ốt cho quá trình biến
đổi năng lượng.

2. Các chuyển động quay hay thẳng chủ yếu để

ĐK đặt vị trí cho phôi, dụng cụ hay chi tiết máy

của đối tượng TĐ (ví dụ: TĐ cho các trục Robot, TĐ đẩy của máy công cụ, TĐ
kéo trong hệ thông máy cán). Các hệ TĐ thuộc phạm trù này được gọi là

hệ TĐ chính xác (hệ TĐ Servo).

Hệ TĐ Servo thường cần phạm vi Đ
K tốc độ rất rộng (tới 1:10000). Đối với
chúng trọng tâm thiết kế thường nằm ở đòi hỏi có độ chính xác và động học
cao ( = chất lượng) đối với quá trình chuyển động.

Đối với nhiều hệ thống TĐ, có thể phải giải quyết kết hợp cả hai nhiệm vụ
(ví dụ: TĐ kéo phục vụ chuyển động từ A tới B, như
ng đôi khi cũng cần để ĐK đặt
vị trí chính xác cho xe được kéo tại điểm dừng, ví dụ: tại một bến tầu điện ngầm
hiện đại).


Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
226
12.2 Các đòi hỏi đối với hệ TĐ Servo

Dải công suất có giới hạn trên khoảng 30 kW. Vì hệ TĐ không cần được thiết kế
cho chế độ dài hạn, mà thường chỉ để vận hành ở chế độ ngắn hạn lặp lại với
chu kỳ đóng tương đối nhỏ (ED, t

r
), số liệu về công suất không còn ý nghĩa ưu
tiên nữa.

Quan trọng hơn là giá trị mômen danh định M
b
mà hệ TĐ có thể tạo nên và khả
năng quá tải mômen ngắn hạn (M
max
/M
b
), gắn liền với tốc độ quay tối đa N
max

cũng như phạm vi ĐK tốc độ quay, bao gồm cả hai chiều và tốc độ quay bằng
không. Số liệu về khả năng độ chính xác chạy đồng đều ở tốc độ quay thấp tới
mức nào, cần được bổ sung vào tài liệu kỹ thuật. Đối với ĐK đặt vị trí hay đặt góc
còn cần thêm cả các số liệu về độ phân giải của vị trí.

Hiện tại có thể coi các thông số danh định sau đây là giá trị định hướng cho
hệ TĐ Servo:

z Mômen quay danh định M
b
: tới 200 Nm (đôi khi có thể tới 500 Nm)
z Quá tải mômen quay M
max
/M
b
: 3 10

z Giới hạn trên của tốc độ quay N
max
: 20.000 min
-1

z Độ phân giải đo vị trí trục động cơ: tối đa 4.600.000 bước ứng với 0.0001
0

z Giới hạn dưới của tốc độ quay vẫn bảo đảm quay tròn đều: 0.01 min
-1

z Khả năng lặp lại của chuyển động thẳng phía sau hộp số: 0.1 µm

Xu hướng hiện tại là các hệ TĐ không cổ góp ít phải bảo dưỡng, sử dụng động
cơ ĐB kích thích vĩnh cửu (PMSM) dưới dạng BL-DC (Brushless DC-Motor) hoặc
động cơ XC3P-ĐB kích thích ngoài.
Loại động cơ MC kích thích vĩnh cửu chỉ còn ưu thế về giá trong các hệ TĐ với
mômen quay nh
ỏ (< 1 Nm).

Truyền động bước chiếm lĩnh vài phạm vi ứng dụng nhất định có đòi hỏi giá
thấp, mômen quay nhỏ (< 10 Nm) và tốc độ quay không cao (< 1500 min
-1
). Ví dụ:
truyền động chính xác trong kỹ thuật xe cơ giới.

Ta luôn phải nhớ đến truyền động trực tiếp không hộp số cũng như TĐ trực tiếp
dùng động cơ tuyến tính.

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005

Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
227
Đặc điểm của hệ TĐ Servo:

♦ Khả năng quá tải về mômen quay cao (M
max
/M
b
≈ 4 10)
♦ Khả năng giá tốc lớn (dω/dt|
max
= M
max
/J
ges
), vốn được coi là đặc điểm quan
trọng của các kết cấu trục chuyển động, dẫn đến đòi hỏi động cơ và các kết
cấu đi kèm (hộp số, côn nối) cần phải có quán tính nhỏ (FI nhỏ)
♦ Công suất động tối đa lớn (limit dynamic power) theo định nghĩa
(Biến thiên của công suất L = M
max
⋅ |dω /dt|
max
)
♦ thông thường cần có một phạm vi rộng ĐK tốc độ tuyến tính
(kể cả tốc độ quanh điểm đứng im!)
♦ mặt khác, hệ thống cần có một độ bền dẻo nhất định để có thể truyền lực hoặc
mômen và có tần số cộng hưởng riêng lớn, nhằm ngăn ngừa các kích thích

dao động xoắn. Đòi hỏi này đi ngược lạ
i với các yêu cầu khác, khiến ta phải đi
tìm một giải pháp dung hòa tối ưu.


12.3 Ghép cơ tối ưu cho hộp số truyền động Servo

Giả thiết:
{ Hệ một vật cứng bao gồm động cơ, hộp số và đối tượng TĐ
J
M
, J
G
, J
A
, ω
M
, ω
A,
Tỷ số truyền: i = ω
M
/ ω
A

{ Mômen quán tính của hộp số nằm trong J
A


{ Hệ TĐ vận hành không có ma sát (M
w

= 0)

Hình 12.1:
Hệ TĐ gia tốc có hộp số dưới dạng hệ một
vật
Tỷ số truyền i = ω
M
/ω
A

Phương trình
chuyển động:

Khi M
w
= 0 ta có phương trình chuyển động chi tiết:





Với giả thiết, rằng các giá trị i ≠ 0 và dω
M
/dt ≠ 0, ta có thể tìm cực trị cho m
M
(i). Để
làm điều đó ta hãy nhân phương trình với i.
M
M
, ω

M
ω
A
M
Mwges
d
mM J
dt
ω
−= ⋅
2
MAM M
MdynM A MA
2
M
dd1d
mm J J JJ
dt dt i dt
⎛⎞
ωωω ω
⎡⎤
==⋅+⋅ ⋅=+⋅⋅
⎜⎟
⎢⎥
ω
⎣⎦
⎝⎠
Động cơ
(J
M

)
Đối tượng
TĐ
(J
A
)

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
228
M
MMA
1d
mi JiJ
idt
ω
⎡⎤
⋅= ⋅+ ⋅ ⋅
⎢⎥
⎣⎦
. Sau khi lấy đạo hàm m
M
⋅i theo i ta thu được:
2
MMA
MA M A 00
2
M

d{m i} 1 dm J
0JJ JJ1/ii
di i dt J
⋅
⎧⎫
== − ⋅ ⋅ → = ⋅ =
⎨⎬
⎩⎭
.

Từ đó ta thu được
tỷ số truyền tối ưu i
o
, là tỷ số đòi hỏi mômen động cơ cực tiểu,
ứng với tỷ lệ mômen quán tính đã cho trước J
A
/J
M
.

Động cơ chỉ cần cung cấp một mômen cực tiểu, nếu với tỷ lệ cho trước J
A
/J
M
ta thiết
kế hộp số có tỷ số truyền i
0
. Giá trị cực tiểu của mômen động cơ là
M
dyn0 M0 M

d
mm2J
dt
ω
==⋅⋅, khi mômen quán tính riêng lớn bằng mômen quán tính
ngoài. Đây chính là trường hợp
„ghép tối ưu“ trong thế giới kỹ thuật điện (R
i
= R
a
),
khi cần phải chuyển giao công suất tối đa cho tải tiêu thụ.

Để biểu diễn các quan hệ, thường ta chọn phương thức
biểu diễn chuẩn hóa,
trong đó mômen động cơ m
M
được chuẩn bởi mômen cực tiểu m
M0
và tỷ số truyền i
bởi tỷ số truyền tối ưu.

MMM
M dyn MA M0 MA M
22
0
1d 1d d
mm JJ ;m JJ 2J
idt idt dt
⎡⎤

ωωω
⎡⎤
==+⋅⋅ =+⋅⋅=⋅
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
⎣⎦


222
MMA 0 00
M0 M
mJJ/i1i/ii/ii/i
m2J 2 2
++ +
===


Phương trình trên chính là
„công thức Kloss ngược“ với điểm cực trị m
M min
= m
M0

khi i = i
0
. Đồ thị được minh họa trong hình 12.2 dưới đây.

Hình 12.2:

Sự phụ thuộc của mômen động cơ vào tỷ số
truyền hộp số của hệ TĐ khi cho trước tỷ lệ
J
A
/J
M

A
0
M
J
i
J
=
tỷ số truyền tối ưu i
0
cho phép ghép
cơ tối ưu
m
M
/m
M0
i/i
0
1
2 4
0.25
0.50
1
2

1.5

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
229
12.4 Các dạng cấu tạo của hệ TĐ điều khiển (hệ Servo)

z Động cơ ĐK có dạng dài thanh mảnh
z Tích hợp thiết bị ĐK (biến tần) với động cơ vào cùng một nhánh TĐ
z Tích hợp khâu đo tốc độ quay và đo vị trí vào động cơ ĐK
(tiết kiệm không gian và thuận lợi về giá)
Hình 12.3:
Động cơ ĐK và thiết bị ĐK tích hợp
thành một đơn vị thống nhất







Bảng 12.1:
Ghép phần cơ với động cơ ĐK


Động cơ có kèm
theo hộp số

Động cơ vạn năng M và máy đo
đếm xung quang học
IE ghép
qua hộp số
Hộp số cho phép
ghép cứng, không thể
thay đổi linh hoạt.
Gây thêm các tác
động phi tuyến bất lợi
(ví dụ: độ
dơ lắc)



Động cơ và hộp
số được tích hợp
thành một đơn vị

duy nhất

Kết cấu đặc biệt: Động cơ - Hộp
số
Không gây dơ lắc bất
lợi




Truyền động

tuyến tính trực
tiếp không cần
hộp số


Động cơ tuyến tính LM và thước
đo đếm xung quang học LIE
Không gây dơ lắc bất
lợi. Áp mômen quay
tốc độ cao và không
phụ thuộc vào chiều

tác dụng


Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
230
Bảng 12.2: Các cấu tạo động cơ ĐK đặc biệt với mômen quán tính nhỏ

Rotor dạng dài mảnh Rotor dạng tấm mỏng Rotor dạng quả chuông






1 - Stator

2 - Rotor




Động cơ tuyến tính Stator kép


Động cơ tuyến tính Stator đơn









XC3P-KĐB hoặc XC3P-ĐB
Stator ngắn









XC3P-KĐB hoặc XC3P-ĐB

Stator dài hoặc ngắn


Một số đòi hỏi khác về kết cấu đối với hệ TĐ Servo:

z Thoát nhiệt tốt kể cả ở trạng thái đứng im (dự kiến sẵn làm mát độc lập)
z Ngăn ngừa truyền nhiệt qua trục động cơ tới đối tượng TĐ (tới phụ tải)
(đòi hỏi về cấp chính xác đối với máy công cụ, động cơ KĐB bất lợi với vai trò
động cơ ĐK vì có tổn thất lớn trong Rotor)
z Sự đồng đều của chuyển động (trước hết ở tốc độ quay nhỏ)
z Tích hợp động cơ ĐK trực tiếp vào đối tượng TĐ
(kết cấu gọn, bền)
z Tích hợp khâu đo tốc độ quay và vị trí vào động cơ ĐK
(tiết kiệm không gian và hạ giá thành)
2
1
1
2
1
1
2
2
1
1
2
1
2

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện

Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
231
Hình 12.4
Tích hợp động cơ và cảm biến
đo vị trí, đo tốc độ quay
(nhỏ gọn và giá thành hạ)


















Hình 12.5:
Tích hợp động cơ ĐK và
trục vít bi thành hệ TĐ
tuyến tính „giả“

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
232
Các giải pháp ưu tiên là động cơ ĐK loại MC và XC3P có kích thích bằng nam
châm vĩnh cửu
vì chúng ít phát nhiệt.

Nhờ các phương pháp ĐC hiện đại đối với máy điện trường quay, ngày nay chủ
yếu động cơ ĐK loại XC3P
đồng bộ được sử dụng, nuôi bởi nghịch lưu (NL
nguồn áp hay nguồn dòng), trong khi đó động cơ ĐK loại MC được nuôi bằng các
bộ băm xung MC.

Một dạng động cơ đặc biệt là động cơ từ kháng ĐK đóng ngắt (Switched-
Reluctance-(SR)-Motor).

Khi chỉ cần mômen quay nhỏ ta cũng có thể dùng động cơ bước với các dạng
rất khác nhau, cùng với mạch ĐK điện tử phân phối xung.

Hình 12.6 so sánh các giá trị đặc trưng về mômen quán tính và khối lượng của
vài động cơ ĐK (động cơ Servo).
Hình 12.6: Đặc điểm của động cơ ĐK phụ thuộc vào mômen danh định:
a) Mômen quán tính b) Khối lượng
AM - động cơ KĐB; SM - động cơ ĐB có kích thích vĩnh cửu;
GM - động cơ MC

Các đồ thị trên đã giải thích rõ sự phổ cập rộng rãi của động cơ XC3P-ĐB có
kích thích nam châm vĩnh cửu
, trong đó, việc không còn cần đến hệ thống cổ
góp dễ bị nhiễu và cần được bảo dưỡng thường xuyên của động cơ MC đã tăng
độ tin cậy của hệ TĐ Servo rất nhiều. Trong nhiều đối tượng TĐ (ví dụ: các trung
tâm gia công) việc xẩy ra sự cố chỉ cần của 1 hệ TĐ Servo duy nhất, đã có thể
gây nên thiệt hại kinh tế đáng kể
do sự cố.

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
233
Hình 12.7 giới thiệu 2 kết cấu Rotor khác nhau. Kết cấu của Rotor phụ thuộc vào
loại nam châm vĩnh cửu. Có thể sử dụng Ferrit với mật độ từ năng thấp để chế
tạo kết cấu Rotor cực lồi hay nam châm đất hiếm để dán lên bề mặt của Rotor
tròn, trong đó Rotor thường có kết cấu rỗng bên trong để giảm mômen quán tính
và dẫn mạch từ. Động cơ XC3P-ĐB đượ
c ĐK tựa theo từ thông bằng biến tần.

Hình 12.7: Kết cấu Rotor của một
động cơ XC3P-ĐB kích thích bằng
nam châm vĩnh cửu
trái: cực từ bằng Ferrit
phải: Rotor rỗng với nam châm dán
trên bề mặt

Có thể dùng biện pháp kết cấu để tác động tới phân bố từ thông trên bề mặt trong
khe hở không khí của động cơ dùng nam châm vĩnh cửu. Bằng cách bố trí tối ưu
dạng cực từ, với phân bố hình chữ nhật ta có th
ể tăng công suất tới 1,5 lần so với
phân bố hình sin. Hình 12.8 minh họa so sánh công suất đạt được với các dạng
phân bố khác nhau, dòng được áp đặt và điện áp cảm ứng.

Hình 12.8:
Hệ TĐ Servo
dùng động cơ
XC3P-ĐB có
kích thích vĩnh
cửu
trên: phân bố từ
thông
giữa: dòng
được áp đặt
dưới: điện áp
cảm ứng
P/P
sin
1.50
1.26
1.00
Vận hành chế độ
Block
Vận hành chế độ
hỗn hợ

p
Vận hành chế độ
S
in

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
234
12.5 Áp đặt mômen quay cho hệ TĐ Servo sử dụng động cơ XC3P-ĐB kích
thích vĩnh cửu

Các hệ TĐ Servo phải có khả năng áp đặt mômen quay một cách không chậm trễ
cho động cơ. Vì vậy, có nhiều giải pháp biến tần khác nhau được sử dụng để ĐK,
trong đó có hai giải pháp hay gặp hơn cả:

z Hệ TĐ Servo được điều khiển tựa theo từ thông có cảm biến đo góc Rotor,
Các dòng điện được áp dưới dạng hình chữ nhật với góc dẫn 120
0
trong các
cuộn dây pha, ví dụ: từ mạch dòng MC trung gian. Phương pháp này tận dụng
động cơ tốt hơn chừng 15% và NL nguồn dòng không được vận hành kiểu
băm xung. Ngược lại, động học của mạch dòng MC trung gian lại rất hạn chế.
Hệ TĐ làm việc như một
hệ TĐ một chiều không có cổ góp (Brushless DC-
motor)
, trong đó cảm biến vị trí sẽ quyết định việc chuyển mạch tiếp và vì vậy
quyết định tần số của NL (hệ TĐ độc lập – tương tự với cổ góp cơ học). Việc
hiệu chuẩn cảm biến vị trí sẽ bảo đảm chất lượng tựa theo từ thông.

z
Hệ TĐ Servo có ĐC tựa theo từ thông các thành phần dòng trên hệ tọa độ
từ thông, nuôi bởi NL nguồn áp ĐK kiểu băm xung với dòng hình sin.

Trong hệ loại này, việc tựa theo từ thông với vai trò
đồng bộ Rotor với NL phải
được liên tục bảo đảm. Có thể sử dụng cảm biến Resolver hoặc cảm biến khắc
vạch xung quang học - loại có xung không - để đo vị trí. Cảm biến Resolver
(chương 5) phản ánh liên tục và trực tiếp vị trí của Rotor qua 2 thành phần Cos
và Sin, và nhờ đó cho phép bảo đảm đồng bộ liên tục khâu ĐC thành phần dòng
với vị trí. Qua đó, cảm biến đồng thời đảm nh
ận vai trò của khâu quay pha vector,
góp phần tiết kiệm một phần Software.

Cấu trúc ĐC với bộ ĐC tách kênh các thành phần chính là cấu trúc ở chương 10,
còn được sử dụng cả cho động cơ XC3P-KĐB. Việc sử dụng động cơ XC3P-ĐB
kích thích vĩnh cửu và ĐC tựa theo từ thông còn có ưu điểm: Software ĐK của
động cơ khá đơn giản. Ta sẽ không cần đến khâu ĐC từ thông và việ
c ĐK suy
giảm từ thông đối với nhiều hệ kích thích vĩnh cửu là không cần thiết, việc tính tần
số Rotor
ω
r
trong mô hình động cơ cũng không cần nữa.

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động

PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
235
Bảng 12.3: Các giải pháp TĐ Servo

Hệ TĐ Servo tựa theo từ thông dùng động cơ XC3P-KĐB hoặc XC3P-ĐB









Phạm vi điều khiển N: 1 : 200
Cấp chính xác N,
tĩnh:
±0.01 %
động:
±0.30 %
Tốc độ đáp ứng M: 5 20 ms
Độ tuyến tính M:
±4 %
Khả năng lặp lại M:
±5 %
BrCh: Điện trở phanh hãm
SRM: Mô hình dòng
NSR: NLPL, MSR: NLPM
Động cơ MC cổ góp điện tử (EKM, BLDC-M)

Động cơ XC3P-ĐB kích thích
vĩnh cửu, cảm biến góc (LL)

Cấp dòng dạng Block hoặc Sin

Mạch áp MC trung gian cho
công suất nhỏ
Mạch dòng MC trung gian cho
công suất lớn hơn
(động cơ biến tần)
Động cơ MC kích thích vĩnh cửu dùng bộ băm xung 4 góc ¼

Bộ băm xung 4 góc ¼
Mạch áp MC trung gian có
BRCh, hoàn năng về lưới trong
NSR

Nhiều vòng ĐC phân cấp

IGR là cảm biến đo tốc độ
quay và đo vị trí

Động cơ bước được ĐK vị trí bằng cách cho trước số xung (số bước)
Thiết bị ĐK dạng nguồn áp hằng, xung kích hoặc
dùng bộ băm xung để áp dòng
về nguyên tắc không phải hệ
TĐ có ĐC!
Hiếm khi có ĐC vị trí!

M
3
∼
PI3
PI3
PI3
C
d
BrCh
NSR
MSR
i
q ref
i
d ref
i
q,
i
d
ϑ

ω
ref

U
d
i
s
i
s
N-Reg.

ICE

SRM


M
3∼
PI3
C
d
BrCh
NSR
MSR
ω
ref
U
d
i
s
IGR

LL

PI3
ω

−
−
#
I-Reg.
N-Reg.
PI3
−
ϕ

ϕ
ref
L-Reg.

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
236
Để
minh họa hai cấu trúc Hardware thường gặp ta hãy xem hình 12.9.

Hình 12.9:
Ví dụ về trật tự bố trí
Hardware ĐK trong
hệ thống TĐ Servo

a) Trật tự bố trí trong hệ TĐ



b) Hệ vi xử lý kép
Hệ sử dụng
vi điều khiển SABC167 và
vi xử lý tín hiệu
TMS320C25


IE
Giao
diện
Đệm
Đ
ộ
n
g
cơ XC3P
Đ
o tốc độ

q
ua
y

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
237
12.6 Cấu trúc hệ TĐ Servo sử dụng động cơ bước

Động cơ bước là loại máy điện công suất nhỏ được thiết kế đặc biệt cho các
nhiệm vụ ĐK, hoạt động hoặc theo nguyên lý từ kháng (phân bố điện cảm khác
nhau theo hai hướng trục dọc và trục ngang của động cơ) hoặc có kích thích
bằng nam châm vĩnh cửu.

Động cơ hoạt động gián đoạn về thời gian và được ĐK bằng tín hiệu nhị phân.
Góc Đ
K của động cơ là không liên tục và được xác định với độ phân giải phụ
thuộc vào kết cấu của động cơ.
Khi sử dụng trong hệ TĐ Servo thường ta xuất phát từ giả thiết: rằng ở chế độ
vòng hở (open loop, không có phản hồi), động cơ sẽ chuyển số xung ĐK thành
đúng số lượng tử góc tương ứng. Một số loại động cơ
còn cho phép ta phân biệt
giữa chế độ vận hành
cả bước với nửa bước (xem hình 12.18 và 12.19).
Hình 12.10: Các dạng Stator của động cơ bước
a) Động cơ bước Stator đơn nhiều pha (cùng với mỗi lần đóng mạch
một cuộn dây từ trường sẽ quay lần lượt theo cả bước,
hai cuộn dây từ trường sẽ quay lần lượt theo nửa bước)

b) Động cơ bước nhiều Stator có cuộn dây tròn bố trí xen vào và
xẻ răng theo chiều bán kính, các cuộn Stator bố trí lệch nhau ⅓
cung chia giữa các cuộn
c) Độ
ng cơ bước hai Stator có cực dạng móng (luân chuyển giữa Bắc
và Nam) được chia thành hai (hay nhiều) cuộn lệch nhau

Hiện tại có những dạng cấu tạo cơ bản hay được dùng như sau:
-
Động cơ bước có cực dạng móng (cấu tạo phổ cập nhất, chừng 150 triệu
chiếc/năm toàn cầu)
-
Động cơ bước từ kháng (đơn giản, η nhỏ, dễ dao động, số lượng nhỏ)
-
Động cơ bước lai (Hybrid, Stator có cuộn dây dạng răng, Rotor từ hóa theo
hướng axial = hướng trục)

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
238


Hình 12.11: Các cấu tạo cực từ của động cơ bước
a) Cấu tạo kinh điển có cực luân phiên lồi rõ rệt và kích thích
vĩnh cửu (cực từ)
b) Rotor kích thích vĩnh cửu phân cực theo hướng axial (hướng trục)
c) Rotor từ kháng (Reluctance, bề mặt được cắt răng rõ rệt)

Hình 12.12:
Cấu tạo động cơ có cực dạng móng
với Rotor từ hóa theo hướng trục (axial)

Hình 12.13: Cấu tạo động cơ có trục ren vít
và trục được dùng để
truyền động tuyến tính (TĐ thẳng)

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
239
Bảng 12.4: Các tham số cơ bản của động cơ bước (theo Richter):

Tham số Động cơ bước có
cực dạng móng
Động cơ bước từ
kháng (Reluctance)
Động cơ bước
lai (Hybrid)
Bước góc α
s
/
0
6 45 1.8 30 0.36 15
Mômen giữ M
H
/cNm 0.5 25 1.0 50 3 1000

Tần số khởi động tối
đa f
Aomax
/kHz
0.5 1.0 3.0
Tần số vận hành tối
đa f
B0max
/kHz
5.0 20.0 40.0


Cấu tạo động cơ bước lai (Hybrid)
Hình 12.14:

Đông cơ bước Hybrid có
Stator ghép bằng lá tôn sắt
từ và 8 cực rõ rệt cho hai
cuộn dây
1 và 2

Rotor với 2 nửa được cắt
răng và lắp lệch nhau, từ
hóa axial (theo hướng trục)



Điều khiển động cơ bước

Tổn thất về góc đồng nghĩa với sai số tĩnh về góc

của hệ TĐ Servo, nếu ta
không có các biện pháp hiệu chỉnh đặc biệt (điểm không).

Khi ĐK cần phải chú ý sao cho việc chuyển mạch tiếp tục của dòng Stator chỉ
được thực hiện khi trục động cơ đã đạt tới vị trí cần đạt theo xung dòng trước đó.
Để bảo đảm áp đặt không trễ dòng và mômen quay trong động cơ bước, cần chú
ý thiết kế
các tầng khuếch đại đệm dư dật về công suất.

Hệ TĐ sử dụng động cơ bước sẽ bao gồm động cơ và mạch điện tử ĐK, với
nhiệm vụ kích hoạt các cuộn dây Stator theo một chương trình ĐK và qua đó có
tác dụng tạo bước chuyển động của Rotor. Đối với mômen quay thường nhỏ
thuộc dải cNm, ta thường sử dụng Transistor công suất ở tầng khuếch
đại cuối
cùng, kèm theo vi mạch ĐK chuyên dụng hoặc các cấu trúc khả trình như Gate-
Arrays hoặc vi xử lý.

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
240
Mạch ĐK bao gồm các cụm mô tả ở hình 12.15.

Hình 12.15: Cấu trúc hệ TĐ bước với dạng chuỗi ĐK (open loop control)
Giải pháp không hoặc có sử dụng vi xử lý

Các mạch ĐK đơn giản thường chỉ dùng phương thức
kích hoạt đơn cực
(unipolar)

với một Transistor, do đó việc thoát dẫn cho cuộn dây thường rất
chậm. Chất lượng ĐK sẽ tốt hơn với giải pháp
kích hoạt lưỡng cực (bipolar) có
dạng mạch cầu chữ H cho mỗi cuộn dây, sử dụng Transistor bipolar và Diode tự
do, cho phép vận hành ở chế độ 4 góc ¼ như hình 12.16.

Hình 12.16:
Mạch ĐK cho 1 pha của động cơ bước, sử dụng Transistor
loại bipolar, mắc theo mạch Darlington ở tầng công suất
α
s
, ω
α
s
, ω
Tín hiệu chiều quay
Tần số xung

Mạch tạo
xung

Vi điều khiển

Mạch
chia xung

Mạch
chia xung

Khuếch đại

công suất

Khuếch đại
công suất

Động cơ
bước

Động cơ
bước

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
241

12.7 Đặc điểm vận hành của hệ TĐ Servo dùng động cơ bước

Đặc điểm hệ thống của TĐ bước, một mặt do sự phối hợp hoạt động giữa động
cơ và mạch ĐK, mặt khác còn do mối liên kết giữa động cơ và đối tượng TĐ
quyết định. Tần số bước phải được chọn thích hợp với đặc điểm cơ của đối
tượng TĐ. Hình 12.17 cho ta thấy diễ
n biến của chế độ vận hành theo bước.

Hình 12.17:
Diễn biến bước góc của một
động cơ bước với ba giá trị
khác nhau của tần số khởi
động

Tần số ĐK
nhỏ hơn
tần số khởi động tối đa





Tần số ĐK
bằng
tần số khởi động tối đa








Tần số ĐK
lớn hơn
tần số khởi động tối đa


Các thông số đặc trưng của động cơ bước là tần số khởi động f
A
, tần số khởi
động tối đa f
A0m

khi M
L
= 0 và tần số vận hành f
B
, trong đó f
B
> f
A
. Tần số khởi
động đặc trưng cho giá trị tần số cho phép thực hiện các quá trình động học
truyền động (khởi động, ngừng) mà không có tổn thất về bước.
α/α
s
z
1
0
2
t
t
α
/
α
s
z
1
0
2
t
t
α

/
α
s
z
1
0
2
t
t

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
242
Như vậy, hệ thống TĐ ví dụ có thể được khởi động từ trạng thái đứng im với tần
số khởi động f
A
, để rồi sau đó được tăng lên thành tần số vận hành f
B
với giá trị
lớn hơn nhiều, nếu ta luôn bảo đảm
tốc độ biến thiên tần số tối đa |∆f/∆t|
max
.

Sự phụ thuộc của tần số khởi động và tần số vận hành vào hệ số quán tính FI
của hệ TĐ bước và vào mômen tải M
L
tại trục động cơ có thể tra tại các trang tra

cứu của nhà sản xuất. Chúng chỉ được tận dụng với dự trữ an toàn nhất định.
Hình 12.18 minh họa ba ví dụ đặc tính phụ thuộc trên đối với chế độ cả bước và
nửa bước.
Hình 12.18 Sự phụ thuộc của tần số khởi động và tần số vận hành của một
động cơ nhiều Stator vào các tham số mômen tải M
L
và hệ số quán tính FI của hệ
TĐ ở chế độ cả bước (V) và nửa bước (H)
a) Tần số khởi động f
A
b) Tần số khởi động không tải f
A0m
c) Tần số vận hành f
B

Cần đặc biệt chú ý tới các tần số cộng hưởng cơ của hệ TĐ. Đối với các quá
trình động học truyền động cần phải lướt qua rất nhanh các điểm tần số cộng
hưởng. Tốt nhất là trường hợp tần số riêng bé hơn tần số khởi động, khiến cho
các dao động nguy hiểm không hề có khả năng bị kích hoạt. Tần số riêng của hệ
một vật có thể được tính gần đúng theo
0H
M/(JFI)ω= ⋅
.
Nếu các giá trị FI và M
L
thay đổi trong phạm vi chu kỳ tải, khi ấy ta phải tính chọn
ĐK cho trường hợp có các giá trị bất lợi nhất, điều sẽ hạn chế bớt khả năng tận
dụng hệ TĐ. Ngoài ra cần cân nhắc, dự kiến trước các khả năng phụ giúp dập tắt
dao động hoặc di chuyển các tần số riêng.

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
243
Trong trường hợp ngoại lệ ta cũng có thể dùng
phản hồi vị trí, tạo nên vòng ĐC
cho phép triệt tiêu hiệu quả nhiễu hệ thống. Bằng cách đó ta có được một hệ TĐ
bền vững với các tác động cơ nhưng cũng lại cần mạch ĐK phức tạp và đắt hơn.

Tham số tiếp theo là
bước góc của động cơ, khi ĐK bởi một xung. Mômen quay
M
α
của động cơ, tăng phụ thuộc vào góc quay α theo dạng hàm sin, hàm hình
thang hay một hàm phức tạp nào khác, có thể được làm đơn giản đi bằng cách
tuyến tính hóa trong phạm vi một bước góc
α
s
, nhằm tính kích cỡ sai số bước góc
khi xuất hiện ma sát. Phương trình đường thẳng xuất hiện dưới dạng phương
trình Điểm-Hướng quanh gốc, chỉ khi ta sử dụng thành phần mômen đồng bộ
theo
H
s
MMsin
2
α
⎛⎞
πα

=⋅ ⋅
⎜⎟
α
⎝⎠
. Trong đó M
H
là mômen giữ của động cơ tại góc α = α
s
.
Từ đó ta có
H
ss
dM M
cos
d2 2
⎛⎞
⋅π π α
=⋅ ⋅
⎜⎟
α⋅α α
⎝⎠
và khi α = 0 sai số đặt góc ∆α/α
s
khi tải với
M
L
sẽ là:
Ls L
ssH H
M2 2 M

MM
⎛⎞
∆α ⋅ ⋅ α
==⋅
⎜⎟
αα⋅⋅ππ
⎝⎠
.

Tại đây cũng cần phải chuẩn bị dự trữ chống lật và qua đó tránh tổn thất bước.

Sai số đặt góc tại trục động cơ sẽ được giảm bớt qua tỷ số truyền của hộp số (ví
dụ: bằng trục vít vô tận khi chuyển thành chuyển động thẳng), khi cần phải vượt
qua những khoả
ng cách lớn.

Đồ thị của chu kỳ tải khi ĐK đặc vị trí sẽ là đối tượng của một bài tập tính cụ thể.

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
244

Hình 12.19: Biểu đồ hoạt động của động cơ bước Stator đơn dùng ĐK lưỡng cực
(cấu tạo Stator chỉ mang tính tượng trưng)
Φ
2
Φ
1

Phase
A
-
+
Phase B
+-
+
-
+
+
-
-
U
d
i
A
i
B
i
A
+
-
S1
S2
N
S
S
S
N
N

Pha B

Pha A

T1⋅T3
S1 = 0
T2⋅T4
S1 = 1
T5⋅T6
S2 = 0
T
7
⋅T
8

S2 = 1
T
1

T
3

T
4

T
2

T
5

T
6
T
7
T
8

1
2
3
4
5
7
8
Bước
CHẾ
Đ
Ộ
C
Ả
BƯỚC
Pha A
Pha B

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động

PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
245
Hình 12.20: Biểu đồ hoạt động của động cơ bước Stator đơn dùng ĐK lưỡng
cực (cấu tạo Stator chỉ mang tính tượng trưng)
Φ
2
Φ
1
Phase
A
-
+
Phase B
+-
+
-
+
+
-
-
U
d
i
A
i
B
i
A
+
-

S1
S2
N
S
N
N
S
S


Pha B

Pha A

T1⋅T3
S1 = 0
T2⋅T4
S1 = 1
T5⋅T6
S2 = 0
T
7
⋅T
8

S2 = 1
T
1

T

3

T
4

T
2

T
5

T
6
T
7
T
8

1
2
3
4
5
7
8
Pha A
Pha B
Bước
CHẾ ĐỘ NỬA BƯỚC

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005
Khoa Điện
Bộ môn Điều khiển tự động
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
246