BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ BƯỚC

Động cơ bước - Stepping motor
1. Mở đầu

2. Phân loại và cấu tạo động cơ bước
3. Nguyên lý họat động và cách điều khiển
4. Phương pháp điều khiển và mạch điều khiển
5. Cách lựa, chọn thông số và ứng dụng


LỢI ÍCH CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC
Khơng chổi than: Khơng xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn
hao năng lượng, tại một số mơi trường đặc biệt (hầm lị...) có thể gây nguy
hiểm.
Tạo được mơmen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển
động cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn. Động cơ bước là
thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ. Nó có thể giữ được mơmen
thậm chí cả vị trí nhờ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor.
Điều khiển vị trí theo vịng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước
là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà khơng cần đến
phản hồi vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay
máy phát tốc (khác với servo).
Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh
hưởng tới chất lượng điều khiển. Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor
không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo
được). Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó khơng thể
kiểm sốt được góc quay.


PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC

Động cơ bước cơ bản được chia làm 3 loạI:

Động cơ bước nam châm vĩnh cữu
Động cơ bước biến trở từ
Động cơ bước lai


ĐỘNG CƠ BƯỚC NAM CHÂM VĨNH CỮU

Động cơ bước nam châm vĩnh cữu cơ bản gồm 3 lọai:

Động cơ bước đơn cực
Động cơ bước lưỡng cực
Động cơ bước nhiều pha


ĐỘNG CƠ BƯỚC ĐƠN CỰC

STEP loại đơn cực bao gồm 2 cuộn dây, mỗi
cuộn được nối ra ngoài ở giữa cuộn, vì vậy
thơng thường trên thực tế đây là loại động cơ 5
hoặc 6 dây ra, STEP loại này được điều khiển
bẳng cách cho đầu dây chung nối lên nguồn và
từng đầu dây còn lại lần lượt được nối mass


ĐỘNG CƠ BƯỚC LƯỠNG CỰC

Động cơ loại lưỡng cực (Bipolar),
thường có 4 đầu ra. Về cấu tạo đơn giản
hơn nhưng khó cho điều khiển vì phải

đảo chiều dịng điện qua cuộn dây a,b.


ĐỘNG CƠ BƯỚC NHIỀU PHA

Một loại động cơ bước nam châm vónh cửu ít thông dụng hơn đó
là động cơ bước có tất cả các cuộn dây được nối tiếp với nhau
thành vòng kín và giữa mỗi cặp dây có một điểm giữa gọi là
động cơ bước nhiều pha hay đa cực. Kiểu thông dụng nhất là
kiểu 3 pha và 5 pha


Động cơ bước kiểu từ trở

Thơng thường có ba hoặc bốn cuộn dây đấu chung một đầu. Đầu chung được
nối với nguồn dương, các đầu còn lại lần lượt cho thơng với đất để quay
rotor.
Trên hình vẽ, rotor có 4 răng và stator có 6 cực. Mỗi cuộn dây sẽ được quấn
trên hai cực đối nhau. Vì vậy, giả sử, khi cấp điện cho cực 1 (stator), rotor sẽ
quay cực gần nhất (X) để răng thẳng với cực 1. Cắt điện cuộn số 1, tiếp tục
cấp điện cho cuộn 2, rotor sẽ quay răng tiếp sau (Y) cho thẳng với cực 2. Cứ
như vậy điều khiển quay rotor.


ĐỘNG CƠ BƯỚC LAI

STEP lai là loại kết hợp giữa STEP từ thông thay đổi và loại nam châm
vĩnh cửu. rotor cho động cơ STEP lai có nhiều răng , giống như loại từ
thơng thay đổi, chứa lõi từ hóa trịn đồng tâm xoay quanh trục của nó.
Răng của rotor tạo đường dẫn giúp định hướng cho từ thông ưu tiên vào

trong lỗ khơng khí. STEP lai được lái giống như STEP đơn cực và lưỡng
cực.


Phương pháp điều khiển
- Điều khiển chế độ cả bước (Full-step)
* Điều khiển cả bước 1 pha
* Điều khiển cả bước 2 pha
- Điều khiển chế độ nửa bước (Half-step)


Điều khiển cả bước 1 pha


Giản đồ xung 1 pha


Điều khiển cả bước 2 pha


Giản đồ xung 2 pha


Điều khiển chế độ nửa bước


Giản đồ xung nửa bước


Mạch điều khiển động cơ đơn cực

Mch iu khin

+V
+V

+V

Q2

Q5

Q3

Q8

Q1

Q6

Q4

Q7

Lỡng cực

Q1

Q2

Đơn cực

Q3

Q4


Điều khiển chiều quay động cơ
- Đổi chiều quay bằng cách lập trình
*Nếu dịch bước từ trái sang phải thì động cơ
sẽ quay phải
*Nếu dịch bước từ phải sang trái thì động cơ
sẽ quay trái
- Đổi chiều quay bằng phần cứng


Điều khiển tốc độ động cơ bước

Trong đó :
V : vận tốc trung bình của động cơ bước. (vịng/giây)
n : số lần dịch bước.
t : thời gian động cơ thực hiện n lần dịch bước. (giây)
: góc bước của động cơ (độ)
f : tần số dịch bước.


Sơ đồ điều khiển cơ bản - động cơ từ trở

Điện áp được cấp qua các khố chuyển để ni các cuộn dây, tạo ra từ

trường làm quay rotor. Các khố ở đây khơng cụ thể, có thể là bất cứ
thiết bị đóng cắt nào điều khiển được như rơle, transitor cơng suất... Tín
hiệu điều khiển có thể được đưa ra từ bộ điều khiển như vi mạch chuyên
dụng, máy tính.


+ MOSFET ( Metal Oxit Semiconductor
Field Effect Transitor):
Điều khiển bằng điện áp,Ron nhỏ, tự ngắt ở
điện áp source-drain quá cao, có thể bật tắt
với tốc độ cao, hồn tồn tuyến tính.
MOSFET IRC IRL 540 có thể dẫn dịng lên tới
20 Ampe và tự ngắt tại điện áp 100V. Điều này
dẫn đến việc khơng cần phải có diode bảo vệ
khi gắn switch với một phiến tản nhiệt phù hợp.
Trên mạch còn một diode ổn áp 5.1 V, một điện
trở 100 Ohm. Trong trường hợp transitor bị
hỏng, áp ngược không thể vượt quá cao làm
hỏng các linh kiện TTL của mạch điều khiển.
Với điều khiển động cơ chỉ cần dòng qua cuộn
dây cỡ 500 mili Ampe, có thể dùng IC loại dãy
darlington collector hở:
+ ULN2003, ULN2803 ( Allegro Microsystem)
+ DS2003 (National Semiconductor), MC1413
( Motorola)


IC họ ULN200x có đầu vào phù hợp TTL, các
đầu emitor được nối với chân 8.
Mỗi transitor darlington được bảo vệ bởi hai

diode. Một mắc giữa emitor tới collector chặn
điện áp ngược lớn đặt lên transitor. Diode thứ hai
nối collector với chân 9. Nếu chân 9 nối với cực
dương của cuộn dây, tạo thành mạch bảo vệ cho
transitor.

I < 600 mA

UDN 2547B

I < 500 mA

ULN 2003, ULN 2803

I < 300 mA

SN7541,7542,7543


ĐIỀU KHIỂN MOTOR LƯỠNG CỰC VỚI CẦU H

Motor bước lưỡng cực trên cuộn dây
khơng có điểm giữa nên khi đảo chiều
quay động cơ gặp khó khăn. Để đảo
được chiều từ trường sinh ra trong
cuộn dây ( cũng có nghĩa đảo chiều
dịng điện) phải dùng một cấu trúc gọi
là cầu H
Thơng thường sử dụng A,D đóng trong chế độ thuận và B,C đóng trong chế
độ ngược

MỘT MẠCH CẦU H THỰC TẾ

Sơ đồ có đầu vào TTL, có thể điều khiển bởi một đầu collector hở như đã
trình bày.

Khi một trong hai tín hiệu X hoặc Y ở mức cao, đầu còn lại ở mức thấp, hai
transitor chéo nhau sẽ đóng dẫn dịng qua cuộn dây. Khi cả hai ở mức thấp,
hai transitor phía trên sẽ hở, khi cả hai ở mức cao, hai transitor phía dưới sẽ
mở và như vậy cả hai trường hợp 00, 11 đều đặt mạch vào chế độ phanh động.