giao an dong co buoc

Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
LỜI NÓI ĐẦU
-Trong những năm gần đây, việc ứng dụng vi mạch để điều
chỉnh tự động tốc độ động cơ đã được sử dụng rất rộng rãi trong
các thiết bò điện công nghiệp và dân dụng. Những hệ thống này
xuất hiện trong các thiết bò thông dụng nhất như máy xoay sinh
tố, đầu máy video…đến những cơ cấu chấp hành tinh vi nhất của
người máy. đây, những vi mạch kết hợp với những loại động cơ
kiểu mới như: động cơ bước động cơ 1 chiều 3 pha hoặc 4 pha
không chổi than đã đáp ứng mọi nhu cầu kinh tế và kỹ thuật do
hệ thống đặt ra và ở đây đạt mức cơ điện tử cao. Để đạt được
mức tương thích này đòi hỏi các hệ thống vi mạch có phạm vi
ứng dụng rộng rãi cũng như độ ổn đònh khi làm việc. Hiện nay
các vi mạch họ CMOS có nhiều ưu điểm hơn họ TTL như: không
bò lệ thuộc vào lưới điện, miễn nhiễu và có thể giao tiếp thẳng
TTL, tổng trở lớn, công suất tiêu tán bé.
-Động cơ bước ngày càng được sử dụng rất rộng rãi trong
cuộc sống cũng như trong công nghiệp: máy khoan công cụ, máy
in, ổ đóa máy tính, hệ thống ánh sáng cho sân khấu ca nhạc…Thực
tế có rất nhiều loại động cơ bước: 2 pha, 4 pha, 8 pha tuỳ từng
loại mà ta ứng dụng vào các lónh vực khác nhau. Tuy nhiên khi sử
dụng động cơ bước cần nhớ một điều rất quan trọng là bước
(step) của động cơ và tần số tối đa mà động cơ có thể làm việc.
Đây chính là mục đích chính của đề tài nghiên cứu để có thể sử
dụng nhiều loại động cơ bước tố hơn.
Trang:1
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ngày . . . tháng . . . năm 2005
Giáo viên hướng dẫn:

ThS: TRẦN QUANG THỌ
Trang:2
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
LỜI CẢM ƠN

Em xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đến các Quý Thầy Cô,

đặc biệt là các Quý Thầy Cô trong Khoa Điện đã tận tình truyền
thụ cho em những kiến thức quý báu như ngày hôm nay.Những
kiến thức ấy không chỉ cần trong công việc chuyên môn mà còn
là bài học thiết thực giúp em hoàn thiện nhân cách của mình.
Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy Trần
Quang Thọ _giảng viên trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật _đã
dìu dắt em trong bước đầøu chập chững làm quen với nghiên cứu
khoa học .Thầy đã tận tâm hướng dẫn, cung cấp tài liệu cho em
trong suốt quá trình thực hiện tập đồ án.Đây sẽ là hành trình quý
báu giúp em có thể thực hiện tốt các đồ án sau, đặc biệât là luận
án tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn bạn bè và người thân đã động
viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để em có thể hoàn thành tập đồ
án này. Đây sẽ là nguồn động lực lớn lao giúp em luôn phấn đấu
không ngừng trong học tập.
Cuối cùng, em xin kính chúc Quý Thầy Cô luôn dồi dào sức
khỏe để hoàn thành tốt sự nghiệp trồng người cao quý của mình.
Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.HCM
Ngày 30 Tháng 05 Năm 2005
SVTH: Lê Tuấn Thắng
Trang:3
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
MỤC LỤC
Phần l:
ĐỘNG CƠ BƯỚC
I.GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BƯỚC
II. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
III.VẬN HÀNH ĐỘNG CƠ BƯỚC.
IV. ĐẶC TÍNH MOMENT CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC.

V. CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC.
Phần ll:
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
I. GIỚI THIỆU CHUNG.
II. MỘT SỐ MẠCH TẠO XUNG THƯỜNG GẶP.
III. SỰ HOẠT ĐỘNG TỐC ĐỘ CAO.
IV. ỨNG DỤNG CỦA MẠCH VI XỬ LÝ.
V. KẾT LUẬN CHUNG.
Trang:4
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
PHẦN I : ĐỘNG CƠ BƯỚC
I. GIỚI THIỆU :
- Ngược với động cơ DC là loại vận hành liên tục. Động cơ bước là loại động cơ
chuyển động gián đoạn theo gia số góc hay bước. Các động cơ DC dùng volt DC
ở ngõ vào, còn động cơ bước thì dùng xung có tần số đặt trưng để cung cấp cho
ngõ vào. Tổng quát: động cơ bước làm việc mỗi bướcứng với mỗi xung cung
cấp. Độ lớn mỗi bước phụ thuộc vào người thiết kế động cơ và đây cũng chính là
khâu quan trọng mà người thiết kế cần chú ý.
- Động cơ bước có những đặt điểm về kỹ thuật sau:
 Có bước dòch chuyển bé, độ chinh xác cao.
 Moment quay đồng bộ đủ lớn đảm bảo được sai số nhỏ nhất
khi thực hiện bước di chuyển.
 Không tích luỹ sai số khi tăng bước.
 Không có tính dao động tự do khi thực hiện bước.
 Tác động nhanh.
 Động cơ và cả bộ điều khiển có cấu tạo đơn giản.
Theo tính chất cấu tạo của Rotor ta có thể chia thành 3 loại động cơ bước:
 Loại Rotor là nam châm vónh cửu gọi là động cơ bước kiểu
tác dụng
 Loại động cơ bước kiểu phản kháng.

 Loại động cơ bước kiểu cảm ứng.
- Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ dùng để biến đổi lệnh điều khiển
dưới dạng xung điều khiển thành góc quay xác đònh của trục động cơ hay là sự
duy chuyển xác đònh của cơ cấu chấp hành mà không có cảm biến phản hồi. Khi
một xung dòng điện hoặc điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước,
thì Rotor của động cơ sẽ quay đi một góc nhất đònh và gọi là bước của động cơ,
khi các xung dặt vào cuộn dây phần ứng liên tục thì Rotor sẽ quay liên tục.
- Vò trí của động cơ bước được xác đònh bằng số lượng xung và vận tốc của
động cơ tỉ lệ với tần số xung, và được xác đònh bằng số bước/giây. Tính năng
của động cơ bước được đặt trưng bởi bước được thực hiện, đặc tính góc, taà©n số
xung giới hạn sao cho quá trình quá độ, khi hoàn thành một bước có thể tắt đi
Trang:5
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
trước khi bắt đầu bước tiếp theo. Tính năng mở máy của động cơ, được đặt trưng
bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không làm cho Rotor mất đồng bộ.
Tuỳ theo kết cấu của từng động cơ, mà tần số động cơ có thể tiếp nhận được từ
10 đến 10.000 Khz.
- Bước của động cơ càng nhỏ thì độ chính xác trong điều khiển càng cao. Bước
của động cơ phụ thuộc vào tần số của động cơ, số cực Stator, số răng của Rotor
và phương pháp điều khiển bước đủ hoặc điều khiển nửa bước. Tuỳ theo yêu cầu
về độ chính xác và kết cấu của động cơ mà bước của động cơ thay đổi từ 180
0
–
0.18
0
. Trong đó: động cơ bước nam châm vónh cửu dạng cực móng và có từ trở
thay đổi từ: 6
0
– 45
0

, động cơ bước có từ trở thay đổi có góc bước nằm trong giới
hạn từ: 1.8 – 30
0
, và động cơ bước hỗn hợp có góc bước thay đổi trong khoảng
0.36 – 15
0
. các giá trò góc các loại động cơ kể trên được tính trong chế độ điều
khiển bước đủ
- Chiều quay của động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy
trong các cuộn dây phần ứng, mà phụ thuộc vào thứ tự cuộn dây phần ứng được
cấp xung điều khiển. Nhiệm vụ này do bộ chuyển phát thực hiện.
- Số cuộn dây phần ứng của động cơ bước được chế tạo từ 2-5 cuộn dây pha và
được đặt đối diện nhau trong các rãnh ở Stator. Đối với cuộn dây phải có hai
cuộn dây thì chỉ dùng trong điều khiển lưỡng cực, với 4 cuộn dây có thể dùng
cho cảhai chế độ điều khiển lưỡng cực và điều khiển đơn cực.
- Động cơ bước thường làm việc trong mộy tổ hợp chung với các vi mạch dùng
cho hệ truyền động bước. Vai trò các vi mạch này là dùng để chuyển mạch các
cuộn dây điều khiển của động cơ theo thứ tự và tần số tương ứng với số cuộn
dây điều khiển được chuyển mạch. Hướng qua thì tương ứng với trình trự chuyển
mạch và cuối cùng là tốc độ quay tương ứng với tần số chuyển mạch.
II. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC :
-
Trang:6
(a)
(c)
(b)
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
Trong hình vẽ (a) đường lực từ thông của nam châm vónh cửu đi vòng từ cực
Bắc (N) sang cực Nam (S). Đặt tính ngẫu lực của nam châm vónh cửu có thể ứng
với nam châm điện khi có dòng điện I chạy qua cuộn dây.

-Cực tính từ thông của nam châm điện có thể đảo ngược nếu chúng ta đảo
chiều dòng điện (Hình b) hoặc đảo chiều cuộn dây (Hình c) với điều kiện dòng
điện không đổi.
-Như hình vẽ:
-Ta có nam châm vónh cửu được gắn trên trục tự do, đó là phần ứng. Hai bên là
hai cực của nam châm điện là phần Stator với khung kim loại. Khi trục a-a
/
của
nam châm vónh cửu không trùng với trục của nam châm điện, lập tức lực từ
thông của nam châm điện sẽ hút các từ của nam châm vónh cửu, từ thông hợp
thành lực F
n
=F.cos0, lực này không vuông góc với trục a-a
/
. kết quả moment
xoắn T=R.F
n
quay phần ứng theo chiều kim đồng hồ tương ứng với trục a-a
/
đồng
trục với Stator. Điều này tương ứng với trạng thái cân bằng của phần ứng.
trang thái này không có moment soắn tác dụng vào phần ứng.
-Nếu bò dòng giảm về 0 thì từ trường trong nam châm điện bò khử đi. Và nếu
có một cặp cực khác nửa ở gần bên có điện thì xuất hiện moment soắn mới dẫn
đến xuất hiện lực hút ở các cặp cực Stator mới làm cho phần ứng có trạng thái
cân bằng mới. Nếu giả sử có nhiều nam châm điện tạo thành những cặp cực
xung quanh phần ứng và các cặp cực này hoạt động bởi các xung dòng điện nối
tiếp nhau thì phần ứng sẽ hoàn thành bước chuyển động cua Rotor theo chiều
chuyển động của từ trường. Kết quả chuyển động theo thứ tự chuyển mạch các
cuộn dây Stator. Đó là nguyên lý làm việc của động cơ bước.

-Có nhiều phương pháp điều khiển:
 Phương pháp điều khiển bước đủ: động cơ có m cuộn dây trên Stator
thì Rotor có m vò trí. Như vậy góc quay của Rotor ở 2 vò trí liên tiếp
nhau là:
m
π
2

Trang:7
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
 Phương pháp cung cấp theo từng nhóm cuộn dây. Nếu cung cấp
riêng lẽ xung điện áp tới từng cuộn dây thì vò trí của Rotor trùng với
vectơ lực điện từ F
đt
nghóa là tăng từ thông và moment đồng bộ
phương pháp này
 Phương pháp điều khiển không đối xứng hay điều khiển nửa bước.
Nếu cấp điện theo kiểu phối hợp cả 2 phương pháp trên xen kẻ nhau
nghóa là một số lẽ với một số chẵn các cuộn dây được cấp điện thì số vò
trí của Rotor tăng lên gấp đôi là 2m. khi đó số quay của Rotor sẽ giảm
đi một nửa
m2
2
π

Khi đó góc bước của Rotor là:
k
360
=
α

Với k = m.n
1
.n
2
.p
Trong đó: k: làbước quay của Rotor
p: số đôi cực của Rotor
m: số pha của Stator
1 : điều khiển đối xứng
2 : điều khiển không đối xứng
1 : điều khiển bằng xung đơn cực
2 : điều khiển bằng xung lưỡng cực
-Để tăng số bước k cần phải tăng số lượng cuộn dây pha m và số cặp cực
p. nhưng khi tăng m thì gặp phải hạn chế về kích thước Stator và khó khăn khi
quấn dây. Đồng thời mạch điều khiển sẽ phức tạp hơn nhiều số pha số pha thông
dụng của động cơ bước là 2 pha và 4 pha. Thông thường động cơ bước được chế
tạo có góc bước trong khoảng 0.45 – 15
0
. thông dụng nhất là động cơ bước có
góc bước
=
α
1,8
0
ứng với k =200.
III. VẬN HÀNH ĐỘNG CƠ BƯỚC:
- Vận hành động cơ bước phụ thuộc vào sự điều khiển các xung theo thứ tự đi
vào các pha của các cuộn dây. ng dụng các xung cần phải cung cấp cho các
cuộn dây pha đủ điều kiện, các dòng này phải đủ lớn trong khi điều chỉnh xung.
Nhuu vậy, để vận hành động cơ bước ta phải cần thiết kế mạch thứ tự logic, ngõ

ra mạch logic cung cấp theo thứ tự yêu cầu của các cuộn dây pha. Đó chính là sự
lựa chọn phù hợp với động cơ bước. Khi động cơ bước bắt đầu chạy phải cung
cấp dòng đúng theo yêu cầu các pha. Nhà sản xuất thiết kế bộ điều khiển đặc
trưng cho động cơ bước. Sự chế tạo này là sự độc quyền của các công ty. Để đơn
giản, bộ điều khiển có nhiệm vụ vận hành động cơ bước như trên hình sau:

Trang:8
{
n
1
=
{
n
2 =
Bộ điều khiển
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ

Bộ điều chỉnh dơn giản vận hành động cơ bước
Người vận hành cần phải ứng dụng các xung clock và đònh hướng ngõ vào chiều
quay của động cơ. Bộ điều khiển thì dùng các IC vi mạch số. Còn bộ điều khiển
phức tạp hơn bao gồm điều khiển cung cấp điện cho động cơ và xây dựng những
điểm đặc biệt trên bảng thiết kế để vận hành.
- Trái ngược với động cơ DC, động cơ bước không dùng chổi than cũng như bộ
chuyển mạch để vận hành. Để vâïn hành động cơ bước đạt kết quả cao hơn ta
dùng bộ điều khiển nối trực tiếp với bộ vi xử lý hay máy tính. Khi nối động cơ
DC với hệ thống máy tính đòi hỏi thêm nhiều mạch hơn và hao phí hơn so với
động cơ bước. Thật vậy, khi dùng động cơ bước ta có thể sử dụng nó từng trạng
thái rõ ràng và ở bước dòch chuyển đúng một gia số góc nào đó, điều đó chúng
ta không thể ngạc nhiên. Bởi vậy, động cơ bước được ứng dụng rất nhiều trong
các hệ thống máy tính như: hệ truyền động ổ đóa cứng, máy in vi tính, các máy

compacdisk … và các bộ điều khiển.
IV. ĐẶC TUYẾN MOMENT TĨNH CỦA ĐỘNG CƠ:
Đặc tính moment tónh động cơ bước
Khi răng Rotor trùng tương ứng với răng Stator thì Rotor ở trạng thái cân
bằng. Nó ở trạng thái bất đònh trừ khi các pha ngõ vào bò kích thích. Như thế,
trạng thái cân băng của Rotor ở góc 0 như hình vẽ: ( trạng thái này động cơ
không có Moment).
Nếu Rotor dời sang trạng thái quay ngược chiều kim đồng hồ 1 góc
1
θ
tương
ứng phụ tải ngoài là T
2
. Động cơ sẽ sinh ra moment ngược lại có chiều thuận
kim đồng hồ. Nếu Rotor quay theo chiều kim đồng hồ thì động cơ sẽ sinh ra một
Trang:9
0
Trạng thái cân bằng
-1/2Pr
-1/2Pr
TH
1
TH
2
-TH
1
-TH
2
+ 0
- 0

Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
moment có giá trò âm và có chiều ngược lại chiều quay. Như vậy, động cơ phục
hồi lạimoment. Nó luôn có hướng về phía gốc trạng thái cân bằng Rotor. Kết
quả moment của Rotor có dạng sóng sin ( thực tế hình dạng sóng tuỳ thuộc vào
cấu trúc của Rotor và Stator). Đặc tuyến nay tuần hoàn với chu kỳ là khoảng
cách răng Rotor P
r
.
- Đỉnh của đặc tuyến là moment soắn, nó tương ứng với dòng pha và moment
này là TH. Giá trò đỉnh của moment được cho theo lý lòch máy và nó tương
đương. Với mức độ dòng điện, khi cấu tạo của Rotor và Stator là nam châm có từ
bảo hoà thì không đánh giá được độ tăng moment cũng như độ tăng dòng điện
pha. Khi Rotor dời sang ½ P
r
thì động cơ có moment bằng 0 và nếu dòch chuyển
xa hơn nửa thì Rotor trược về trạng thái cân bằng hay những trạng thái khác nữa.
Sự duy chuyển này có khoảng cách bằng với bội số khoảng cách răng Rotor.
V. CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ:
1. Động cơ bước kiểu từ trở: ( variable reluctance stepper motor)
- Động cơ bước kiểu từ trở là động cơ có từ trở thay đổi hay còn gọi là động cơ
phản kháng. Người ta gọi động cơ bước kiểu từ trở là tại vì từ trở của nam châm
được xác đònhbằng Rotor và sự thay đổi răng Stator với vò trí góc của Rotor. Một
sự hoạt động hoặc những cuộn dây Stator là nguyên nhân Rotor bước tới (hoặc
bước lùi) để đạt được một vò trí mà sao cho sự biến đổi của từ hoá trên răng
Stator là mhỏ nhất. Kiểu động cơ này có góc nằm trong giới hạn từ 1.8
0
- 30
0
trong chế độ điều khiển bước đủ. Moment hãm từ 1 – 50 Ncm, tần số khởi động
lớn nhất là 1 KHz và tần số làm việc lớn nhất trong điều kiện không tải là 20

KHz. Rotor động cơ điện được chế tạo từ vật liệu dẫn từ. Trên bề mặt Rotor
thường có nhiều răng, mỗi răng của Rotor hoặc của Stator gọi là một cực. Trên 2
cực đối diện thường mắc nối tiếp hai cuộn dây (ví dụ như cuộn dây AA
û
) tạo
thành một phần của động cơ. Động cơ như hình vẽ (H-4) là động cơ 4 pha:
A,B,C,D, từ trở thay đổi theo góc quay của răng. Các cuộn dây AA
’
, BB
’
, CC
’
,
DD
’
gọi là các pha. Răng của Stator và Rotor được làm bằng thép dẻo để hạn
chế tối đa sự dư từ. Những cuộn dây trên Stator để tạo lực hút của nam châm để
thiết lập vò trí Rotor. ng
- Nguyên lý làm việc của động cơ bước có từ trở thay đổi dựa trên cơ sở đònh
luật cảm ứng điện từ. Tức là dựa trên sự tác động giữa một trường điện từ và
một Rotor có từ trở thay đổi theo góc quay. Có 8 cuộn dây trên Stator được nối
trong 2 nhóm cuộn dây để tạo thành 4 mạch rời rạc được gọi là pha. Mỗi phacó
một công tắc riêng (độc lập). Mặc dầu dược trình bày nhu một công tắc cơ khí ở
hình 4f. công tắc mỗi pha được điều khiển ở trạng thái rắn.
hình 4a được trình bày ở vò trí Rotor với công tắc SW1 đóng. Khi đó pha A
hoạt động và Rotor ở vò trí có từ trở nhỏ nhất với răng 1 và 4 của Rotor thẳng
hàng riêng từng cái răng 1 và 5 của Stator. Khi đòng công tắc SW2 và mở công
Trang:10
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
tắc SW1, khi đó pha B được tiếp sinh lực và đó là nguyên nhân của răng 3 và 6

của Rotor thẳng hàng riêng từng cái với răng 4 và 8 của Stator. Khi đó Rotor
quay được một góc 15
0
so với vò trí ban đầu- được trình bày ở hình 7.7-b.

Á

Hình 4: các vò trí bước khác nhau tương ứng với công tắc trong hình f của
động cơ bước kiểu từ trở

- Khi đó, Rotor sẽ quay được một góc 15
0
so với trường hợp SW1 đóng và 30
0
so
với vò trí ban đầu. Cứ như vậy lần lược công tắc SW3,SW4,… đóng thì Rotor sẽ
quay và tương ứng với trường hợp đó được trình bày ở hình: ( 4c) và ( 4d). Và cứ
như vậy vòng tua lại tiếp tục cho đến khi đạt được vòng tua như mong muốn
hoặc là phần nhỏ của vòng tua đạt được.
- Sự điều khiển đóng công tắc theo thứ tự 1 đến 4 được trình bày ở hình 4 làm
kết quả của Rotor quay theo chiều kim đồng hồ -CW-(hay những bước cùng
chiều kim đồng hồ). Ngược lại, khi điều khiển đóng công tắc theo thứ tự: 4-3-2-1
là kết quả của Rotor quay theo chiều ngược kim đồng hồ ( hay những bước
ngược chiều kim đồng hồ). Như vậy, hướng của động cơ không phụ thuộc chiều
dòng điện mà phụ thuộc thứ tự cấp điện cho cuộn dây.
Mối quan hệ giữa góc bước và số các răng của Rotor và số răng của Stator là:
Trang:11
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
Góc bước:
360

.
×
−
=
NrNs
NrNs
β

Trong đó:
β
: góc bước
Ns : số răng của Stator
Nr : số răng của Rotor
Như thế góc bước của động cơ bước trong hình 7.7 là:
β
=
360
68
68
×
×
−
= 15
0
 Hoạt động của bước nửa:
- Hoạt động bước nửa được hình thành bằng việc giảm bớt mạch nối
tiếp được minh hoạ ở hình 6 cho 3 xung kế tiếp:
Hình 6: sự hoạt động bước nữa liên tiếp của động cơ bước kiểu
từ trở thay đổi với 3 xung liên tục.
- Khi chỉ có pha A hoạt động làm cho vò trí của Rotor như ở hình 6a. khi có cả 2

pha: pha A và pha B hoạt động thì Rotor sẽ dòch chuyển vò trí giống như hình 6b.
lúc này Rotor sẽ dòch chuyển được 1 góc: 7.5
0
. Khi chỉ có pha B hoạt động thì vò
trí của Rotor được biểu diễn ở hình 6c. Như vậy,mỗi một xung Rotor quay một
góc 7.5
0
theo chiều thuận kim đồng hồ.
 Bước nhỏ:
- Bước nhỏ được sử dụng 2 pha với dòng không bằng nhau.
Giả sử sử dụng hình 6b nhưng ta thay đổi đôi chút. Đó là giử nguyên dòng
điện pha A trong khi đó tăng dòng pha B với một số gia rất nhỏ (bằng xung)
cho đến khi dòng điện đạt được tối đa có thể được. Sau đó, dòng pha A được
hạxuống tới 0 giống như số gia rất nhỏ. Kết quả là tạo được góc bước rất nhỏ
được gọi là bước nhỏ tạo ra một sự hoạt động có tốc độ nhỏ (vận tốc nhỏ) và sự
chuyển lớn.
Trang:12
(c)
(b)
(a)
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
 Ví dụ : Một động cơ bước có tốc độ chuyển là 200 bước/vòng (1.8
0
góc
bước). Có thể bước nhỏ có một sự chuyển đổi 2000 bước/rev (0,0180
0
góc bước)
 Sự điều khiển moment quay:
sự điều khiển moment quay được gọi là moment tónh; là moment của tải lớn
nhất có thể ứng dụng để làm động cơ bước mạnh mẽ. Giả sử pha A được kích

(được tiếp nghò lực) và Rotor ở vò trí như hình 7-a. Nếu từ vò trí nghó của Rotor
được giữ ở góc 15
0
như hình 7b, kết quả của sức mạnh của lực hút trên răng 1 và
4 của Rotor bằng từng răng của 1 và 5 của Stator phát triển một moment phục
hồi. Ngắt điện của Rotor sẽ là nguyên nhân nó để vụt nhẹ về sau để trở lại vò trí
như hình 7a.



Hình7: vò trí của Rotor ứng với sự trả lai momenttrong động cơ bước
với phaA được kích
Khi pha A vẫn được tiếp nghò lực (vẫn tiếp tục nhận được xung) thì Rotor
được giữ ở góc 30
0
cùng chiều kim đồng hồ ( 2 bước) như hình 7c. Đây là sự
không ổ đònh của sự thăng bằng của vò trí. Bởi vì: răng 1 và 6 của Rotor bằng
nhau về sức hút và moment bằng 0.
Trang:13
(c)
(d)
(a)
(b)
4
-3
-2
0
-1 1
2
3

Bước(steps)
-4
(a)
(b)
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
Hình 8: đường cong moment tónh của động cơ bước
Khi ngắt điện, Rotor đó có thể điều khiển cả hai trường hợp:
 Lùi về sau 2 bước để về vò trí ban đầu được trình bày
ở hình 7a
 Tiến về phía trước 2 bước để có một vò trí như được
trình bày ở hình 7d
Mộy phần nhỏ của moment phục hồi chống lại sự ép buộc dòch chuyển bước tónh
điện, có hình dang sin nhụ hình vẽ trên:
Chú ý rằng: Moment phục hồi được tạo ra sự dòch chuyển sự dòch chuyển mộy
bước. Bước còn lại thì sự dòch chuyển của lực phục hồi bằng 0 nhưng Rotor vẫn
không ảnh hưởng khi ngắt điện. Và có thể dòch chuyển về sau để trở vể vò trí
ban đầu.
 Độ chính xác của bước:
- Độ chính xác bước của động cơ bước được biểu diễn theo phần trăm(%). Toàn
bộ sai số của động cơ được độc lập với sự vận động của động cơ bước. Sai số
không dồn lại trong quá trình chuyển động hay tăng thêm vào những bước tiếp
theo. Loại bước điển hình có độ chính xác cao là loại từ 1-10% kích cở của bước.
2. Động cơ bước kiểu nam châm vónh cửu:
Động cơ bước kiểu nam châm vónh cửu hay gọi là động cơ bước kiểu nam
châm tác dụng và thường chế tạo có cực móng. Động cơ này có góc bước thay
đổi từ 6-45
0
trong chế độ điều khiển bước đủ. Moment hãm từ 0.5 – 25Ncm; tần
số khởi động lớn nhất là 0.5 và tần số làm việc lớn nhất ở chế độ không tải là 5
Hz. Rotor man châm vónh cửu có các cực từ xen kẻ và Stator có dạng cực móng

được từ hoá với cực Nam(S) và Bắc(N) xen kẻ nhau.
Một biểu đồ dơn giản của động cơ bước nam châm vónh cửu (hình 8) đã được
dùng để minh hoạ đặc trưng chung của các loại động cơ này
Trang:14
Nam châm
vónh cửu
AA
’
- pha A
BB
’
- pha B
(c)
(d)
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ

Hình 9: Nam châm vónh cửu động cơ bước
.
- Rotor hình 9b có 2 tiết diện răng được tách riêng bằng một nam châm vónh
cữu. Hai tiết diện này khớp với nhau từ một nửa của hai bước răng. Man châm
tạo ra sự phân cực trái nhau để mỗi tiết diện phát triển thành 5 cực Bắc trong tiết
diện và 5 cực Nam trong tiết diện kia. Hình 9a- 9c là sự kết hợp của hai đầu
Stator va Rotor. Những cuộn dây Stator được trãi dài trên hai tiết diện Rotor.
- Mỗi tiết diện của Rotor đã góp phần để làm moment lớn dần và nó trở thành
một vật để so sánh. hình 9 trên ta có một Rotor có 5 răng với 1 Stator có 4
răng thì góc bước được xác đònh:

18360
54
54

360
.
=×
×
−
=×
−
=
NrNs
NrNs
β
0
Nguyên tắc hoạt động của động cơ bước nam châm vónh cửu được xây dựng
trên biểu đồ mạch điện, bảng công tắc và vò trí tương ứng của Rotor trong hình
10:
Trang:15
Pha A-A
’
Pha B-B
’
Stator
Dòng từ nam châm
vónh cửu
Khe hở
Rotor
Cực máng stator
Stator
Nam châm vónh cửu
Tiết diện của răng (cực
Nam)

Tiết diện của răng (cực Bắc)
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ

Trang:16
Bước
(step)
Thuận chiều kim
đồng hồ (CW)
Ngược chiều kim
đồng hồ(CCW )
SW1 SW2 SW1 SW2
1 Off (-) Off (-)
2 (+) Off (-) Off
3 Off (+) Off (+)
4 (-) Off (+) Off
5 Off (-) Off (-)
SW1= (-)
Bước 4
SW2= (-)
Bước 1
SW2= (-)
Bước 1
SW1= (+)
Bước 2
SW2= (+)
Bước 3
Pha B
Pha B
Pha A
Pha A

Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
Hình 11:Sơ đồ mạch điện của động cơ bước nam châm vónh cửu với vò trí
của Rotor ứng với sự đóng ngắt của công tắt cho Rotor quay
theo chiều đồng hồ
- Để cho đơn giản ta chỉ trình bày tiết diện cực nam của Rotor. Vò trí của Rotor
bò chặn lại sự liên tục đóng mở của công tắt (theo chiều kim đồng hồ). Pha A
được duy trì bằng công tắc SW1, pha B được duy trì (tiếp sinh lực) bằng công tắc
SW2. còn điều khiển nửa bước ra thành những bước nhỏ thì giống như động cơ
kiểu từ trở
3. Động cơ bước kiểu cảm ứng :
Động cơ bước kiểu cảm ứng còn gọi là động cơ bước kiểu hỗn hợp. Gần đây,
khuynh hướng dùng động cơ có kích thước nhỏ lại, được dùng trong các thiết bò
hệ thống tự động. Động cơ bước hỗn hợp dùng trong đóa từ được dùng rộng rãi
với độ chính xác cao. Loại động cơ này có góc bước thay đổi trong khoảng 0.36
0
– 15
0
trong chế độ bước đủ; moment hãm từ 3 – 1000 Ncm; tần số khởi động lớn
nhất là 40 KHz. Trong các loại động cơ bước kể trên thì động cơ bước kiểu hỗn
hợp đước sử dụng nhiều hơn cả. Vì vậy, động cơ này kết hợp các ưu điểm của
2 loại động cơ tên đó là: động cơ bước nam châm vónh cửu có dạng cực móngvà
động cơ có từ trở thay đổi. Đó là moment lớn và số bước lớn
Cấu tạo của động cơ bước kiểu hỗn hợp là sự kết hợp giữa động cơ bước kiểu
nam châm vónh cửu và động cơ bước có từ trở thay đổi. Phần cấu tạo của Stator
hoàn toàn giống Stator của động cơ bước có từ trở thay đổi. Trên các cực của
Stator được đặt các cuộn dây pha, mỗi cuộn dây pha được quấn thành 4 cuộn dây
hoặc thành 2 cuộn dây đặt xen kẽ nhau để hình thành các cực nam(S) và bắc(N).
Đồng thời đối diện của mỗi cực của bối dây là răng của Rotor và cũng được đặt
xen kẽ giửa 2 vành răng của Rotor . Có các loại:
 Loại a: có 4 cực va mỗi cực có 4 răng. Dây là động cơ một vòng tua là

100 bước…như vậy góc bước là 3.6
0
 Loại b: có 8 cực, mỗi cái có 4 răng. Như vậy góc bước là 1.8
0
 Loại c: động cơ có 16 cực trên Stator, 100 vòng trên Rotor và góc bước
là 0.9
0
Có một loại động cơ hỗn hợp duy nhất có 5 pha. Đây là loại động cơ có 10 cực
trên Stator và 72 răng trên Rotor với góc bước là 0.72
0
.
Trang:17
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
PHẦN II : PHẦN ĐIỀU KHIỂN
I GIỚI THIỆU CHUNG:
Sau khi ta tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ bước thì ta thấy rằng: ta
có thể ứng dụng các thiết bò điện tử: Transistor, các loại IC, máy tính,… miễn sao
là điện áp đưa vào Stator có dạng xung. Các xung này có thể là xung đơn cực
hoặc lưỡng cực, tần số xung ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ động cơ. Sau đây là
một số mạch tạo xung để điều khiển động cơ thông dụng:
II MỘT SỐ MẠCH TẠO XUNG THƯỜNG GẶP:
1 Mạch điện điều khiển động cơ dây quấn 4 pha:
Cuộn dây của pha1( pha A) và pha 3 (pha A
’
) tạo nên 2 cực: cực I và cực III;
cuộn dây của pha 2 (pha B) và pha 4 (hoặc B
’
) cũng tạo nên 2 cực: cực II và
cực IV. Khi các đầu mối dây được nối tạo thành mạch điện trên, khi đó pha 1 và
pha 3 được dùng để kích thích các cực từ ngược nhau. Tương tự, nếu pha 2 tạo

thành cực Bắc, pha 4 tạo thành cực Nam thì lúc đó động cơ này được sem như
động cơ 2 pha. Khi đó sự kết nối pha 1 và pha 3 có thể xem như pha A và sự kết
hợp giữa pha 2 và pha 4 có thể xem như là pha B.
2. Mạch điện điều khiển lưỡng cực:
Trang:18
E
B B’
A A’
E
B : pha 2 B
’
:
pha 4
A: pha 1
A
’
pha 3
Hình 11
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
Sự lựa chọn phương pháp điều khiển khác có tính tối ưu hơn được trình bày ở
hình 12-a. Ởû hình 12-b là một ví dụ của sự lắp đặt các cuộn dây cho một động
cơ có 8 cực.
Hình 12: (a) sự bố trí của mạch điện hình cầu cho hoạt động hỗn hợp của
động cơ bước man châm vónh cửu cực móng.
(b) sự lắp ráp của các cuộn dây cho động cơ 8 cực.
Pha A gồm có số cực lẽ, pha B có số cực chẵn. Cái khác nhau hoạt động trong 1
pha, 2 pha và một nửa bước của 1 pha, 2 pha cho bộ điều khiển lưỡng cực được
trình bày ở hình 13 cho động cơ 4 pha
Trang:19
Cực 1 3 5 7 Cực 2 4 6 8

(b)
Hình12
A
B
A
B
A
B
(a)
(b
)
(c)
Pha B
Pha A
(a)
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
Hình 13: sự khác nhau giữa các chế độ:
Hình 13: sự khác nhau giữa các chế độ
IIl. SỰ HOẠT ĐỘNG TỐC ĐỘ CAO:
- Trong bộ điều khiển động cơ bước, thời gian trễ của dòng volt kế thường là
vấn đề nghiêm trọng và một số thông số cơ bản cần phải nắm. Đây là môt số
phương pháp:
1 Điều khiển đối ngẫu Volt kế:
Hình 14: Mạch điều khiển 2 giá trò điện áp của động cơ lưỡng cục 4 pha
Mạch điện có 2 nguồn, một nguồn có điện thế cao và một nguồn thế thấp. Nó
được dùng:
Nguồn điện thế cao chỉ được dùng khi bắt đầu trong khoảng chu kỳ mở
máy cho đến khi dòng điện trong các pha đạt đến giá trò tiêu thụvà sau đó
Tr
1

(Transistor) hoặc Tr
2
sẽ tắt (không dẫn).
Nguồn có điện thế thấp được dùng để điều khiển động cơ trong suốt qua
trình động cơ hoạt động.
2 Hệ thống dùng những điện trở và Diot Zener:
Trang:20
(a) Trên 1 pha
(b) Trên 2 pha
(c) Trên ½ pha
P1
h1
P3
h1
P2
h1
P4
h1
24
6.
3
E
KẾT QUẢ
(Output port)
Z80- BỘ VI XỬ LÝ
(Microprocessor)
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ

Hình 15: Diot Zener được dùng trong hệ thống như Diot thông mimh. Nó sẽ cắt
dòng điện nhanh chóng khi tắt máy.

3 Hệ thống điều khiển công tắt:
Hình 16: Nguyên tắc điều khiển cái ngắt điện hoặc
độ rộng xung( PWM) của động cơ bước

Khi đó tải đóng vai trò như điện trở và cuộn dây. Tr
1
(Transistor1) được tắt mở
liên tục với tần số cao để tự động điều chỉnh một mức dòng đòên nhất đònh. Khi
đó điện áp được đặt vào không có sự chênh lệch. Khi có một mức điện áp DC
chồng lên tạo thành một dạng riêng ở phần đầu nguồn. Khi điện áp v
0
được cải
thiện lớn hơn mức ban đầu thì thời gian mở của Tr
2
giảm xuống. Nếu điện áp sau
cải thiện mà thấp hơn mức nguồn thì thời gian mở của Tr
2
tăng lên để điều chỉnh
mức dòng. Trong sự kết hợp đó, tần số của PWM giống như tần số của sự chồng
lên của dòng DC.
Hình 17: biểu diễn một sự vận dụng của nguyên tắc điều khiển 1 động cơ 3
pha
Trang:21
Hình 15: vi xử lý Z80 nối với mạch điện điều khiển
Điện thế cung cấp
Điện thế sau
cải thiện
E
v
0

E
Tải
(a)
(b)
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
Hình 17: Mạch điện điều khiển độ rộng xung (PWM)
cho động cơ 3 pha (VR)
lV . ỨNG DỤNG CỦA MẠCH VI XỬ LÝ:
- Mạch vi xử lý được sử dụng rộng rãi và trong những phương pháp khác nhau
để điều khiển động cơ bước. Mặc dù một bộ vi mạch xử lý có thể điều khiển
được mộy số động cơ bước trong cùng một thời gian. Nhưng nó không hiệu quả
khi làm như vậy bởi vì nếu làm như vậy tính linh hoạt sẽ giảm đi. Căn bản là
người ta thường dùng 1 mạch vi xử lý để điều khiển một động cơ. Nếu như khi
nhiều động cơ có tính đồng bộ và liên tục thì người ta dùng một mạch vi xử lý
để điều khiển. Mạch vi xử lý điều khiển nhiều mạch vi xử lý gọi là mạch vi xử
lý chủ.
 Điều khiển động cơ bước Serveral:
Hình 18: một mạch vi xử lý chủ điều khiển một IC xử lý
IC 8741 là một bộ xử lý đơn; là một thiết bò ngoại vi phổ biến được dùng với bộ
xử lý hiệu suất cao. Vai trò của 2 bộ vi xử lý sau:
 Vai trò CPU chủ Z80: Dữ liệu chứa đựng trong bộ nhớ và truyền đến
8741A
Trang:22
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
 Thiết bò ngoại vi của máy tính CPU 8741A: nhận dữ kiệu và hiểu dữ liệu
truyền tới từ CPU chủ Z80. Sau đó truyền dữ liệu đó đến mạch nguồn;
và sự truyền này dùng 8 bit để quay tròn mệnh lệnh vào thiết bò chỉ dẫn
của bộ điều chỉnh.
Cụ thể của sự kết nối giữa 8741A và mạch điều khiển được trình bày ở hình
19 sau:

Hình 19 Sơ đồ nối chung giữa 8041A mạch điện điều khiển động cơ
- Khi có một vài động cơ bước được điều khiển trong một hệ trục (hình 20).
Trong hình ấy thì số động cơ lớn nhất là 8. Một sự thú vò là sự gắn vào của động
cơ bước
Trang:23
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ



Hình 20: sơ đồ hệ thống điều khiển hệ trục của động cơ bước
Trên đây là một hệ thống điều khiển của một hệ thống động cơ. Ta dùng một
bộ vi xử lý làm hệ thống làm chủ để điều khiển (Z80). Phía sau bộ vi xử lý là
một IC điều khiển để khống chế. Các ngõ ra của IC này được nối với các ngõ
của khống chế (CS) của IC8741A như hình vẽ.
V. KẾT LUẬN CHUNG:
Như vậy, ta thấy rằng muốn điều khiển được động cơ bước thì ta có rất nhiều
phương pháp. Chính vì lẽ đó mà muốn sử dụng được có hiệu quả thì ta phải chọn
cách điều khiển động cơ. Như trên đã trình bày thì em thấy điều khiển riêng lẽ
bằng vi mạch là cách làm tốt nhất và khoa học nhất. Nói như vậy không phải là
các phương pháp còn lại là không tốt nhưng kết luận này chỉ là tính chung
chung. Lý do mà em có kết luận như vậy là tòa vì phương pháp điều khiển lẽ
bằng vi mạch nó có những ưu điểm:
 Nó ứng dụng được thành tựu khoa học kỹ thuật như dùng: các IC,
các bộ vi xử lý.
 Tốc độ điều khiển khá nhanh và khá chính xác.
 Có cơ cấu nhỏ gọn, nhẹ, dễ duy chuyển.
 Có thể kết nối với máy vi tính để điều khiển.
 Có thể dùng hệ thống tự động điều khiển ở những nơi con người
khó lui tới.
 Thuận lợi sửa chữa khi gặp sự cố.

 Khi có trình trạng sự dùng đồng bộ khi một máy bò sự cố.
 Tính linh động cao trong quá trình sử dụng.
Ngoài những ưu điểm trên thì khi dùng phương pháp điều khiển đơn bằng vi
mạch cũng gặp không ít khó khăn:
 Tương đối tốn kém.
 Mạch điều khiển phức tạp do nhiều nhánh điều khiển riêng lẽ.
 Không tiện lợi khi điều khiển một loạt các động cơ có tính đồng
bộ.
Trang:24
Đồ n Truyền Động Điện GVHD: TRẦN QUANG THỌ
KẾT LUẬN
 Qua một thời gian thực hiện đồ án, em đã hết sức cố gắng thu
thập những thông tin cần thiết để hoàn thành đồ án đúng thời
gian quy đònh với đề tài “;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;”. Cũng qua quá
trình thực hiện đồ án này, em đã học hỏi thêm được nhiều kiến
thức, kinh nghiệm quý báu về nghề nghiệp của mình trong tương
lai và bồi dưỡng cho bản thân có được niềm say mê nghiên cứu
khoa học. Bên cạnh đó, em cũng hiểu được những khó khăn cần
phải giải quyết trong quá trình nghiên cứu, học tập cũng như biết
được cách bố trí thời gian hợp lý để có được kết quả tốt nhất.
 Mặc dù em đã cố gắng rất nhiều nhưng do kiến thức còn hạn
chế nên sai sót là điều khó tránh khỏi. Rất mong được sự đóng
góp ý kiến của thầy cô và các bạn để tập đồ án được hoàn thiện
hơn.
 Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình
của Thầy Trần Quang Thọ và sự giúp đỡ chân thành của tất cả
bạn bè để em có thể hoàn thành tập đồ án này.
Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM
Ngày: 30/05/2005
Trang:25