Thiết kế mạch tạo xung điều khiển động cơ bước

Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Trong những năm gần đây động cơ bước đã và đang được sử dụng
rộng rãi trong các hệ điều khiển chính xác. Động cơ bước được ứng dụng
nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần
điều khiển chính xác.
Động cơ bước là một loại động cơ điện nhưng có nguyên lý và ứng
dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường.
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo
từng bước nờn cú độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm
việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato
theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rụto tương ứng
với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rụto phụ
thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Chính vì vậy luôn tồn tại những vấn đề phát sinh trong việc điều khiển
một cách có hiệu quả động cơ này. Do đó, em lựa chọn đề tài này để đưa ra
một số phương pháp điều khiển động cơ bước để động cơ có những dịch
chuyển chính xác theo yêu cầu đặt ra.
2. Nội dung đề tài
Nôi dung đề tài là ”Cỏc phương pháp điều khiển động cơ bước”.
3. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu về Động cơ bước và nguyên lý hoạt động của động cơ bước,
đồng thời tìm hiểu về ứng dụng của vi xử lý trong điều khiển động cơ bước.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tài liệu, vi xử lý.
Xây dựng mạch thực nghiệm.
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
1

Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
5. Cấu trúc đề tài
Ngoài phần mở đầu và tài liệu tham khảo. Nội dung của khóa luận được chia
làm hai phần:
Phần a: Phần lý thuyết
Chương I: Giới thiệu chung về động cơ bước
Chương II: Các phương pháp điều khiển động cơ bước
Phần b: Phần thực nghiệm
Thiết kế mạch tạo xung điều khiển động cơ bước.
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
2
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
PHẦN A: PHẦN LÝ THUYẾT
CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC
1.1 Giới thiệu động cơ bước
Động cơ bước là loại động cơ điện được dùng để biến đổi các lệnh cho
dưới dạng xung điện thành sự dịch chuyển dứt khoát về góc quay hay đường
thẳng –như là bước từng bước mà không cần cảm biến phản hồi.
Động cơ làm việc phải có kèm theo bộ đổi chiều điện tử dùng để chuyển
đổi các cuộn dây điều khiển của động cơ bước với thứ tự và tần số tùy theo
lệnh đã cho. Góc quay tổng hợp động của roto động cơ bước tương ứng
chính xác với số lần chuyển đổi các cuộn dây điều khiển, chiều quay phụ
thuộc theo thứ tự chuyển đổi, tốc độ quay phụ thuộc tần số chuyển đổi. Như
vậy trong trường hợp tổng quát có thể xem động cơ bước với bộ điều khiển
đổi chiều điện tử như một hệ thống điều chỉnh tần số của động cơ đồng bộ
với khả năng định vị trí góc xoay roto, tức là bằng cách thay đổi tần số cho

đến không.
Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu
chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa
ra dưới dạng số, hoặc như một phần tử phụ biến đổi cỏc mó xung thành tín
hiệu điều chế cho một hệ thống nào đó.
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hoá, chúng
được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển
robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong
các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát,
điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu
lái phương và chiều trong máy bay
Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ
đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in…
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
3
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường

Hình 1.1: Động cơ bước
Với nhiệm vụ và chức năng nói trên, động cơ bước đòi hỏi những yêu cầu
riêng về kĩ thuật, ngoài những yêu cầu chung:
• Có bước chuyển dịch bé.
• Moment đồng bộ hóa đủ lớn đảm bảo được sai số góc nhỏ nhất khi
thực hiện bước di chuyển.
• Không tích lũy sai số khi tăng bước.
• Tác động nhanh.
• Làm việc đảm bảo khi có cuộn dây điều khiển ít nhất.
• Động cơ và cả bộ điều khiển đổi chiều có cấu tạo đơn giản.
Tùy theo cấu tạo động cơ bước có những loại như:

• Chỉ thị hay động lực.
• Thuận nghịch hay không thuận nghịch.
• Có một stato hay nhiều stato.
• Có một hay nhiều cuộn dây điều khiển (quấn tập trung hay quấn rải).
• Roto phản kháng (không có dây quấn)và roto tác dụng (có dây quấn
kích thích hoặc nam châm vĩnh cửu).
• Roto hình đĩa hay roto mạch in.
• Bước dịch chuyển xoay hay dịch chuyển thẳng trực tiếp.
1.2 Các loại động cơ bước và nguyờn lớ hoạt động
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 khụng khác biệt gì với động cơ
nam châm vĩnh cửu). Nếu mất đi nhón trờn động cơ, các bạn vẫn có thể phân
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
4
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
biệt hai loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng.
Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như cú cỏc 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 cỏc phõn 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 gúc đú cho đến khi moment xoắn vượt qua giá
trị moment xoắn giữ (hold torque) của động cơ.
1.2.1 Động cơ biến từ trở

Hình 1.2: Động cơ biến từ trở
Cấu tạo của động cơ này là roto và stato được chế tạo bằng vật liệu từ.
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
5
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình
1.2, với một đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thỡ 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 1.2 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 đúng dũng 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 cú dũng 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 >‐‐
Hình dạng động cơ được mô tả trong hình 1.2, 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.
Các thông số tính toán:
Z
R
: Số răng Roto.
Z
s
: Số răng Stato.
m: Số pha.
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
6
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
t
R
= : Bước răng Rụto (độ).
t
s
= : Bước răng Stator (độ).
Ө
S
= = = │t

r
- t
s
│ (độ / bước).
R
S
= = Z
R.
m: Số bước / vòng (bước / vòng).
X = : Số răng stator trên pha.
Nếu tần số xung điều khiển là f và động cơ dịch chuyển 1 bước tương ứng
với 1 xung thì tốc độ động cơ được tính:
n = = = (vòng / phút).
1. 2.2 Động cơ bước đơn cực

Hình 1.3: Động cơ bước đơn cực
Động 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 1.3, với một đầu nối
trung tâm trên các cuộn. Khi dựng, cỏc đầu nối trung tâm thường được nối
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
7
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
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 quay 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 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
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
8
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
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 hỡnh trên; vì vậy, nó dựng ớt 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 bờn trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần.
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 đó nờu ở một trong hai dãy trờn. Chuỗi kết hợp
như sau:
Mấu 1a 11000001110000011100000111
Mấu 1b 00011100000111000001110000
Mấu 2a 01110000011100000111000001
Mấu 2b 00000111000001110000011100
Thời gian >‐‐
1.2.3 Động cơ bước hai cực
Hình 1.4: Động cơ bước hai cực
Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí
giống 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
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
9
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
hơn. Minh hoạ ở hình 1.4 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở
đây giống như ở hình 1.3.
Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho
mỗi mấu;điều này sẽ được bàn chi tiết trong phần các mạch điều khiển. Tóm
lại, một cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mấu được điều

khiển một cách độc lập. Cỏc dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loại động
cơ này được nêu bên dưới, dùng + và - để đại diện cho các cực của nguồn áp
được áp vào mỗi đầu của động cơ:
Đầu 1a + + + + + + + + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
Đầu 1b + + + + + + + + + + + +‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
Đầu 2a + + + + + + + + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
Đầu 2b + + + + + + + + + + + +‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
thời gian >‐‐
Chú ý rằng những dãy này giống như trong động cơ nam châm vĩnh cửu
đơn cực, ở mức độ lý thuyết, và rằng ở mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ
thống điều khiển cho hai loại động cơ này là giống nhau.
Chú ý khác là có rất nhiều chip điều khiển cầu H có một đầu vào điều
khiển đầu ra và một đầu khác để điều khiển hướng. Có loại chip cầu H kể
trên, dãy điều khiển dưới đây sẽ quay động cơ giống như dãy điều khiển nêu
phía trên:
Enable 1 1010101010101010 1111111111111111
Hướng 1 1x0x1x0x1x0x1x0x 1100110011001100
Enable 2 0101010101010101 1111111111111111
Hướng 2 x1x0x1x0x1x0x1x0 0110011001100110
thời gian ‐‐>
Để phân biệt một động cơ nam châm vĩnh cửu hai cực với những động cơ 4
dây biến từ trở, đo điện trở giữa các cặp dây. Chú ý là một vài động cơ nam
châm vĩnh cửu có 4 mấu độc lập, được xếp thành 2 bộ. Trong mỗi bộ, nếu
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
10
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
hai mấu được nối tiếp với nhau, thì đó là động cơ hai cực điện thế cao. Nếu
chúng được nối song song, thì đó là động cơ hai cực dùng điện thế thấp. Nếu

chúng được nối tiếp với một đầu trung tâm, thỡ dựng như với động cơ đơn
cực điên thế thấp.
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
11
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
1.2.4 Động cơ bước nhiều pha
Hình 1.5: Động cơ bước nhiều pha
Một bộ phận các động không được phổ biến như những loại trên đó là
động cơ nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vũng
kớn như
hình 1.5. Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5
pha.
Bộ điều khiển cần ẵ cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng
những động cơ này có thể cung cấp moment xoắn lớn hơn so với các loại
động cơ bước khác cùng kích thước. Một vài động cơ 5 pha có thể xử lý cấp
cao để có được bước 0.72 độ (500 bước mỗi vũng).Với một động cơ 5 pha
như trên sẽ quay mười bước mỗi vòng bước, như trình bày dưới đây:
Đầu 1 + + + + + + + + + +‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
Đầu 2 + + + + + + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
Đầu 3 + + + + + + + + + +‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
Đầu 4 + + + + + + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
Đầu 5 + + + + + + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
thời gian >‐‐
Ở đây, giống như trong trường hợp động cơ hai cực, mỗi đầu hoặc được
nối vào cực dương hoặc cực âm của hệ thống cấp điện động cơ. Chú ý rằng,
tại mỗi bước, chỉ có một đầu thay đổi cực. Sự thay đổi này làm ngắt điện ở
một mấu nối vào đầu đó (bởi vì cả hai đầu của mấu cú cựng điện cực) và áp
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà

Nội
12
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
điện vào một mấu đang trong trạng thái nghỉ trước đó. Hình dạng của động
cơ được đề nghị như hình 1.5, dãy điều khiển sẽ điều khiển động cơ quay 2
vòng.
Để phân biệt động cơ 5 pha với các loại động cơ có 5 dây dẫn chính, cần
nhớ rằng, nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếp của một động cơ 5 pha là R, thì
điện trở giữa hai đầu không liên tiếp sẽ là 1.5R.
Và cũng cần lưu ý rằng một vài động cơ 5 pha có 5 mấu chia, với 10 đầu
dây dẫn chính. Những dây này có thể nối thành hình sao như hình minh hoạ
trên, sử dụng mạch điều khiển gồm 5 nửa cầu H, nói cách khác mỗi mấu có
thể được điều khiển bởi một vòng cầu H đầy đủ của nó. Để tránh việc tính
toán lý thuyết với các linh kiện điện tử, có thể dùng chip mạch cầu tích hợp
đầy đủ để tính toán gần đúng.
Kết luận
Qua phần này, các bạn đã có thể phân biệt các loại động cơ như động cơ
biến từ trở, động cơ đơn cực, động cơ hai cực, và động cơ nhiều pha dựa vào
cảm nhận bằng tay khi quay rotor và dùng Ohm kế.
Việc phân biệt các cặp đầu ra của các cuộn dây cũng có thể suy ra từ việc
dùng Ohm kế để đo các đầu dây. Tuy nhiên, việc xác định cặp dây ra của
từng cuộn dây trong động cơ đơn cực hơi khó khăn hơn một chút.
Để phân biệt hai cặp dây của động cơ đơn cực 5 dây, trước tiên chúng ta
dùng Ohm kế để xác định dây nối trung tâm. Áp điện áp xoay chiều vào dây
trung tâm và một trong 4 dõy cũn lại. Dựng Vụn kế xoay chiều đo điện áp
giữa dây nối trung tâm và 3 dây còn lại. Chúng ta sẽ thấy rằng điện áp giữa
dây trung tâm với 2 trong 3 dây còn lại đó gần như bằng không, và với dây
thứ ba thì gần như bằng điện áp xoay chiều áp vào động cơ. Như vậy, hai
dây cho điện áp gần bằng 0 là một cặp, hai dây còn lại sẽ là cặp thứ hai.

Chú ý:
• Khi dùng Ohm kế để đo, nhớ ghi chú và vẽ ngay lại cách nối dây
trong động cơ để tránh nhầm lẫn về sau.
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
13
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
• Các dây nối trung tâm luôn được nối với nguồn dương trong mạch
điều khiển (kể cả động cơ biến từ trở và động cơ đơn cực).
• Điện áp xoay chiều dùng để phân biệt các cặp dây trong động cơ
đơn cực phải đủ nhỏ để không làm hư động cơ. Điện áp đỉnh của
dòng xoay chiều phải nhỏ hơn điện áp ngưỡng của động cơ. Thông
thường, với động cơ 24VDC, và 12VDC tôi thường dùng 9VAC
và 6VAC để thí nghiệm.
• Luôn ghi nhớ rằng động cơ bước là động cơ điện một chiều.
1.3 Vật lý học động cơ bước
1.3.1 Tĩnh học
Cho một động cơ quay S radian mỗi bước, biểu đồ moment xoắn theo vị
trí góc của rotor so với vị trí cân bằng ban đầu sẽ có dạng gần đúng hình sin.
Hình dạng thực tế của biểu đồ phụ thuộc vào hình dạng các cực của rotor và
stator, nhưng trong bảng thông số (datasheet) của động cơ lại không có biểu
đồ này, và cũng không trình bày hình dạng các cực. Đối với động cơ nam
châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, biểu đồ moment theo vị trí góc rotor
thường giống như hình sin, nhưng cũng không hẳn vậy. Đối với động cơ
biến từ trở, đường này giống hình sin một chút, hình thang một chút nhưng
cũng không hẳn là hình răng cưa.
Đối với động cơ 3 mấu biến từ trở hoặc nam châm vĩnh cửu có góc bước
S, chu kỳ của moment so với vị trí sẽ là 3S; hay một động cơ 5 pha, chu kỳ
sẽ là 5S. Đối với động cơ 2 mấu nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp, loại phổ

biến nhất, chu kỳ sẽ là 4S, như được mô tả trong Hình 1.6
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
14
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
Hình 1.6: Dạng đường cong mụmen xoắn khi điều khiển cả bước
Đối với một động cơ nam châm vĩnh cửu 2 mấu lý tưởng, đường cong
này có thể mô tả toán học như sau:
T = -h sin(((Π /2) / S)Ө)
trong đó
T- moment xoắn (torque)
h - moment xoắn giữ (holding torque)
S- góc bước, tính bằng radian (step angle)
Ө- góc trục (shaft angle)
Nhưng nhớ rằng, thường thì đường biểu đồ thực không bao giờ có dạng
hình sin lý tưởng như trên.
Moment xoắn giữ (holding torque) trên một mấu (winding) của động cơ
bước là giá trị đỉnh của moment xoắn trên biểu đồ khi dòng qua một mấu đạt
giá trị lớn nhất. Nếu cố tăng giá trị moment xoắn lên cao hơn giá trị đỉnh
trong khi vẫn giữ nguyên điện áp kích ở một mấu, rotor sẽ quay tự do.
Đôi khi việc phân biệt giữa góc trục điện và góc trục cơ là việc làm cần
thiết. Về mặt cơ, một vòng quay của rotor sẽ là 2Π rad. Về phương diện
điện, một vòng được định nghĩa là một chu kỳ của đường cong moment xoắn
đối với góc trục. Trong tài liệu này, Ө sẽ dùng để chỉ góc trục cơ, và
((Π/2)/S) để chỉ góc trục điện của một động cơ 4 bước/vũng.
Cho rằng đường cong moment xoắn so với vị trí góc gần đúng hình sin.
Chừng nào mà moment xoắn còn bằng moment xoắn giữ, rotor sẽ vẫn nằm
trong ẳ chu kỳ so với vị trí cân bằng. Đối với một động cơ nam châm vĩnh
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà

Nội
15
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
cửu hay hỗn hợp hai mấu, điều này có nghĩa là rotor sẽ giữ nguyên vị trí so
với vị trí cân bằng trong phạm vi một bước.
Nếu không có nguồn cấp vào các mấu động cơ, moment xoắn sẽ không
bao giờ giảm xuống 0. Trong các động cơ bước biến từ trở, từ trường dư
trong mạch từ của động cơ có thể tạo ra một moment xoắn dư nhỏ, và trong
các động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp, lực hút giữa các cực và từ
trường vĩnh cửu của rotor có thể tạo ra một moment xoắn đáng kể mà không
cần nguồn áp.
Moment xoắn dư trong một động cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp
thường được gọi là moment xoắn trên răng của động cơ, bởi vì một người
khờ khạo sẽ nghĩ rằng có một kết cấu cơ khí dạng mấu răng nằm ở bên trong
động cơ giữ rotor lại. Thông thường, moment xoắn trên răng biễu diễn theo
góc rotor không có dạng hình sin, ở một vị trí cân bằng tại mỗi bước và một
biên độ lớn hơn khoảng 10% moment xoắn giữ của động cơ, nhưng nhìn
chung các động cơ từ các nhà sản xuất cho ra giá trị cao đến 23% đối với
động cơ nhỏ và dưới 26% đối với động cơ cỡ trung bình.
1.3.2 Điều khiển nửa bước và vi bước
Miễn là không có phần nào của mạch từ bão hòa, thì việc cấp điện đồng
thời cho hai mấu động cơ sẽ sinh ra một moment xoắn theo vị trí là tổng của
các moment xoắn đối với hai mấu động cơ riêng lẻ. Đối với động cơ hai mấu
nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp, hai đường cong này sẽ là S radians khác
pha, và nếu dòng qua hai mấu bằng nhau, đỉnh của tổng sẽ nằm ở vị trí S/2
radians kể tử đỉnh của đường cong gốc, như ở Hình 1.7
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
16

Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
Hình 1.7: Dạng đường cong mụmen xoắn khi điều khiển nửa bước
Đấy là cơ bản của điều khiển nửa bước. Moment xoắn giữ là đỉnh của
đường cong moment xoắn kết hợp khi hai mấu cú cựng dũng lớn nhất đi qua.
Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp thông thường, moment
xoắn giữ hai mấu sẽ là:
h
2
= 2
0.5
h
1
trong đó:
h
1
– moment xoắn giữ trên một mấu
h
2
– moment xoắn giữ hai mấu
Điều này cho thấy rằng không có phần nào trong mạch từ bão hoà và
moment xoắn theo đường cong vị trí đối với mỗi mấu là hình sin lý tưởng.
Hầu hết các bảng hướng dẫn động cơ nam châm vĩnh cửu và biến từ trở
đều chỉ ra moment xoắn giữ hai mấu mà không có đưa ra moment xoắn giữ
trên một mấu; phần nào, có lẽ vỡ nó sẽ chiếm nhiều giấy hơn, và phần nào
cũng vì hầu hết các bộ điều khiển đủ bước thông thường luôn áp điện áp vào
cả hai mấu cùng lúc.
Nếu bất kỳ phần nào trong mạch từ của động cơ bị bão hoà, hai đường
cong moment xoắn sẽ không thể cộng tuyến tính với nhau. Kết qủa là
moment tổng hợp có thể không nằm chính xác tại vị trí S/2 kể từ vị trí cân

bằng ban đầu.
Điều khiển vi bước cho phép các bước nhỏ hơn bằng việc dựng cỏc dũng
khỏc nhau qua hai mấu động cơ, như vẽ trên Hình 1.8
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
17
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường

Hình 1.8: Dạng đường cong momen xoắn khi điều khiển vi bước
Đối với một động cơ hai mấu biến từ trở hoặc nam châm vĩnh cửu, cho rằng
các mạch từ khụng bóo hoà và các đường cong moment xoắn trên mỗi mấu
theo vị trí là một hình sin hoàn hảo, công thức dưới đây đưa ra những đặc
tính chủ chốt của đường cong moment xoắn tổng hợp:
h = (a
2
+ b
2
)
0.5
x = (S / (Π/2)) arctan(b / a)
trong đó:
a – moment xoắn ỏp trờn mấu với vị trí cân bằng tại 0 radians
b – moment xoắn ỏp trờn mấu với vị trí cân bằng tại S radians
h – moment xoắn giữ tổng hợp
x vị trí cân bằng tính theo radians
S – góc bước, tính theo radians.
Khi không cú bóo hoà, các moment xoắn a và b tỉ lệ với dòng đi qua các
mấu tương ứng. Điều này rất thông dụng khi làm việc với cỏc dũng và
moment xoắn bình thường, để moment xoắn giữ mấu đơn hoặc dòng cực đại

được chấp nhận trong một mấu động cơ là 1.0.
1. 3.3 Lực ma sát và vùng chết
Đường cong moment xoắn so với vị trí được chỉ ra trong hình 1.6 không
tính đến moment xoắn động cơ để thắng lực ma sát. Chú ý rằng các lực ma
sát có thể được chia thành hai loại lớn, lực ma sát nghỉ là lực ma sát trượt,
cần phải có một moment xoắn đủ lớn để thắng lại nó, không kể đến vận tốc
và ma sát động học hay lực nhớt, hoặc các cản trở khác không phụ thuộc vận
tốc. Ở đây, chúng ta quan tâm đến lực ma sát nghỉ. Cho rằng moment xoắn
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
18
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
cần thiết để thắng lực ma sát nghỉ trong hệ là ẵ giá trị đỉnh moment xoắn của
motor, như miêu tả trong hình 1.9
Hình 1.9: Dạng đường cong mụmen xoắn khi có lực ma sát nghỉ
Đường gạch đứt trong hình 1.9 chỉ ra moment xoắn cần thiết để thắng
ma sỏt,chỉ cú một phần đường cong moment xoắn bên ngoài đường gạch đứt
là làm cho rotor chuyển động. Đường cong chỉ ra moment xoắn hiệu quả khi
có ma sát trục không giống những đường cong này, Hình 1.10
Hình 1.10: Dạng đường cong mụmen xoắn khi có lực ma sát trục
Chú ý rằng tác dụng của lực ma sát gồm hai phần. Đầu tiên, tổng
moment xoắn hiệu quả để quay tải bị giảm, thứ hai, có một vùng chết nằm ở
mỗi vị trí cân bằng của động cơ lý tưởng. Nếu rotor động cơ được đặt tại bất
cứ đâu trong vùng chết đối với vị trí cân bằng tức thời, moment xoắn ma sát
sẽ vượt quá moment xoắn tác dụng bởi các mấu động cơ, rotor sẽ không di
chuyển. Cho rằng một đường cong hình sin lý tưởng giữa moment xoắn và vị
trí khi không có ma sát, độ rộng góc của những vùng chết sẽ là:
d= 2 (S / (Π/2)) arcsin(f / h) = (S / (Π /4)) arcsin(f/h)
trong đó:

d độ rộng vùng chết tính bằng radians
S – góc bước tính bằng radians
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
19
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
f – moment xoắn cần thiết để thắng lực ma sát
h – moment xoắn giữ
Điều quan trọng phải ghi chú về vùng chết là nó giới hạn độ chính xác
vị trí sau cùng. Một ví dụ, khi lực ma sát nghỉ là 1/2 giá trị đỉnh mụmen
xoắn, một động cơ bước mỗi bước 90° sẽ cú vựng chết là 60°. Điều đó có
nghĩa là các bước hiệu quả sẽ dao động trong khoảng 30° đến 150°, tuỳ
thuộc vào rotor dừng ở đâu trong vùng chết sau mỗi bước.
Sự xuất hiện của vùng chết có một ảnh hưởng rất lớn đến việc điều
khiển vi bước thực tế. Nếu vùng chết rộng x°, thì việc điều khiển vi bước với
độ rộng một bước nhỏ hơn x° có thể sẽ không làm cho rụto quay được một
chút nào. Vì vậy, đối với các hệ thống định dùng điều khiển vi bước có độ
phân giải cao, việc giảm thiểu ma sát nghỉ là rất quan trọng.
1.3.4 Động lực học
Mỗi lần bạn quay động cơ một bước, bạn di chuyển rụto khỏi vị trí cân
bằng S radians. Điều này di chuyển toàn bộ đường cong được miêu tả trong
hình 1.6 một khoảng cách S radians, như Hình 1.11

Hình 1.11: Dạng đường cong mômen khi động cơ dịch chuyển một bước
Điều đầu tiên ghi nhận về quá trình quay một bước là giá trị ngẫu lực
hiệu dụng lớn nhất đạt tại giá trị nhỏ nhất khi roto đang quay nửa đường từ
bước này sang bước kế tiếp. Giá trị nhỏ nhất này xác định mụmen xoắn động
(running torque), giá trị mụmen xoắn lớn nhất của động cơ có thể đạt được
khi nó bước tới trước rất chậm. Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu hai mấu

thông thường với những đường cong hình sin lý tưởng của moment xoắn so
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
20
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
với vị trí và mụmen xoắn giữ h, giá trị mụmen xoắn động sẽ là h/(20.5). Nếu
động cơ được quay bằng cách cấp điện cho hai mấu cựng lỳc, mụmen xoắn
động của một động cơ nam châm vĩnh cửu hai mấu lý tưởng sẽ bằng moment
xoắn giữ loại một mấu.
Cũng nên lưu ý rằng ở một tốc độ bước cao, moment xoắn động đôi khi
được định nghĩa như là mụmen kéo ra (pull out torque)‐ . Nghĩa là, nó là
mụmen xoắn lớn nhất mà động cơ có thể vượt qua để quay tải từ bước này
sang bước tiếp trước khi tải bị kéo ra khỏi vị trí bước bởi lực ma sát. Một vài
hướng dẫn động cơ định nghĩa một mụmen xoắn thứ hai là mụmen xoắn kéo
vào (pull intorque)‐ . Nó là mụmen xoắn ma sát cực đại mà động cơ có thể
vượt qua để gia tốc một tải đang đứng yên đến một tốc độ đồng bộ (vận tốc
điều khiển mong muốn). Mụmen xoắn kéo vào được nêu trong các tài liệu sử
dụng động cơ bước là giá trị không chính xác, bởi vỡ mụmen xoắn kéo vào
phụ thuộc vào mụmen ban đầu của tải được sử dụng khi chúng được đo, và
một vài bảng hướng dẫn động cơ chỉ ra giá trị này.
Trong thực tế, luụn cú lực ma sát, vì thế, sau khi vị trí cân bằng quay
một bước, rụto giống như dao động nhỏ xung quanh vị trí cân bằng mới. Quỹ
đạo kết quả có thể tương tự như trong hình 1.12.
Hình 1.12: Dạng quỹ đạo của rụto động cơ khi có lực ma sát
Ở đây, quỹ đạo của vị trí cân bằng được biểu diễn bằng đường gạch đứt,
trong khi đó, đường cong trờn hỡnh là quỹ đạo của rụto động cơ.
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
21

Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
1.3.5 Cộng hưởng
Tần số cộng hưởng của rụto động cơ phụ thuộc vào biên độ của dao
động; nhưng khi biên độ giảm, tần số dao động sẽ tăng đến một tần số mà
biên độ nhỏ còn xác định được. Tần số này phụ thuộc vào góc bước và tỉ số
giữa mụmen xoắn giữ và mụmen quán tính của rụto. Ngay cả khi mụmen
xoắn lớn hơn hoặc nhỏ hơn cũng sẽ làm tăng tần số này.
Một cách hình thức, cộng hưởng tần số nhỏ có thể được tính như sau:
Đầu tiên, nhắc lại phương trình gia tốc góc theo định luật Newton:
T = μ A
trong đó:
T – mụmen xoắn ỏp trờn rụto
μ mụmen quán tính của rotor và tải
A – gia tốc gúc tớnh theo radians/giõy bình phương
Chúng ta cho rằng, với một biên độ nhỏ, mụmen xoắn trờn rụto có thể
được gần đúng bằng một hàm tuyến tính của độ dịch chuyển so với vị trí cân
bằng. Vì vậy, áp dụng định luật Hooke:
T = -kӨ
trong đó:
k - hằng số dao động riêng của hệ, tính bằng đơn vị mụmen trên radian
Ө- vị trí góc của rụto, tính bằng radians
Chúng ta có thể cân bằng hai công thức mụmen xoắn để có:
μ A = - kӨ
Chú ý rằng gia tốc là đạo hàm bậc hai của vị trí theo thời gian:
A = d
2
Ө/dt
2
Nên ta có thể viết lại phương trình trên thành dạng phương trình vi phân:

d
2
Ө/dt
2
= -(k/μ) Ө
Để giải bài toán này, nhắc lại rằng, cho:
f(t) = a sin bt
Các dạo hàm của nó là:
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
22
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
df(t)/dt = ab cos bt
d
2
f(t)/dt
2
= -ab
2
sin bt = -b
2
f(t)
Lưu ý rằng, xuyên suốt phần này, chúng ta cho rằng rụto đang cộng hưởng.
Vì vậy, nó cú phương trình chuyển động có dạng:
Ө= a sin (2Πf t)
a - biên độ góc cộng hưởng
f - tần số cộng hưởng
Đây là một cách giải có thể chấp nhận được đối với phương trình vi phân ở
trên nếu ta lấy:

b = 2Π f
b
2
= k/μ
Giải ra tần số cộng hưởng f là một hàm của k và μ, ta có:
f = (k/μ)
0.5
/ 2Π
Điều cốt yếu nó là mụmen quán tính của rụto cộng thêm bất kỳ tải ngẫu
lực kèm theo nào. Mụmen của rụto, trong sự cô lập, là không thích hợp. Một
số hướng dẫn động cơ có kèm theo thông tin về cộng hưởng, nhưng nếu
động cơ mang tải, tần số cộng hưởng sẽ thay đổi.
Trong thực nghiệm, sự dao động này có thể là nguyên nhân của những
bài toán quan trọng khi tỉ lệ bước ở bất kỳ đâu cũng gần với tần số cộng
hưởng của hệ; kết quả thường xuất hiện những chuyển động ngẫu nhiên
không điều khiển được.
1.3.6 Cộng hưởng và động cơ lý tưởng
Đến điểm này, chúng ta chỉ chia với hằng số đàn hồi góc nhỏ k cho hệ
thống.
Điều này được đo bằng thực nghiệm, nhưng nếu đường cong mụmen
xoắn so với vị trí là hình sin, nó cũng là một hàm đơn giản của moment xoắn
giữ. Nhắc lại rằng:
T = - h sin(((Π/2)/S)Ө)
Hệ số đàn hồi góc nhỏ k là trừ của đạo hàm T tại gốc.
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
23
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường
k = -dT / dӨ= - (- h ((Π/2)/S) cos(0)) = (Π /2)(h / S)

Thay vào công thức tần số, ta có:
f = ((Π /2)(h / S) / μ)
0.5
/ 2Ө = (h / (8Π μ S))
0.5
Nếu biết mụmen xoắn giữ và tần số cộng hưởng, cách dễ nhất để xác
đinh mụmen quán tính của các phần di chuyển trong một hệ được điều khiển
bởi một động cơ bước là tính gián tiếp từ mối quan hệ trên.
μ = h / (8 Π f
2
S)
Vì mục đích thực nghiệm, vấn đề không phải là mụmen xoắn hay mụmen
quán tính, mà là gia tốc chịu được lớn nhất! Tiện thể, đây là một hàm đơn giản
của tần số cộng hưởng. Bắt đầu với định luật Newton cho gia tốc góc:
A = T / μ
Chúng ta có thể thay thế công thức trên cho mụmen quán tính như là
một hàm của tần số cộng hưởng, và sau đó thay thế mụmen xoắn động chịu
được lớn nhất thành hàm của mụmen xoắn giữ để có:
A = (h / (2
0.5
)) / (h / (8 Π f
2
S)) = 8 Π S f
2
/ (2
0.5
)
Đo gia tốc tính theo bước trờn giõy bình phương thay vì dùng radians
trờn giõy bình phương, ta được:
A

steps
= A / S = 8 Π f
2
/ (2
0.5
)
Vì vậy, đối với một động cơ lý tưởng có một hàm mụmen xoắn theo vị
trí dạng sin, gia tốc lớn nhất tính theo bước trờn giõy bình phương là một
hàm thông thường của tần số cộng hưởng của động cơ và tải gắn cứng.
Trong động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc biến từ trở hai mấu, với một
đường đặc tớnh mụmen xoắn theo vị trí có dạng sin lý tưởng, mụmen xoắn
giữ hai mấu là một hàm đơn giản theo mụmen xoắn giữ mấu đơn:
h
2
= 2
0.5
h
1
trong đó:
h
1
– mụmen xoắn giữ mấu đơn
h
2
– mụmen xoắn giữ hai mấu
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
24
Khóa luận tốt nghiệp Bùi Thị Thu
Hường

Thay vào công thức tần số cộng hưởng, chúng ta có thể tìm tỉ lệ giữa các tần
số cộng hưởng trong hai trường hợp điều khiển này:
f
1
= (h
1
/ )
0.5
f
2
= (h
2
/ )
0.5
= (2
0.5
h
1
/ )
0.5
= 2
0.25
(h
1
/ )
0.5
= 2
0.25
f
1

= 1.189 f
1
Mối quan hệ này chỉ duy trì nếu mụmen xoắn được cung cấp bởi động cơ
không thay đổi đáng kể khi tốc độ bước khác nhau giữa hai tần số này.
Nói chung, như sẽ thảo luận ở phần sau, mụmen xoắn hiệu dụng sẽ gần
như không đổi đến khi một bước tiếp theo xảy ra, nó sẽ bị cắt đi. Vì vậy, mối
quan hệ này chỉ giữ nguyên nếu tần số cộng hưởng thấp dưới tốc độ bước
này. Tại các tốc độ bước trên tốc độ cắt, hai tần số sẽ gần nhau hơn.
Kết luận
Chúng ta tìm hiểu hai phần chính là tĩnh học và động học của động cơ
bước. Tuy có sự khác nhau đôi chút về cấu tạo và nguyên lý tạo ra từ trường,
nhưng về bản chất mối quan hệ giữa mụmen và vị trí góc của rụto dường như là
không khác biệt mấy. Chính vì thế, những lý thuyết của động cơ bước nam châm
vĩnh cửu đều có thể áp dụng gần đúng cho động cơ biến từ trở, và hỗn hợp.
Điều khiển nửa bước và vi bước thực chất là tạo ra một mụmen tổng
hợp mà chúng ta vẫn thường làm với phép cộng hai dao động hình sinh lệch
pha nhau. Khi điều khiển nửa bước, điện áp cấp cho động cơ không thay đổi
trờn cỏc mấu. Nếu điện áp này thay đổi, vị trí đỉnh của mômen tổng không
nằm chính giữa vị trí cân bằng của rụto như điều khiển thông thường. Khi
điện áp này được thay đổi một cách hợp lý, chúng ta có thể tạo ra những góc
bước rất nhỏ cho động cơ, gọi là điều khiển vi bước.
Một điều quan trọng nữa trong phần tĩnh học, đó là lực ma sát bên trong
động cơ sẽ gây nên cỏc vựng chết, và thường thì với điều khiển đủ bước
hoặc nửa bước, chung ta không quan tâm đến cỏc vựng chết này. Trong khi
đó, vùng chết lại ảnh hưởng lớn đến khả năng điều khiển vi bước, mà chúng
ta sẽ xem xét ở các phần sau.
Líp: K57A - Khoa SPKT Trường ĐHSP Hà
Nội
25