CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU về ĐỘNG cơ bước và PHƯƠNG PHÁP điều KHIỂN ĐỘNG cơ bước

CHƯƠNG III
GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
Trong hệ thống tự động và trong máy tính điện tử ngày càng sử dụng rộng rải
hệ thống truyền động rời rạc.
Các hệ thống truyền động rời rạc này thực hiện nhờ loại động cơ chấp hành
đặc biệt gọi là động cơ bước.
Động cơ bước thường là động cơ đồng bộ dùng để phổ biến các tín hiệu điều
khiển dươí dạng các xung điện áp thành các chuyển động góc quay hoặc chuyển động
của rotor và có khả năng cố đònh rotor vào những vò trí cấn thiết.
Động cơ bước làm việc được nhờ có bộ chuyển mạch điện tử , để đưa tín hiệu
điều khiển vào các cuộn dây stator, theo một thứ tự và một tần số nhất đònh . Tổng số
góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ
quay của rotor, phụ thuộc vào thứ tự chuyển và tần số chuyển đổi.
Động cơ bước được chia thành hai loại, động cơ bước nam châm vónh cửu và
động cơ bước từ trở thay đổi( cũng có loại động cơ phối hợp cả hai loại trên ) cách
chia cũng phụ thuộc quan điểm người sử dụng .
Nếu đánh mất nhãn trên động cơ ta có thể tổng quát nêu lên được hai khác
biệt bởi cảm nhận được qua giác quan. Động cơ nam châm vónh cửu có xu hướng
“khớp “ khi ta dùng tay xoay rotor trong khi động cơ từ trở thay đổi hầu như quay tự
nhiên, ta cũng có thể phân biệt được sự khác nhau khi dùng một Ohm-Metter động cơ
từ trở thay đổi thường có ba hay bốn cuộn dây với một đầu chung trong khi động cơ


nam châm vónh cửu luôn có hai cuộn dây độc lập có hay không có đầu nối ở tâm (loại
nam châm vónh cửu đơn cực thường dùng ) .
Động cơ bước có tầm rộng của độ phân giải góc, bước lớn nhất khoảng 90 độ
trên mỗi bước. Đối với động cơ nam châm vónh cửu có độ phân giải cao thường có thể
điều khiển được 1.8 hay ngay cả 0.72 độ cho mỗi bước. Với bộ điều khiển thích hợp,
động cơ nam châm vónh cửu và hổn hợp có thể hoạt động ở chế độ Hafl-Step, một số
bộ điều khiển có thể điều khiển ở các bước rất nhỏ gọi là micro-step.

Cho cả động cơ nam châm vónh cửu lẫn từ trở thay đổi nếu cấp điện cho cuộn
dây rotor sẽ chuyển động nhanh tới một góc cố đònh và giữ góc đó đến khi moment
quay vượt quá moment giữ của động cơ ở lúc này rotor sẽ quay và cố giữ cho đến
điểm kế tiếp.

I. ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI

Hình 3.1
Nếu động cơ có 3 cuộn dây thường được kết nối như hình với một đầu chung
cho tất cả các cuộn dây. Khi sử dụng cuộn dây chung thường được đưa vào nguồn
dương và các cuộn dây độ nối mức thấp tuần tự .
Theo hình trên động cơ từ trở thay đổi có mỗi bước là 30 độ . rotor trong động
cơ này có 4 răng và stator có 6 cực với mỗi cuộn dây được bao phủ bởi 2 cực đối diện.
Khi cuộn dây 1 được cấp năng lượng răng rotor được đánh dấu X sẽ bò kéo về cuộn


dây này. Nếu dòng điện qua cuộn dây 1 bò ngắt và cuộn dây 2 được nạp rotor sẽ quay
30 độ theo chiều đồng hồ để cực đánh dấu Y sẽ thẳng hàng với cực đánh dấu 2.
Để quay động cơ liên tục ta phải cấp nguồn cho ba cuộn dây một cách tuần tự.
Giả sử dùng mức logic 1 tương ứng cấp điện cho cuộn dây . Hình sau minh hoạ cách
điều khiển:
Winding 1 1001001001001001001001001
Winding 2 0100100100100100100100100
Winding 3 0010010010010010010010010
time -->
Cũng có loại động cơ từ trở thay đổi có từ 4 đến 5 cuộn dây hoặ hơn nữa .
Cách điều khiển cũng tương tự như cho 3 cuộn dây. Nhưng điều quan trọng là xác
đònh chính xác thứ tự các bước. Dạng động cơ ở trên có 30 độ cho mỗi bước dùng
rotor dạng răng, stator có số cực ít nhất. Dùng rotor có nhiều răng sẽ được động cơ có
góc bước nhỏ hơn.

II. ĐỘNG CƠ ĐƠN CỰC

Hình 3.2


Động cơ bước đơn cực cả nam châm vónh cửu lẫn động cơ bước hỗn hợp có 5
hay 6 đầu dây thường dùng sơ đồ trên một kết nối giữa cho mỗi dây. Khi sử dụng các
kết nối giữa của cuộn dây thường được kết vào nguồn cung cấp dương và hai đầu của
mỗi cuộn dây được nối xuống đất, tuỳ thuộc đầu vào nối đất ta sẽ xác đònh chiều quay
rotor.
Động cơ mô tả ở trên là loại động cơ nam châm vónh cửu hay hỗn hợp mỗi
bước tương ứng 30 độ. Cuộn dây số một của động cơ được đònh ở giữa cực trên và cực
dưới của stator trong khi cuộn dây thứ 2 của động cơ được đònh giữa cực trái và phải
của động cơ. Rotor động cơ nam châm vónh cửu này có 6 cực 3 nam và 3 bắc được sắp
xêáp vòng tròn.
Cho độ phân giải cấp cao hơn rotor động cơ phải có nhiều cực hơn loại động cơ
30 độ cho mỗi bước ở trên là một trong các thiết kế động cơ điện phổ biến nhất tuy
nhiên loại động cơ 15 hay 7.5 độ cho mỗi bước cực có giá trò hơn.
Như trong hình vẽ minh họa dòng điện chạy từ điểm giữa cuộn dây tới điểm
cuối là nguyên nhân gây ra cho đỉnh của cực stator là bắc trong khi đó cực dưới lại
nam , nó hút rotor về vò trí như hình vẽ. Nếu ta ngưng cấp điện cho cuộn thứ nhất và
cấp điện cho cuộn thứ hai thì rotor sẽ quay 30 độ hay một bước.
Để cho động cơ quay liên tục ta cấp điện cho hai cuộn dây tuần tự. Hình sau sẽ
minh hoạ cho động cơ quay theo chiều thuận:
Winding 1a 1000100010001000100010001
Winding 1b 0010001000100010001000100
Winding 2a 0100010001000100010001000
Winding 2b 0001000100010001000100010
time --->

Winding 1a 1100110011001100110011001
Winding 1b 0011001100110011001100110
Winding 2a 0110011001100110011001100
Winding 2b 1001100110011001100110011
time --->

Chú ý hai nữa của mỗi cuộn dây không bao giờ ở mức 1 cùng một lúc. Cả hai
kiểu kích ở trên sẽ làm động cơ quay ở từng thời điểm. Cách trứơc chỉ có một cuộn
dây kích tại thời điểm dẫn do vậy sẽ tốn năng lïng ít hơn. Đối với cách hai thì tại
một thời điểm có hai cuộn dây được kích đồng thời do vậy sẽ tốn nhiều năng lượng
hơn. Tuy nhiên nó lại cung cấp 1 moment gấp 1.4 lần so với cách kích trước (chú ý
rằng hai nửa của một cuộn dây không bao giờ được kích đồng thời).
Nếu sử dụng phối hợp hai cách trên lại với nhau ta được cách điều khiển theo kiểu
hafl-step:
Winding 1 1001001001001001001001001
Winding 2 0100100100100100100100100
Winding 3 0010010010010010010010010
time --->

III. ĐỘNG CƠ LƯỢNG CỰC


Hình 3.3
Động cơ nam châm vónh cửu được cấu tạo với phần cơ giống hệt loại đơn cực
nhưng hai cuộn dây được kết nối đơn giản hơn, không có mối nối ở giữa.
Như vậy động cơ có cấu tạo đơn giản hơn tuy nhiên mạch điều khiển để đổi
chiều quay thì phức tạp hơn nhiều.
Mạch điều khiển động cơ yêu cầu là mạch điều khiển cầu H (H-bridge) cho

mỗi cuộn dây. Mạch cầu H cung cấp năng lượng 1 cách độc lập mỗi đầu cuộn dây.
Tín hiệu điều khiển tuần tự cho mỗi bước động cơ như sau:
Terminal 1a +---+---+---+--- ++--++--++--++-Terminal 1b --+---+---+---+- --++--++--++--++
Terminal 2a -+---+---+---+-- -++--++--++--++Terminal 2b ---+---+---+---+ +--++--++--++--+
time --->
Thông thường H-bridge có một tín hiệu cho phép xuất và một tín hiệu điều
khiển khác dùng để điều khiển chiều quay cho mỗi cực:
Enable

1 1010101010101010 1111111111111111

Direction 1 1x0x1x0x1x0x1x0x 1100110011001100
Enable

2 0101010101010101 1111111111111111

Direction 2 x1x0x1x0x1x0x1x0 0110011001100110
time --->
Ta có thể nhận ra động cơ bước lưỡng cực nam châm vónh cửu 4 đầu dây động
cơ bằng cách đo điện trở giữa các đầu dây ta sẽ xác đònh được hai cuộn dây. Trong
mỗi dây nếu hai đầu được mắc nối tiếp thì động cơ có thể sử dụng ở mức điện áp cao.
Nếu chúng được mắc song song thì chúng có thể sử dụng ở mức điện áp thấp. Nếu
chúng được mắc với điểm giữa thì chúng ở chế độ như là động cơ đơn cực.


IV. ĐỘNG CƠ NHIỀU PHA

Hình 3.4
Loại động cơ này hiếm thấy trong các loại động cơ bước nam châm vónh cửu,
đầu của các cuộn dây được nối tuần hoàn với một nút giữa hai cặp cuộn dây trên hình

tròn. Phổ biến nhất là loại 3 phase và 5 phase. Điều khiển động cơ này yêu cầu 1/2
cầu H cho mỗi cực của động cơ, những loại động cơ này có thể cung cấp moment lớn
hơn so với những động cơ khác có cùng kích thước. Động cơ này có 5 phase có thể đạt
tới 0.72 độ /step hay 500 vòng.
Với loại 5 phase động cơ sẽ có 10 bước cho mỗi chu kỳ lặp lại:
Terminal 1 +++-----+++++-----++
Terminal 2 --+++++-----+++++--Terminal 3 +-----+++++-----++++
Terminal 4 +++++-----+++++----Terminal 5 ----+++++-----+++++time --->
Ở đây trong trường hợp động cơ bước nam châm vónh cửu lõng cực, mỗi đầu
dây được nối với nguồn cung cấp hay là nối xuống đất, chú ý rằng tại mỗi bước chỉ có
một đầu dây được đảo chiều.
Để nhân ra động cơ này với 5 dây ta thấy từ trở giữa hai đầu liên tiếp của động
cơ là R thì điện trở giữa hai cuộn dây không phải liên tiếp là 1.5 R.


Chú ý rằng một loại động cơ 5 phase loại này có thể mắc song song với 10 dây.
Những loại dây này được nối hình sao như hình vẽ dùng 5 nữa cầu H để điều khiển
hoặc mỗi cuộn dây được điều khiển bởi mạch cầu H đầy đủ.

I. CÁC MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC CƠ BẢN
Ở phần này em xin giới thiệu một số mạch điều khiển động cơ bước, mạch
tồn tại ở các dạng khác nhau tuỳ thuộc vào cấu trúc của từng động cơ khác nhau.

1. Mạch điều khiển động cơ bước từ trở thay đổi

Hình 3.5
Các tín hiệu dùng để đóng mở các khoá cho phép cung cấp điện động cơ làm
motor quay. Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển là PC hay PLC với một phần mềm
thích hợp để điều khiển đóng ngắt một cách tuần tự cho phép động cơ quay theo ý
muốn.

Cuộn dây động cơ, cuộn dây soilenoide và các thiết bò tương tự điều gây ra
hiện tượng cảm ứng do đó dòng điện trong cuộn dây không thể tăng giảm một cách
đột ngột khi ta ngắt các khoá analog dòng điện không thể về 0 ngay tức thì mà phải
mất 1 thời gian nhất đònh nào đó. Kết quả là gai điện áp xuất hiện làm hỏng các khoá
nếu không dùng thiết bò phù hợp. Có hai cách để khác để khắc phục tình trạng này là
mắc đối song các cực của cuộn dây động cơ với một diode hoặc cách khác là dùng tụ.
Diode ở trên cho phép dẫn toàn bộ dòng trong mỗi cuộn dây, nhưng nó chỉ dẫn
trong thời gian ngắn mỗi khi khoá bò ngắt, dòng điện sẽ giảm về 0. Nếu ta dùng họ


diode ít phổ biến như là 1N400X được dùng với các khoá đóng ngắt nhanh thì ta nên
dùng tụ mắc song với diode.
Tụ ở sơ đồ trên sẽ đưa ra một số vấn đề khi thiết kế. Khi nó được kích đóng tụ
xả năng lượng qua khoá xuống đất và khoá phải chòu được các xung áp khi tụ xả trong
một thời gian ngắn.
Điện trở trong mạch và nguồn cung cấp sẽ giới hạn dòng này. Khi khóa được
mở năng lượng tích trữ trong cuộn dây motor sẽ nạp năng lượng cho tụ có đặc tính là
áp cao hơn nguồn và khoá phải chòu được áp này.
Ta có thể tính toán tụ theo phương trình năng lượng:
CV 2
P=
2
P=

LI 2
2

P: năng lượng tồn trữ (W.s hay Cu.v)
C: giá trò tụ điện (F)
V: điện áp đặc lên tụ (V)

L: Trở kháng cuộn dây (H)
I: dòng qua cuộn dây(A)
Vb: điện áp đánh thủng của khóa
Vs :áp nguồn cung cấp.
Động cơ bước từ trở thay đổi tuỳ thuộc vào góc cắt như vậy khi thiết kế ta chỉ
có thể chọn giá trò của tụ chứ không tính toán chính xác được. Thêm vàó ta không
phải lúc nào cũng xác đònh được độ tự cảm của cuộn dây.
Nếu tụ điện và cuộn dây của động cơ được nối mạch cộng hưởng dòng điện sẽ
chạy qua cuộn dây của động cơ và như vậy moment ngoài của động cơ sẽ khác trạng
thái tónh của moment. Tần số cộng hưởng sẽ là:
F=

1
2 LC


Hình 3.6
Khi hai hiện tượng xảy ra gần nhau nó làm giảm moment động cơ về 0 một
cách chanh chóng.

2.

Mạch điều khiển động cơ bước nam châm vónh cửu và động cơ hỗn hợp


Hình 3.7
Cũng tương tự như trên bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu điều khiển tương ứng để
đóng hay mở các khoá cho phép năng lượng cung cấp cho các cuộn dây một cách tuần
tự.
Với mạch điều khiển động cơ bước từ trở thay đổi chúng sinh dòng điện cảm

ứng làm hỏng khoá khi khoá bò khích ngắt ta phải mắt thêm 4 diode như sau:

Hình 3.8
Các diode thêm vào là bắt buộc bởi vì cuộn dây của động cơ không là hai
phần điện cảm riêng biệt, chúng được nối chung với nhau như hình vẽ và được nối với
một điện áp cố đònh. Trong hai đầu dây còn lại nếu một đầu được đưa xuống mức
thấp thì đầu còn lại phải đưa lên mức cao và ngược lại. Khi một khoá đang chuyển từ
trạng thái đóng sang trạng thái ngắt thì dòng điện cảm ứng sinh ra có thể làm hư
mạch, điều này được hạn chế bằng diode.
Một tụ điện cũng có thể được sử dụng để hạn chế điều trên:


Hình 3.9
Cách tính giá trò tụ tương tự như hình trên nhưng các thông số cộng hưỡng thì
khác. Với một động cơ bước nam châm vónh cửu nếu tụ hoạt động gần tần số cộng
hưởng thì moment sẽ tăng gấp đôi kết quả là đồ thò moment và tốc độ sẽ phức tạp:

Hình 3.10

3. Mạch cầu điều khiển động cơ bước lưỡng cực và cầu H
Điều khiển động cơ bước nam châm vónh cửu lưỡng cực thì phức tạp hơn nhiều
vì không có cuộn dây ở giữa mỗi cuộn dây động cơ vậy để đảo chiều động cơ một
cách trực tiếp chúng ta phải đảo chiều dòng điện ở mỗi cuộn dây. Ta phải dùng hai
cặp cực ghép với mỗi khoá để tạo ra điện trường mong muốn, mạch này thường được
gọi là mạch cầu H:


Hình 3.11
Như đã đề cập, mạch cầu H phải được bảo vệ xung áp khi đóng khoá, do đó ta
phải dùng diode như hình.

Cầu H không chỉ có giá trò điều khiển động cơ bước lưỡng cực mà còn để điều
khiển động cơ DC servo và nhiều thiết bò khác nữa.
Với 4 khoá cầu H có thể tạo ra được 16 trạng thái, trong đó có 7 trạng thái làm
ngắn mạch nguồn. Những trạng thái sau được dùng:
Mode chạy tới, khoá A và D đóng, B và C ngắt.
Mode chạy lui, khoá B và C đóng, A và D ngắt.
Hình minh họa mode chạy tới:

Hình 3.12
Mode các khoá đều khoá, dòng điện cảm ứng nhanh chóng bò triệt tiêu.
Mode dòng điện cảm ứng bò triệt tiêu với thời gian chậm hơn. Trong trường hơp
này dòng điện chạy vòng qua cuộn dây của động cơ nếu rotor có dòch chuyển thì sẽ
sinh ra dòng điện cảm ứng làm rotor dừng lại:


Hình 3.13