Bài giảng động cơ bước stepper motor

ĐỘNG CƠ BƯỚC
STEPPER MOTOR


NỘI DUNG CHÍNH
 Giới thiệu về động cơ bước
 Các loại động cơ bước
+ Biến từ trở_VRSM
(variable - reluctance stepper motor)

+ Nam châm vĩnh cữu_PMSM
(permanent-magnet stepper motor)

+ Hỗn hợp (lai)
(hybrid stepper motor)


39.1 Introduction (Giới thiệu):
This chapter provides a brief introduction to electrical
machines which have special applications. It includes machines
whose stator coils are energized by electronically switched
currents.
Chương này cung cấp giới thiệu ngắn gọn về các máy điện có
ứng dụng đặc biệt. Đó là các máy mà dây quấn stator được cấp
điện bởi các dòng điện chuyển mạch điện tử.
The examples are: various types of stepper motors, brushless
d.c. motor and switched reluctance motor etc.
Ví dụ như: các loại động cơ bước, động cơ DC không chổi
than và động cơ từ trở đóng ngắt.

There is also a brief description of d.c./a.c. servomotors,
synchro motors and resolvers. These motors are designed and
built primarily for use in feedback control systems.
Cũng như mô tả ngắn gọn động cơ servo dc/ac, Synchro
(động cơ tự đồng bộ) và Resolver. Những động cơ này ban đầu
được thiết kế và xây dựng trong các hệ thống điều khiển phản
hồi.


39.2 Stepper Motor
As we know, industrial motor are used to convert electric
energy into mechanical energy but they cannot be used for
precision positioning of an object or precision control of speed
without using closed-loop feedback.
Như chúng ta biết, động cơ công nghiệp dùng để biến đổi
năng lượng điện thành năng lượng cơ, nhưng chúng lại không
thể điều chỉnh vị trí 1 cách chính xác hay điều khiển tốc độ
chính xác mà không sử dụng mạch hồi tiếp vòng kín.
The unique features of a stepper motor is that its output
shaft rotates in a series of discrete angular intervals or steps,
one step being taken each time a command pulse is received.
Cái tên động cơ bước được sử dụng bởi vì nó quay 1 góc cố
định đáp ứng theo xung điện nhận vào từ bộ điều khiển.


Tại sao gọi là động cơ bước?
The name stepper is used because this motor ratates
through a fixed angular step in response to each input current
pulse received by its controller.
Cái tên động cơ bước được sử dụng bởi vì nó quay 1 góc

cố định đáp ứng theo xung điện nhận vào từ bộ điều khiển.
In recent years, there has been wide-spread demand of
stepping motors because of the explosive growth of the
computer industry. Their popularity is due to the fact that they
can be controlled directly by computers, microprocessors and
programmable controllers.
Ngày nay, việc sử dụng ĐC bước trở nên thịnh hành bởi vì
sự bùng nổ của nền công nghiệp máy vi tính. Sự phổ biến của
chúng là do thực tế chúng có thể được điều khiển trực tiếp bởi
máy vi tính, vi xử lý và các bộ điều khiển lập trình.


Đặc điểm của động cơ bước
The unique features of a stepper motor is that its output
shaft rotates in a series of discrete angular intervals or steps,
one step being taken each time a command pulse is received.
When a definite number of pulses are supplied, the shaft turns
through a definite known angle. This fact makes the motor wellsuited for open-loop position control because no feedback need
be taken from the output shaft.
ĐC bước có trục ngõ ra quay những góc rời rạc hay gọi là
bước, mỗi bước đáp ứng với mỗi xung lệnh nhận vào. Khi xác
định được số xung lệnh cấp vào thì trục quay sẽ xác định được
góc quay. Thực tế này rất phù hợp cho ĐC hoạt động trong
mạch điều khiển vòng hở bởi vì sẽ không cần hồi tiếp ở đầu
trục ĐC.


Đặc điểm của động cơ bước
Such motors develop torques ranging from 1µN-m (in a tiny
wrist watch motor of 3 mm diameter) upto 40N-m in a motor of

15cm diameter suitable for machine tool application. Their
output ranges from about 1W to a maximum of 2500W. The only
moving part in a stepping motor is its rotor which has no
windings, commutator or brushes. This feature makes the motor
quite robust and reliable.
Dải moment ĐC gia tăng từ 1µN-m (ĐC trong các đồng hồ
đeo tay nhỏ với đường kính 3mm) lên tới 40 N-m trong các ĐC
đường kính 15cm thích ứng cho các máy công cụ. Dải công
suất ngõ ra từ 1W tới tối đa 2500W. Phần di chuyển duy nhất
trong ĐC bước là rotor của nó, trong đó không có cuộn dây,
vành góp hay chổi than. Đặc điểm này làm cho ĐC trở nên khá
mạnh và an toàn.


Đặc điểm của động cơ bước
Stepping motor are designed to operate for long periods with
the rotor held in a fixed positon and with rated current flowing in the
stator windings. It means that stalling is no problem for such
motors whereas for most of the other motors, stalling results in the
collapse of back emf (Ef) and a very high current which can lead to
a quick burn-out.
ĐC bước được thiết kế để hoạt động trong chu trình lâu dài mà
rotor giữ cố định ở một vị trí với dòng định mức trong cuộn dây
stator. Điều này có nghĩa là khi ĐC dừng ở 1 vị trí cố định thì sẽ
không có vấn đề gì trong khi phần lớn các loại ĐC khác thì khi
dừng như vậy kết quả là sự phá hủy của lực điện động và với
dòng cao thì sẽ gây cháy hỏng một cách nhanh chóng.


Góc bước

The angle through which the motor shaft rotates for each
command pulse is called the step angle β.
Góc quay mà trục ĐC quay được khi nhận 1 xung lệnh được
gọi là góc bước β.
Smaller the step angle, greater the
number of steps per revolution and
higher the resolution or accuracy of
positioning obtained.
Góc bước bé hơn, số lượng bước
trên mỗi vòng quay cao hơn và độ
phân giải cao hơn hay đạt được độ
chính xác trong việc điều chỉnh vị trí.
The step angles can be as small as 0.72o or as large as 90o .
But the most common step sizes are 1.8o, 2.5o, 7.5o và 15o.
Góc bước có thể nhỏ như 0.72o hay lớn đến 90o. Nhưng thông
thường, độ rộng góc bước phổ biến là 1.8o, 2.5o, 7.5o và 15o.


Góc bước
The value of step angle can be expressed either in terms of the
rotor and stator poles (teeth) Nr and Ns repestively or in terms of
the number of stator phases (m) and the number of rotor teeth.
Giá trị của góc bước được thể hiện thông qua số lượng cực
(răng) tương ứng của rotor (Nr) và stator (Ns) hay số pha của
stator (m) và số răng của rotor.

β=

(Ns − Nr)
× 3600

Ns × Nr
hay

360
360
β=
=
m.Nr Sè pha stator × Sè r¨ng rotor

Ví dụ:

Ns=8 và Nr=6, β = (8 - 6) x 360o/8 x 6 = 15o


Độ phân giải
Resolution is given by the number of steps needed to
complete one revolution of the rotor shaft.
Độ phân giải được định nghĩa là số lượng bước cần để
hoàn thành 1 vòng quay của trục rotor.
Higher the resolution, greater the accuracy of positioning
of objects by the motor.
Độ phân giải cao hơn, độ chính xác trong việc xác định vị
trí đối tượng bằng ĐC sẽ cao hơn.

Độ phân giải = Số lượng bước/vòng quay = 360o/ β


Tốc độ quay
A stepping motor has the extraordinary ability to operate at
very high stepping rates (upto 20000 steps per second in some

motors) and yet to remain fully in synchronism with the
command pulses. When the pulse rate is high, the shaft rotation
seems continuous. Operation at high speeds is called ‘slewing’.
When in the slewing range, the motor generally emits an
audible whine having a fundamental frequency equal to the
stepping rate.
ĐC bước có khả năng đặc biệt hoạt động ở tần số bước rất
cao (lên tới 20,000 bước trên giây ở 1 vài loại ĐC) nhưng vẫn
đồng bộ với xung lệnh. Khi ở tần số xung cao, trục quay xem
như liên tục. Việc hoạt động ở tốc độ cao được gọi là “slewing”
(quay). Khi quay, động cơ phát ra âm thanh rên rỉ có tần số
bằng với tần số bước.


Tốc độ quay
If f is the stepping frequency (or pulse rate) in pulses per
second (pps) and β is the step angle, then motor shaft speed is
given by:
Nếu f là tần số bước (hay tần số xung) trong 1 giây (ppspulses per second) và β là góc bước, thì tốc độ ĐC được xác
định như sau:

n = β x f/ 360 rps = độ phân giải tần số xung
If the stepping rate is increased too quickly, the motor loses
synchronism and stop. Same thing happens if when the motor
is slewing, command pulse are sudddenly stopped instead of
being grogressively slowed.
Nếu tần số bước tăng quá nhanh thì, thì ĐC bị mất đồng bộ
và dừng. Điều này cũng xảy ra khi ĐC đang quay mà xung
lệnh tắt đột ngột thay vì giảm từ từ.

Ví dụ 1
Một ĐC bước biến từ trở lai có 8 cực chính, mỗi cực
có 5 răng. Nếu rotor có 50 răng, tính góc bước.

Ns = 8 x 5 = 40, Nr = 50
β = (50 – 40) x 360o/50 x 40 =
1.8o


Ví dụ 2
Một ĐC bước có góc bước 2.5o. Xác định:
a/ Độ phân giải
b/ Số lượng bước để trục quay được 25 vòng
c/ Tốc độ, nếu cho tần số bước là 3600 xung/giây
a/ Độ phân giải = 360o/ β = 360o/ 2.5o = 144
bước/vòng
b/ Ta có: 1 vòng có 144 bước.
Vậy số bước yêu cầu để quay được 25 vòng là
144 x 25 = 3600 bước
c/ n = β x f / 360o = 2.5 x 3600 / 360o= 25 vòng/giây.


Ứng dụng
Such motors are used for operation control in computer
peripherals, textile industry, IC fabrications and robotics etc.
Sử dụng cho việc điều khiển hoạt động các thiết bị ngoại vi
máy vi tính, công nghiệp dệt, chế tạo IC và robot…
Applications requiring incremental motion are typewriters, line
printers, tape drives, floppy disk drives, numerically-controlled

machine tools, process control systems and X-Y plotters.
Những ứng dụng đòi hỏi sự dịch chuyển liên tục như máy
đánh chữ, máy in, ổ băng, ổ đĩa, máy điều khiển bằng số, hệ
thống điều khiển tiến trình và máy vẽ đồ thị XY.
They also take part in the manufacture of packed food stuffs,
commercial end-products and even the production of science
fiction movies.
Chúng cũng tham gia một phần trong việc đóng gói các sản
phẩm thức ăn, các sản phẩm thương mại mà các bộ phim khoa
học viễn tưởng.


Các loại ĐC bước

Biến từ trở
(VR stepper
motor)

Nam châm vĩnh cữu
(permanent-magnet
stepping motor)

Hỗn hợp (Lai)
(hybrid stepper
motor)


ĐC bước biến từ trở

ĐC bước biến từ trở
Construction: A variable-reluctance motor is constructed from
ferromagnetic material with salient poles as shown in Fig. 39.2.

Một động cơ từ trở biến thiên được cấu trúc từ vật liệu sắt từ với
các cực lồi như hình.
The stator is made from a stack of steel
lamination and has sis equally-spaced
projecting poles (or teeth) each wound with an
exciting coil.

Stator được làm từ những lá thép và
có 6 cực nhô ra (hay răng) mỗi cực chứa
1 cuộn dây cảm ứng.
The rotor which may be solid or laminated
has four projecting teeth of the same width as
the stator teeth.

A

Stator

1

B

6

1
4

C

5

2

C’

2
3
Rotor

3

B’

4

A’

Rotor có thể làm đặc hoặc ghép lại có 4 răng có độ rộng bằng với răng stator.
As seen, there are three independent stator circuit or phases A, B and C and
each one can be energized by a direct current pulse from the drive circuit (not show
in the figure).

Stator có 3 mạch hay 3 pha A, B, C riêng và mỗi pha sẽ được vận hành
từ bộ điều khiển bên ngoài.

ĐC bước biến từ trở
A simple circuit arrangement for
supplying current to the stator coils in
proper sequence is shown in Fig. 3.92 (e).
Một mạch điện luân chuyển điện vào các
cuộn dây stator một cách trình tự như hình.
The sis stator coils are connected in 2coil groups to form three separate circuit
called phases. Each phase has its own
independent switch.
6 cuộn dây stator đấu nối thành từng
cặp tạo thành 1 mạch 3 pha riêng biệt.
Mỗi pha có công tắc đóng mở riêng.
Diametrically opposite pairs of stator coils are connected in series such
that when one tooth becomes a N-pole, the other one becomes a S-pole.
Các cặp đối diện nhau được đấu nối tiếp để khi một trong hai trở
thành cực N thì đầu còn lại sẽ trở thành cực S.


ĐC bước biến từ trở
Although shown as mechanical switches in Fig. 39.2 (e), in actual
practice, switching of phase currents is done with the help of solid-state
control.
Mạch đóng tắc nguyên lý được cho như hình, nhưng trên thực tế cần
sự trợ giúp điều khiển của vật liệu bán dẫn.
When there is no current in the stator coils, the rotor is completely
free to rotate.
Khi không có dòng trong các cuộn dây stator, rotor quay tự do.
Energizing one or more stator coils cause
the rotor to step forward (or backward) to a
position that forms a path of least reluctance

with the magnetized stator teeth. The step
angle of this three-phase, four rotor teeth
motor is β=360/4x3= 30o.
Khi một hay nhiều cuộn dây có điện rotor
sẽ dịch chuyển 1 bước tới (hay lùi lại) tạo
thành 1 đường với răng stator do lực từ. 1
bước của động cơ ba pha rotor 4 răng là
β=360/4x3= 30o.


ĐC bước biến từ trở
+ 1 pha ON hay bước đủ
Fig. 39.2 (a) shows the position of the rotor
when switch S1 has been closed for energizing
phase A. A magnetic field with its axis along
the stator poles of phase A is created. The
rotor is therefore, attracted into a position of
minimum reluctance with diametrically opposite
rotor teeth 1 and 3 lining up with stator teeth 1
and 4 respectively.
Đóng công tắt S1 cho
pha A hoạt động, một lực
từ có trục từ cặp cực pha
A được tạo ra. Rotor bị
hút vào vị trí có từ trở bé
nhất với răng 1 và 3 của
rotor thẳng hàng với răng
1 và 4 của stator (góc
0o).

ĐC bước biến từ trở
+ 1 pha ON hay bước đủ
Closing S2 and opening S1 energizes
phase B causing rotor teeth 2 and 4 to
align with stator teeth 3 and 6 respestively
as shown in Fig. 39.2 (b). The rotor rotates
through full-step of 30o in the clockwise
(CW) direction.
Đóng S2 và mở S1
cho pha B hoạt động
làm cho răng 2 và 4 của
rotor thẳng hàng với
răng 3 và 6 của stator
như hình.
Rotor quay 1 góc 30o
theo chiều kim đồng hồ.


ĐC bước biến từ trở
+ 1 pha ON hay bước đủ
Similarly, when S3 is closed after opening
S2, phase C is energized which causes rotor
teeth 1 and 3 to line up with stator teeth 2 and
5 respestively as shown in Fig. 39.2 (c). The
rotor rotates through an additional angle of
30o in the clockwise (CW) direction.
Tương tự, khi S3
đóng khi mở S2, pha
C có điện làm răng 1

và 3 của rotor thành
hàng với răng 2 và 5
của stator như hình.
Rotor tiếp tục quay
thêm 1 góc 30o theo
chiều kim đồng hồ.