thiết kế hệ VXL điều khiển động cơ bước (hai động cơ)

Bài tập dài Thiết kế hệ VXL 8 bit
Đề bài: Thiết kế hệ VXL điều khiển động cơ bớc (hai động cơ)
I. Yêu cầu:
Thiết kế hệ VXL :
+) Điều khiển chuyển động
+) Tạo thành một bộ điều khiển theo luật tỷ lệ (tích phân)
II. Nội dung:
1. Phân tích yêu cầu công nghệ(suy ra luật điều khiển)
2. Thiết kế sơ đồ khối hệ VXL
3. Chọn phần tử
4. Viết chơng trình
5. Thử nghiệm
1
Chơng I: Giới thiệu động cơ bớc
I. Giới thiệu động cơ bớc:
Các hệ truyền động rời rạc thờng đợc thực hiện nhờ động cơ chấp hành đặc
biệt là động cơ bớc.
Động cơ bớc thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín
hiệu điều khiển dới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển
động góc quay hoặc các chuyển động của roto và có khả năng cố định roto vào
những vị trí cần thiết.
Động cơ bớc làm việc đợc là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đa các tín hiệu
điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay t-
ơng ứng với số lần chuyển mạch, cũng nh chiều quay và tốc độ quay của roto, phụ
thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi có một xung điện áp đặt
vào dây quấn stato (phần ứng) của động cơ bớc thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ
quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bớc quay của động cơ. Khi các xung
điện áp đặt vào phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục (nhng thực chất
chuyển động đó vẫn là theo các bớc rời rạc).
Về cấu tạo có thể coi động cơ bớc là tổng hợp của hai loại động cơ: Động
cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ. Xét về

cấu tạo, động cơ bớc có ba loại chính: Động cơ bớc có roto đợc kích thích (có dây
quấn kích thích hoặc kích thích bằng nam châm vĩnh cửu), động cơ bớc có roto
không kích thích (động cơ kiểu cảm ứng và động cơ kiểu phản kháng), động cơ b-
ớc hỗn hợp (kết hợp cả hai loại trên).
Theo một phơng diện khác, có thể coi động cơ bớc là linh kiện (hay dụng
cụ số mà ở đó các thông tin số hoá đã thiết lập sẽ đợc chuyển thành chuyển động
quay theo từng bớc. Động cơ bớc sẽ thực thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá
mà máy tính yêu cầu( hình 1).
Số xung bằng số buớc (3xung -3 buớc)
F
Một xung bằng một buớc

Hình 1. Mô hình số hoá động cơ buớc

2
II. Nguyên lý hoạt động của động cơ bớc:
Khác với động cơ đồng bộ không thờng, roto của động cơ bớc không có
cuộn dât khởi động (lồng sóc mở máy) mà nó đợc khởi động bằng phơng pháp tần
số, roto của động cơ bớc có thể đợc kích thích (roto kích thích) hoặc không đợc
kích thích (roto thụ động).
Hình sau vẽ sơ đồ nguyên lý động cơ bớc m pha với roto có hai cực (2p=2)
và không đợc kích thích.
3
a)
4
1
m
2
F
1

3
b)
c)
4
4
3
F
2
1
1
F
m
2
m
2
F
1
F
1
2
F
F
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý động cơ bớc m pha với rôto 2 cực và các lực điện
từ khi điều khiển bắng xung một cực.
Xung điện áp cấp cho m cuộn dây stato có thể là xung một cực (hình 3a)
hoặc xung hai cực (hình 3b).
0
u
t t
0

u
a)
b)
X
1
Hình 1.3. Xung điện áp cấp cho cuộn dây stato:
a) xung một cực ; b) xung hai cực
Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây
stato theo từng cuộn dây riêng lẻ hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số và
chiều của lực điện từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của roto trong không gian
hoàn toàn phụ thuộc vào phơng pháp cung cấp điện cho các cuộn dây.
Ví dụ các cuộn dây của động cơ trên hình hai đợc cấp điện cho từng cuộn
dây riêng lẻ theo thứ tự 1,2,3...m, bởi xung một cực, thì roto của động cơ có m vị
trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình 2).
Trong thực tế để tăng cờng lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ thông
và mômen đồng bộ, ngời ta thờng cấp điện cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây. Lúc
3
đó roto của động cơ bớc sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với vecto điện từ
tổng F. Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ thành phần
của các cuộn dây stato (hình 2b và 2c).
Trên hình 2b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số
chẵn các cuộn dây (2 cuộn dây). Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị
trí chính giữa hai trục của hai cuộn dây. Trên hình 2c vẽ lực điện từ tổng F khi
cung cấp điện đồng thời cho một số lẻ các cuộn dây (3 cuộn dây). Lực điện từ
tổng F nằm trùng với trục của một cuộn dây nhng có trị số lớn hơn. Trong cả hai
trờng hợp (cấp điện cho một số chẵn cuộn dây và cho một số lẻ cuộn dây), rôto
của động cơ bớc sẽ có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch giữa hai vi trí liên tiếp của
roto bằng
m/2

.
Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây (ví
dụ kết hợp giữa hình 2b và 2c), có nghĩa là số lợng cuộn dây đợc điều khiển luôn
luôn thay đổi từ chẵn sang lẻ và từ lẻ sang chẵn thì số vị trí cân bằng của roto sẽ
tăng gấp đôi là 2m, độ lớn của một bớc sẽ giảm đi một nửa bằng
m2/2

. Trờng
hợp này đợc gọi là điều khiển không xứng; hay điều khiển nửa bớc (Haft Step).
Nếu số lợng cuộn dây đợc điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn
cuộn dây hoặc một số lẻ cuộn dây, ví dụ hình 2b và 2c) thì roto có m vị trí cân
bằng và đợc gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cả bớc (Full Step).
III. ứng dụng của động cơ bớc:
Động cơ bớc ngày càng đợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động,
điều khiển xa và nhiều thiết bị điện tử khác. Đặc biệt là các lĩnh vực: điều khiển
đọc ổ cứng, ổ mềm và các máy in trong hệ thống máy tính, điều khiển robốt, điều
khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quang khác
phức tạp, điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, lập trình điều
khiển trong các hệ gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phơng và chiều
trong máy bay...
4
Chơng II: thiết kế Hệ thống điều khiển động cơ bớc
I. Các yêu cầu về điều khiển động cơ bớc:
1. Các chế độ điều khiển:
Hình 2.1. Giản đồ nguyên lý các lực điện từ khi điều khiển ở chế độ vi bớc
Hình 2.1 vẽ mối quan hệ giữa véc tơ lực điện từ F
1
,F
2
của hai cuộn dây 1và

2 khi đợc cấp dòng điện đơn cực và vecto lực điện từ tổng F.
Trên hình 2.1:
F
1
: lực điện từ tác động lên roto khi cuộn dây 1 đợc kích thích;
F
2
: lực điện từ tác động lên roto khi cuộn dây 2 đợc kích thích;
F : lực điện từ tổng;

: góc bớc;

: góc cần điều chỉnh (góc vi bớc)
Xét trong tam giác OAB ta có



cos2
cos
cos
21
2
2
2
1
21
FFFF
FF
++
+

=
Từ công thức trên ta suy ra các trờng hợp sau:
a. Điều khiển cả bớc:
- Điều khiển cả bớc: Đầu tiên cho F
2
= 0 và F
1
= F nên roto ở vị trí trục cuộn
dây một. Sau đó cho F
1
= 0 và F
2
= F nên roto ở vị trí trục cuộn dây hai.
b. Điều khiển nửa bớc:
- Nếu ta cho F
2
=0 và F
1
=F, roto ở vị trí trục cuộn dây1.
- Tiếp theo là cho F
1
=F
2
=F,
( )
22
cos
cos12
cos1
cos

==
+
+
=
roto ở vị trí giữa góc

.
- Sau đó cho F
1
=0 và F
2
=F, roto ở vị trí trục cuộn dây 2.
Trong trờng hợp này roto sẽ chuyển động từng bớc
),2/,0.(2/

==
.
c. Điều khiển vi bớc:
Nếu ta điều khiển sao cho lực F
1
giảm dần theo từng bớc từ F đến 0 và lực F
2
tăng dần từng bớc từ 0 đến F thì roto sẽ quay từng bớc từ vị trí OA đến OB.
2. Các đặc trng của tín hiệu điện điều khiển động cơ bớc:

Đối với động cơ bớc, tín hiệu điện điều khiển là các xung rời rạc kế tiếp
nhau. Việc điều khiển động cơ bớc phụ thuộc vào các tham số sau của xung điều
khiển:
- Dòng điện I, kể cả cực tính (và liên hệ mật thiết với nó là mức điện áp U).
- Độ rộng xung (liên quan đến khả năng dịch bớc).
5
- Tần số xung (liên quan đến tốc độ quay).
- Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự và số lợng cuộn dây pha đợc cấp (liên
quan đến chiều quay và mômen tải).
Tuỳ thuộc vào việc cấp xung, động cơ bớc có bốn trạng thái sau đây:
a. Trạng thái không hoạt động: Khi không có cuộn dây nào đợc cấp điện:
- Đối với động cơ phản kháng: roto sẽ quay trơn.
- Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ kiểu hỗn hợp: có mômen hãm,
roto có xu hớng dừng ở các vị trí mà đờng khép từ thông giữa các cực của roto và
stato là nhỏ nhất.
b.Trạng thái giữ: Khi một số cuộn dây pha đợc cấp điện một chiều. Roto mang tải
sẽ đợc giữ chặt ở vị trí góc bớc nhất định do lực điện từ tổng F sinh ra mômen giữ.
c.Trạng thái dịch chuyển bớc: roto sẽ dịch chuyển từ vị trí bớc đang đợc giữ sang
vị trí bớc tiếp theo khi các cuộn dây pha đợc cấp dòng phù hợp.
d.Trạng thái quay quá giới hạn: Trong chế độ không tải, nếu xung điều khiển có
tần số quá cao, động cơ sẽ quay vợt quá tốc độ. ở trạng thái này động cơ không
đảo chiều, không thể dừng đúng vị trí, nhng vẫn có thể tăng và giảm từ từ. Muốn
dừng và đảo chiều động cơ phải giảm xuông dới tốc độ giới hạn để hoạt động
trong chế độ bớc.
Nh vậy động cơ bớc chỉ đợc coi là làm việc khi ở hai trạng thái b và c.
3. Điều khiển dòng điện I và điện áp U:
Có rất nhiều cách để điều khiển dòng điện và điện áp nh : điều khiển dòng
áp bằng hệ số L/R, điều khiển dòng áp bằng độ rộng xung, điều khiển dòng áp
bằng điện áp hai mức, điều khiển dòng áp bằng nguồn dòng.
Trong phạm vi bài tập lớn này ta sử dụng phơng pháp điều khiển dòng áp

bằng nguồn dòng.
X
1
đk
X
T
Cuộn dây pha
I const
1
D
2
U
t
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bằng nguồn dòng
Nguồn dòng là bộ phận nguồn luôn phát ra một suất ra một giá trị dòng
điện không đổi I
const
. Điện áp ra của nó chính là điện áp U
t
rơi trên tải R
t
:
U
t
= I
const
.R
t

6