báo cáo hệ truyền động động cơ bước

Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay động cơ điện được sử dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực trong cuộc
sống. Yêu cầu điều khiển động cơ điện ngày một phức tạp hơn, đòi hỏi sự chính
xác cao hơn với những kỹ thuật khác nhau. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của
công nghệ thông tin, việc điều khiển nói chung và điều khiển động cơ điện nói
riêng ngày càng được số hoá.
Một trong những động cơ được sử dụng rộng rãi hiện nay có khả năng số hoá
cao là động cơ bước.
Từ những kiến thức đã được học và trong quá trình tìm hiểu tài liệu, chúng em
xin được trình bày về động cơ bước và những điểm chính trong hệ truyền động
điện động cơ bước, điều khiển động cơ bước và các vấn đề liên quan.
Với kiến thức, tài liệu và khả năng trình bày có hạn, chắc hẳn bài làm sẽ còn
nhiều thiếu sót. Chúng em mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để
hoàn thiện hơn kiến thức của mình.

Nhóm 9

1


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

MỤC LỤC
I. Tổng quan về động cơ bước

II. Cấu trúc hệ truyền động động cơ bước
III. Các thông số hệ truyền động động cơ bước
IV. Điều khiển động cơ bước
V. Truyền thông và giao tiếp
VI. Ứng dụng

2


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC
1. KHÁI NIỆM
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với
đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ không đồng
bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp
nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng
cố định rôto vào các vị trí cần thiết.
Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi 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.

2. ĐẶC ĐIỂM
Bước của động cơ (Giá trị góc giữa 2 vị trí ổn định kề nhau của ROTO) càng
nhỏ thì độ chính xác trong điều khiển càng cao.
Bước của động cơ phụ thuộc vào loại động cơ,số cuộn dây phần ứng,số cực của
STATO, số răng của ROTO và phương pháp điều khiển.
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước
nên có 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 rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng
như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số
chuyển đổi.

3


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

4


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

Ảnh hưởng của tải
•

Momen lớn nhất khi cực nam châm hợp với phương nằm ngang góc 450

Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm
trong vùng momen có thể kéo được). Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng
trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay.
Quá trình phát xung liên tục điều khiển động cơ bước sẽ làm động cơ quay
nhưng chiều quay dễ bị thay đổi.

5


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

3. CÁC CHẾ ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC
Các chế độ của động cơ bước bao gồm Full step, Half step và Micro step. Loại
chế độ của động cơ bước phụ thuộc vào việc thiết kế các trình điều khiển.
FULL STEP
Động cơ bước tiêu chuẩn có rotor 200 răng , hoặc 200 full step cho mỗi trục
xoay của động cơ. Chia 200 bước cho 360 º 's sẽ được một góc full step 1,8 º .
Thông thường, chế độ full step được thực hiện bằng cách tiếp điện cho cả hai cuộn
dây, trong khi duy trì dòng thay đổi. Về cơ bản mỗi đầu vào từ trình điều khiển
tương đương một bước.

6


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

HALF STEP ( nửa bước )
Half step đơn giản chỉ có nghĩa là động cơ quay ở 400 bước mỗi vòng. Trong
chế độ này, một trong những cuộn dây được tiếp điện và sau đó hai cuộn dây được
tiếp điện thay phiên, làm các cánh quạt xoay ở nửa khoảng cách, hoặc 0,9 º 's. (Các
tác dụng tương tự có thể đạt được bằng cách điều khiển ở chế độ full step với 400
bước cho mỗi vòng xoay động cơ). Tuy nhiên, nửa bước là một giải pháp thực tế

hơn trong các ứng dụng công nghiệp. Mặc dù nó cung cấp mô-men xoắn hơi ít
hơn, chế độ nửa bước giảm số lượng "sự tăng vọt" vốn có trong vận hành chế độ
full step.

MICRO STEP ( vi bước )
Công nghệ vi bước điều khiển dòng điện tại các cuộn dây đến một mức độ mà
số vị trí giữa các cực được chia nhỏ hơn nữa. Bộ điều khiển vi bước AMS có khả
năng luân phiên tại 1 / 256 của một bước (mỗi bước) tương ứng với 51.200 bước
mỗi vòng xoay (đối với một động cơ bước góc 1,8 º).

7


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

Vi bước thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi phải định vị chính xác
và sự chuyển hóa tốt hơn nhiều tốc độ.

4. PHÂN LOẠI
Phân loại theo cấu tạo
1. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu:
Loại này có ROTO là 1 nam châm vĩnh cửu và không có răng.Loại này có
góc bước thay đổi từ 6 đến 45 o trong chế độ điều khiển bước đủ, momen hãm từ
0.5 đến 25 Ncm,tần số khởi động lớn nhất là 0.5 và tần số làm việc lớn nhất ở
chế độ không tải là 5 Khz.

8

Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

2. Động cơ kiểu từ trở:
Hay còn gọi là động cơ phản kháng. Kiểu động cơ này có góc bước nằm
trong giới hạn từ 1.8 đến 30o trong chế độ điều khiển bước đủ,momen hãm từ 1
đến 50 Ncm,tần số khởi động lớn nhất là 1KHz, tần số làm việc lớn nhất trong
điều kiện không tải là 20 KHz.

Động cơ bước từ trở không sử dụng roto là thanh nam châm mà sử dụng các
thanh bánh răng làm bằng sắt. Chính vì vậy momen động cơ từ trở là bé hơn so
với momen động cơ nam châm vĩnh cửu.
Động cơ từ trở thường là 3 pha hoặc 4 pha. Stato có 12 cực và mỗi pha được
quốn với bốn cực. Rotor có 8 bánh răng.

Hình vẽ biểu diễn sự hoạt động của động cơ từ trở

9


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

Đấu nối :

Thông thường có ba hoặc bốn cuộn dây đấu chung một đầu. Đầu chung được
nối với nguồn dương, các đầu còn lại lần lượt cho thông với đất để quay rotor.

Trên hình vẽ, rotor có 4 răng và stator có 6 cực. Mỗi cuộn dây sẽ được quấn
trên hai cực đối nhau. Vì vậy, giả sử, khi cấp điện cho cực 1 (stator), rotor sẽ
quay cực gần nhất (X) để răng thẳng với cực 1. Cắt điện cuộn số 1, tiếp tục cấp
điện cho cuộn 2, rotor sẽ quay răng tiếp sau (Y) cho thẳng với cực 2. Cứ như
vậy điều khiển quay rotor.
3. Động cơ bước kiểu hỗn hợp :
Động cớ bước hỗn hợp hay còn gọi là động cơ bước cảm ứng,có góc bước
thay đổi từ 0.36 đến 15º trong chế độ bước đủ, momen hãm từ 3 đến 1000Ncm,
tần số khởi động lớn nhất là 40Khz.

10


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

Động cơ bước hỗn hợp kết hợp các đặc điểm tốt nhất của động cơ biến từ trở
và động cơ nam châm vĩnh cửu. Động cơ chuẩn có rotor 200 răng và bước
xoay theo góc 1,8º.

Phần STATO có cấu tạo hoàn toàn giống so với STATO của động cơ có từ trở
thay đổi.Trên các cực của STATO được đặt các cuộn dây pha,mỗi cuộn dây
được quấn thành 2 hoặc 4 cuộn đặt xen kẽ để hình thành nên các cực N và
S,đồng thời đối diện với mỗi cực của bối dây là răng của ROTO, chính vì vậy
loại động cơ này có momen hãm.
Động cơ hỗn hợp cũng được chế tạo với 2,4 và 5 pha.
Phân loại dựa vào dây quấn động cơ:
Động cơ loại đơn cực (Unipolar), thường có 6 đầu ra. Đầu 1,2 thường được
nối với cực dương, hai đầu a và b có thể được nối xuống đất hoặc không sẽ

quyết định chiều quay của động cơ.

11


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

Động cơ loại lưỡng cực (Bipolar), thường có 4 đầu ra. Về cấu tạo đơn giản
hơn nhưng khó cho điều khiển vì phải đảo chiều dòng điện qua cuộn dây a,b.
Động cơ bước lưỡng cực hoàn toàn giống đơn cực trừ 1 điểm là các cuộn dây
không có điểm giữa do đó bản thân động cơ thì đơn giản hơn nhưng điều khiển
thì có phần phức tạp hơn.

12


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

Động cơ loại đa cực: Một loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu ít thông
dụng hơn đó là động cơ bước có tất cả các cuộn dây được nối tiếp với nhau
thành vòng kín và giữa mỗi cặp dây có 1 điểm giữa gọi là động cơ bước nhiều
pha hay đa cực

Loại động cơ đa cực có momen lớn hơn các loại động cơ cùng cỡ do trong
phương pháp điều khiển thì tất cả các cuộn dây (hoặc tất cả trừ 1 cuộn) được
cấp nguồn cùng lúc.Một số động cơ bước 5 pha có độ phân giải rất cao khoảng

0,72o/bước (500 bước /vòng).

13


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

Kiểu thông dụng nhất của loại đa cực này là 3 pha và 5 pha,việc điều khiển
đòi hỏi 1 hay ½ mạch cầu H cho mỗi cặp dây. Một vài động cơ 5 pha có 5 cuộn
dây độc lập, nghĩa là có 10 đầu dây ra, những đầu dây này có thể được nối
thành hình sao như hình vẽ trên và sử dụng 5 mạch nửa cầu hoặc mỗi cuộn dây
có thể thúc bằng 1 mạch full-brigde (toàn cầu), thường dùng là các IC tích hợp
sẵn.
Để phân biệt động cơ 5 pha với các động cơ khác cần lưu ý: trong động cơ 5
pha nếu trở kháng giữa 2 đầu dây liền nhau là R thì trở kháng giữa 2 đầu dây
không liền nhau là 1,5R.

Ưu nhược điểm:
1. Ưu điểm:
• Góc quay của động cơ được tỷ lệ thuận với xung đầu vào.
• Động cơ bước có moment xoắn lớn ở vận tốc nhỏ và moment xoắn nhỏ ở
vận tốc lớn.
Điều khiển vị trí vòng hở : Đây là phương pháp điều khiển chuyển động duy
nhất có khả năng hoạt động trong vòng hở mà không cần đến phản hồi vị trí.
Điều này khiến cho các hệ thống chuyển động dùng động cơ bước trở nên đơn
giản hơn các hệ thống chuyển động servo.
Thông thường chúng ta có thể đếm xung kích ở động cơ để xác định vị trí mà
không cần phải có cảm biến vị trí, nhưng đôi khi trong những ứng dụng đòi hỏi

tính chính xác cao, hoặc tải có thể gây ra hiện tượng trượt, để tránh sai sót khi
hiện tượng này xảy ra, động cơ bước thường được sử dụng kết hợp với các cảm
biến vị trí như: encoder, biến trở...

14


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

• Chính xác vị trí và lặp lại di chuyển tốt độ chính xác 3 - 5% của bước một,
lỗi này không tích lũy từ một bước tiếp theo.
•

Nó có thể đạt được tốc độ rất thấp.

• Đáp ứng tốt để bắt đầu / dừng / đảo chiều.
• Rất đáng tin cậy vì không có liên hệ chổi than trong động cơ. Kích cỡ đơn
giản, có nhiều kiểu quay, góc quay phong phú.
•

Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động
cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn. Động cơ bước là thiết bị
làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ. Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả
vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor.

•

Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới

chất lượng điều khiển. Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ
thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được). Khi momen
tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc
quay.

2. Nhược điểm:
• Cộng hưởng có thể xảy ra nếu không có kiểm soát đúng cách.
15


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

• Tần số cộng hưởng của rotor 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
moment xoắn giữ và moment quán tính của rotor. Ngay cả khi moment xoắn
lớn hơn hoặc nhỏ hơn cũng sẽ làm tăng tần số này.
• Về cơ bản dòng từ driver tới cuộn dây động cơ không thể tăng hoặc giảm
trong lúc hoạt động. Do đó, nếu bị quá tải động cơ sẽ bị trượt bước gây sai
lệch trong điều khiển.
• Động cơ bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao.
• Đông cơ bước gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động cơ servo.
• Giảm mô-men xoắn khi tốc độ ngày càng tăng

II. CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG
CƠ BƯỚC

Chú thích:

•

User
interf
16


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

ace:
giao
diện
người
sử
dụng
•

High
level
comm
ands:
lệnh
cấp
cao

•

Index

er: Bộ
điều
chỉnh.

•

Step
pulses
: bước
xung

Các trình điều khiển động cơ bước nhận được tín hiệu cấp thấp từ indexer
hay hệ thống điều khiển và chuyển đổi chúng thành các bước (điện) xung để
chạy các động cơ. Một bước cần thiết cho mỗi bước của trục động cơ. Trong
chế độ full step, với một động cơ tiêu chuẩn 200 bước, xung 200 bước được yêu
cầu để hoàn thành một vòng quay. Tương tự như vậy, trong chế độ vi bước, bộ
điều khiển có thể được yêu cầu để tạo ra 50.000 xung bước hoặc nhiều hơn mỗi
vòng xoay.

17


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

Tốc độ và hiệu suất mô-men xoắn của động cơ bước được dựa trên dòng
điện với trình điều khiển cho động cơ dây quấn. Các yếu tố hạn chế dòng hoặc
hạn chế thời gian cần cho dòng điện tiếp điện cho cuộn dây, được gọi là điện
cảm. Điện cảm càng thấp, dòng điện đến cuộn dây càng nhanh, động cơ vận

hành càng tốt. Để giảm tác dụng của điện cảm, hầu hết các loại mạch điều khiển
được thiết kế để cung cấp một điện áp lớn hơn mức điện áp cao nhất của động
cơ.
CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ:
• Các indexer hoặc bộ điều chỉnh: Cung cấp các bước và hướng đầu ra đến bộ
điều khiển. Hầu hết các ứng dụng yêu cầu rằng các indexer quản lý chức
năng điều khiển khác nữa, bao gồm cả khả năng tăng tốc, giảm tốc độ,
bước / giây và khoảng cách.

• Mạch điều khiển sẽ tiếp nhận và chuyển các tín hiệu điều khiển xung nhịp,
chiều quay, chế độ quay, đảo chiều…thành các mã bước để đưa tới mạch
công suất (power driver) để điều khiển động cơ bước.

18


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

Bộ khuếch đại chuyển đổi các tín hiệu lệnh indexer nguồn điện cần thiết để
tiếp điện cho các cuộn dây của động cơ. Có rất nhiều loại trình điều khiển, với
chỉ số cường độ dòng điện và công nghệ chế tạo khác nhau. Không phải tất cả
các trình điều khiển phù hợp để chạy tất cả các động cơ, do đó, khi thiết kế một
hệ thống điều khiển chuyển động quá trình lựa chọn driver là rất quan trọng.
Trong thực tế cổng điều khiển có thể là các cổng logic rời, vi điều khiển, các
IC chuyên dụng, PLC, …

III. CÁC THÔNG SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG
CƠ BƯỚC

Đối với động cơ bước, tín hiệu điều khiển là các xung rời rạc kế tiếp nhau. Việc
điều khiển động cơ phụ thuộc vào các tham số sau:
• 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 tốc độ quay).
• Tần số xung (liên quan đến tốc độ quay).
• Cách thức cấp xung bao gồm thứ tự và số lượng cuộn dây pha được cấp (liên
quan đến chiều quay và mômen tải).
Thông số động cơ bước

19


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

IV. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
20


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC ĐƠN CỰC
• Trong phương pháp này, các điểm giữa của các cuộn dây được nối chung lại
với nhau sau đó được nối lên nguồn, các dầu dây còn lại lần lượt được nối
lên nguồn hoặc xuống mass theo đúng trình tự pha toàn bước quy định sẵn.
Trong trình tự pha toàn bước, thông thường trong 1 thời điểm chỉ có 1 đầu
dây được cấp nguồn còn các đầu dây còn lại đều bị nối mass

- Mạch điều khiển thực tế cho động cơ bước:

21


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

Khoá chuyển mạch dùng là transitor SK3180 với hệ số khuếch đại khoảng 1000
lần. Với điện trở bazơ là 470 Ohm, dòng bazơ khoảng 10 mA, nghĩa là có thể
cho dòng qua cuộn dây đạt vài Ampe.
Có thể thay 74LS04 bằng một phần tử logic khác có cấu tạo collector hở,
chịu được dòng qua khoảng 10 mA. Khi khoá chuyển có sự cố, dòng từ tải
không “chảy” quay lại mạch điều khiển.
ĐIỀU KHIỂN MOTOR LƯỠNG CỰC VỚI CẦU H
Motor bước lưỡng cực trên cuộn dây không có điểm giữa nên khi đảo chiều
quay động cơ gặp khó khăn. Để đảo được chiều từ trường sinh ra trong cuộn
dây ( cũng có nghĩa đảo chiều dòng điện) phải dùng một cấu trúc gọi là cầu H

22


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

Với 4 khoá A,B,C,D có thể thiết lập được 16 chế độ trong đó 7 chế độ ngắn
mạch nguồn. Thông thường sử dụng A,D đóng trong chế độ thuận và B,C đóng

trong chế độ ngược
CHẾ ĐỘ HÃM
Nếu chỉ khoá khoá A còn vẫn để D như cũ, dòng điện vẫn khép kín qua cuộn
dây như hình vẽ. Do điện trở nhỏ của cuộn dây, dòng sẽ duy trì trong một thời
gian giảm dần và có tác dụng tạo nên một phanh hãm động, kéo rotor dừng lại

Một số mạch cầu H thực tế

Khi một trong hai tín hiệu X hoặc Y ở mức cao, đầu còn lại ở mức thấp, hai
transitor chéo nhau sẽ đóng dẫn dòng qua cuộn dây. Khi cả hai ở mức thấp, hai

23


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

transitor phía trên sẽ hở, khi cả hai ở mức cao, hai transitor phía dưới sẽ mở và
như vậy cả hai trường hợp 00, 11 đều đặt mạch vào chế độ phanh động.
Ngoài ra ta cũng có thể dùng 1 mạch đơn giản như sau dùng IC tích hợp
mạch cầu H như : 74LS125 hoặc 74LS244.
Mạch điện 74LS244 có hiệu quả đối với động cơ có điện trở tối đa 50 Ohm
trên mỗi cuộn và điện áp tối đa 4.5V khi dùng nguồn 5V. Mỗi mạch đệm ba
trạng thái
trong LS244 có thể dùng nếu điện trở nội của bộ đệm đủ lớn, và dòng sẽ
được
chia đều trên các ngõ điều khiển (mắc song song).

XYE

Chế độ
--1
Giảm nhanh dòng
000
Phanh động
010
Chạy thuận
100
Chạy nghịch
110
Phanh động
CÁC LOẠI ĐIỀU KHIỂN CHÍNH CHO ĐỘNG CƠ BƯỚC
a. Điều khiển gia tốc động cơ:
Động cơ bước phải có moment xoắn lớn ở vận tốc nhỏ và moment xoắn nhỏ ở vận
tốc lớn. Nếu động cơ bắt đầu với 1 vận tốc lớn thì động cơ sẽ ko thể chạy được.
Động cơ sẽ bị giật và rotor không thể quay đến vị trí tiếp theo. Do đó chúng ta phải
tăng tốc từ từ cho động cơ cho đến khi đạt tốc độ cao nhất. Và tương tự để dừng
động cơ, chúng ta cũng phải giảm tốc cho động cơ.
24


Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

b. Điều khiển tốc độ cho động cơ bước:
Ta sẽ điều khiển tốc độ động cơ bằng việc điều khiển thời gian delay giữa các
xung.

c. Điều khiển vị trí.

d. Điều khiển phát tốc cho động cơ bước:
Một số mạch điều khiển được mô phỏng trên vi tính:

25