Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi”

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP

HOÀNG TRỌNG DIỄN
NGHIÊN CỨU VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ BƯỚC SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TRƯỞNG KHOA

TS. CAO XUÂN TUYỂN
PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN 2018


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Hoàng Trọng Diễn học viên lớp cao học khóa 18 chuyên ngành Kỹ thuật
điều khiển và tự động hóa Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Hiện nay tôi đang công tác tại khoa Điện - Trường Cao đẳng nghề số 1 - BQP.

Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều
khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi” dưới sự
hướng dẫn của TS. Cao Xuân Tuyển là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Tất cả
các tài liệu tham khảo đều được ghi trong danh mục tham khảo, không sử dụng tài
lệu nào khác mà không được ghi trong danh mục.
Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luân văn đúng như trong đề cương và
yêu cầu của giáo viên hướng dẫn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.


iii

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương được sự giúp đỡ, hướng dẫn
tận tình của thầy TS. Cao Xuân Tuyển, luận văn với đề tài “Nghiên cứu và nâng
cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp
điều khiển thích nghi” đã được hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Cao Xuân Tuyển đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác
giả hoàn thành luận văn này.
Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trường đại học
Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập
cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên, giúp đỡ
trong suốt quá trình học tập.

Tác giả

Hoàng Trọng Diễn

iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................... iii
MỤC LỤC ...................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................... vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI ............................ x
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, CÁC PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC ............. 2
1.1. Các loại động cơ bước và nguyên lý cấu tạo ............................................ 2
1.1.1. Giới thiệu ............................................................................................. 2
1.1.2. Các loại đông cơ bước .......................................................................... 3
1.1.3. Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu............................................... 4
1.1.4. Động cơ bước từ kháng (Variable Reluctance) ..................................... 5
1.1.5. Động cơ bước lai (Hybrid).................................................................... 6
1.2. Ứng dụng của động cơ bước .................................................................... 7
1.3. Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước ............................ 7
1.3.1. Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước lưỡng cực ......... 7
1.3.2. Sơ đồ nguyên lí mạch động lực và các nguyên lí điều khiển động cơ
bước đơn cực. ............................................................................................... 15
1.3.3. Nguyên tắc điều chỉnh tốc độ vị trí và đảo chiều động cơ bước. ......... 24
1.3.4.Kết luận.......................................... ............................. ..........................28
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ BƯỚC30
2.1. Mô hình toán học động cơ bước ............................................................ 30
2.2. Bộ điều khiển vị trí hệ hở ...................................................................... 33
2.3.Tổng quan về phàn cứng của vi xử lý TMS 320 F2812 .......................... 34
2.3.1. Giới thiệu chung về vi xử lý TMS 320 F2812 ..................................... 34
2.3.2. Phần cứng của vi xử lý F2812 ............................................................ 37

v

2.3.3. Sơ đồ chức năng của vi xử lý TMS320F2812 ..................................... 38
2.4. Động cơ bước đơn cực (unipolar) .......................................................... 48
2.5. Mạch động lực điều khiển động cơ bước ............................................... 48
2.5.1. Động cơ bước đơn cực........................................................................ 48
2.5.2. Sơ đồ kết nối TMS320 vào động cơ bước ........................................... 51
2.6. Thiết kế phần mềm cho động cơ bước dùng vi xử lý TMS320F2812 ..... 52
2.6.1. Mã ccs (ex 24 ) của chế độ bước đủ 2 pha on. .................................... 52
2.6.2. Mã ccs của chết độ bước đủ 1 pha on ................................................. 54
2.6.3 Mã ccs của chét độ nửa bước ............................................................... 55
2.6.4 Chế độ vi bước. ................................................................................... 56
2.7. Thao tác với chương trình dịch Ccstudio ............................................... 58
2.7.1. Màn hình khởi động chương trình. ..................................................... 58
2.7.2. Kết nối phần mềm điều khiển với DSP TMS320F2812 ...................... 58
2.7.3 Mở Project ........................................................................................... 59
2.7.4. Dịch chương trình. .............................................................................. 60
2.7.5. Nạp mã chương trình vào bộ nhớ. ....................................................... 61
2.7.6. Ra lệnh chạy hệ thống điều khiển động cơ bước. ................................ 62
2.8. Bộ điều khiển vị trí hệ kín PID cho PMSM .......................................... 62
2.8.1. Sơ đồ mạch phần cứng........................................................................ 62
2.8.2. Phần mềm điều khiển hệ thống ........................................................... 64
2.9. Thiết kế bộ điều khiển hệ kín gồm bộ điều khiển dòng điện phi tuyến
Backstepping và bộ điều khiển vị trí PID mờ cho động cơ PMSM ............... 69
2.9.1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ kín, sơ đồ nguyên lý và sơ đồ khối mạch
phần cứng cho hệ thống điều khiển PMSM ................................................. 69
2.9.2. Thiết kế bộ điều khiển Backstepping mạch vòng điều khiển vị trí động
cơ PMSM ..................................................................................................... 71

2.9.3. Thiết kế bộ điều chỉnh thành phần Iq .................................................. 75
2.9.4. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi Backstepping mạch vòng điều khiển
vị trí động cơ PMSM. ................................................................................... 77


vi

2.9.5.Kết luận.......................................... ............................... ........................79
CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG, THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN .............. 81
3.1. Kết quả mô phỏng trong MATLAB ....................................................... 81
3.1.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống kín ............................................................. 81
3.2. Kết quả thí nghiệm ................................................................................ 85
3.2.1. Mô hình thí nghiệm ............................................................................ 85
3.2.2. Kết quả thí nghiệm ............................................................................. 86
3.3 Kết luận .................................................................................................. 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................... ........................ ......87
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 90


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

Hình 1.1

Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ bước

3

Hình 1.2

Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu

4

Hình 1.3

Mặt cắt ngang của động cơ bước từ kháng

6

Hình 1.4

Sơ đồ mặt cắt ngang của động cơ bước lai

6

Hình 1.5

Cấu tạo dây quấn động cơ bước bipola

7

Hình 1.6

Sơ đồ mạch cầu dùng transistor bipolar

8

Hình 1.7

Mạch động lực động cơ bước lưỡng cực với 3 nhánh nửa cầu

9

Hình 1.8

Sơ đồ mô tả chế độ bước đủ một pha được cấp xung

10

Hình 1.9

Dạng xung trong dây quấn

10

Hình 1.10

Chiều dòng điện chạy trong cuộn dây

11

Hình 1.11

Chế độ bước đủ khi cả 2 pha được cấp xung

11

Hình 1.12

Dạng xung của chế độ 2 pha on

12

Hình 1.13

chế độ hoạt động nửa bước

12

Hình 1.14

Giản đồ xung cấp cho các cuộn dây

14

Hình 1.15

Pha của dòng điện ở chế độ vi bước

14

Hình 1.16

Mạch động lực động cơ bước đơn cực

15

Hình 1.17

Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước unipolar

15

Hình 1.18

Sơ đồ nguyên lí nối dây

16

Hình 1.19

Giản đồ của động cơ bước đơn cực ở chế độ bước đủ 1 pha

17

Hình 1.20

Chế độ hoạt động bước đủ 1 pha ở động cơ bước đơn cực

18

Hình 1.21

Giản đồ xung cấp điện cho mỗi cuộn dây ở chế độ bước đủ 2

19

pha
Hình 1.22

Chế độ bước đủ 2 pha cùng 1 lúc ở động cơ bước đơn cực

20

Hình 1.23

Giản đồ xung cấp điện cho mỗi cuộn dây ở chế độ nửa bước

21

Hình 1.24

Chế độ hoạt động nửa bước của động cơ bước đơn cực

22

Hình 1.25

Giản đồ dạng xung trong chế độ vi bước

23

Hình 1.26

Giản đồ tần số xung cấp cho cuộn dây

24


viii

Hình 1.27

Động cơ bước lưỡng cực ở chế độ nửa bước quay thuận

26

Hình 1.28

Động cơ bước lưỡng cực ở chế độ nửa bước quay ngược

28

Hình 2.1

Cấu trúc động cơ PMSM

31

Hình 2.2

Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí hệ hở động cơ bước

33

Hình 2.3

Sơ đồ 176 chân của vi xử lý TMS320F2812

37

Hình 2.4

Sơ đồ cấu trúc của vi xử lý TMS320F2812

38

Hình 2.5

Mô tơ bước và các đi ốt bảo vệ

48

Hình 2.6

Mạch driver cung cấp dòng cho cuộn dây mô tơ bước

49

Hình 2.7

Sơ đồ mạch lực cho động cơ bước đơn cực

50

Hình 2.8

Sơ đồ kết nối TMS320 vào động cơ bước lưỡng cực

51

Hình 2.9

Sơ đồ kết nối động cơ bước đơn cực với TMS320

52

Hình 2.10

Màn hình khởi động chương trình

58

Hình 2.11

Kết nối phần mềm điều khiển với DSP TMS320F2812

58

Hình 2.12

Mở Project

59

Hình 2.13

Mở Project

59

Hình 2.14

Mở Project

60

Hình 2.15

Dịch chương trình

60

Hình 2.16

Dịch chương trình

61

Hình 2.17

Mã nạp chương trình vào bộ nhớ

61

Hình 2.18

Ra lệnh chạy hệ thống điều khiển động cơ bước

62

Hình 2.19

Sơ đồ khối cấu trúc phần cứng

62

Hình 2.20

Cấu trúc của Encoder và các xung đầu ra của nó

63

Hình 2.21

Thuật toán để điều khiển động cơ PMSM theo hệ kín PID

63

Hình 2.22

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển hệ kín cho PMSM

64

Hình 2.23

Sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng

69

Hình 2.24

Sơ đồ khối mạch phần cứng hệ thống điều khiển vị trí PMSM

70

Hình 2.25

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển vị trí phi tuyến Backstepping

71

Hình 2.26

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển thành phần dòng phi tuyến

75

Backstepping Id


ix

Hình 2.27

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển vị trí thích nghi phi tuyến

76

Backstepping
Hình 3.1

Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống

80

Hình 3.2

Sơ đồ chi tiết mạch kín

81

Hình 3.3

Quỹ đạo đặt của vị trí góc rotor

81

Hình 3.4

Sự thay đổi hệ số ma sát của động cơ trong quá trình làm

82

việc
Hình 3.5

Vị trí góc thực của động cơ

82

Hình 3.6

Sai lệch vị trí với bộ điều khiển thích nghi phi tuyến

82

Backstepping và bộ điều khiển phi tuyến Backstepping
Hình 3.7

Tốc độ của động cơ với bộ điều khiển hệ kín thích nghi phi

83

tuyến Backstepping và phi tuyến backstepping
Hình 3.8

Mô men của động cơ với nhiễu loạn ngẫu nhiên

83

Hình 3.9

Dòng điện pha của động cơ với bộ điều khiển hệ kín thích

84

nghi phi tuyến Backstepping
Hình 3.10

Dòng điện pha của động cơ với bộ điều khiển hệ kín phi

84

tuyến Backstepping
Hình 3.11

Kết nối máy tính, máy hiện sóng và TMS320

85

Hình 3.12

Đối tượng điều khiển

85

Hình 3.13

Adapter chuyển đổi giao tiếp USB – JTAG và Bo mạch

85

TOP2812
Hình 3.14

Vị trí thực của rotor với hệ điều khiển mạch kín PID và hệ

86

điều khiển mạch hở
Hình 3.15

Các tín hiệu ra của Encoder và dòng điện pha của động cơ

87


x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI
Controller : Bộ điều khiển
VR

: Động cơ bước từ kháng (Variable Reluctance)

Hybrid

: Động cơ bước lai

Bipola

: Động cơ bước lưỡng cực

Uniporla

: Động cơ bước đơn cực

PMSM

: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

PID

: Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ, tích
phân, đạo hàm)


1

MỞ ĐẦU
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. Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong nghành Tự động hóa,
chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác như điều khiển rô
bốt, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển bắt... Do vậy động cơ
bước phải được điều chỉnh tốc độ để phù hợp trong quá trình sản xuất.
Với những điều kiện cụ thể của từng ứng dụng như vậy thì điều khiển
tốc độ động cơ bước là một yêu cầu cần thiết của máy sản xuất.
Từ những yêu cầu trên, đề tài luận văn của tôi sẽ nghiên cứu hệ điều
khiển vị trí của động cơ bước, đồng thời nâng cao chất lượng của hệ điều
khiển. Với cách đặt vấn đề như vậy nên đề tài luận văn được chọn là: ”Nghiên

cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng
phương pháp điều khiển thích nghi”
Nội dung luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Cấu tạo, nguyên lý làm việc, các phương pháp điều khiển và
ứng dụng của động cơ bước
Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển vị trí động cơ bước
Chương 3: Mô phỏng, thí nghiệm và kết luận
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2018

Tác giả luận văn

Hoàng Trọng Diễn


2

CHƯƠNG I:
CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, CÁC PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC
1.1. Các loại động cơ bước và nguyên lý cấu tạo
1.1.1. Giới thiệu
Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các
tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung rời rạc kế tiếp nhau thành chuyển
động của roto và có khả năng định vị roto ở các vị trí cần thiết.
Động cơ bước làm việc là nhờ các bộ chuyển mạch điện đưa các tín
hiệu điều khiển vào stator theo một thứ tự và một tần số nhất định. 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 đổi và tần số chuyển
đổi. Khi một xung điện áp đặt vào stator của động cơ bước thì rotor động cơ
sẽ quay một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các
xung điện áp đặt vào các cuận dây stator thay đổi liên tục thì rotor sẽ quay
liên tục (nhưng chuyển động ấy vẫn là theo các bước rời rạc)
Trong khi động cơ một chiều không chổi than có rotor thường là nam
châm vĩnh cửu (số đối cực 2p=2) và cần có một cảm biến vị trí rotor (để thực
hiện chức năng tạo ra các tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ
tự đổi chiều) thì động cơ bước rotor dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều
cấu thành các cặp năm châm N-S xen kẽ nhau để tạo thành các cặp cực lớn
hơn và không cần có bộ cảm biến vị trí rotor. Có thể điều khiển dòng 1 chiều
vào cuộn dây stator để có từ trường quay liên tục nên động cơ 1 chiều không
chổi than quay liên tục. Đối với động cơ bước vì từ trường quay không liên
tục do các xung điện cấp vào các cuộn dây stator rời rạc nên rotor quay theo
các bước.


3

Giống như động cơ đồng bộ tốc độ thấp công suất nhỏ động cơ bước có
các bối dây tạo thành các pha trên stator, đồng thời trên cả stator và rotor đều
có các răng để tạo thành các cặp cực và các nam châm điện. Động cơ đồng bộ
thì cần dòng diện kích thích để tạo từ trường kích thích, còn động cơ bước thì
không cần yếu tố này.
Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là thiết bị số mà
ở đó các thông tin số hóa đã thiết lập sẽ được chuyển thành các bước quay của
động cơ. Động cơ bước sẽ thực hiên các lệnh đã số hóa từ máy tính.
Một hệ thống động cơ bước thường có sơ đồ khối như sau:

Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ bước
Bộ điều khiển (Controller) sẽ tạo ra xung, mạch điều khiển động cơ
bước (Driver) nhận các xung tạo ra các xung với công xuất cần thiết cấp cho
các cuộn dây của động cơ. Động cơ là khâu cuối cùng biến đổi các xung điện tạo
ra mô men quay. Sau đây sẽ có cái nhìn tổng quan về động cơ bước.
1.1.2. Các loại đông cơ bước
Động cơ bước là một loại động cơ có cấu tạo và ứng dụng khác biệt với
đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng
bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc kế
tiếp nhau thành chuyển động quay với góc quay tỉ lệ với số xung đư vàu các
cuộn dây stator.
Về cấu tạo động cơ bước được coi là tổng hợp của 2 loại động cơ:
Động cơ một chiều không chổi than và động cơ đồng bộ công suất nhỏ, tốc độ


4

quay của rotor động cơ bước phụ thuộc vào tần số của xung cấp cho các cuộn
dây stator, chiều quay phụ thuộc vào thứ tự các cuộn dây được cấp xung.
Động cơ bước gồm có ba loại chính:
- Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu
- Động cơ bước từ kháng
- Động cơ bước lai
1.1.3. Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu
Động cơ bước hoạt động trên cơ sở tương tác giữa các nam châm vĩnh
cửu ở phía rotor và từ trường của các cuộn dây stator. Hình vẽ sau cho thấy
một sơ đồ điển hình động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Rotor là các nam
châm vĩnh cửu còn stato là các cuộn dây. Rotor sẽ chuyển động khi cuộn dây
stator nhận được xung điện khi nó sinh ra từ trường để tương tác với từ
trường của rotor làm rotor quay

Hình 1.2. Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu
*Stator
Hai bộ phận chính của stator là lõi thép (mạch từ) và dây quấn.
- Lõi thép làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dập theo khuôn rồi ghép lại với
nhau thành hình trụ rỗng, mặt trong của lá thép có phay rãnh để đặt dây quấn.
- Trong rãnh đặt dây quấn có thể là dây quấn 2 pha, ba pha, 4 pha hoặc
5 pha. Dây quấn của động cơ thường là dây đồng, có tiết diện hình tròn hoặc
chữ nhật. Dây quấn được chia thành nhiều pha, mỗi pha có một tổ bối dây,


5

mỗi tổ bối dây có W số vòng dây và được lồng vào cực từ của stator.
Phía ngoài stator có vỏ bằng nhôm hoặc hợp kim của nhôm, hai đầu
stator có hai nắp làm bằng cùng vật liệu với vỏ và bắt chặt vào vỏ. Trên nắp
máy có lắp ổ trục để đỡ trục quay của rotor.
*Rotor
Rotor của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có cấu tạo thường không
có răng cực từ, được từ hoá vĩnh cửu vuông góc với trục (ngang trục) và
được lồng vào phía trong của Stator. Rotor thường là 2 hoặc 6 cực từ có cực
tính xen kẽ nhau xen kẽ nhau.
o
o
o
o
o
Các góc bước thường là 1,8 ; 7,5 ; 30 ; 45 ; và 90 . Các động cơ
bước nam châm vĩnh cửu đòi hỏi công suất vận hành nhỏ hơn các loại khác.
Chúng cũng có đặc tính chống rung tốt hơn. Hạn chế của loại động cơ này là

có mô-men xoắn tương đối thấp được sử dụng khi yêu cầu tốc độ thấp.
1.1.4. Động cơ bước từ kháng (Variable Reluctance)
Động cơ bước từ kháng (VR) về cơ bản khác với động cơ bước nam
châm vĩnh cửu (PM) ở chỗ, rotor của nó không dùng nam châm vĩnh cửu,
có cấu tạo như rotor động cơ đồng bộ, nhưng không có dây quấn kích thích
và do đó không có mô-men để giữ rotor khi dừng. Startor có cấu tạo tương tự
như động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Rotor được chế tạo từ các vật liệu sắt
từ mềm có các răng và rãnh. Khi cuộn dây stator được cung cấp điện các
răng của rotor xếp thẳng hàng với các cực của stator, khi stator không được
cấp năng lượng không có từ trường trong khe hở không khí giữa stator và
rotor vì vậy không có mô men tương tác giữa stator và rotor , mỗi khi stator
được cấp năng lượng thì rotor sẽ chuyển đến vị trí mới.


6

Hình 1.3. Mặt cắt ngang của động cơ bước từ kháng
Ở động cơ được thể hiện trong hình trên, rotor có bốn răng chúng cách
nhau 90 độ và startor có 6 cực . Vì vậy, khi các cuộn dây được cung xung
thì mỗi bước động cơ sẽ quay một góc 30 độ.
1.1.5. Động cơ bước lai (Hybrid)
Động cơ bước lai được thực hiện bằng cách kết hợp giữa động cơ
bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước từ kháng. Mô-men chủ yếu được
tạo ra trong động cơ lai là do tương tác giữa từ trường của nam châm vĩnh
cửu và từ trường sinh ra bởi các cuộn dây stator.

Hình 1.4. Sơ đồ mặt cắt ngang của động cơ bước lai
Cấu trúc stator tương tự như động cơ bước nam châm vĩnh cửu, và
rotor là hình trụ và từ hóa như động cơ bước nam châm vĩnh cửu (PM) với

7

răng rãnh giống như một động cơ bước từ kháng(VR). Điều này dẫn đến mô
men của động cơ bước lai lớn hơn mô men của hai loại động cơ trên.
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước lai được dùng phổ
biến hơn so với động cơ bước từ kháng.
Trong phạm vi đồ án này chỉ tập chung vào nghiên cứu điều khiển động
cơ bước Nam Châm Vĩnh Cửu bao gồm động cơ đơn cực và lưỡng cực.
1.2. Ứng dụng của động cơ bước
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa 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..
1.3. Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước
1.3.1. Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước lưỡng cực

Hình 1.5. Cấu tạo dây quấn động cơ bước bipolar
Trong hình vẽ trên chúng thấy rằng các đầu 1-2, và 3-4 được nối vào
hai cặp cầu khác nhau còn các đầu A nối với C, B nối với D được nối tại phía
trong của động cơ


8

1.3.1.1. Sơ đồ mạnh động lực động cơ bước lưỡng cực (Bipola).
a) Sơ đồ sử dụng 2 mạch cầu.

Hình 1.6. Sơ đồ mạch cầu dùng transistor bipolar
Các transistor từ Q1- Q4 tạo thành cặp cầu thứ nhất tạo dòng điện chạy
qua cuộn dây 1. Khi có tín hiệu điều khiển từ A1 và C1, Q1và Q4 dẫn dòng
chạy từ nguồn qua Q1 qua cuộn dây rồi qua Q4 về mát . Khi có tín hiệu điều
khiển từ B1 và D1, Q2 và Q3 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q3 qua cuộn dây
rồi qua Q2 về đất trong rường hợp này dòng chạy theo hướng ngược lại.
Các transistor từ Q5- Q8 tạo thành cặp cầu thứ nhất tạo dòng điện chạy
qua cuộn dây của động cơ. Khi có tín hiệu điều khiển từ A2 và C2 thì Q5 và
Q8 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q5 qua cuộn dây rồi qua Q8 về đất. Khi có
tín hiệu điều khiển từ B2 và D2, Q6 và Q7 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q7
qua cuộn dây rồi qua Q6 về đất trong rường hợp này dòng chạy theo hướng
ngược lại. Như vậy căn cứ vào dạng xung từ mạch điều khiển đưa vào đầu
vào của các mạch cầu dòng qua các cuộn dây sẽ thay đổi phù hợp với các chế
độ cho động cơ bước


9

b) Mạch động lực động cơ bước lưỡng cực với 3 nhánh nửa cầu

Hình 1.7. Mạch động lực động cơ bước lưỡng cực với 3 nhánh nửa cầu
Khi T1 và T4 được cấp xung, cuộn dây pha 1 được cấp xung dương và
có dòng chay qua theo chiều thuận, từ dương nguồn +V qua T1, qua cuộn dây
pha 1qua T4 về mát.
Ngược lại,khi T3 và T2 được cấp xung cuộn dây pha 1 được cấp xung
âm và có dòng chay qua theo chiều ngược, từ dương nguồn +V qua T3, qua
cuộn dây pha 1 qua T2 về mát.
Khi T3 và T6 được cấp xung cuộn dây pha 1 được cấp xung âm và có
dòng chay qua theo chiều ngược, từ dương nguồn +V qua T3, qua cuộn dây

pha 2 qua T6 về mát.
Ngược lại, khi T5 và T4 được cấp xung cuộn dây pha 2 được cấp xung
dương và có dòng chay qua theo chiều ngược, từ dương nguồn +V qua T5,
qua cuộn dây pha 2 qua T4 về mát.


10

1.3.1.2. Nguyên lý điều khiển động cơ bước lưỡng cực (bipola)
a) Chế độ điều khiển bước đủ 1 pha được cấp xung

Hình 1.8. Sơ đồ mô tả chế độ bước đủ một pha được cấp xung
Nhìn trên hình vẽ chúng ta nhận thấy rằng khi pha A được cung cấp
xung thì rotor quay một góc 900 cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn B.
Tiếp theo khi pha C được cung cấp xung thì rotor quay một góc 900 cực nam
của rotor đối diện với vị trí của cuộn D. Tiếp theo khi pha B được cung cấp
xung thì rotor quay một góc 900 cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn A.
Tiếp theo khi pha D được cung cấp xung thì rotor quay một góc 900 cực nam
của rotor đối diện với vị trí của cuộn dây C . Như vậy qua một vòng bốn bước vị
trí của rotor quay lại vị trí ban đầu. ( cách dịch chuyển như vậy người ta gọi là
một pha ON)
Giản đồ xung để điều khiển các cuộn dây như sau:

Hình 1.9. Dạng xung trong dây quấn


11

Sơ đồ mô tả dòng diện chạy trong cuộn dây :

Hình 1.10. Chiều dòng điện chạy trong cuộn dây
b) Chế độ bước đủ khi cả 2 pha được cấp xung
Nguyên lý: tại bước 1 khi cả hai pha A và B được cấp xung rotor sẽ
chuyển động một góc 900 và nó bị khóa chặt vào khoảng giữa pha A và B.
Tiếp theo cả hai pha được cấp xung, nhưng pha B đảo cực tính điện áp, rotor
sẽ chuyển động một góc 900 và nó bị khóa chặt vào khoảng không giữa pha A
và B. Tuần tự như vậy qua bốn bước rotor quay lại về vị trí ban đầu ( cách
dịch chuyển như vậy người ta gọi là hai pha ON).

Hình 1.11. Chế độ bước đủ khi cả 2 pha được cấp xung


12

Giản đồ xung trong chế độ 2 pha on

Hình 1.12. Dạng xung của chế độ 2 pha on
c) Chế động hoạt động nửa bước.
ROTOR

1

2

1

3

2

4

3

Dòng điện cuộn dây A

+

0

-

-

-

0

+

+

Dòng điện cuộn dây B

+

+

+

0

-

-

-

0

PHASE A

PHASE A

PHASE A

N

N

S

N

PHASE B

S

PHASE B

S

S

S

N

S

N

S

STEP 3

STEP 2

STEP 1

PHASE B

ROTOR

PHASE B

N

N

PHASE B

PHASE B

N
S

PHASE A

PHASE A

PHASE A
PHASE A

PHASE A

N

N

S

PHASE B

S

ROTOR

S

S

N

STEP 6

STEP 5

STEP 4
PHASE A

PHASE A

S
N
S
N

STEP 8

S

STEP 7

PHASE A

PHASE B

N

N

PHASE B

ROTOR

PHASE B

S
N

S

PHASE A

PHASE A

PHASE A

PHASE B

N

PHASE B

S

PHASE B

N

S

S

N

PHASE B

PHASE B

N

PHASE B

PHASE A

PHASE A

Hình 1.13. chế độ hoạt động nửa bước


13

Bước 1 ( step 1): Cả 2 pha được cấp điện với cực tinh như hình ở bước 1
roto đang từ vị trí thẳng với 2 cực của pha A được quay đi 1 góc 45 độ theo
chiều thuận kim đồng hồ.
Bước 2 ( step 2): Pha B được cấp điện với cực tính được giữ nguyên
như bước 1 còn pha A thì không được cấp điện roto quay đi 1 góc 45 độ ở vị
trí thẳng với 2 cực của cuộn pha B

Bước 3 ( step 3): Pha B được cấp điện với cực tính giữ nguyên như
bước 2 pha A đước cấp điện với cực tính ngược lại với bước 1.Roto được
quay thêm 1 góc 45 độ nữa
Bước 4 ( step 4): Ngừng cấp điện pha B pha A được cấp điện với cực
tính được giữ nguyên như bước 3 roto quay thêm góc 45 độ nữa.
Bước 5 ( step 5): Cả 2 pha đều cấp điện trong đó pha A có cực tính
được giữ nguyên như bước 4 pha B được cấp xung có cực tính ngược với cực
tính ở bước 3 roto lại được quay thêm góc 45 độ nữa.
Bước 6. ( step 6): Pha B được cấp điện với cực tính được giữ nguyên
như bước 5 pha A ngừng cấp điện roto quay thêm 45 độ nữa
Bước 7. ( step 7): Cả 2 pha được cấp điện trong đó pha B giữ nguyên
cực tính như bước 6 pha A được cấp xung áp với cực tính ngược với bước 5.
Roto quay thêm góc 45 độ nữa.
Bước 8 ( step 8): Pha B ngừng cấp điện pha A được cấp điện với cực
tính giữ nguyên như bước 7 roto lại quay thêm 1 góc 45 độ nữa .
Như vậy sau 8 bước thì roto đã quay được 1 vòng và trở về vị trí bạn
đầu của nó.
Chế độ hoạt động nửa bước : Ở chế độ này động cơ có thể di
chuyển ở các góc có độ phân giản gấp 2 lần ở 2 chế độ điều khiển bước đủ
1 pha và 2 pha.
Dấu “+” và dấu “-” được để đại diện cho các cực của nguồn áp được áp
vào động cơ


14

Giản đồ xung điện áp cấp cho các cuộn dây:

Hình 1.14. Giản đồ xung cấp cho các cuộn dây
d) Chế độ điều khiển vi bước

Bước đủ và bước nửa bước trong hoạt động di chuyển động cơ bước có
xu hướng hơi giật, số bước di chuyển cũng có giới hạn bởi số lượng cực mà
các roto có thể có. Để khac phục điều này tức để roto chuyển động liên tục và
không bị giật, người ta sử dụng chế độ vi bước, ở đó bộ điều khiển sẽ cấp các
song dòng điện và điện áp hình Sin cho cuộn dây

Hình 1.15. Pha của dòng điện ở chế độ vi bước.


15

Hai sóng điện hình Sin trong hai pha lệch nhau một góc 90 độ điện,
tương tự dòng điện xoay chiều hai pha chạy trong dây quấn hai pha máy điện
xoay chiều. Từ trường được tạo ra là từ trường quay hai pha.
1.3.2. Sơ đồ nguyên lí mạch động lực và các nguyên lí điều khiển động cơ
bước đơn cực.
1.3.2.1. Sơ đồ mạch động lực động cơ bước đơn cực ( uniporla)

A
B
C

D

Hình 1.16. Mạch động lực động cơ bước đơn cực
Dộng cơ bước đơn cực thường có 5 đầu ra :

B

C

D

Hình 1.17. Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước unipolar
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ:
Để thuyết minh nguyên lý hoạt động của sơ đồ, ta lấy ví dụ động cơ
đơn cực có bốn cuộn dây A,B,C,D ở phia stator và rotor có hai cực, điều
khiển theo chế độ bước đủ với một pha được cấp xung tại một thời điểm.