Lựa chọn động cơ bước trong thiết bị tự động hóa

Động cơ bướccó thể được sử dụng để kiểm soát tốc độ và kiểm soát vị trí mà không cần sử dụng các thiết bị phản hồi (tức là điều khiển vòng hở), vì vậy giải pháp truyền động này vừa tiết kiệm vừa đáng tin cậy. Trong các thiết bị, dụng cụ tự động hóa, truyền động bước đã được sử dụng rất rộng rãi. Nhưng nhiều người dùng là nhân viên kỹ thuật về cách chọn động cơ bước phù hợp, cách tạo hiệu suất tốt nhất của truyền động bước hoặc có thêm câu hỏi. Bài báo này thảo luận về việc lựa chọn động cơ bước, tập trung vào việc áp dụng một số kinh nghiệm kỹ thuật động cơ bước, tôi hy vọng rằng việc phổ biến động cơ bước trong thiết bị tự động hóa sẽ đóng vai trò tham khảo.

 

1、Giới thiệu vềđộng cơ bước

Động cơ bước cũng được gọi là động cơ xung hoặc động cơ bước. Nó tiến lên theo một góc nhất định mỗi khi trạng thái kích thích thay đổi theo tín hiệu xung đầu vào và đứng yên ở một vị trí nhất định khi trạng thái kích thích không thay đổi. Điều này cho phép động cơ bước chuyển đổi tín hiệu xung đầu vào thành độ dịch chuyển góc tương ứng cho đầu ra. Bằng cách kiểm soát số xung đầu vào, bạn có thể xác định chính xác độ dịch chuyển góc của đầu ra để đạt được vị trí tốt nhất; và bằng cách kiểm soát tần số của xung đầu vào, bạn có thể kiểm soát chính xác tốc độ góc của đầu ra và đạt được mục đích điều chỉnh tốc độ. Vào cuối những năm 1960, nhiều loại động cơ bước thực tế đã ra đời và 40 năm qua đã chứng kiến ​​sự phát triển nhanh chóng. Động cơ bước có thể kết hợp với động cơ DC, động cơ không đồng bộ cũng như động cơ đồng bộ, trở thành một loại động cơ cơ bản. Có ba loại động cơ bước: phản ứng (loại VR), nam châm vĩnh cửu (loại PM) và lai (loại HB). Động cơ bước lai kết hợp các ưu điểm của hai dạng động cơ bước đầu tiên. Động cơ bước bao gồm một rotor (lõi rotor, nam châm vĩnh cửu, trục, ổ bi), một stato (cuộn dây, lõi stato), nắp đầu trước và sau, v.v. Động cơ bước lai hai pha điển hình nhất có một stato với 8 răng lớn, 40 răng nhỏ và một rotor với 50 răng nhỏ; động cơ ba pha có một stato với 9 răng lớn, 45 răng nhỏ và một rotor với 50 răng nhỏ

 

2、Nguyên lý điều khiển

Cácđộng cơ bướckhông thể kết nối trực tiếp với nguồn điện, cũng không thể trực tiếp nhận tín hiệu xung điện, mà phải thực hiện thông qua một giao diện đặc biệt - trình điều khiển động cơ bước để tương tác với nguồn điện và bộ điều khiển. Trình điều khiển động cơ bước thường bao gồm một bộ phân phối vòng và một mạch khuếch đại công suất. Bộ chia vòng nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển. Mỗi lần nhận được tín hiệu xung, đầu ra của bộ chia vòng được chuyển đổi một lần, do đó, sự có mặt hay vắng mặt và tần số của tín hiệu xung có thể xác định tốc độ động cơ bước cao hay thấp, tăng tốc hay giảm tốc để khởi động hoặc dừng. Bộ phân phối vòng cũng phải theo dõi tín hiệu hướng từ bộ điều khiển để xác định xem các trạng thái chuyển đổi đầu ra của nó theo thứ tự dương hay âm, và do đó xác định hướng lái của động cơ bước.

 

3、Các thông số chính

①Số khối: chủ yếu là 20, 28, 35, 42, 57, 60, 86, v.v.

②Số pha: số vòng dây bên trong động cơ bước, số pha của động cơ bước thường có hai pha, ba pha, năm pha. Trung Quốc chủ yếu sử dụng động cơ bước hai pha, ba pha cũng có một số ứng dụng. Nhật Bản thường sử dụng động cơ bước năm pha

③Góc bước: tương ứng với tín hiệu xung, độ dịch chuyển góc của vòng quay rôto động cơ. Công thức tính góc bước của động cơ bước như sau

Góc bước = 360° ÷ (2mz)

m số pha của động cơ bước

Z là số răng của rôto động cơ bước.

Theo công thức trên, góc bước của động cơ bước hai pha, ba pha và năm pha lần lượt là 1,8°, 1,2° và 0,72°

④ Mô men giữ: là mô men của cuộn dây stato của động cơ thông qua dòng điện định mức, nhưng rôto không quay, stato khóa rôto. Mô men giữ là thông số quan trọng nhất của động cơ bước và là cơ sở chính để lựa chọn động cơ

⑤ Mô-men xoắn định vị: là mô-men xoắn cần thiết để quay rô-to bằng lực bên ngoài khi động cơ không đi qua dòng điện. Mô-men xoắn là một trong những chỉ số hiệu suất để đánh giá động cơ, trong trường hợp các thông số khác giống nhau, mô-men xoắn định vị càng nhỏ có nghĩa là "hiệu ứng khe" càng nhỏ, càng có lợi cho sự trơn tru của động cơ chạy ở tốc độ thấp Đặc điểm tần số mô-men xoắn: chủ yếu đề cập đến đặc điểm tần số mô-men xoắn kéo dài, động cơ hoạt động ổn định ở một tốc độ nhất định có thể chịu được mô-men xoắn cực đại mà không mất bước. Đường cong tần số mô-men xoắn được sử dụng để mô tả mối quan hệ giữa mô-men xoắn cực đại và tốc độ (tần số) mà không mất bước. Đường cong tần số mô-men xoắn là một thông số quan trọng của động cơ bước và là cơ sở chính để lựa chọn động cơ.

⑥ Dòng điện định mức: dòng điện quấn động cơ cần thiết để duy trì mô-men xoắn định mức, giá trị hiệu dụng

 

4、Chọn điểm

Ứng dụng công nghiệp sử dụng động cơ bước có tốc độ lên đến 600 ~ 1500 vòng/phút, tốc độ cao hơn, bạn có thể cân nhắc sử dụng ổ đĩa động cơ bước vòng kín hoặc lựa chọn chương trình ổ đĩa servo phù hợp hơn theo các bước lựa chọn động cơ bước (xem hình bên dưới).

 

(1) Lựa chọn góc bước

Theo số pha của động cơ, có ba loại góc bước: 1,8° (hai pha), 1,2° (ba pha), 0,72° (năm pha). Tất nhiên, góc bước năm pha có độ chính xác cao nhất nhưng động cơ và trình điều khiển của nó đắt hơn, vì vậy nó ít được sử dụng ở Trung Quốc. Ngoài ra, các trình điều khiển bước chính thống hiện đang sử dụng công nghệ truyền động phân chia, trong 4 phân chia dưới đây, độ chính xác góc bước phân chia vẫn có thể được đảm bảo, vì vậy nếu chỉ xét đến các chỉ số độ chính xác góc bước, động cơ bước năm pha có thể được thay thế bằng động cơ bước hai pha hoặc ba pha. Ví dụ, trong ứng dụng của một số loại chì cho tải vít 5mm, nếu sử dụng động cơ bước hai pha và bộ điều khiển được đặt ở 4 phân vùng, số xung trên mỗi vòng quay của động cơ là 200 x 4 = 800 và xung tương đương là 5 ÷ 800 = 0,00625mm = 6,25μm, độ chính xác này có thể đáp ứng hầu hết các yêu cầu của ứng dụng.

(2) Lựa chọn mô men tĩnh (mô men giữ)

Các cơ cấu truyền tải tải thường dùng bao gồm dây đai đồng bộ, thanh sợi, thanh răng và bánh răng, v.v. Trước tiên, khách hàng tính toán tải máy của mình (chủ yếu là mô men tăng tốc cộng với mô men ma sát) được chuyển đổi thành mô men tải yêu cầu trên trục động cơ. Sau đó, theo tốc độ chạy tối đa mà hoa điện yêu cầu, hai trường hợp sử dụng khác nhau sau đây để chọn mô men giữ thích hợp của động cơ bước ① cho ứng dụng tốc độ động cơ yêu cầu là 300pm hoặc thấp hơn: nếu tải máy được chuyển đổi thành mô men tải yêu cầu của trục động cơ T1, thì mô men tải này được nhân với hệ số an toàn SF (thường được lấy là 1,5-2,0), nghĩa là mô men giữ động cơ bước yêu cầu Tn ②2 cho Đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ động cơ từ 300pm trở lên: đặt tốc độ tối đa Nmax, nếu tải máy được chuyển đổi thành trục động cơ, mô men tải yêu cầu là T1, thì mô men tải này được nhân với hệ số an toàn SF (thường là 2,5-3,5), cho ra mô men giữ Tn. Tham khảo Hình 4 và chọn một mô hình phù hợp. Sau đó sử dụng đường cong tần số mô men để kiểm tra và so sánh: trên đường cong tần số mô men, tốc độ tối đa Nmax mà người dùng yêu cầu tương ứng với mô men bước mất tối đa của T2, khi đó mô men bước mất tối đa T2 phải lớn hơn T1 hơn 20%. Nếu không, cần phải chọn một động cơ mới có mô men lớn hơn và kiểm tra và so sánh lại theo đường cong tần số mô men của động cơ mới được chọn.

(3) Số cơ sở của động cơ càng lớn thì mô-men giữ càng lớn.

(4) theo dòng điện định mức để lựa chọn trình điều khiển bước phù hợp.

Ví dụ, dòng điện định mức của động cơ 57CM23 là 5A, thì bạn phải khớp với dòng điện tối đa cho phép của ổ đĩa lớn hơn 5A (vui lòng lưu ý rằng đó là giá trị hiệu dụng chứ không phải giá trị đỉnh), nếu không, nếu bạn chọn dòng điện tối đa chỉ 3A, thì mô-men xoắn đầu ra tối đa của động cơ chỉ có thể đạt khoảng 60%!

5, kinh nghiệm ứng dụng

(1) vấn đề cộng hưởng tần số thấp của động cơ bước

Bộ truyền động bước phân chia là một cách hiệu quả để giảm cộng hưởng tần số thấp của động cơ bước. Dưới 150 vòng/phút, bộ truyền động phân chia rất hiệu quả trong việc giảm độ rung của động cơ. Về mặt lý thuyết, phân chia càng lớn thì hiệu quả giảm độ rung của động cơ bước càng tốt, nhưng tình hình thực tế là phân chia tăng lên 8 hoặc 16 sau khi hiệu quả cải thiện giảm độ rung của động cơ bước đạt đến mức cực đại

Trong những năm gần đây, trong và ngoài nước đã có các trình điều khiển bước chống cộng hưởng tần số thấp được niêm yết, dòng sản phẩm DM, DM-S của Leisai, công nghệ chống cộng hưởng tần số thấp. Dòng trình điều khiển này sử dụng bù sóng hài, thông qua bù biên độ và pha, có thể làm giảm đáng kể độ rung tần số thấp của động cơ bước, để đạt được độ rung thấp và tiếng ồn thấp khi vận hành động cơ.

(2) Tác động của việc phân chia động cơ bước đến độ chính xác định vị

Mạch truyền động phân chia động cơ bước không chỉ có thể cải thiện độ mượt mà của chuyển động thiết bị mà còn có thể cải thiện hiệu quả độ chính xác định vị của thiết bị. Các thử nghiệm cho thấy rằng: Trong nền tảng chuyển động truyền động đai đồng bộ, động cơ bước 4 phân chia, động cơ có thể được định vị chính xác ở mỗi bước.