Lựa chọn động cơ bước trong thiết bị tự động hóa

Động cơ bướcĐộng cơ bước có thể được sử dụng để điều khiển tốc độ và điều khiển vị trí mà không cần sử dụng các thiết bị phản hồi (tức là điều khiển vòng hở), do đó giải pháp truyền động này vừa tiết kiệm chi phí vừa đáng tin cậy. Trong các thiết bị và dụng cụ tự động hóa, động cơ bước đã được sử dụng rất rộng rãi. Tuy nhiên, nhiều người dùng và các chuyên gia kỹ thuật vẫn còn nhiều thắc mắc về cách lựa chọn động cơ bước phù hợp, làm thế nào để đạt được hiệu suất tốt nhất của động cơ bước. Bài báo này thảo luận về việc lựa chọn động cơ bước, tập trung vào ứng dụng một số kinh nghiệm kỹ thuật về động cơ bước, hy vọng sẽ đóng vai trò tham khảo trong việc phổ biến động cơ bước trong thiết bị tự động hóa.

 

1. Giới thiệu vềđộng cơ bước

Động cơ bước, còn được gọi là động cơ xung hoặc động cơ bước, di chuyển một góc nhất định mỗi khi trạng thái kích thích thay đổi theo tín hiệu xung đầu vào và đứng yên tại 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 để tạo ra đầu ra. Bằng cách điều khiển số lượng xung đầu vào, bạn có thể xác định chính xác độ dịch chuyển góc của đầu ra để đạt được vị trí tối ưu; và bằng cách điều khiển tần số của các xung đầu vào, bạn có thể điều khiển 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 tiễn đã ra đời, và trong 40 năm qua, lĩnh vực này đã phát triển nhanh chóng. Động cơ bước đã có thể sánh ngang 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: động cơ phản kháng (loại VR), động cơ nam châm vĩnh cửu (loại PM) và động cơ lai (loại HB). Động cơ bước lai kết hợp những ưu điểm của hai loại động cơ bước đầu tiên. Động cơ bước bao gồm rôto (lõi rôto, nam châm vĩnh cửu, trục, ổ bi), stato (cuộn dây, lõi stato), nắp trước và sau, v.v. Động cơ bước lai hai pha điển hình nhất có stato 8 răng lớn, 40 răng nhỏ và rôto 50 răng nhỏ; động cơ ba pha có stato 9 răng lớn, 45 răng nhỏ và rôto 50 răng nhỏ.

 

2. Nguyên lý điều khiển

Cáiđộng cơ bướcĐộng cơ bước không thể kết nối trực tiếp với nguồn điện, cũng không thể trực tiếp nhận tín hiệu xung điện, mà phải được thực hiện thông qua một giao diện đặc biệt - mạch điều khiển động cơ bước - để tương tác với nguồn điện và bộ điều khiển. Mạch điều khiển động cơ bước thường bao gồm một bộ phân tần và một mạch khuếch đại công suất. Bộ phân tần nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển. Mỗi khi nhận được tín hiệu xung, đầu ra của bộ phân tần 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 lại. Bộ phân tần cũng phải giám sát tín hiệu hướng từ bộ điều khiển để xác định xem trạng thái chuyển đổi đầu ra của nó là theo thứ tự thuận hay nghịch, và do đó xác định hướng quay của động cơ bước.

 

3. Các thông số chính

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

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

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

Góc bước = 360° ÷ (2mz)

m là 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 Mômen giữ: là mômen xoắn của cuộn dây stato của động cơ khi dòng điện định mức chạy qua, nhưng rôto không quay, stato khóa rôto. Mômen 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 rôto bằng lực tác dụng bên ngoài khi động cơ không dẫn 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 thì "hiệu ứng rãnh" càng nhỏ, càng có lợi cho sự vận hành êm ái của động cơ ở tốc độ thấp. Đặc tính tần số mô-men xoắn: chủ yếu đề cập đến đặc tính 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 bị 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 bị 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 cuộn dây động cơ cần thiết để duy trì mô-men xoắn định mức, giá trị hiệu dụng.

 

4. Chọn điểm

Trong các ứng dụng công nghiệp, động cơ bước sử dụng tốc độ lên đến 600 ~ 1500 vòng/phút, đối với tốc độ cao hơn, bạn có thể xem xét sử dụng hệ thống điều khiển động cơ bước vòng kín, hoặc chọn chương trình điều khiển servo phù hợp hơn để lựa chọn các bước điều khiển 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 bộ điều khiển của nó đắt hơn, vì vậy nó ít được sử dụng ở Trung Quốc. Ngoài ra, các bộ điều khiển động cơ bước phổ biến hiện nay đang sử dụng công nghệ điều khiển phân chia, ở mức phân chia dưới 4, độ chính xác của góc bước vẫn có thể được đảm bảo, vì vậy nếu chỉ xét đến các chỉ số về 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 một loại dây dẫn nào đó dùng cho vít có đường kính 5mm, nếu sử dụng động cơ bước hai pha và bộ điều khiển được đặt ở chế độ chia 4, số xung trên mỗi vòng quay của động cơ là 200 x 4 = 800, và độ lệch xung tương đương là 5 ÷ 800 = 0,00625mm = 6,25μm, độ chính xác này có thể đáp ứng hầu hết các yêu cầu ứng dụng.

(2) Lựa chọn mô-men xoắn tĩnh (mô-men xoắn giữ)

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

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

(4) theo dòng điện định mức để chọn bộ điều khiển động cơ bước phù hợp.

Ví dụ, dòng điện định mức của động cơ 57CM23 là 5A, thì bạn cần chọn biến tần có dòng điện tối đa cho phép lớn hơn 5A (xin lưu ý rằng đây là giá trị hiệu dụng chứ không phải giá trị cực đại), nếu không, nếu bạn chọn biến tần chỉ có dòng điện tối đa 3A, 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

Chế độ chia nhỏ bước là một phương pháp hiệu quả để giảm cộng hưởng tần số thấp của động cơ bước. Ở tốc độ dưới 150 vòng/phút, chế độ chia nhỏ rất hiệu quả trong việc giảm rung động của động cơ. Về lý thuyết, số lần chia nhỏ càng lớn thì hiệu quả giảm rung động của động cơ bước càng tốt, nhưng thực tế là khi số lần chia nhỏ tăng lên 8 hoặc 16 thì hiệu quả cải thiện việc giảm rung động của động cơ bước đã đạt đến mức tối đa.

Trong những năm gần đây, đã có các bộ điều khiển động cơ bước chống cộng hưởng tần số thấp được liệt kê trong và ngoài nước, các sản phẩm dòng DM, DM-S của Leisai, sử dụng công nghệ chống cộng hưởng tần số thấp. Dòng sản phẩm này sử dụng bù hài, thông qua bù khớp biên độ và pha, có thể giảm đáng kể độ rung tần số thấp của động cơ bước, giúp đạt được hoạt động ít rung động và ít tiếng ồn của động cơ.

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

Mạch điều khiển chia nhỏ động cơ bước không chỉ cải thiện độ mượt mà của chuyển động thiết bị mà còn có thể nâng cao hiệu quả độ chính xác định vị của thiết bị. Các thử nghiệm cho thấy: Trên nền tảng chuyển động truyền động bằng đai đồng bộ, với 4 cấp chia nhỏ động cơ bước, động cơ có thể được định vị chính xác ở mỗi bước.