Là một bộ truyền động,động cơ bướclà một trong những sản phẩm chủ chốt của ngành cơ điện tử, được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống điều khiển tự động hóa. Với sự phát triển của công nghệ vi điện tử và máy tính, nhu cầu về động cơ bước ngày càng tăng và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kinh tế quốc gia.
01 Cái gì là mộtđộng cơ bước
Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi trực tiếp các xung điện thành chuyển động cơ học. Bằng cách điều khiển trình tự, tần số và số lượng xung điện được áp dụng vào cuộn dây động cơ, có thể điều khiển hướng, tốc độ và góc quay của động cơ bước. Không cần sử dụng hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín với cảm biến vị trí, việc điều khiển vị trí và tốc độ chính xác có thể đạt được bằng cách sử dụng hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản, chi phí thấp bao gồm một động cơ bước và bộ điều khiển đi kèm.
02 động cơ bướccấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động
Cấu trúc cơ bản:
Nguyên lý hoạt động: Bộ điều khiển động cơ bước theo xung điều khiển bên ngoài và tín hiệu hướng, thông qua mạch logic bên trong, điều khiển các cuộn dây động cơ bước theo trình tự thời gian nhất định để cấp điện tiến hoặc lùi, để động cơ quay tiến/lùi hoặc khóa.
Lấy động cơ bước hai pha 1,8 độ làm ví dụ: khi cả hai cuộn dây được cấp điện và kích thích, trục ra của động cơ sẽ đứng yên và được khóa tại vị trí. Mô-men xoắn cực đại giúp động cơ được khóa ở dòng điện định mức chính là mô-men xoắn giữ. Nếu dòng điện trong một trong hai cuộn dây được chuyển hướng, động cơ sẽ quay một bước (1,8 độ) theo một hướng nhất định.
Tương tự, nếu dòng điện trong cuộn dây còn lại đổi hướng, động cơ sẽ quay một bước (1,8 độ) ngược chiều với hướng trước. Khi dòng điện chạy qua các cuộn dây được chuyển hướng tuần tự sang trạng thái kích thích, động cơ sẽ quay liên tục theo hướng đã cho với độ chính xác rất cao. Đối với động cơ bước hai pha 1,8 độ, một tuần quay mất 200 bước.
Động cơ bước hai pha có hai loại cuộn dây: lưỡng cực và đơn cực. Động cơ lưỡng cực chỉ có một cuộn dây cho mỗi pha, dòng điện xoay chiều liên tục trong cùng một cuộn dây được kích thích tuần tự, thiết kế mạch điều khiển yêu cầu tám công tắc điện tử để chuyển mạch tuần tự.
Động cơ đơn cực có hai cuộn dây quấn có cực tính ngược nhau trên mỗi pha và động cơ
quay liên tục bằng cách luân phiên cấp điện cho hai cuộn dây trên cùng một pha.
Mạch điều khiển được thiết kế để chỉ cần bốn công tắc điện tử. Trong lưỡng cực
chế độ lái, mô-men xoắn đầu ra của động cơ tăng khoảng 40% so với
chế độ truyền động đơn cực vì các cuộn dây quấn của mỗi pha được kích thích 100%.
03, Tải động cơ bước
A. Tải trọng mô men (Tf)
Tf = G * r
G: Tải trọng
r: bán kính
B. Tải trọng quán tính (TJ)
TJ = J * dw/dt
J = M * (R12+R22) / 2 (Kg * cm)
M: Khối lượng tải
R1: Bán kính của vòng ngoài
R2: Bán kính của vòng trong
dω/dt: Gia tốc góc
04, đường cong tốc độ-mô-men xoắn của động cơ bước
Đường cong tốc độ-mô-men xoắn là một biểu hiện quan trọng của đặc tính đầu ra của động cơ bước
động cơ.
A. Điểm tần số hoạt động của động cơ bước
Giá trị tốc độ của động cơ bước tại một điểm nhất định.
n = q * Hz / (360 * D)
n: vòng/giây
Hz: Giá trị tần số
D: Giá trị nội suy mạch điều khiển
q: góc bước của động cơ bước
Ví dụ, một động cơ bước có góc nghiêng là 1,8°, với ổ đĩa nội suy 1/2(tức là 0,9° mỗi bước), có tốc độ 1,25 vòng/giây ở tần số hoạt động là 500 Hz.
B. Khu vực tự khởi động động cơ bước
Khu vực mà động cơ bước có thể được khởi động và dừng trực tiếp.
C. Khu vực hoạt động liên tục
Trong khu vực này, động cơ bước không thể được khởi động hoặc dừng trực tiếp. Động cơ bước trongkhu vực này trước tiên phải đi qua khu vực tự khởi động và sau đó được tăng tốc để đạt tớikhu vực hoạt động. Tương tự như vậy, động cơ bước trong khu vực này không thể được phanh trực tiếp,nếu không thì dễ làm cho động cơ bước không đồng bộ, trước tiên phải giảm tốc độ xuốngkhu vực tự khởi động và sau đó phanh lại.
D. Tần số khởi động tối đa của động cơ bước
Trạng thái không tải của động cơ, để đảm bảo động cơ bước không bị mất bước hoạt động củatần số xung tối đa.
E. Tần số hoạt động tối đa của động cơ bước
Tần số xung tối đa mà động cơ được kích thích để chạy mà không bị mất bướckhông có tải.
F. Mô-men xoắn khởi động động cơ bước / mô-men xoắn kéo vào
Để đáp ứng động cơ bước ở tần số xung nhất định để khởi động và bắt đầu chạy, mà không cầnmất các bước của mô-men xoắn tải tối đa.
G. Mô-men xoắn chạy của động cơ bước/mô-men xoắn kéo vào
Mô-men xoắn tải tối đa đáp ứng hoạt động ổn định của động cơ bước tạitần số xung nhất định mà không mất bước.
05 Điều khiển chuyển động tăng tốc/giảm tốc bằng động cơ bước
Khi điểm tần số hoạt động của động cơ bước trong đường cong tốc độ-mô-men xoắn liên tụcvùng hoạt động, cách rút ngắn quá trình tăng tốc hoặc giảm tốc khi khởi động hoặc dừng động cơthời gian, để động cơ chạy lâu hơn ở trạng thái tốc độ tốt nhất, do đó làm tăngthời gian chạy hiệu quả của động cơ là rất quan trọng.
Như thể hiện trong hình dưới đây, đường cong đặc tính mô-men xoắn động của động cơ bước làmột đường thẳng nằm ngang ở tốc độ thấp; ở tốc độ cao, đường cong giảm theo cấp số nhândo ảnh hưởng của độ tự cảm.
Chúng ta biết rằng tải động cơ bước là TL, giả sử chúng ta muốn tăng tốc từ F0 đến F1 trongthời gian ngắn nhất (tr), làm thế nào để tính thời gian ngắn nhất tr?
(1) Thông thường, TJ = 70% Tm
(2) tr = 1,8 * 10 -5 * J * q * (F1-F0)/(TJ -TL)
(3) F(t) = (F1-F0) * t/tr + F0, 0
B. Gia tốc mũ ở điều kiện tốc độ cao
(1) Thông thường
TJ0 = 70%Tm0
TJ1 = 70%Tm1
TL = 60%Tm1
(2)
tr = F4 * Trong [(TJ 0-TL)/(TJ 1-TL)]
(3)
F(t) = F2 * [1 - e^(-t/F4)] + F0, 0
F2 = (TL-TJ 0) * (F1-F0)/TJ 1-TJ 0)
F4 = 1,8 * 10-5 * J * q * F2/(TJ 0-TL)
Ghi chú.
J biểu thị quán tính quay của rôto động cơ khi chịu tải.
q là góc quay của mỗi bước, là góc bước của động cơ bước trong
trường hợp của toàn bộ ổ đĩa.
Trong hoạt động giảm tốc, chỉ cần đảo ngược tần số xung gia tốc ở trên có thể được
đã tính toán.
06 rung động cơ bước và tiếng ồn
Nói chung, động cơ bước trong hoạt động không tải, khi tần số hoạt động của động cơgần bằng hoặc bằng tần số vốn có của rôto động cơ sẽ cộng hưởng, nghiêm trọng sẽxảy ra hiện tượng không đồng bộ.
Một số giải pháp cho cộng hưởng:
A. Tránh vùng rung động: để tần số hoạt động của động cơ không nằm trongphạm vi rung động
B. Áp dụng chế độ truyền động phân chia: Sử dụng chế độ truyền động vi bước để giảm rung động bằng cách
chia nhỏ bước ban đầu thành nhiều bước để tăng độ phân giải của từng bước
bước động cơ. Điều này có thể đạt được bằng cách điều chỉnh tỷ số pha/dòng điện của động cơ.
Vi bước không làm tăng độ chính xác của góc bước, nhưng làm cho động cơ chạy nhanh hơn
hoạt động êm ái và ít tiếng ồn hơn. Mô-men xoắn thường thấp hơn 15% khi vận hành nửa bước
so với hoạt động theo từng bước đầy đủ và thấp hơn 30% đối với điều khiển dòng điện dạng sóng sin.
Thời gian đăng: 09-11-2022