Điều khiển động cơ bước

Động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học, còn đối với động cơ bước, chúng chuyển đổi năng lượng xung điện thành chuyển động quay của rôto. Chuyển động được tạo ra bởi hoạt động của từng xung được bắt đầu và lặp lại với độ chính xác cao, giúp động cơ bóng truyền động hiệu quả cho các thiết bị yêu cầu định vị chính xác.

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu bao gồm: rôto nam châm vĩnh cửu, cuộn dây stato và lõi từ. Các cuộn dây năng lượng tạo ra các cực từ bắc và nam như hình minh họa. Từ trường chuyển động của stato buộc rôto luôn thẳng hàng với nó. Từ trường quay này có thể được điều chỉnh bằng cách điều khiển kích thích nối tiếp của cuộn dây stato để quay rôto.

Hình vẽ cho thấy một sơ đồ của một phương pháp kích thích điển hình cho động cơ hai pha. Ở pha A, hai cuộn dây stato được cấp điện và điều này làm cho rôto hút và khóa khi các cực từ trái dấu hút nhau.Khi tắt cuộn dây của pha A, bật cuộn dây của pha B, rôto quay theo chiều kim đồng hồ (tiếng Anh CW - theo chiều kim đồng hồ, CCW - ngược chiều kim đồng hồ) 90 °.

Sau đó, pha B tắt và pha A bật, nhưng các cực bây giờ ngược lại với lúc ban đầu. Điều này dẫn đến lần lượt 90 ° tiếp theo. Sau đó, pha A được tắt, pha B được bật với cực ngược. Lặp lại các bước này sẽ làm cho rôto quay theo chiều kim đồng hồ với gia số 90°.

Điều khiển từng bước thể hiện trong hình được gọi là điều khiển một pha. Một cách điều khiển bước dễ chấp nhận hơn là điều khiển tích cực hai pha, trong đó cả hai pha của động cơ luôn bật, nhưng cực tính của một trong số chúng thay đổi, như thể hiện trong hình.

Điều khiển này làm cho rôto của động cơ bước di chuyển sao cho nó thẳng hàng với từng bước tại tâm của cực bắc và cực nam đã hình thành, giữa các phần nhô ra của mạch từ. Vì cả hai pha luôn bật nên phương pháp điều khiển này cung cấp mô-men xoắn nhiều hơn 41,4% so với điều khiển bằng một pha hoạt động, nhưng yêu cầu năng lượng điện gấp đôi.

nửa bước

Động cơ bước cũng có thể là "bán bước", sau đó giai đoạn ngắt được thêm vào trong quá trình chuyển pha. Điều này cắt giảm một nửa góc sân. Ví dụ, thay vì 90 °, động cơ bước có thể quay 45 ° trên mỗi «nửa bước», như thể hiện trong hình.

Nhưng chế độ nửa bước dẫn đến tổn thất mô-men xoắn từ 15-30%, so với điều khiển bước có hai pha hoạt động, do một trong các cuộn dây không hoạt động trong nửa bước và điều này cuối cùng dẫn đến mất lực điện từ, tác động lên rôto, tức là tổn thất mô-men xoắn ròng.

cuộn dây lưỡng cực

Điều khiển bước hai pha giả định có cuộn dây stato hai cực. Mỗi pha có cuộn dây riêng và khi dòng điện đảo ngược qua các cuộn dây, các cực điện từ cũng thay đổi. Giai đoạn đầu là điển hình trình điều khiển hai pha thể hiện trong hình. Sơ đồ điều khiển được hiển thị trong bảng. Có thể thấy cách đơn giản bằng cách thay đổi hướng của dòng điện qua các cuộn dây, có thể thay đổi cực từ trong các pha.

Cuộn dây đơn cực

Một loại cuộn dây điển hình khác là cuộn dây đơn cực, ở đây các cuộn dây được chia thành hai phần và khi một phần của cuộn dây được cấp điện, một cực bắc sẽ được tạo ra, khi phần kia được cấp điện, một cực nam sẽ được tạo ra. Giải pháp này được gọi là cuộn dây đơn cực vì cực điện chịu trách nhiệm cho dòng điện không bao giờ thay đổi. Các giai đoạn kiểm soát được thể hiện trong hình.

Thiết kế này cho phép sử dụng một khối điện tử đơn giản hơn. Tuy nhiên, gần 30% mô-men xoắn bị mất ở đây so với cuộn dây lưỡng cực vì cuộn dây có một nửa dây là cuộn dây lưỡng cực.

Các góc nghiêng khác

Để có được góc bước nhỏ hơn, cần phải có số lượng cực lớn hơn trên cả rôto và stato. Rôto 7,5° có 12 cặp cực và lõi từ của stato có 12 phần nhô ra. Hai tai suốt chỉ và hai cuộn dây.

Điều này mang lại 48 cực cho mỗi bước 7,5°. Trong hình, bạn có thể thấy phần vấu 4 cực. Tất nhiên có thể kết hợp các bước để đạt được chuyển vị lớn, ví dụ sáu bước 7,5° sẽ dẫn đến vòng quay của rôto là 45°.

Sự chính xác

Độ chính xác của động cơ bước là 6-7% mỗi bước (không tích lũy). Động cơ bước với các bước 7,5° sẽ luôn nằm trong phạm vi 0,5° so với vị trí dự đoán theo lý thuyết, bất kể đã thực hiện bao nhiêu bước. Lỗi sẽ không tích lũy vì cứ 360 ° được lặp lại từng bước một cách máy móc. Khi không tải, vị trí vật lý của các cực của stato và rôto so với nhau sẽ luôn giống nhau.

cộng hưởng

Động cơ bước có tần số cộng hưởng riêng vì chúng có trọng lượng giống như hệ thống lò xo. Khi nhịp giống với tần số cộng hưởng tự nhiên của động cơ, có thể nghe thấy tiếng ồn do động cơ tạo ra và độ rung được khuếch đại.

Điểm cộng hưởng phụ thuộc vào ứng dụng của động cơ, tải trọng của nó nhưng nhìn chung tần số cộng hưởng nằm trong khoảng từ 70 đến 120 bước/giây. Trong trường hợp xấu nhất, động cơ sẽ mất độ chính xác điều khiển nếu nó xảy ra hiện tượng cộng hưởng.

Một cách dễ dàng để tránh các vấn đề cộng hưởng hệ thống là thay đổi nhịp điệu ra khỏi điểm cộng hưởng. Ở chế độ nửa bước hoặc vi bước, vấn đề cộng hưởng giảm do điểm cộng hưởng bị loại bỏ khi tốc độ tăng.

mô-men xoắn

Mô-men xoắn của động cơ bước là một chức năng của: tốc độ bước, dòng điện cuộn dây stato, loại động cơ. Sức mạnh của một động cơ bước cụ thể cũng liên quan đến ba yếu tố này.Mô-men xoắn của động cơ bước là tổng của mô-men xoắn ma sát và mô-men xoắn quán tính.

Mô-men xoắn ma sát tính bằng gam trên cm là lực cần thiết để di chuyển một tải nặng một số gam nhất định bằng một cánh tay đòn dài 1 cm. Điều quan trọng cần lưu ý là khi tốc độ bước của động cơ tăng lên, EMF phía sau trong động cơ , nghĩa là điện áp do động cơ tạo ra tăng lên. Điều này hạn chế dòng điện trong cuộn dây stato và giảm mô-men xoắn.