He TD D Servo Va Dong Co Buoc

Bài giảng Truyền động điện - Biên soạn lần 1 từ bài giảng của GS. P. Büchner - tháng 8/2005

Khoa Điện Bộ môn Điều khiển tự động PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang

225

Chương 12: Hệ thông TĐĐ chính xác (hệ Servo) và TĐĐ sử dụng động cơ bước 11.2 Các đặc điểm của hệ TĐ Servo – Khái quát Việc phân loại các chuyển động do các hệ TĐĐ tạo nên có thể được thực hiện như sau: 1. Các chuyển động quay hay thẳng chủ yếu để

thắng mômen cản của đối tượng TĐ (ví dụ: trong máy móc xử lý và gia công, trong máy công cụ). Bộ ĐK tốc độ quay giúp thích ứng công suất cơ lấy từ động cơ với đối tượng TĐ. Phạm vi tốc độ quay của mục tiêu này thường nhỏ và thường chỉ cần tỷ lệ 1 : 10 là đủ. Vì đó cũng thường là nhiệm vụ chính của hệ TĐ, tất nhiên còn thêm cả các nhiệm vụ khác, ta hay gọi đó là hệ TĐ chính (ví dụ) của một máy công cụ. Trọng tâm khi thiết kế thường nhằm đạt được hiệu suất tốt cho quá trình biến đổi năng lượng.

2. Các chuyển động quay hay thẳng chủ yếu để ĐK đặt vị trí cho phôi, dụng cụ hay chi tiết máy của đối tượng TĐ (ví dụ: TĐ cho các trục Robot, TĐ đẩy của máy công cụ, TĐ kéo trong hệ thông máy cán). Các hệ TĐ thuộc phạm trù này được gọi là hệ TĐ chính xác (hệ TĐ Servo). Hệ TĐ Servo thường cần phạm vi ĐK tốc độ rất rộng (tới 1:10000). Đối với chúng trọng tâm thiết kế thường nằm ở đòi hỏi có độ chính xác và động học cao ( = chất lượng) đối với quá trình chuyển động.

Đối với nhiều hệ thống TĐ, có thể phải giải quyết kết hợp cả hai nhiệm vụ (ví dụ: TĐ kéo phục vụ chuyển động từ A tới B, nhưng đôi khi cũng cần để ĐK đặt vị trí chính xác cho xe được kéo tại điểm dừng, ví dụ: tại một bến tầu điện ngầm hiện đại).



226

12.2 Các đòi hỏi đối với hệ TĐ Servo Dải công suất có giới hạn trên khoảng 30 kW. Vì hệ TĐ không cần được thiết kế cho chế độ dài hạn, mà thường chỉ để vận hành ở chế độ ngắn hạn lặp lại với chu kỳ đóng tương đối nhỏ (ED, tr), số liệu về công suất không còn ý nghĩa ưu tiên nữa. Quan trọng hơn là giá trị mômen danh định Mb mà hệ TĐ có thể tạo nên và khả năng quá tải mômen ngắn hạn (Mmax/Mb), gắn liền với tốc độ quay tối đa Nmax cũng như phạm vi ĐK tốc độ quay, bao gồm cả hai chiều và tốc độ quay bằng không. Số liệu về khả năng độ chính xác chạy đồng đều ở tốc độ quay thấp tới mức nào, cần được bổ sung vào tài liệu kỹ thuật. Đối với ĐK đặt vị trí hay đặt góc còn cần thêm cả các số liệu về độ phân giải của vị trí. Hiện tại có thể coi các thông số danh định sau đây là giá trị định hướng cho hệ TĐ Servo:

Mômen quay danh định Mb: tới 200 Nm (đôi khi có thể tới 500 Nm) Quá tải mômen quay Mmax/Mb: 3 ... 10 Giới hạn trên của tốc độ quay Nmax: 20.000 min-1 Độ phân giải đo vị trí trục động cơ: tối đa 4.600.000 bước ứng với 0.00010 Giới hạn dưới của tốc độ quay vẫn bảo đảm quay tròn đều: 0.01 min-1 Khả năng lặp lại của chuyển động thẳng phía sau hộp số: 0.1 µm

Xu hướng hiện tại là các hệ TĐ không cổ góp ít phải bảo dưỡng, sử dụng động cơ ĐB kích thích vĩnh cửu (PMSM) dưới dạng BL-DC (Brushless DC-Motor) hoặc động cơ XC3P-ĐB kích thích ngoài. Loại động cơ MC kích thích vĩnh cửu chỉ còn ưu thế về giá trong các hệ TĐ với mômen quay nhỏ (< 1 Nm). Truyền động bước chiếm lĩnh vài phạm vi ứng dụng nhất định có đòi hỏi giá thấp, mômen quay nhỏ (< 10 Nm) và tốc độ quay không cao (< 1500 min-1). Ví dụ: truyền động chính xác trong kỹ thuật xe cơ giới. Ta luôn phải nhớ đến truyền động trực tiếp không hộp số cũng như TĐ trực tiếp dùng động cơ tuyến tính.

Nguyen Dang Khang

Typewriter



227

Đặc điểm của hệ TĐ Servo:

♦ Khả năng quá tải về mômen quay cao (Mmax/Mb ≈ 4 ... 10) ♦ Khả năng giá tốc lớn (dω/dt|max = Mmax/Jges), vốn được coi là đặc điểm quan

trọng của các kết cấu trục chuyển động, dẫn đến đòi hỏi động cơ và các kết cấu đi kèm (hộp số, côn nối) cần phải có quán tính nhỏ (FI nhỏ)

♦ Công suất động tối đa lớn (limit dynamic power) theo định nghĩa (Biến thiên của công suất L = Mmax ⋅ |dω /dt|max)

♦ thông thường cần có một phạm vi rộng ĐK tốc độ tuyến tính (kể cả tốc độ quanh điểm đứng im!)

♦ mặt khác, hệ thống cần có một độ bền dẻo nhất định để có thể truyền lực hoặc mômen và có tần số cộng hưởng riêng lớn, nhằm ngăn ngừa các kích thích dao động xoắn. Đòi hỏi này đi ngược lại với các yêu cầu khác, khiến ta phải đi tìm một giải pháp dung hòa tối ưu.

12.3 Ghép cơ tối ưu cho hộp số truyền động Servo Giả thiết: Hệ một vật cứng bao gồm động cơ, hộp số và đối tượng TĐ JM, JG, JA, ωM, ωA, Tỷ số truyền: i = ωM / ωA

Mômen quán tính của hộp số nằm trong JA

Hệ TĐ vận hành không có ma sát (Mw = 0)

Hình 12.1: Hệ TĐ gia tốc có hộp số dưới dạng hệ một vật Tỷ số truyền i = ωM /ωA

Phương trình chuyển động:

Khi Mw = 0 ta có phương trình chuyển động chi tiết:

Với giả thiết, rằng các giá trị i ≠ 0 và dωM/dt ≠ 0, ta có thể tìm cực trị cho mM(i). Để làm điều đó ta hãy nhân phương trình với i.

MM, ωM

ωA M

M w gesdm M Jdtω

− = ⋅

2

M A M MM dyn M A M A 2

M

d d 1 dm m J J J Jdt dt i dt

⎛ ⎞ω ω ω ω⎡ ⎤= = ⋅ + ⋅ ⋅ = + ⋅ ⋅⎜ ⎟ ⎢ ⎥ω ⎣ ⎦⎝ ⎠

Động cơ (JM)

Đối tượng TĐ (JA)



228

MM M A

1 dm i J i Ji dt

ω⎡ ⎤⋅ = ⋅ + ⋅ ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦. Sau khi lấy đạo hàm mM⋅i theo i ta thu được:

2M M AM A M A 0 02

M

d{m i} 1 dm J0 J J J J 1/ i idi i dt J

⋅ ⎧ ⎫= = − ⋅ ⋅ → = ⋅ =⎨ ⎬

⎩ ⎭.

Từ đó ta thu được tỷ số truyền tối ưu io, là tỷ số đòi hỏi mômen động cơ cực tiểu, ứng với tỷ lệ mômen quán tính đã cho trước JA/JM. Động cơ chỉ cần cung cấp một mômen cực tiểu, nếu với tỷ lệ cho trước JA/JM ta thiết kế hộp số có tỷ số truyền i0. Giá trị cực tiểu của mômen động cơ là

Mdyn0 M0 M

dm m 2 Jdtω

= = ⋅ ⋅ , khi mômen quán tính riêng lớn bằng mômen quán tính

ngoài. Đây chính là trường hợp „ghép tối ưu“ trong thế giới kỹ thuật điện (Ri = Ra), khi cần phải chuyển giao công suất tối đa cho tải tiêu thụ. Để biểu diễn các quan hệ, thường ta chọn phương thức biểu diễn chuẩn hóa, trong đó mômen động cơ mM được chuẩn bởi mômen cực tiểu mM0 và tỷ số truyền i bởi tỷ số truyền tối ưu.

M M MM dyn M A M0 M A M2 2

0

1 d 1 d dm m J J ; m J J 2Ji dt i dt dt

⎡ ⎤ω ω ω⎡ ⎤= = + ⋅ ⋅ = + ⋅ ⋅ = ⋅⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

2 2 2

M M A 0 0 0

M0 M

m J J / i 1 i / i i / i i / im 2J 2 2

+ + += = =

Phương trình trên chính là „công thức Kloss ngược“ với điểm cực trị mM min = mM0 khi i = i0. Đồ thị được minh họa trong hình 12.2 dưới đây.

Hình 12.2: Sự phụ thuộc của mômen động cơ vào tỷ số truyền hộp số của hệ TĐ khi cho trước tỷ lệ JA/JM

A0

M

JiJ

=

tỷ số truyền tối ưu i0 cho phép ghép cơ tối ưu

mM/mM0

i/i0

1 2 40.25 0.50

1

2

1.5

Nguyen Dang Khang

Typewriter

Tự Đông

Nguyen Dang Khang

Highlight



229

12.4 Các dạng cấu tạo của hệ TĐ điều khiển (hệ Servo)

Động cơ ĐK có dạng dài thanh mảnh Tích hợp thiết bị ĐK (biến tần) với động cơ vào cùng một nhánh TĐ Tích hợp khâu đo tốc độ quay và đo vị trí vào động cơ ĐK (tiết kiệm không gian và thuận lợi về giá)

Hình 12.3: Động cơ ĐK và thiết bị ĐK tích hợp thành một đơn vị thống nhất

Bảng 12.1: Ghép phần cơ với động cơ ĐK

Động cơ có kèm theo hộp số

Động cơ vạn năng M và máy đo đếm xung quang học IE ghép qua hộp số

Hộp số cho phép ghép cứng, không thể thay đổi linh hoạt. Gây thêm các tác động phi tuyến bất lợi (ví dụ: độ dơ lắc)

Động cơ và hộp số được tích hợp thành một đơn vị duy nhất

Kết cấu đặc biệt: Động cơ - Hộp số

Không gây dơ lắc bất lợi

Truyền động tuyến tính trực tiếp không cần hộp số Động cơ tuyến tính LM và thước

đo đếm xung quang học LIE

Không gây dơ lắc bất lợi. Áp mômen quay tốc độ cao và không phụ thuộc vào chiều tác dụng



230

Bảng 12.2: Các cấu tạo động cơ ĐK đặc biệt với mômen quán tính nhỏ

Rotor dạng dài mảnh Rotor dạng tấm mỏng Rotor dạng quả chuông 1 - Stator 2 - Rotor

Động cơ tuyến tính Stator kép

Động cơ tuyến tính Stator đơn

XC3P-KĐB hoặc XC3P-ĐB Stator ngắn

XC3P-KĐB hoặc XC3P-ĐB Stator dài hoặc ngắn

Một số đòi hỏi khác về kết cấu đối với hệ TĐ Servo:

Thoát nhiệt tốt kể cả ở trạng thái đứng im (dự kiến sẵn làm mát độc lập) Ngăn ngừa truyền nhiệt qua trục động cơ tới đối tượng TĐ (tới phụ tải) (đòi hỏi về cấp chính xác đối với máy công cụ, động cơ KĐB bất lợi với vai trò động cơ ĐK vì có tổn thất lớn trong Rotor)

Sự đồng đều của chuyển động (trước hết ở tốc độ quay nhỏ) Tích hợp động cơ ĐK trực tiếp vào đối tượng TĐ (kết cấu gọn, bền)

Tích hợp khâu đo tốc độ quay và vị trí vào động cơ ĐK (tiết kiệm không gian và hạ giá thành)

21

1 2 11 2

21

12

1

2



231

Hình 12.4 Tích hợp động cơ và cảm biến đo vị trí, đo tốc độ quay (nhỏ gọn và giá thành hạ)

Hình 12.5: Tích hợp động cơ ĐK và trục vít bi thành hệ TĐ tuyến tính „giả“



232

Các giải pháp ưu tiên là động cơ ĐK loại MC và XC3P có kích thích bằng nam châm vĩnh cửu vì chúng ít phát nhiệt. Nhờ các phương pháp ĐC hiện đại đối với máy điện trường quay, ngày nay chủ yếu động cơ ĐK loại XC3P đồng bộ được sử dụng, nuôi bởi nghịch lưu (NL nguồn áp hay nguồn dòng), trong khi đó động cơ ĐK loại MC được nuôi bằng các bộ băm xung MC.

Một dạng động cơ đặc biệt là động cơ từ kháng ĐK đóng ngắt (Switched-Reluctance-(SR)-Motor).

Khi chỉ cần mômen quay nhỏ ta cũng có thể dùng động cơ bước với các dạng rất khác nhau, cùng với mạch ĐK điện tử phân phối xung. Hình 12.6 so sánh các giá trị đặc trưng về mômen quán tính và khối lượng của vài động cơ ĐK (động cơ Servo).

Hình 12.6: Đặc điểm của động cơ ĐK phụ thuộc vào mômen danh định: a) Mômen quán tính b) Khối lượng

AM - động cơ KĐB; SM - động cơ ĐB có kích thích vĩnh cửu; GM - động cơ MC

Các đồ thị trên đã giải thích rõ sự phổ cập rộng rãi của động cơ XC3P-ĐB có kích thích nam châm vĩnh cửu, trong đó, việc không còn cần đến hệ thống cổ góp dễ bị nhiễu và cần được bảo dưỡng thường xuyên của động cơ MC đã tăng độ tin cậy của hệ TĐ Servo rất nhiều. Trong nhiều đối tượng TĐ (ví dụ: các trung tâm gia công) việc xẩy ra sự cố chỉ cần của 1 hệ TĐ Servo duy nhất, đã có thể gây nên thiệt hại kinh tế đáng kể do sự cố.



233

Hình 12.7 giới thiệu 2 kết cấu Rotor khác nhau. Kết cấu của Rotor phụ thuộc vào loại nam châm vĩnh cửu. Có thể sử dụng Ferrit với mật độ từ năng thấp để chế tạo kết cấu Rotor cực lồi hay nam châm đất hiếm để dán lên bề mặt của Rotor tròn, trong đó Rotor thường có kết cấu rỗng bên trong để giảm mômen quán tính và dẫn mạch từ. Động cơ XC3P-ĐB được ĐK tựa theo từ thông bằng biến tần.

Hình 12.7: Kết cấu Rotor của một động cơ XC3P-ĐB kích thích bằng nam châm vĩnh cửu trái: cực từ bằng Ferrit phải: Rotor rỗng với nam châm dán trên bề mặt

Có thể dùng biện pháp kết cấu để tác động tới phân bố từ thông trên bề mặt trong khe hở không khí của động cơ dùng nam châm vĩnh cửu. Bằng cách bố trí tối ưu dạng cực từ, với phân bố hình chữ nhật ta có thể tăng công suất tới 1,5 lần so với phân bố hình sin. Hình 12.8 minh họa so sánh công suất đạt được với các dạng phân bố khác nhau, dòng được áp đặt và điện áp cảm ứng.

Hình 12.8: Hệ TĐ Servo dùng động cơ XC3P-ĐB có kích thích vĩnh cửu trên: phân bố từ thông giữa: dòng được áp đặt dưới: điện áp cảm ứng

P/Psin 1.50 1.26 1.00

Vận hành chế độ Block

Vận hành chế độ hỗn hợp

Vận hành chế độ Sin



234

12.5 Áp đặt mômen quay cho hệ TĐ Servo sử dụng động cơ XC3P-ĐB kích thích vĩnh cửu Các hệ TĐ Servo phải có khả năng áp đặt mômen quay một cách không chậm trễ cho động cơ. Vì vậy, có nhiều giải pháp biến tần khác nhau được sử dụng để ĐK, trong đó có hai giải pháp hay gặp hơn cả:

Hệ TĐ Servo được điều khiển tựa theo từ thông có cảm biến đo góc Rotor, Các dòng điện được áp dưới dạng hình chữ nhật với góc dẫn 1200 trong các cuộn dây pha, ví dụ: từ mạch dòng MC trung gian. Phương pháp này tận dụng động cơ tốt hơn chừng 15% và NL nguồn dòng không được vận hành kiểu băm xung. Ngược lại, động học của mạch dòng MC trung gian lại rất hạn chế. Hệ TĐ làm việc như một hệ TĐ một chiều không có cổ góp (Brushless DC-motor), trong đó cảm biến vị trí sẽ quyết định việc chuyển mạch tiếp và vì vậy quyết định tần số của NL (hệ TĐ độc lập – tương tự với cổ góp cơ học). Việc hiệu chuẩn cảm biến vị trí sẽ bảo đảm chất lượng tựa theo từ thông.

Hệ TĐ Servo có ĐC tựa theo từ thông các thành phần dòng trên hệ tọa độ từ thông, nuôi bởi NL nguồn áp ĐK kiểu băm xung với dòng hình sin.

Trong hệ loại này, việc tựa theo từ thông với vai trò đồng bộ Rotor với NL phải được liên tục bảo đảm. Có thể sử dụng cảm biến Resolver hoặc cảm biến khắc vạch xung quang học - loại có xung không - để đo vị trí. Cảm biến Resolver (chương 5) phản ánh liên tục và trực tiếp vị trí của Rotor qua 2 thành phần Cos và Sin, và nhờ đó cho phép bảo đảm đồng bộ liên tục khâu ĐC thành phần dòng với vị trí. Qua đó, cảm biến đồng thời đảm nhận vai trò của khâu quay pha vector, góp phần tiết kiệm một phần Software. Cấu trúc ĐC với bộ ĐC tách kênh các thành phần chính là cấu trúc ở chương 10, còn được sử dụng cả cho động cơ XC3P-KĐB. Việc sử dụng động cơ XC3P-ĐB kích thích vĩnh cửu và ĐC tựa theo từ thông còn có ưu điểm: Software ĐK của động cơ khá đơn giản. Ta sẽ không cần đến khâu ĐC từ thông và việc ĐK suy giảm từ thông đối với nhiều hệ kích thích vĩnh cửu là không cần thiết, việc tính tần số Rotor ωr trong mô hình động cơ cũng không cần nữa.



235

Bảng 12.3: Các giải pháp TĐ Servo Hệ TĐ Servo tựa theo từ thông dùng động cơ XC3P-KĐB hoặc XC3P-ĐB

Phạm vi điều khiển N: 1 : 200 Cấp chính xác N, tĩnh: ±0.01 % động: ±0.30 % Tốc độ đáp ứng M: 5 ... 20 ms Độ tuyến tính M: ±4 % Khả năng lặp lại M: ±5 % BrCh: Điện trở phanh hãm SRM: Mô hình dòng NSR: NLPL, MSR: NLPM

Động cơ MC cổ góp điện tử (EKM, BLDC-M)

Động cơ XC3P-ĐB kích thích vĩnh cửu, cảm biến góc (LL) Cấp dòng dạng Block hoặc Sin Mạch áp MC trung gian cho công suất nhỏ Mạch dòng MC trung gian cho công suất lớn hơn (động cơ biến tần)

Động cơ MC kích thích vĩnh cửu dùng bộ băm xung 4 góc ¼

Bộ băm xung 4 góc ¼ Mạch áp MC trung gian có BRCh, hoàn năng về lưới trong NSR Nhiều vòng ĐC phân cấp IGR là cảm biến đo tốc độ quay và đo vị trí

Động cơ bước được ĐK vị trí bằng cách cho trước số xung (số bước) Thiết bị ĐK dạng nguồn áp hằng, xung kích hoặc dùng bộ băm xung để áp dòng

về nguyên tắc không phải hệ TĐ có ĐC! Hiếm khi có ĐC vị trí!

M3∼

PI3 PI3

PI3

Cd

BrCh

NSR MSR

iq ref

id ref

iq,id ϑ

ωref

Ud is

i s

N-Reg.

ICE

SRM

M3∼

PI3

CdBrCh

NSR MSR

ωref

Ud is

IGR

LL PI3

ω

−

−

#

I-Reg.

N-Reg.

PI3 −

ϕ

ϕref

L-Reg.



236

Để minh họa hai cấu trúc Hardware thường gặp ta hãy xem hình 12.9.

Hình 12.9: Ví dụ về trật tự bố trí Hardware ĐK trong hệ thống TĐ Servo

a) Trật tự bố trí trong hệ TĐ b) Hệ vi xử lý kép Hệ sử dụng vi điều khiển SABC167 và vi xử lý tín hiệu TMS320C25

IEGiao diện

Đệm

Động cơ XC3P

Đo tốc độ quay



237

12.6 Cấu trúc hệ TĐ Servo sử dụng động cơ bước Động cơ bước là loại máy điện công suất nhỏ được thiết kế đặc biệt cho các nhiệm vụ ĐK, hoạt động hoặc theo nguyên lý từ kháng (phân bố điện cảm khác nhau theo hai hướng trục dọc và trục ngang của động cơ) hoặc có kích thích bằng nam châm vĩnh cửu. Động cơ hoạt động gián đoạn về thời gian và được ĐK bằng tín hiệu nhị phân. Góc ĐK của động cơ là không liên tục và được xác định với độ phân giải phụ thuộc vào kết cấu của động cơ. Khi sử dụng trong hệ TĐ Servo thường ta xuất phát từ giả thiết: rằng ở chế độ vòng hở (open loop, không có phản hồi), động cơ sẽ chuyển số xung ĐK thành đúng số lượng tử góc tương ứng. Một số loại động cơ còn cho phép ta phân biệt giữa chế độ vận hành cả bước với nửa bước (xem hình 12.18 và 12.19).

Hình 12.10: Các dạng Stator của động cơ bước a) Động cơ bước Stator đơn nhiều pha (cùng với mỗi lần đóng mạch một cuộn dây từ trường sẽ quay lần lượt theo cả bước, hai cuộn dây từ trường sẽ quay lần lượt theo nửa bước) b) Động cơ bước nhiều Stator có cuộn dây tròn bố trí xen vào và xẻ răng theo chiều bán kính, các cuộn Stator bố trí lệch nhau ⅓ cung chia giữa các cuộn

c) Động cơ bước hai Stator có cực dạng móng (luân chuyển giữa Bắc và Nam) được chia thành hai (hay nhiều) cuộn lệch nhau

Hiện tại có những dạng cấu tạo cơ bản hay được dùng như sau: - Động cơ bước có cực dạng móng (cấu tạo phổ cập nhất, chừng 150 triệu chiếc/năm toàn cầu) - Động cơ bước từ kháng (đơn giản, η nhỏ, dễ dao động, số lượng nhỏ) - Động cơ bước lai (Hybrid, Stator có cuộn dây dạng răng, Rotor từ hóa theo hướng axial = hướng trục)



238

Hình 12.11: Các cấu tạo cực từ của động cơ bước

a) Cấu tạo kinh điển có cực luân phiên lồi rõ rệt và kích thích vĩnh cửu (cực từ)

b) Rotor kích thích vĩnh cửu phân cực theo hướng axial (hướng trục) c) Rotor từ kháng (Reluctance, bề mặt được cắt răng rõ rệt)

Hình 12.12: Cấu tạo động cơ có cực dạng móng với Rotor từ hóa theo hướng trục (axial) Hình 12.13: Cấu tạo động cơ có trục ren vít

và trục được dùng để truyền động tuyến tính (TĐ thẳng)



239

Bảng 12.4: Các tham số cơ bản của động cơ bước (theo Richter): Tham số Động cơ bước có

cực dạng móng Động cơ bước từ kháng (Reluctance)

Động cơ bước lai (Hybrid)

Bước góc αs/0 6 ... 45 1.8 .... 30 0.36 .... 15 Mômen giữ MH/cNm 0.5 ... 25 1.0 ... 50 3 ... 1000 Tần số khởi động tối đa fAomax/kHz

.... 0.5 .... 1.0 .... 3.0

Tần số vận hành tối đa fB0max /kHz

... 5.0 ... 20.0 .... 40.0

Cấu tạo động cơ bước lai (Hybrid)

Hình 12.14: Đông cơ bước Hybrid có Stator ghép bằng lá tôn sắt từ và 8 cực rõ rệt cho hai cuộn dây 1 và 2 Rotor với 2 nửa được cắt răng và lắp lệch nhau, từ hóa axial (theo hướng trục)

Điều khiển động cơ bước Tổn thất về góc đồng nghĩa với sai số tĩnh về góc của hệ TĐ Servo, nếu ta không có các biện pháp hiệu chỉnh đặc biệt (điểm không). Khi ĐK cần phải chú ý sao cho việc chuyển mạch tiếp tục của dòng Stator chỉ được thực hiện khi trục động cơ đã đạt tới vị trí cần đạt theo xung dòng trước đó. Để bảo đảm áp đặt không trễ dòng và mômen quay trong động cơ bước, cần chú ý thiết kế các tầng khuếch đại đệm dư dật về công suất. Hệ TĐ sử dụng động cơ bước sẽ bao gồm động cơ và mạch điện tử ĐK, với nhiệm vụ kích hoạt các cuộn dây Stator theo một chương trình ĐK và qua đó có tác dụng tạo bước chuyển động của Rotor. Đối với mômen quay thường nhỏ thuộc dải cNm, ta thường sử dụng Transistor công suất ở tầng khuếch đại cuối cùng, kèm theo vi mạch ĐK chuyên dụng hoặc các cấu trúc khả trình như Gate-Arrays hoặc vi xử lý.



240

Mạch ĐK bao gồm các cụm mô tả ở hình 12.15.

Hình 12.15: Cấu trúc hệ TĐ bước với dạng chuỗi ĐK (open loop control) Giải pháp không hoặc có sử dụng vi xử lý Các mạch ĐK đơn giản thường chỉ dùng phương thức kích hoạt đơn cực (unipolar) với một Transistor, do đó việc thoát dẫn cho cuộn dây thường rất chậm. Chất lượng ĐK sẽ tốt hơn với giải pháp kích hoạt lưỡng cực (bipolar) có dạng mạch cầu chữ H cho mỗi cuộn dây, sử dụng Transistor bipolar và Diode tự do, cho phép vận hành ở chế độ 4 góc ¼ như hình 12.16.

Hình 12.16: Mạch ĐK cho 1 pha của động cơ bước, sử dụng Transistor loại bipolar, mắc theo mạch Darlington ở tầng công suất

αs, ω

αs, ω Tín hiệu chiều quay

Tần số xung

Mạch tạo xung

Vi điều khiển

Mạch chia xung

Mạch chia xung

Khuếch đại công suất

Khuếch đại công suất

Động cơ bước

Động cơ bước



241

12.7 Đặc điểm vận hành của hệ TĐ Servo dùng động cơ bước Đặc điểm hệ thống của TĐ bước, một mặt do sự phối hợp hoạt động giữa động cơ và mạch ĐK, mặt khác còn do mối liên kết giữa động cơ và đối tượng TĐ quyết định. Tần số bước phải được chọn thích hợp với đặc điểm cơ của đối tượng TĐ. Hình 12.17 cho ta thấy diễn biến của chế độ vận hành theo bước.

Hình 12.17: Diễn biến bước góc của một động cơ bước với ba giá trị khác nhau của tần số khởi động Tần số ĐK nhỏ hơn tần số khởi động tối đa Tần số ĐK bằng tần số khởi động tối đa Tần số ĐK lớn hơn tần số khởi động tối đa

Các thông số đặc trưng của động cơ bước là tần số khởi động fA, tần số khởi động tối đa fA0m khi ML = 0 và tần số vận hành fB, trong đó fB > fA. Tần số khởi động đặc trưng cho giá trị tần số cho phép thực hiện các quá trình động học truyền động (khởi động, ngừng) mà không có tổn thất về bước.

α/αs

z

1

0

2

t

t

α/αs

z

1

0

2

t

t

α/αs

z

1

0

2

t

t



242

Như vậy, hệ thống TĐ ví dụ có thể được khởi động từ trạng thái đứng im với tần số khởi động fA, để rồi sau đó được tăng lên thành tần số vận hành fB với giá trị lớn hơn nhiều, nếu ta luôn bảo đảm tốc độ biến thiên tần số tối đa |∆f/∆t|max. Sự phụ thuộc của tần số khởi động và tần số vận hành vào hệ số quán tính FI của hệ TĐ bước và vào mômen tải ML tại trục động cơ có thể tra tại các trang tra cứu của nhà sản xuất. Chúng chỉ được tận dụng với dự trữ an toàn nhất định. Hình 12.18 minh họa ba ví dụ đặc tính phụ thuộc trên đối với chế độ cả bước và nửa bước.

Hình 12.18 Sự phụ thuộc của tần số khởi động và tần số vận hành của một động cơ nhiều Stator vào các tham số mômen tải ML và hệ số quán tính FI của hệ TĐ ở chế độ cả bước (V) và nửa bước (H) a) Tần số khởi động fA b) Tần số khởi động không tải fA0m c) Tần số vận hành fB Cần đặc biệt chú ý tới các tần số cộng hưởng cơ của hệ TĐ. Đối với các quá trình động học truyền động cần phải lướt qua rất nhanh các điểm tần số cộng hưởng. Tốt nhất là trường hợp tần số riêng bé hơn tần số khởi động, khiến cho các dao động nguy hiểm không hề có khả năng bị kích hoạt. Tần số riêng của hệ một vật có thể được tính gần đúng theo 0 HM /(J FI)ω = ⋅ . Nếu các giá trị FI và ML thay đổi trong phạm vi chu kỳ tải, khi ấy ta phải tính chọn ĐK cho trường hợp có các giá trị bất lợi nhất, điều sẽ hạn chế bớt khả năng tận dụng hệ TĐ. Ngoài ra cần cân nhắc, dự kiến trước các khả năng phụ giúp dập tắt dao động hoặc di chuyển các tần số riêng.



243

Trong trường hợp ngoại lệ ta cũng có thể dùng phản hồi vị trí, tạo nên vòng ĐC cho phép triệt tiêu hiệu quả nhiễu hệ thống. Bằng cách đó ta có được một hệ TĐ bền vững với các tác động cơ nhưng cũng lại cần mạch ĐK phức tạp và đắt hơn. Tham số tiếp theo là bước góc của động cơ, khi ĐK bởi một xung. Mômen quay Mα của động cơ, tăng phụ thuộc vào góc quay α theo dạng hàm sin, hàm hình thang hay một hàm phức tạp nào khác, có thể được làm đơn giản đi bằng cách tuyến tính hóa trong phạm vi một bước góc αs, nhằm tính kích cỡ sai số bước góc khi xuất hiện ma sát. Phương trình đường thẳng xuất hiện dưới dạng phương trình Điểm-Hướng quanh gốc, chỉ khi ta sử dụng thành phần mômen đồng bộ

theo Hs

M M sin2α

⎛ ⎞π α= ⋅ ⋅⎜ ⎟α⎝ ⎠

. Trong đó MH là mômen giữ của động cơ tại góc α = αs.

Từ đó ta có H

s s

dM M cosd 2 2

⎛ ⎞⋅ π π α= ⋅ ⋅⎜ ⎟α ⋅α α⎝ ⎠

và khi α = 0 sai số đặt góc ∆α/αs khi tải với

ML sẽ là: L s L

s s H H

M 2 2 MM M

⎛ ⎞∆α ⋅ ⋅α= = ⋅ ⎜ ⎟α α ⋅ ⋅ π π ⎝ ⎠

.

Tại đây cũng cần phải chuẩn bị dự trữ chống lật và qua đó tránh tổn thất bước. Sai số đặt góc tại trục động cơ sẽ được giảm bớt qua tỷ số truyền của hộp số (ví dụ: bằng trục vít vô tận khi chuyển thành chuyển động thẳng), khi cần phải vượt qua những khoảng cách lớn. Đồ thị của chu kỳ tải khi ĐK đặc vị trí sẽ là đối tượng của một bài tập tính cụ thể.



244

Hình 12.19: Biểu đồ hoạt động của động cơ bước Stator đơn dùng ĐK lưỡng cực (cấu tạo Stator chỉ mang tính tượng trưng)

Φ2

Φ1

Phase A

-

+

Phase B+-+ -

+ +- -

Ud

iA

iB

iA

+

-

S1

S2

N

SS

S

N

N

Pha B Pha A

T1⋅T3 S1 = 0

T2⋅T4 S1 = 1

T5⋅T6 S2 = 0

T7⋅T8 S2 = 1

T1

T3 T4

T2 T5

T6

T7

T8

1 2 3 4 5 7 8Bước

CHẾ ĐỘ CẢ BƯỚC

Pha A

Pha B



245

Hình 12.20: Biểu đồ hoạt động của động cơ bước Stator đơn dùng ĐK lưỡng cực (cấu tạo Stator chỉ mang tính tượng trưng)

Φ2

Φ1

Phase A

-

+

Phase B+-+ -

+ +- -

Ud

iA

iB

iA

+

-

S1

S2

N

S

N

NS

S

Pha B Pha A

T1⋅T3 S1 = 0

T2⋅T4 S1 = 1

T5⋅T6 S2 = 0

T7⋅T8 S2 = 1

T1

T3 T4

T2 T5

T6

T7

T8

1 2 3 4 5 7 8

Pha A

Pha B

Bước

CHẾ ĐỘ NỬA BƯỚC



246

Documents

He TD D Servo Va Dong Co Buoc