Máy phay CNC CYBER-MILL

của sản xuất cũng như sự hội nhập vào nền kinh tế thế giới thì việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật và đặc biệt là ứng dụng tự động hoá trong các nghành sản xuất đã có bước phát triển mới. Ngày nay tự động hoá đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất . một trong những ứng dụng của nó là sủa dụng máy công cụ CNC. Trong quá trinh thực tập chúng em đã được làm quen vơi một dạng CNC đó là máy phay CNC CYBER-MILL. Do thời gian có hạn và kiến thức còn hạn chế nên những điều chúng em đã làm được sẽ có rất nhiều thiếu sót. Rất mong đước sự góp ý của các thầy cô và các bạn. phần I tổng quan cnc Khái niện máy Cnc Cnc là viết tắt của Computer Numerical Control: điều khiển số bằng máy tính Máy công cụ CNC là loại máy gia công sử dụng các chương trình đã được lập trình sẳn để gia công các chi tiết. Các chương trình gia công được đọc cùng một lúc và được lưu trữ vào bộ nhớ. Khi gia công, Máy tính đưa ra các lệnh điều khiển máy, Máy công cụ CNC có khả năng thực hiện các chức năng như: nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, mặt xoắn, mặt parabol và bất kỳ mặt bậc ba nà. Máy CNC cũng có khả năng bù chiều dài và đường kính dụng cụ. Tất cả các chức năng trên đều được thực hiện nhờ một phần mềm của máy tính. 1.2)Đặc điểm cấu trúc của máy công cụ điều khiển CNC. Đặc điểm của các động cơ truyền động Truyền động chính: Động cơ chính thường dùng động cơ dòng một chiều hoặc dòng điện xoay chiều. Truyền động chạy dao: Động cơ dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều với bộ vitme/đai ốc/ bi cho từng trục, chạy dao độc lập X, Y, Z. Thường sử dụng động cơ dòng một chiều có đặc tính động học tốt cho các quá trình gia tốc và quá trình phanh hãm, mômen quán tính nhỏ, độ chính xác điều chỉnh cao cho những đoạn đường chuyển chính xác. Bộ víme/đai ốc/ bi có khả năng biến đổi truyền dẫn dễ dàng, ít ma sát và không có khe hở khi truyền với tốc độ cao. Để có thể dịch chuyển chính xác trên các biên dạng, các trục truyền dẫn không được phép có khe hở và cũng không được phép có hiệu ứng stick-slip(hiện tượng trượt lùi do lực cản ma sát). Bộ vítme/ đai ốc/ bi là giải pháp kỹ thuật đảm bảo được yêu cầu đó. Phương thức tác dụng của vítme/ đai ốc/ bi: Các viên bi nằm trong rãnh vítme và đai ốc đảm bảo truyền lực ít ma sát từ trục vítme qua đai ốc vào bàn máy. nhờ hai nửa đai ốc lắp theo chiều dài giữa chúng có vòng cách, có thể điều chỉnh khử khe hở theo hai chiều đối ngược. Trong một số giải pháp kết cấu nâng cao của bộ truyền này, bước nâng của rãnh vít trên trục và trên đai ốc có giá trị khác nhau. Việc dẫn bi hồi rãnh được thực hiện nhờ các rãnh dẫn hướng bố trí bên trong hoặc các ống dẫn hồi bi bao ngoài trục. Truyền dẫn chạy dao không khe hở trên các máy phay CNC cho phép cắt theo chu kỳ phay thuận mà vẫn êm. 1.3 ) hệ toạ Sử DụNG TRONG MáY CNC 1.3.1 hệ toạ độ vuông góc Các điểm mà dao cắt đi tới trong khi gia công được xác định trong một chương trình. Để mô tả vị trí của các điểm này trong vùng làm việc, ta dùng một hệ toạ độ. Nó bao gồm ba trục vuông gốc với nhau cũng cắt nhau tại điểm 0. Trong hệ toạ độ này có các trục X, Y, và Z. Với một hệ trục toạ độ ba trục, bất kỳ điểm nào cũng được xác định thông qua các toạ độ của nó. Hệ toạ độ máy do nhà chế tạo máy xác đinh, thông thường nó không thể bị thay đổi. Trục X là trục chính trong mặt phẳng định vị. Trên máy phay nó nằm song song với bàn máy(bàn kẹp chi tiết). Trục Y là trục thứ hai trong mặt phẳng định vị. Nó nằm trên mặt nắp máy và vuông góc với bàn máy. Trục Z luôn luôn trùng với trục truyền động chính. Trục này được nhà chế tạo xác định. Chiều dương của trục Z chạy từ chi tiết hướng đến dao cắt. Điều đó có nghĩa là trong chuyển động theo chiều âm của trục Z, dao cắt sẽ đi tới bề mặt chi tiết. Để xác định nhanh chiều của các trục, dùng luật bàn tay phải: ta đặt ngón giữa của bàn tay phải theo chiều của trục Z thì ngón tay cái sẽ trỏ theo chiều trục X và ngón tay trỏ sẽ chỉ theo chiều Y. Hệ toạ độ cơ bản đựơc gắn liền với chi tiết. Bởi vậy khi ta lập trình ta phải luôn luôn xuất phát từ chổ xác định chi tiết đứng yên còn dao cắt thì chuyển động. Điều đó có nghĩa là : Khi cắt phay, rõ ràng chi tiết chuyển động là chính, nhưng để đơn giản cho việc lập trình hãy quan niệm là chi tiết đứng yên còn dao cắt thì dịch chuyển. Ta gọi đó là chuyển động tương đối của dao cụ. Để mô tả đường dịch chuyển dao(các dữ liệu toạ độ) trên một số máy CNC có cả hai khả năng. 1.3.1.1 Dùng toạ độ Đề các. Khi dùng dữ liệu toạ độ Đề các, ta đưa ra các khoảng cách đo song song với các trục từ một điểm tới một điểm khác. Các khoảng cách theo chiều dương của trục có kèm theo dấu dương(+) phía trước. Các khoảng cách theo chiều âm của trục có kèm theo dấu âm(-) phía trước. Các số đo có thể đưa ra theo hai phương thức: Đo tuyệt đối : Với các số đo tuyệt đối, ta đưa ra toạ độ của các điểm đích tính từ một điểm cố định trong vùng làm việc. Nghĩa là trong mỗi chuyển động đều xác định, dao cắt phải dịch chuyển đến đâu kể từ một điểm gốc 0 tuyệt đối. Đo theo kích thước : Với các số đo theo chuỗi kích thước, ta đưa ra toạ độ của các điểm đích tính từ mỗi điểm dừng lại của dao cắt sau một vệt cắt. Nghĩa là trong mỗi chuyến đều đưa ra số liệu dao cần được dịch chuyển tiếp một lượng là bao nhiêu nữa theo từng trục toạ độ. 1.3.1.2 Dùng toạ độ cực Khi sử dụng các dữ liệu trong hệ toạ độ cực, ta đưa ra vị trí của một điểm không qua khoảng cách và góc so với một trục cơ sở Các toạ độ cực chỉ có thể đo trên mặt phẳng chính. Trong phạm vi của một hệ toạ độ cực có ba mặt phẳng chính. Từ ba trục X, Y và Z của hệ thống sẽ có ba bề mặt kẹp, đó là : mặt X/Y; mặt X/Z và mặt Y/Z 1.3.2 Những điểm quan trọng trong một hệ toạ độ Điểm chuẩn của máy M: là điểm gốc M của hệ toạ độ máy Điểm W chi tiết: là điểm gốc 0 của hệ toạ độ chi tiết, nó đựoc giữ cố định cho một chi tiết. Điểm chuẩn của dao P: là điểm gôc của hệ toạ độ gắn trên dao cắt. Điểm 0 lập trình: là điểm gốc 0, từ đó xác định các dữ liệu cập nhập trong một chương trình. Điểm này có thể thay đổi thông qua lệnh chuyển điểm 0. Quan hệ giữa các trục toạ độ: Khi gia công trên các máy CNC người ta có thể chia các hệ trục toạ độ thành 3 loại: hệ trục toạ đọ máy, hệ trục toạ độ chi tiết và hệ trục toạ độ của dao. Từ hệ trục toạ độ của máy có điểm gốc M ta có thể biểu diễn được hệ toạ độ của chi tiết và hệ toạ độ của dao bằng các phép dịch chuyển tịnh tiến hay các phép quay. Nhờ đó ta có thể xác định đựơc vị trị của điểm trên chi tiết cần gia công cũng như vị trị dao để gia công chi tiết. 1.5 ) Các dạng điều khiển của máy công cụ CNC. Các máy CNC khác nhau có khả năng gia công được các bề mặt khác nhau như các lỗ, mặt phẳng, các mặt định hình, .v.v… Do đó các dạng điều khiển của máy cũng được chia ra thành: điều khiển điểm- điểm, điều khiển theo đường thẳng và điều khiển theo biên dạng. điều khiển điểm-điểm: dùng gia công cắc lỗ bằng các phương pháp khoan, khoét, doa và cắt ren. ở đây chi tiết gia công được gá cố định trên bàn máy, dụng cụ cắt thực hiện chạy dao nhanh đến các vị trí đã lập trình. Khi đạt tới đích dao bắt đầu gia công. truờng hợp này quỹ đạo của chuyển động dao là không quan trọng, điều quan trọng là vị trí gia công đạt đến phải chính xác. Điều khiển theo đường thẳng. Điều khiển đường thẳng là dạng điều khiển khi gia công dụng cụ cắt thực hiện lượng chạy dao theo một đường thẳng nào đó. Khi thực hiện gia công các chuyển động theo các trục toạ độ là độc lập không có quan hệ rằng buộc nào với trục khác. Điều khiển biên dạng. Điều khiển theo biên dạng cho phép chạy trên nhiều trục cùng một lúc. Trong trường hợp này cả hai trục để tạo ra một dạng vừa có phần thẳng vừa có phần cong. ở đây theo các trục có quan hệ hàm số ràng buộc với nhau. Phần II Giới thiệu cnc cyber-mill Cyber- mill là máy phay CNC phục vụ cho việc thí nghiệm có mô hình như sau: Các bộ phận Truyền động: Động cơ một chiều có mang dao phay đường kính dao 3mm. Chuyển động ăn dao: Chuyển động ăn dao được thực hiện nhờ ba động cơ bước hoạt động độc lập nhau mỗi động cơ loại nguồn 2A-5V và bộ Vitme/ đaiốc. Mỗi động cơ bước thực hiện điều khiển chuyển động theo một trục nhất định trong hệ toạ độ Đề các(X,Y,Z). Bộ truyền động được sử dụng là Vitme/đai ốc. Chiều dài Vít me trục Z là 210 mm. Chiều dài Vitme trục X là 380 mm. Chiều dài Vitme trục Y là 210 mm. Khoảng cách các răng trên Vitme là 3mm/răng Độ rộng mỗi răng là 1mm. đường kính Vitme la 12mm. Không gian làm việc : 20x40( mm x mm). Đầu Vitme được nối với trục của động cơ bước thực hiện biến đổi chuyển động quay tròn của động cơ bước thành chuyển động thẳng của vật mang chi tiết. Đầu còn lại của Vitme được gá vào khung đỡ. ở giữa của Vitme đựơc gá vào đaiốc để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Tính toán chuyển động: Động cơ bước có số bước 200 bước/ vòng. Do đó để thực hiện chuyển động một khoảng L theo một trục nào đó của vật mang chi tiết thì số vòng quay phải thực hiện sẽ là L/3. Khi đó số xung cân cấp cho động cơ bứơc sẽ là 200 .L/3. Việc tính toán điều khiển chuyển động động cơ bước sẽ được thực hiện bằng máy tín. Việc thực hiện điều khiển chuyển động của động cơ bước được thiết kế như phần IV dưới đây. PHần IIi động cơ bước I. Giới thiệu động cơ bước Khái quát về động cơ bước Các hệ truyền động rời rạc thường được thực hiện nhờ động cơ chấp hành đặc biệt gọi là động cơ bước. Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto và có khả năng cố định rôto vào những vị trí cần thiết. Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của tôto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato(phần ứng) của động cơ bước thì rôto(phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì rôto sẽ quay liên tục.(Thực chất là chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc). Về cấu tạo, động cơ bước có thể coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ. Trong khi động cơ một chiều không tiếp xúc có rôto thường là một nam châm vĩnh cửu(số đôi cực 2p=2) và cần có cảm biến vị trí rôto thì động cơ bước có rôto dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều cấu thành các cặp nam châm N-S xen kẽ nhau để tạo ra số cặp cực 2p lớn hơn và không cần phải có bộ cảm biến vị trí rôto. Động cơ bước vì từ trường quay không liên tục do các xung điện cấp vào rời rạc nên rôto quay theo các bước. Cũng giống như động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ, động cơ bước có các bối dây tạo thành các pha trên stato, đồng thời trên cả rôto và stato đều có các răng để tạo thành các cặp cực và các nam châm điện. Nhưng động cơ đồng bộ gảim tốc có các cuộn kích thích và cần phải có dòng điện kích thích để khởi động, còn động cơ bước không cần yếu tố này. Mặt khác Có thể cói động cơ bước là linh kiện số mà ở đó các thông tin số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theo từng bước. Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá này máy tính yêu cầu Mô hình số hoá động cơ bước. 2. Nguyên lý hoạt động. Rô to động cơ bước không có cuộn dây khởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số. Rôto của động cơ bước có thể được kích thích(rôto tích cực) hoặc không được kích thích(rôto thụ động). Xung điện áp cấp cho m cuộn dây stato có thể là xung một cực hoặc xung 2 cực Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stato theo từng cuộn dây riêng lẽ hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số và chiều của lực điện từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của rôto trong không gian hoàn toàn phụ thuộc voà phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây. Thực tế để tăng cường lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ thông và mômen đồng bộ, người ta thường cấp điện đồng thời cho hai,ba hoặc nhiều cuộn dây. Lúc đó rôto của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng(ổn định ) trung với vectơ lực điện từ tổng F. Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ thành phần của các cuộn dây stato. Khi cấp điện cho một số chẵn cuộn dây hoặc cho một số lẽ cuộn dây rôto của động cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng. góc xê dịch giữa hai vị trí liên tiếp của rôto bằng 2p/m - Trường hợp này gọi là điều khiển cả bước hay điều khiển đối xứng. Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây, có nghĩa là số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn thay đổi từ chẵn sang lẻ và từ lẻ sang chẵn thì số vị trí cân bằng của rôto sẽ tăng lên gấp đôi là 2m. độ lớn của một bước sẽ giảm đi một nửa bằng 2p/2m – Trường hợp này gọi là điều khiển nửa bước hay điều khiển không đối xứng. Ta có thế tính số bước quay của rôto trong khoảng 0á3600 là: K= m.n1.n2.p, Trong đó: p: số đôi cực của rôto; m: số cuộn dây điều khiển trên stato(số pha); n1: hệ số, n1 =1 ứng với điều khiển đối xứng; n2=2 ứng với điều khiển khôngđối xứng; n2: hệ số, n2=1 điều khiển bằng xung 1 cực; n2=2 điều khiển bằng xugn 2 cực. Bước quay của rôto trong không gian là a=3600/K. 3.) mômen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bước. Biểu thức mômen đồng bộ tĩnh của động cơ bước khác với biểu thức mômen đồng bộ của động cơ đồng bộ thường có cùng cấu trúc. Sự khác nhau đó là do động cơ bước được cấp bởi dòng điện một chiều, chứ không phải dòng điện xoay chiều. Trong động cơ được cấp bởi nguồn một chiều, sau quá trình quá độ, dòng điện trong các cuộn stato là hằng số I=U/rs=Const. Từ thông mà nó sinh ra tác động vào cặp cực của rôto: f=B.S.cosa=B.S.sinq trong đó: B là cường độ từ trường do dòng điện I sinh ra trong cuộn dây có điện cảm L; S là tiết diện vuông gốc của cặp cực; a là góc giữa trục cặp cực với trục của cuộn dây pha; q là góc giữa trục cặp cực và đường vuông góc với trục của cuộn dây pha; Do q thay đổi nên từ dẫn dọc theo đường đi của từ thông thay đổi theo, làm cho từ thông thay đổi trong một giới hạn rộng. Nếu viết biểu thức f dưới dạng: f=L.I (L là điện cảm). Do sự thay đổi của góc f cùng với sự thay đổi của khe hở không khí giữa các răng của stato và rôto làm cho điện cảm L thay đổi theo dẫn đến từ thông f và do đó mômen của động cơ thay đổi. Mômen đồng bộ tĩnh của động cơ bước khi stato và rôto có răng và được kích thích, có thể viết dưới dạng tổng quát của 3 mômen quay: M(q)=MS+MR+MSR= CM.IS.(dLS/dq)+CM.IR.(dLR/dq)+2.CM(dLRS/dq) Trong đó: IS, IR, LS(q), LR(q), LSR(q) là các giá trị xác lập tương ứng dòng điện, điện cảm và hổ cảm của stato(S) và rôto(R); CMlà hằng số, phụ thuộc vào cấu tạo của từng loại động cơ. Mômen MS được hình thành do sự thay đổi từ dẫn trên đường đi của từ thông stato được kích thích bởi dòng điện IS. MR được hình thành do sự thay đổi từ dẫn trên đường đi của từ thông rôto được kích thích bởi dòng điện IR. MSR được hình thành do sự thay đổi hỗ cảm giữa stato và rôto được kích thích bởi dòng điện IS và IR. Hiện nay, phần lớn các động cơ bước đều có cấu tạo rôto không có cuộn kích thích. Do đó biểu thức mômen có dạng đơn giản sau: M(q)=CM.IS.(dLS/dq). Quan hệ giữa mômen với góc quay q thường là không hình sin do ảnh hưởng của cấu trúc răng và cấu trúc cực lồi của stato và rôto, cũng như do xung điện áp cấp vào có dạng xung vuông là tổng của các thành phần điều hoà. Quan hệ của mômen M=f(q) là dường cong có dạng như sau: p đường cong mômen của động cơ bước theo gốc quay q Chất lượng của động cơ bước được đánh giá bởi độ dốc của đường cong mômen đồng bộ M=f(q), đặc biệt là ở đầu của vùng làm việc thuộc đường cong này. Độ dốc của đường M=f(q) trong vùng này càng lớn thì suất mômen dM/dq càng lớn và khả năng đồng bộ của đồng bộ của động cơ bước càng lớn. Giả sử tại một vị trí nhất định, rôto mang một mômen tải(mômen cản) MC. Để giữ được rôto ở vị trí này ta phải cấp dòng điện cho cuộn dây stato tại vị trí đó và do góc a=0 nên M=Mmax. Điều kiện để giữ được rôto không trượt khỏi vị trí là: MC<Mmax Muốn quay rôto đi một gốc a rời khỏi vị trí đang giữ, ta phải cấp dòng điện cho cuộn stato ở vị trí mới, đồng thời ngắt dòng điện của cuộn stato ở vị trí củ. Điều kiện để rôto quay được góc a là : MC<Mmax.cosa. Cần chú ý rằng sự chuyển bước của rôto chỉ thực hiện được trong điều kiện nhất định, khi mà sự dịch chuyển của lực điện từ F đi một góc a không làm cho động cơ rơi vào vùng mất ổn định của đặc tính góc M=f(q) Nếu như góc a qua lớn thì rôto rời vào vùng mất ổn định,không bám theo được từ trường và động cơ bị mất bước. Trong trường hợp tổng quát, để động cơ không bị mất bước cần thực hiện điều kiện sau: MC<Mmax.cos(2p/K), trong đó: K là số bước quay Như vậy bước quay a=3600/K càng nhỏ thì mômen tải MC cho phép trên trục động cơ càng lớn. 4. Cấu tạo và phân loại động cơ bước: Để tăng số bước của động cơ(tăng độ phân giải về góc), ta cần phải tăng lượng cuộn dây pha m và tăng số cặp cực p. Việc tăng số lượng bối dây m trên stato gặp nhiều khó khăn do hạn chế về kích thước của stato và những trở ngại khi đặt các bobin dây quấn vào các rãnh nửa hở của stato, đồng thời khi số pha m lớn thì mạch điều khiển cũng sẽ phức tạp hơn. Do đó người ta thường làm các động cơ bước với số lượng pha m đủ nhỏ, là 2 pha, 4 pha hay 5 pha; trong đó thông dụng nhất là 2 pha và 4 pha. Việc tăng số bước của động cơ được giải quyết bằng tăng số lượng cặp cực rôto. Rôto động cơ bước tạo thành nhiều cặp cực được chế tạo từ vật liệu kỹ thuật đặc biệt có độ từ hoá cao và chịu mômen tải lớn, vì chính rôto là bộ phận chịu tải trọng cơ khí thông qua trục của nó. Người ta thường chế tạo các động cơ bước có các bước trong khoảng từ 0,450á150 tuỳ theo mục đích sử dụng. Trong đó thông dụng nhất trên thị trường hiện nay là loại động cơ có góc bước 1,80. Xét về cấu tạo, động cơ bước có ba loại chính: Động cơ bước có rôto được kích thích(có dây quấn kích thích hoặc kích thích bằng nam châm vĩnh cửu). Động cơ bước có rôto không kích thích(động cơ kiểu cảm ứng và động cơ kiểu phản kháng). Động cơ bước kiểu hỗn hợp, kết hợp cả hai loại trên. II. cơ sở lý thuyết điều khiển động cơ bước Ba chế độ(Mode) điều khiển động cơ bước. Ta có ba chế độ điều khiển động cơ bước đó là: a, Chế độ cả bước. b, Chế độ điều khiển cả bước. c, Chế độ điều khiển vi bước. Cơ sở lý thuyết của việc điều khiển các chế độ này như sau: Hình dưới miêu tả mối quan hệ giữa các véc tơ lực điện từ F1, F2 của 2 cuộn dây 1 và 2 khi được cấp dòng điện đơn cực và véctơ lực điện từ tổng F Trong đó : F1: lực điện từ tác động lên rôto khi cuộn dây 1 được kích thích; F2: lực điện từ tác động lên rôto khi cuộn dây 2 được kích thích; F: lực điện từ tổng; a: góc bước; b: góc cần điều khiển(góc vi bước); Nếu ta điều khiển sao cho F1, F2 có trị số không bằng nhau thì lực điện từ tổng F sẽ có hướng thay đổi trong khoảng góc bước a(Từ cạnh OA đến cạnh OB của tam giác OAB) và do đó vị trí của rôto thay đổi được và có thể cố định vào vị trí bất kỳ trong khoảng góc bướca Gọi b là góc vi bước tạo bởi vectơ F1 và F2, áp dụng tính chất của hình bình hành(OACB) và các hệ thức lượng trong tam giác cho các tam giác OAB, OAC và OAD ta có các biểu thức sau : AB2=OA2+OB2-2.OA.OB.cosa. OC2=OA2+OB2+2.OA.OB.cosa (AB/2)2=OA2+(OC/2)2-2.OA.(OC/2).cosb hay : AB2=4.OA2+OC2-4.OA. OC.cosb cosb= cosb= a, điều khiển động cơ cả bước Đầu tiên cho F2=0 và F1=F, cosb=F/F=1 nên góc b=0, rôto ở vị trí trục cuộn dây 1. Sau đó cho F1=0 và F2=F, cosb=cosa hay b=a, Rôto ở vị trí trục cuộn dây 2. b, Điều khiển nửa bước Đâu tiên cho F2=0 và F1=F, rôto ở vị trí trục cuộn dây 1. Tiếp theo cho F1=F2=F, cosb== cosb=cos(a/2), b= a/2. Rôto ở vị trí chính giữa góc a. Sau đó cho F1=0 và F2=F, rôto sẽ ở vị trí trục của cuộn dây thứ 2. Trong trường hợp này rôto sẽ chuyển động từng bước q=a/2,(b=0, a/2, a) c, Điều khiển vi bước: Nếu ta điều khiển sao cho lực F1 giảm dần theo từng bước từ F đến 0 và lực F2 tăng dần từng bước từ 0 đến F thì rôto sẽ quay từng bước từ vị trí OA đến OB. Trên thực tế, để rôto có thể quay được các bước đều, chẳng hạn theo vi bước q(ví dụ q=a/10), thì phải giải phương trình (11) để tìm F1 và F2 ứng với các góc quay b=q, 2q, 3q, ... , nq. Phương trình (11) là một phương trình bậc 2 với hai ẩn số, về nguyên tắc là không giải được. Nhưng với điều kiện bên nhất định phương trình(11) sẽ giải được. 2, Các đặc trưng của tín hiệu điện điều khiển động cơ bước. Đối với động cơ bước, tín hiệu điện điều khiển là các xung rời rạc kế tiếp nhau. Việc điều khiển động cơ bước phụ thuộc vào các tham số sau của xung điều khiển: Dòng điện I, kể cả cực tính (và liên hệ mật thiết với nó là mức điện áp U). Độ rộng xung(liên quan đến khả năng dịch bước). Tần số xung(liên quan đến tốc độ quay). Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự và số lượng cuộn dây pha được cấp(liên quan đến chiều quay và mômen tải). Tuỳ thuộc vào việc cấp xung điện, động cơ bước có bốn trạng thái sau đây: a, Trạng thái không hoạt động: Khi không có cuộn dây nào được cấp điện: - Đối với động cơ phản kháng: rôto sẽ quay trơn. - Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ kiểu hổn hợp: có mômen hãm, rôto có xu hướng dừng ở các vị trí mà đường khép kín từ thông giữa các cực của rôto và stato là nhỏ nhất. b, Trạng thái giữ: Khi một số cuộn dây pha được cấp điện một chiều. Rôto mang tải sẽ được giữ chặt ở vị trí góc bước nhất định do lực điện từ tổng F sinh ra mômen giữ. c, Trạng thái dịch chuyển bước: rôto sẽ dịch chuyển từ vị trí bước đang được giữ sang vị trí bước tiếp theo khi các cuộn dây pha được cấp dòng phù hợp. d, Trạng thái quay quá giới hạn: trong chế độ không tải, nếu xung điều khiển có tần số quá cao, động cơ sẽ quay vượt tốc. ở trạng thái này động cơ không thể đảo chiều, không thể dừng đúng vị trí, nhưng vẫn có thể tăng và giảm tốc từ từ. muốn dừng và đảo chiều động cơ phải giảm xuống dưới tốc độ dưới tốc độ tới hạn để hoạt động trong chế độ bước. chỉ có hai trạng thái b và c là được coi là trạng thái làm việc. 3) giới thiệu ba kiểu điều khiển dòng điện I và điện áp u 3.1. mối quan hệ giữa dòng điện I và điện áp U Trong số liệu kỹ thuật của động cơ bước ta chú ý đến 4 tham số quan trọng sau: Điện áp danh định U; Dòng điện danh định I; Điện trở cuộn dây pha R; Điện cảm cuộn dây pha L; Sơ đồ cấp điện đơn giản cho 1 cuộn dây pha như sau: VCC: điện áp nguồn cấp; RS: Điện trở nguồn cấp; D : điôt dumper (làm nhụt - xả năng lượng). Ki : chuyển mạch điện tử cho cuộn dây pha thứ i. Trạng thái giữ, khoá K đóng liên tục, người ta thường cấp dòng điện I hoặc điện áp U bằng khoảng 65%á100% giá trị danh định. Vì là dòng một chiều nên ở chế độ giữ, điện cảm L không làm sụt áp, ta có phương trình: VCC = I.RS+I.R; VCC = I.RS+U; từ đây ta có ba cách cấp điện ở chế độ giữ như sau: Cấp bằng nguồn ổn áp: RS=0; VCC=U; Cấp bằng nguồn dòng có ICC=I. Cấp bằng nguồn ổn áp có nguồn cấp cao hơn U và mắc điện trở nối tiếp RS. Muốn cho động cơ quay một bước thì phải ngắt dòng điện cuộn thư i (mở KI) và đống khoá KJ cho dòng điện đi vào cuộn dây thứ j. Giả thiết rằng các khoá điện tử KI và KJ đóng ngắt tức thì(t=0). Tại cuộn dây thứ i(cuộn dây bị ngắt) ở đầu điôt D xuất hiện suất điện động và năng lượng từ trường Li2/2 sẽ được giải phóng qua điốt D Tại cuộn dây thứ j ta có phương trình : VCC= E+L.(di/dt)+i.r; trong đó: VCC: điện áp một chiều cấp vào; r=RS+R: tổng trở toàn mạch; i: dòng điện tức thời trong cuộn dây; E: suất điện động quay, cảm ứng trong cuộn dây stato bởi từ trường của nam châm vĩnh cửu của rôto, chỉ tồn tại khi rôto đang quay từ vị trí thứ i sang vị trí thứ j, khi rôto đứng yên ở trạng thái giữ thì E=0; i=(VCC-E)/r.(1-et/T) Giải phương trình vi phân trên ta được biểu thức cho dòng điện: Trong đó: T=L/r- hằng số thời gian. Như vậy là dòng điện không xác lập ngay lập tức mà tăng lên từ từ: Khi bắt đầu khởi động (E=0), dòng điện tăng với hệ số góc VCC/L, Sau điểm khởi động, dòng điện tăng với hệ số góc (VCC-E)/L cho đến khi rôto dừng ở vị trí mới, lúc đó dòng điện đạt tới giá trị I0. Sau khi rôto dừng ở vị trí mới,dòng điện tiếp tục tăng với hệ số góc VCC/L đến giá trị xác lập VCC/r. Đặc tuyến thời gian(và góc) của dòng điện stato được biểu diễn trên hình sau: Từ các kết quả trên rút ra những nhận xét quan trọng sau: a, phải thiết kế sao cho dòng điện xác lập không vượt quá dòng điện tối đa cho phép(VCC/rÊImax) nếu sau khi quay một bước rôto dừng và duy trì ở vị trí ở vị trí giữ. b, Nếu sau khoảng thời gian t1, rôto quay xong góc bước q, ta lại chuyển mạch để rôto quay bước tiếp theo thì dòng điện không bao giờ đạt tới giá trị xác lập. Điều đó giải thích tại sao khi quay với tốc độ lớn dòng điện cấp cho động cơ lại nhỏ. c, Nếu tăng tỷ số VCC/r thì thời gian để động cơ quay một bước (t1) sẽ nhỏ đi do dòng điện đạt đến giá trị I0 nhanh hơn. Điều đó giải thích tại sao muốn cho động cơ quay nhanh thì phải cấp điện áp cao. (Điện áp này lớn gấp nhiều lần điện áp danh định U của động cơ, cho theo Catalog). d, Nếu dòng điện chưa đạt đến giá trị I0 khi t<t1 mà đã ngắt nguồn thì không chắc chắn động cơ sẽ quay được một bước(mất bước). Điều này người thiết kế phải tính đến khi chọn các khoá điện tử. 3.2. Điều khiển dòng-áp băng hệ số L/R Đây là cách đơn giản nhất,chỉ áp dụng cho các động cơ có công suất rất nhỏ. Bản chất của kiểu điều khiển này là khi ở trạng thái ở trạng thái giữ thì nguồn chịu tải chính là RS, khi dịch bước thì nguồn chịu tải chính là cảm kháng ZL. Muốn cho động cơ quay với tốc độ cao thì phải chọn VCC lớn, trên thực tế là bằng 7á15 lần điện áp định mức U. Do đó khi ở chế độ giữ, công suất tiêu tán trên điện trở nối tiếp RS rất lớn: P=I2.RS=(VCC-U)2/RS Công suất tổn hao này một mặt lãng phí, mặt khác có thể làm nóng và cháy điện trở nối tiếp RS. 3.3. Điều khiển dòng-áp bằng độ rộng xung: Xuất phát từ nhận xét d, bản chất của kiểu điều khiển này như sau: ở chế độ dịch bước,cuộn dây pha được cấp một xung có độ rộng sao cho rôto có thể dịch được bước, nghĩa là dòng i đạt đến mức I0<i<Imax. Sau khi dịch bước,ở chế độ giữ, ta không cấp dòng một chiều(như phương án hệ số L/R) mà cấp xung điện áp cao và tần số cao hơn. Lúc này điện cảm L của cuộn dây pha có tác dụng như một bộ lọc tich phân và dòng điện trung bình làm nhiệm vụ sinh ra mômen giữ. Sơ đồ điện áp và dòng điện của cuộn dây pha trong trường hợp này như sau: Sơ đồ xung điện áp và dòng điện của cuộn dây stato khi điều khiển bằng độ rộng xung Kinh nghiệm cho thấy, đối với phần lớn các loại động cơ bước, tần số xung trong lúc giữ là 20 kHz; còn độ rộng xung chủ yếu khảo sát thực tế đối với từng loại động cơ bước, hoặc tính được từ phương trình 27 khi biết chắc chắn các tham số I, U, L của loại động cơ bước đó, hoặc được khống chế tự động nhờ việc theo dõi dòng điện i trong cuộn dây pha. Kiểu điều khiển này có một số nhược điểm sau: Mạch điều khiển phức tạp và đòi hỏi transisto làm nhiệm vụ khoá điện tử phải có tốc độ đóng cắt nhanh, công suất lớn. Trong thời gian giữ, từ trường thay đổi liên tục làm nóng động cơ; đồng thời transisto đóng cắt cũng liên tục phải chịu các xung điện áp thận nghịch khá cao nên ở mức độ nào đó cũng bị nóng. Không áp dụng cho chế độ vi bước. các xung điện áp cao và tần số cao cùng với từ trường thay đổi liên tục gây nhiễu radio và nhiễu điện từ trường, nhiều khi làm cho mạch điều khiển không hoạt động. 3.4. Điều khiển dòng-áp bằng điện áp hai mức Kiểu điều khiển này dựa theo nguyên tắc sau: Khi ở chế độ giữ, ta cấp cho cuộn dây pha một điện áp thấp, đúng bằng điện áp danh định U, và do đó dòng điện cũng đạt tới danh định nhưng không có công suất tiêu tán trên nguồn Khi ở chế độ dịch bước, đồng thời với việc cấp xung điều khiển, ta cấp cho cuộn dây pha một điện áp VCC rất cao và đo dòng điện trong cuộn dây. Khi dòng điện đạt đến giá trị đủ để động cơ quay một bước, ta ngắt điện áp cao và đưa điện áp thấp vào. Giản đồ xung điều khiển điện áp 2 mức Tại thời điểm t0 khi cuộn dây pha được cấp dòng để chuyển bước, xung XC cũng lên 1 để cấp điện áp cao VCC bằng bóng bán dẫn T1. Lúc đó điot D tự động khoá nguồn U do có phân cực ngược(VCC>U). Dòng điện bắt đầu tăng dần cho đến khi: i.RS=Imax.RS=US thì bộ so sánh C1 xuất ra xung XRS xóa tín hiệu XC, T1 ngắt điện áp cao VCC ra khỏi mạch, lấp tức điôt D đóng nguồn thấp U để duy trì trạng thái giữ của rôto. Xung điều khiển Xđk vẫn được duy trì cho đến khi việc điều khiển được chuyển sang cấp điện cho pha khác và không cấp điện cho pha nay Phần IV Giới thiệu vi mạch điều khiển động cơ bước L297 và L298. 1. Vi mạch điểu khiển động cơ bước L297. Hãng sản xuất: SGS- THOMSON Microelectronics. Vi mạch L297 tích hợp tắt cả các mạch điện tử cần thiết để điều khiển động cơ bước lưỡng cực và đơn cực. Sử dụng cùng với mạch cầu công suất kép như L298 tạo ra một bộ ghép nối hoàn chỉnh giữa bộ vi xử lý và động cơ kiễu lưỡng cực. Động cơ bước kiểu đơn cực cũng có thể điều khiển được bằng L297 cộng 4 cụm công xuất mắc theo kiểu Đalingtơn. Vi mạch điều khiển động cơ bước L297 trước hết sử dụng cùng với cầu công xuất L298 hoặc L293E trong các ứng dụng điều khiển động cơ bước. L297 nhận tín hiệu điều khiển từ hệ thống điều khiển, thường là chip vi xử lý trung tâm và tạo ra tất cả các dạng xung điều khiển cho tầng công suất. Hơn thế nữa, nó bao hàm hai bộ chopper điều khiển độ rộng xung PWM để điều khiển dòng điện trong các cuộn dây pha. Với việc hạn chế công suất phù hợp, L297 điều khiển được động cơ nam châm vĩnh cửa 2 pha, động cơ nam châm vĩnh cửu 4 pha và động cơ có từ trở thay đổi 4 pha. Ngoài ra, nó có thể điều khiển ở cả hy chế độ cả bước hay nửa bước. Các ưu điểm Vi mạch L297 cộng với mạch công suất L298 có n._.