ĐỘNG CƠ BƯỚCSTEPPER MOTOR

Giới thiệu về động cơ bước

Các loại động cơ bước

+ Biến từ trở_VRSM

(variable - reluctance stepper motor)

+ Nam châm vĩnh cữu_PMSM (permanent-magnet stepper motor)

+ Hỗn hợp (lai)

(hybrid stepper motor)

This chapter provides a brief introduction to electrical machines which have special applications. It includes machines whose stator coils are energized by electronically switched currents.Chương này cung cấp giới thiệu ngắn gọn về các máy điện cóứng dụng đặc biệt. Đó là các máy mà dây quấn stator được cấpđiện bởi các dòng điện chuyển mạch điện tử.

The examples are: various types of stepper motors,brushless d.c. motor and switched reluctance motor etc.

Ví dụ như: các loại động cơ bước, động cơ DC khôngchổi than và động cơ từ trở đóng ngắt.

There is also a brief description of d.c./a.c. servomotors, synchro motors and resolvers. These motors are designed and built primarily for use in feedback control systems.

Cũng như mô tả ngắn gọn động cơ servo dc/ac, Synchro(động cơ tự đồng bộ) và Resolver. Những động cơ này ban đầuđược thiết kế và xây dựng trong các hệ thống điều khiển phảnhồi.

As we know, industrial motor are used to convert electricenergy into mechanical energy but they cannot be used forprecision positioning of an object or precision control of speedwithout using closed-loop feedback.

Như chúng ta biết, động cơ công nghiệp dùng để biếnđổi năng lượng điện thành năng lượng cơ, nhưng chúng lạikhông thể điều chỉnh vị trí 1 cách chính xác hay điều khiển tốcđộ chính xác mà không sử dụng mạch hồi tiếp vòng kín.

The unique features of a stepper motor is that its outputshaft rotates in a series of discrete angular intervals or steps,one step being taken each time a command pulse is received.

Cái tên động cơ bước được sử dụng bởi vì nó quay 1 góccố định đáp ứng theo xung điện nhận vào từ bộ điều khiển.

The name stepper is used because this motor ratatesthrough a fixed angular step in response to each input currentpulse received by its controller.

Cái tên động cơ bước được sử dụng bởi vì nó quay 1góc cố định đáp ứng theo xung điện nhận vào từ bộ điều khiển.

In recent years, there has been wide-spread demand ofstepping motors because of the explosive growth of thecomputer industry. Their popularity is due to the fact that theycan be controlled directly by computers, microprocessors andprogrammable controllers.

Ngày nay, việc sử dụng ĐC bước trở nên thịnh hành bởivì sự bùng nổ của nền công nghiệp máy vi tính. Sự phổ biến củachúng là do thực tế chúng có thể được điều khiển trực tiếp bởimáy vi tính, vi xử lý và các bộ điều khiển lập trình.

The unique features of a stepper motor is that its outputshaft rotates in a series of discrete angular intervals or steps,one step being taken each time a command pulse is received.When a definite number of pulses are supplied, the shaft turnsthrough a definite known angle. This fact makes the motor well-suited for open-loop position control because no feedback needbe taken from the output shaft.

ĐC bước có trục ngõ ra quay những góc rời rạc hay gọilà bước, mỗi bước đáp ứng với mỗi xung lệnh nhận vào. Khixác định được số xung lệnh cấp vào thì trục quay sẽ xác địnhđược góc quay. Thực tế này rất phù hợp cho ĐC hoạt độngtrong mạch điều khiển vòng hở bởi vì sẽ không cần hồi tiếp ởđầu trục ĐC.

Such motors develop torques ranging from 1µN-m (in atiny wrist watch motor of 3 mm diameter) upto 40N-m in a motorof 15cm diameter suitable for machine tool application. Theiroutput ranges from about 1W to a maximum of 2500W. The onlymoving part in a stepping motor is its rotor which has nowindings, commutator or brushes. This feature makes the motorquite robust and reliable.

Dải moment ĐC gia tăng từ 1µN-m (ĐC trong các đồnghồ đeo tay nhỏ với đường kính 3mm) lên tới 40 N-m trong cácĐC đường kính 15cm thích ứng cho các máy công cụ. Dải côngsuất ngõ ra từ 1W tới tối đa 2500W. Phần di chuyển duy nhấttrong ĐC bước là rotor của nó, trong đó không có cuộn dây,vành góp hay chổi than. Đặc điểm này làm cho ĐC trở nên khámạnh và an toàn.

Stepping motor are designed to operate for long periodswith the rotor held in a fixed positon and with rated current flowingin the stator windings. It means that stalling is no problem for suchmotors whereas for most of the other motors, stalling results in thecollapse of back emf (Ef) and a very high current which can lead toa quick burn-out.

ĐC bước được thiết kế để hoạt động trong chu trình lâu dàimà rotor giữ cố định ở một vị trí với dòng định mức trong cuộn dâystator. Điều này có nghĩa là khi ĐC dừng ở 1 vị trí cố định thì sẽkhông có vấn đề gì trong khi phần lớn các loại ĐC khác thì khidừng như vậy kết quả là sự phá hủy của lực điện động và vớidòng cao thì sẽ gây cháy hỏng một cách nhanh chóng.

Smaller the step angle, greater thenumber of steps per revolution andhigher the resolution or accuracy ofpositioning obtained.

Góc bước bé hơn, số lượng bướctrên mỗi vòng quay cao hơn và độphân giải cao hơn hay đạt được độchính xác trong việc điều chỉnh vị trí.

The step angles can be as small as 0.72o or as large as 90o . Butthe most common step sizes are 1.8o, 2.5o, 7.5o và 15o.

Góc bước có thể nhỏ như 0.72o hay lớn đến 90o. Nhưng thôngthường, độ rộng góc bước phổ biến là 1.8o, 2.5o, 7.5o và 15o.

The angle through which the motor shaft rotates for eachcommand pulse is called the step angle β.

Góc quay mà trục ĐC quay được khi nhận 1 xung lệnh đượcgọi là góc bước β.

The value of step angle can be expressed either in terms of therotor and stator poles (teeth) Nr and Ns repestively or in terms ofthe number of stator phases (m) and the number of rotor teeth.

Giá trị của góc bước được thể hiện thông qua số lượng cực(răng) tương ứng của rotor (Nr) và stator (Ns) hay số pha của stator(m) và số răng của rotor.

Ví dụ: Ns=8 và Nr=6, β = (8 - 6) x 360o/8 x 6 = 15o

0(Ns Nr)360

Ns Nr

hay

360 360

m.Nr Sè pha stator Sè r¨ng rotor

Resolution is given by the number of steps needed tocomplete one revolution of the rotor shaft.

Độ phân giải được định nghĩa là số lượng bước cần đểhoàn thành 1 vòng quay của trục rotor.

Higher the resolution, greater the accuracy of positioningof objects by the motor.

Độ phân giải cao hơn, độ chính xác trong việc xác định vịtrí đối tượng bằng ĐC sẽ cao hơn.

Độ phân giải = Số lượng bước/vòng quay = 360o/ β

A stepping motor has the extraordinary ability to operate atvery high stepping rates (upto 20000 steps per second in somemotors) and yet to remain fully in synchronism with thecommand pulses. When the pulse rate is high, the shaft rotationseems continuous. Operation at high speeds is called ‘slewing’.When in the slewing range, the motor generally emits anaudible whine having a fundamental frequency equal to thestepping rate.

ĐC bước có khả năng đặc biệt hoạt động ở tần số bước rấtcao (lên tới 20,000 bước trên giây ở 1 vài loại ĐC) nhưng vẫnđồng bộ với xung lệnh. Khi ở tần số xung cao, trục quay xemnhư liên tục. Việc hoạt động ở tốc độ cao được gọi là “slewing”(quay). Khi quay, động cơ phát ra âm thanh rên rỉ có tần sốbằng với tần số bước.

If f is the stepping frequency (or pulse rate) in pulses persecond (pps) and β is the step angle, then motor shaft speed isgiven by:

Nếu f là tần số bước (hay tần số xung) trong 1 giây (pps-pulses per second) và β là góc bước, thì tốc độ ĐC được xácđịnh như sau:

n = β x f/ 360 rps = độ phân giải tần số xung

If the stepping rate is increased too quickly, the motor losessynchronism and stop. Same thing happens if when the motoris slewing, command pulse are sudddenly stopped instead ofbeing grogressively slowed.

Nếu tần số bước tăng quá nhanh thì, thì ĐC bị mất đồng bộvà dừng. Điều này cũng xảy ra khi ĐC đang quay mà xunglệnh tắt đột ngột thay vì giảm từ từ.

Một ĐC bước biến từ trở lai có 8 cực chính, mỗi cực có 5 răng. Nếu rotor có 50 răng, tính góc bước.

Ns = 8 x 5 = 40, Nr = 50

β = (50 – 40) x 360o/50 x 40 = 1.8o

Một ĐC bước có góc bước 2.5o. Xác định:a/ Độ phân giảib/ Số lượng bước để trục quay được 25 vòngc/ Tốc độ, nếu cho tần số bước là 3600 xung/giây

a/ Độ phân giải = 360o/ β = 360o/ 2.5o = 144 bước/vòng

b/ Ta có: 1 vòng có 144 bước.Vậy số bước yêu cầu để quay được 25 vòng là144 x 25 = 3600 bước

c/ n = β x f / 360o = 2.5 x 3600 / 360o= 25 vòng/giây.

Such motors are used for operation control in computerperipherals, textile industry, IC fabrications and robotics etc.

Sử dụng cho việc điều khiển hoạt động các thiết bị ngoại vimáy vi tính, công nghiệp dệt, chế tạo IC và robot…

Applications requiring incremental motion are typewriters, lineprinters, tape drives, floppy disk drives, numerically-controlledmachine tools, process control systems and X-Y plotters.

Những ứng dụng đòi hỏi sự dịch chuyển liên tục như máyđánh chữ, máy in, ổ băng, ổ đĩa, máy điều khiển bằng số, hệthống điều khiển tiến trình và máy vẽ đồ thị XY.

They also take part in the manufacture of packed food stuffs,commercial end-products and even the production of sciencefiction movies.

Chúng cũng tham gia một phần trong việc đóng gói các sảnphẩm thức ăn, các sản phẩm thương mại mà các bộ phim khoahọc viễn tưởng.

Biến từ trở(VR stepper

motor)

Nam châm vĩnh cữu(permanent-magnet

stepping motor)

Hỗn hợp (Lai)(hybrid stepper

motor)

1

2

3

4

5

6

Construction: A variable-reluctance motor is constructed fromferromagnetic material with salient poles as shown in Fig. 39.2.

Một động cơ từ trở biến thiên được cấu trúc từ vật liệu sắt từ vớicác cực lồi như hình.

The stator is made from a stack of steellamination and has sis equally-spacedprojecting poles (or teeth) each wound with anexciting coil.

Stator được làm từ những lá thép vàcó 6 cực nhô ra (hay răng) mỗi cực chứa1 cuộn dây cảm ứng.

The rotor which may be solid or laminatedhas four projecting teeth of the same width asthe stator teeth.

As seen, there are three independent stator circuit or phases A, B and C andeach one can be energized by a direct current pulse from the drive circuit (not showin the figure).

Stator có 3 mạch hay 3 pha A, B, C riêng và mỗi pha sẽ được vận hànhtừ bộ điều khiển bên ngoài.

1

2

3

4

Stator

Rotor

A

A’

B

B’C

C’

Rotor có thể làm đặc hoặc ghép lại có 4 răng có độ rộng bằng với răng stator.

A simple circuit arrangement forsupplying current to the stator coils in propersequence is shown in Fig. 3.92 (e).

Một mạch điện luân chuyển điện vào cáccuộn dây stator một cách trình tự như hình.

The sis stator coils are connected in 2-coil groups to form three separate circuitcalled phases. Each phase has its ownindependent switch.

6 cuộn dây stator đấu nối thành từngcặp tạo thành 1 mạch 3 pha riêng biệt.Mỗi pha có công tắc đóng mở riêng.

Diametrically opposite pairs of stator coils are connected in series suchthat when one tooth becomes a N-pole, the other one becomes a S-pole.

Các cặp đối diện nhau được đấu nối tiếp để khi một trong hai trởthành cực N thì đầu còn lại sẽ trở thành cực S.

Although shown as mechanical switches in Fig. 39.2 (e), in actualpractice, switching of phase currents is done with the help of solid-statecontrol.

Mạch đóng tắc nguyên lý được cho như hình, nhưng trên thực tế cầnsự trợ giúp điều khiển của vật liệu bán dẫn.

Energizing one or more stator coils causethe rotor to step forward (or backward) to aposition that forms a path of least reluctancewith the magnetized stator teeth. The stepangle of this three-phase, four rotor teeth motoris β=360/4x3= 30o.

Khi một hay nhiều cuộn dây có điện rotor sẽdịch chuyển 1 bước tới (hay lùi lại) tạo thành 1đường với răng stator do lực từ. 1 bước củađộng cơ ba pha rotor 4 răng làβ=360/4x3= 30o.

When there is no current in the stator coils, the rotor is completelyfree to rotate.

Khi không có dòng trong các cuộn dây stator, rotor quay tự do.

+ 1 pha ON hay bước đủ

Fig. 39.2 (a) shows the position of the rotorwhen switch S1 has been closed for energizingphase A. A magnetic field with its axis alongthe stator poles of phase A is created. Therotor is therefore, attracted into a position ofminimum reluctance with diametrically oppositerotor teeth 1 and 3 lining up with stator teeth 1and 4 respectively.

Đóng công tắt S1 chopha A hoạt động, một lựctừ có trục từ cặp cực phaA được tạo ra. Rotor bịhút vào vị trí có từ trở bénhất với răng 1 và 3 củarotor thẳng hàng với răng1 và 4 của stator (góc0o).

+ 1 pha ON hay bước đủ

Closing S2 and opening S1 energizesphase B causing rotor teeth 2 and 4 toalign with stator teeth 3 and 6 respestivelyas shown in Fig. 39.2 (b). The rotor rotatesthrough full-step of 30o in the clockwise(CW) direction.

Đóng S2 và mở S1

cho pha B hoạt độnglàm cho răng 2 và 4 củarotor thẳng hàng vớirăng 3 và 6 của statornhư hình.

Rotor quay 1 góc 30o

theo chiều kim đồng hồ.

+ 1 pha ON hay bước đủ

Similarly, when S3 is closed after openingS2, phase C is energized which causes rotorteeth 1 and 3 to line up with stator teeth 2 and5 respestively as shown in Fig. 39.2 (c). Therotor rotates through an additional angle of 30o

in the clockwise (CW) direction.

Tương tự, khi S3

đóng khi mở S2, pha Ccó điện làm răng 1 và3 của rotor thành hàngvới răng 2 và 5 củastator như hình. Rotortiếp tục quay thêm 1góc 30o theo chiều kimđồng hồ.

+ 1 pha ON hay bước đủ

Next if S3 is opened and S1 is closed again, the rotor teeth2 and 4 will align with stator teeth 4 and 1 respectivelythereby making the rotor turn through a further angle of 30o asshown in Fig. 39.2 (d). By now the total angle turned is 90o.

Kế tiếp nếu S3 mở ra và S1

được đóng lại, răng 2 và 4 củarotor thành hàng với răng 4 và 1của stator và làm cho rotor quaytiếp được 1 góc 30o như hình.

Lúc này tổng góc quay là 90o.

This mode of operation is known as 1-phase-ON mode or Full-stepoperation and is the simplest and widely-used way of making the motor step.

Chế độ này được gọi là 1 pha ON hay bước đủ và là cách đơn giản vàphổ biến nhất để làm động cơ bước.

It may be noted that direction of the stator magnetizing current is notsignificant because a stator pole of either magnetic polarity will always attractthe rotor pole by inducing opposite polarity.

Chú ý rằng chiều dòng từ hóa stator không quan trọng bởi vì cựcstator của cả 2 cực từ sẽ luôn hút cực rotor có cực đối ngược.

+ 1 pha ON hay bước đủ

As each switch is closed and preceding one opened, the rotor each timerotates through an angle of 30o. By repetitively closing the switches in thesequence 1-2-3-1 and thus energizing stator phases in sequence ABCA etc.,the rotor will rotate clockwise in 30o steps . If the switch sequence is made3-2-1-3 which makes phase sequence CBAC (or ACB), the rotor will rotateanticlockwise.

Khi mỗi công tắc đóng lại và công tắc trước nó mở ra, Rotor mỗi lầnquay được 1 góc 30o. Lặp đi lặp lại theo các bước 1-2-3-1 và stator theocác pha ABCA… Rotor sẽ quay theo chiều kim đồng hồ 30o mỗi bước.Nếu sắp xếp theo 3-2-1-3 làm stator theo các pha CBAC (hay ACB), rotorsẽ quay ngược chiều kim đồng hồ.

+ 1 pha ON hay bước đủ

In this mode of operation, two stator phases are excitedsimultaneously. When phases A and B are energized together, the rotorexperiences torques from both phases and comes to rest at a point mid-waybetween the two adjacent full-step positions.

Ở chế độ này, 2 pha sẽ cảm ứng đồng thời. Khi pha A và B hoạt độngđồng thời, moment sẽ đến từ cả hai pha bằng lực hút tại điểm giữa 2 bướcđủ cạnh nhau.

If the stator phases are witched in the sequence AB, BC, CA, AB etc., themotor will take full steps of 30o each (as in the 1-phase-ON mode) but itsequilibrium positions will be interleaved between the full-step positions.

Nếu stator được đóng tắc cho các pha theo thứ tự AB, BC, CA, AB thìrotor sẽ bước đủ với góc 30o mỗi lần nhưng vị trí cân bằng của nó sẽ xen kẽgiữa những vị trí bước đủ.

The 2-phases-ON mode provides greater holding torque and a muchbetter damped single-stack reponse than the 1-phase-ON mode ofoperation.

Chế độ 2 pha ON cho moment giữ tốt hơn và giảm rung động hơn sovới chế độ 1 pha ON.

+ 2 pha ON Bảng trạng thái hoạt động

+ Vận hành kiểu nửa bước

Half-step operation of “half-stepping” can be obtained byexciting the three phases in thesequence A, AB, B, BC, C etc. i.e.alternately in the 1-phase-ON and2-phase-ON modes.

Vận hành nửa bước của “nửabước” có thể đạt được bằng cáchkích thích 3 pha theo thứ tự A, AB,B, BC, C… luân phiên nhau giữachế độ 1-pha-ON và 2-Pha-ON.

It is sometime known as “wase”excitation and it causes the rotor toadvance in steps of 15o i.e. half thefull-step angle.

Thường được biết như là “sóng”kích thích và nó làm cho rotor tiếnnhững bước 15o i.e. bằng phânnửa góc của bước đủ.

+ Vận hành kiểu nửa bướcEnergizing only phase A

causes the rotor position shownin Fig. 39.4 (a).

Khi chỉ có pha A có điện làmrotor ở vị trí như hình:

Energizing phases A and Bsimultaneously moves the rotor toposition shown in Fig. 39.4 (b)

Khi pha A và B đồng thời có điệnrotor dịch chuyển sang một nửa bước15o.

It will be seen that in the half-steppingmode, the angle is halved thereby doublingthe resolution. Moreover, continuos half-stepping produces a smoother shaftrotation.

Như ta thấy thì trong chế độ nửa bước,góc dịch chuyển được chia đôi làm độphân giải tăng gấp đôi. Cứ thế, tiếp tụcnửa bước làm cho động cơ quay êm hơn.

+ Vận hành kiểu nửa bước

Energizing only phase B moves therotor through another half-step as shown inFig. 39.4 (c). With each pulse, the rotormoves 30o /2 = 15o in the CCW direction.

Khi chỉ pha B có điện, rotor tiếp tục dịchchuyển tiếp một nửa bước còn lại. Với mỗixung, rotor dịch chuyển 1 bước 30o/2 = 15o

theo chiều kim đồng hồ.

+ Vi bước

It is also known as mini-stepping. It utilizes two phasessimultaneously as in 2-phase-ON mode but with the two currentsdeliberately made unequal (unlike in half-stepping where the two phasecurrents have to be kept equal).

Cũng được biết đến như là bước nhỏ. Sử dụng 2 pha đồng thời nhưtrong chế độ 2-pha-ON nhưng dòng qua 2 pha không bằng nhau (khônggiống như trong nửa bước dòng qua 2 pha được giữ như nhau).

The current in phase A is held constant while that in phase B isincreased in very small increments until maximum current is reached.The current in phase A is then reduced to zero using the same very smallincrements. In this way, the resultant step becomes very small and iscalled a microstep.

Dòng qua pha A không thay đổi trong khi dòng qua pha B tăng nhưnggiá trị rất nhỏ cho đến khi chạm đến giá trị đỉnh. Khi đó dòng qua pha Agiảm từ từ những giá trị rất nhỏ tương tự cho đến khi bằng 0. Bằng cáchnày, kết quả các bước trở nên rất nhỏ và được gọi là vi bước.

+ Vi bước

Một động cơ bước từ trở biến thiên với độ phân giải200 step/rev (β=1.8o) có thể vi bước với độ phân giải20000 steps/rev (β=0.018o).

Động cơ bước sử dụng vi bước được ứng dụng trongcông nghệ in ấn, chế bản phim yêu cầu độ phân giải cao.

Như đã thấy, vi bước làm động cơ hoạt động tốc độthấp êm và có độ phân giải cao.

+ Moment

VR stepper motors have a high (torque/inertia) ratio giving highrates of acceleration and fast response.

Động cơ bước từ trở biến thiên tỷ số cao (moment/quán tính)cho khả năng tăng tốc và quán tính cao.

A possible disadvantage is the absence of detent torque whichis necessary to retain the rotor at the step position in the event ofa power failure.

Điểm bất lợi của nó là không có moment hãm cần thiết để giữrotor tại vị trí bước khi hỏng nguồn.

If Ia is the d.c. current pluse passing through phase A, the torque produced by it is given by

Nếu iA là xung dòng điện một chiều đi qua A, thì moment do nógây ra là 2(1/ 2) /aT I dL d

2(1/ 2) /aT I dL d

So far we have discussed single-stack VR motors though multi-stackmotor are also available which provide smaller step angles.

Như vậy, chúng ta đã thảo luận rất nhiều về động cơ biến từ trở đơnlớp mặc dù động cơ bước biến từ trở đa lớp cho góc bước nhỏ hơn.

The multi-stack motor is devided along its axial length into a numberof magnetically-isolated sections or stack which can be excited by aseparate winding or phase. Both stator and rotor have the same numberof poles. The stators have a common frame while rotors have acommon shaft as shown if Fig. 39.5 (a) which represents a three-stackVR motor.

Động cơ đa lớp thì dọc theo chiều dài trục rotor của nó chia ra cáckhu vực từ tính cách ly với nhau từng bộ phận hay từng lớp có thểđược kích thích bởi một cuộn dây riêng biệt hoặc theo từng pha. Cảstator và rotor đều có số cực như nhau. Stator có một cái khung chungtrong khi Rotor có một cái trục chung như hình, đại diện cho động cơbiến trở 3 lớp.

The teeth of all the rotor are perfectly aligned with respect tothemselves but the stator teeth of various stack have a progressiveangular displavement as shown in the developed diagram of Fig. 39.5(b) for phase excitation.

Các răng của Rotor thì hoàn toàn thống nhất với nhau của nó nhưngđối các răng của Stator của các lớp khác nhau có sự dịch chuyển mộtgóc, được thể hiện trong sơ đồ phát triển hình.

Three-stack motors are most common although motorswith upto seven stacks and phases are available. They havestep angles in the range of 2o to 15o. For example, in a six-stack VR motor having 20 rotor teeth, the step angleβ=360o/6x20=3o.

Động cơ 3 lớp là loại động cơ phổ biến nhất mặc dù loạiđộng cơ với tối đa bảy lớp và bảy góc pha thì có thể hoàntoàn làm được. Người ta có thể chế tạo góc bước khoảng từ2o đến 15o.

Ví dụ như trong một động cơ bước biến trở sáu lớp thì cótới 20 răng rotor có bước góc là 360o /6x20=3o.

+ Cấu tạo

Its stator construction is similar tothat of the single-stack VR motordiscussed above but the rotor is madeof a permanent-magnet material likemagnetically ‘hard’ ferrite.

Cấu tạo của Stator thì giống nhưcủa động cơ bước biến trở đơn lớp đãnối ở trên nhưng mà đối với Rotor thìđược cấu tạo từ nam châm vĩnh cửugiống như từ tính ‘cứng’ của ferit.

As shown in Fig. 39.6 (a), the stator has projecting poles but the rotor iscylindrical and hasradially magnetized permanent magnets.

Stator đã hình thành nên các cực, Rotor là hình trụ và từ hoá vĩnh viễn.

+ Nguyên lý hoạt động

The operating principle of such a motor can be understood with the help of Fig. 39.6 (a) where the rotor has two poles and the stator has foul poles. Since two stator poles are energized by one winding, the motor has two winding or phases marked A and B.

Nguyên tắc hoạt động của động cơ này có thể được thể hiện thông qua hình, Rotor có 2 cực va stator có 4 cực. 2 cực của stator thì được cấp điện bởi một cuộn dây, động cơ có 2 cuộn dây hoặc được làm từ 2 pha A và B.

The step angle of this motor:

Góc bước của động cơ này là:0 0 0

0 0

360 / 360 / 2 2 90

(4 2) 360 / 2 4 90

rmN

or

0 0 0

0 0

360 / 360 / 2 2 90

(4 2) 360 / 2 4 90

rmN

or

+ Nguyên lý hoạt động

Khi từng pha của stator được cung cấpđiện, các cực từ của rotor sẽ dịch chuyểntheo chiều kim đồng hồ với sự kích thíchcủa các cực từ của stator. Các cuộn dâystator A và B có thể được kích thích bởi mộttrong hai điện cực (A+ hình thành nên dòngđiện dương iA

+ trong pha A và A- hình thànhnên dòng điện âm iA

-).

When a particular stator phase is energized, the rotor magnetic polesmove into alignment with the excited stator poles. The stator windings Aand B can be excited with either polarity current (A+ refers to positivecurrent iA+ in the phase A and A─ to negative current iA─).

Fig. 39.6 (a) shows the condition whenphase A is excited with posotive current iA+.Here, .

Khi pha A được kích thích bởi dòng điệndương iA+. Góc .00

00

+ Nguyên lý hoạt động

If excitation is now switched tophase B as in Fig. 39.6 (b), the rotorrotates by a full step of 90o in theclockwise direction.

Nếu chuyển mạch tới pha B,Rotor sẽ quay với 1 góc 90o theochiều kim đồng hồ.

Next, when phase A is excitedwith negative current iA

-, the rotorturns through another 90o in CWdirection as shown in Fig. 39.6 (c).

Tiếp theo, trong khi pha A đượckhích thích bởi dòng điện âm iA

-,Rotor quay qua một góc 90o kháctheo chiều kim đồng hồ.

+ Nguyên lý hoạt động

Similarly, excitation of phase B with iB─ further turns therotor through another 90o in the same direction as shown inFig. 39.6 (d). After this, excitation of phase A with iA+ makesthe rotor turn through one complete revolution of 360o.

Tương tự khi mà ta kích thíchpha B với dòng điện âm iB─ làm rotortiếp tục quay 1 góc 90o khác trongcùng 1 hướng.

Cuối cùng, kích thích pha A vớidòng điện dương iA+ làm cho rotorquay qua 1 vòng 360o.

It will be noted that in a permanent-magnet stepper motor, the direction of rotation depends on the polarity of the phase currents as tabulated below:

Hướng quay phụ thuộc vào sự phân cực của pha dòng điện như bảng dưới đây:

iA+ ; iB

+; iA- ; iB

- ; iA+,………………

A+ ; B+; A- ; B- ; A+ ;…………….. theo chiều kim đồng hồ

iA+ ; iB

- ; iA- ; iB

+; iA+;……………..

A+ ; B- ; A- ; B+ ; A+; …………. …ngược chiều kim đồng hồ

+ Nguyên lý hoạt động

+ Nguyên lý hoạt động

Table No.2 represents 2-phase-ON mode when two phases are energizedsimultaneously.

Bảng số 2 đại diện cho chế độ 2-phase-ON khi 2 pha được cấp điện đồngthời kết quả là các bước có cùng kích thước nhưng vị trí của rotor là khoảnggiữa của 2 bước đầy đủ.

Microstepping can also be employed which will give further reduced stepsizes thereby increasing the resolution.

Vi bước có thể được sử dụng để giảm kích thước bước do đó làm tăng độphân giải.

+ Nguyên lý hoạt độngTable No.1 applies when only phase is energized at a time in 1-phase-ON

mode giving step size of 90o.Bảng số 1 áp dụng khi chỉ có 1 pha duy nhất được cấp điện tại 1 thời

điểm trong 1-phase-ON mode cho bước nhảy 90o.

Table No.3 represents half-stepping when 1-phase-ON and 2-phase-ONmode are used alternately. In this case, the step size becomes half of thenormal step or one-fourth of the pole-pitch (i.e: 90o/2 = 45o or 180o /4 = 45o).

Bảng số 3 đại điện cho ½ bước khi 1-phase-ON và 2-phase-ON được sửdụng luân phiên. Trong trường hợp này, bước nhảy trở thành 1 nửa củabước bình thường hoặc ¼ của bước cực.

+ Ưu, nhược điểm

Since the permanent magnets of the motor do not require externalexciting current, is has a low power requirement but possesses a highdetent torque as campared to a VR stepper motor. This motor has higherinertia and hence slower acceleration. However, it produces more torqueper ampere stator current than a VR motor. Since it is difficult tomanufacture a small permanent-magnet rotor with large number of poles,the step size in such motors is relatively large ranging from 30o to 90o.However, recently disc rotors have been manufactured which aremagnetized axially to give a small step size and low inertia.

Kể từ khi có động cơ nam châm vĩnh cữu thì không cần dòng điệnkích thích từ bên ngoài. Nó yêu cầu nguồn thấp nhưng có 1 bánh cócmoment xoắn lớn so với động cơ bước biến trở. Động cơ này có quántính cao hơn và do đó khả năng tăng tốc chậm hơn. Vì nó gặp khó khănđể sản xuất 1 nam châm nhỏ thường xuyên với số lượng lớn các cực,kích thước bước trong động cơ như vậy là tương đối lớn phạm vi từ 30o

đến 90o. Tuy nhiên gần đây đã sản xuất được rotor dĩa từ hóa dọc trục đểlàm cho kích thước của bước nhỏ và quán tính thấp.

+ Cấu tạo

It combines the features of the variable reluctance and permanent-magnet stepper motors. The rotor consist of a permanent-magnet that ismagnetized axially to create a pair of poles marked N and S in Fig. 39.8(b). two end-caps are fitted at both ends of this axial magnet. These end-caps consist of equal number of teeth which are magnetized by respectivepolarities of the axial magnet. The rotor teeth of one end-cap are offset bya half tooth pitch so that a tooth at one end-cap coincides with a slot at theother. The cross-sectional views perpendicular to the shaft along X-X’ andY-Y’ axes are shown in Fig. 39.8 (a) and (c) repectively.

Nó bao gồm các đặc tính của động cơ bước từ trở biến thiên và độngcơ bước nam châm vĩnh cửu. Rotor gồm 1 nam châm vĩnh cửu có trụcđược từ hóa để tạo 1 cặp cực N và S. 2 đầu mút vừa với cả 2 đầu củatrục nam châm. 2 đầu mút gồm những răng được từ hóa bởi mỗi cực củatrục nam châm. Răng rotor của 1 đầu mút dịch 1 nửa bước răng để 1 răngcủa đầu mút trùng khớp với đầu còn lại.

Mặt chiếu cắt ngang thẳng đứng theo trục X-X’ và Y-Y’

+ Cấu tạo

Như ta thấy, Stator bao gồm 4 cực được kích thích bởi 2 cuộn dâystator theo cặp. Rotor có 5 cực N ở 1 đầu và 5 cực S ở đầu còn lạicủa trục nam châm. Góc bước của động cơ là:

0 0(5 4) 360 / 5 4 18

+ Nguyên lý hoạt động

In Fig. 39.8 (a), phase A is shown excitedsuch that the top stator pole is a S-pole sothat it attracts the top N-pole of the rotor andbrings it in line with the A-A’ axis. To turn therotor, phase A is denergized and phase B isexcited positively. The rotor will turn in theCCW direction by a full step of 18o.

Pha A được kích thích làm phần đỉnh cựcstator trở thành cực S hút cực N của rotorvà tạo thành đường thẳng theo trục A-A’ .

Để quay rotor, pha A ngừng hoạt động vàpha B được kích thích. Rotor sẽ quay theochiều kim đồng hồ đủ 1 góc 18o.

Next, phase A and B are energize negatively one after the other to produce further rotations of 18o each in the same direction.

Kế tiếp, 2 pha A và B luân phiên hoạt động để làm rotor tiếp tục quay thêmnhững góc 18o theo cùng chiều.

The truth table is shown in Fig. 39.9 (a). For producing clockwise rotation,the phase sequence should be A+; B─; A─; B+; A+ etc.

Bảng trạng thái hoạt động được cho trong hình. Để quay theo chiềukim đồng hồ, các pha phải hoạt động theo trình tự A+; B─; A─; B+; A+ …

Practical hybrid stepping motorsare built with more rotor poles thanshown in Fig. 39.9 in order to givehigher angular resolution. Hence, thestator poles are often slotted orcastleated to increase the number ofstator teeth.

Thực tế động cơ bước hỗn hợpcó nhiều cực rotor hơn so với hìnhđể đạt được độ phân giải góc cao.Do đó, cực stator thường được chiarãnh hoặc castleated để tăng sốrăng stator.

+ Nguyên lý hoạt động

+ Nguyên lý hoạt động

As shown in Fig. 39.9 (b), each of the eight stator poles hasbeen alloted or castleated into five smaller poles makingNs=8x5=40. If rotor has 50 teeth, then step angle =(50-40)x360o/50x40=1.8o. Step angle can also be decreased (andhence resolution increased) by having more than two stacks on therotor.

Như trong hình 39.9 (b), mỗi 8 cực stator được phân bố haycastleated vào trong 5 cực nhỏ hơn tạo Ns= 8x5=40o.

Nếu rotor có 50 răng, thì góc bước = (50-40)x360o/50x40= 1.8o.

Góc bước có thể giảm hơn (do đó tăng độ phân giải) bằng cáchcó nhiều hơn 2 răng trên rotor.

+ Ưu, nhược điểm

This motor achieves small step size easily and with a simplermagnet structure whereas a purely PM motor requires a multiplepermanent-magnet. As compared to VR motor, hybrid motor requiresless excitation to achieve a given torque. However, like a PM motor,this motor also develops good detent torque provided by thepermanent-magnet flux. This torque holds the rotor stationary while thepower is switched off. This fact is quite helpful because the motor canbe left overnight without fear of its being accidentally moved to a newposition.

Động cơ tạo được bước nhỏ một cách dễ dàng với 1 nam châmđơn giản trong khi động cơ PM yêu cầu nhiều nam châm vĩnh cửu. Sovới động cơ VR, động cơ hỗn hợp cần kích thích để tạo ra moment.Tuy nhiên, giống với động cơ PM, nó cũng tạo ra moment hãm tốt donam châm vĩnh cửu. Moment giữ rotor lại khi ngắt nguồn điện cung cấpcho động cơ. Điều này khá hữu ích vì động cơ có thể vận hành màkhông cần lo sợ sự cố dịch chuyển đến vị trí khác.

A stepper motor can be looked upon as a digital electromagneticdevice where each pulse input results in a discrete output i.e. adefinite angle of shaft rotation. It is ideally suited for open-loopoperation because by keeping a count of the number of input pulses,it is possible to know the exact position of the rotor shaft.

1 động cơ bước có thể dược xem giống như 1 thiết bị điện tử sốkhi mà với mỗi xung sẽ làm cho ngõ ra rotor quay 1 góc. Nó lý tưởngphù hợp với 1 quá trình vòng hở bởi vì bằng cách đếm số xung vàota có thể biết được chính xác vị trí của rotor.

In a VR motor, excitation of the stator phases gives rise to atorque in a direction which minimizes the magnetic circuitreluctance. The reluctance torque depends on the square of thephase current and its direction is independent of the polarity of thephase current. A VR motor can be a single-stack or multi-stackmotor. The step angle β =360o/mNr where Nr is the number of rotorteeth and m is the number of phases in the single-stack motor or thenumber of stacks in the multi-stack motor.

Trong động cơ VR, kích thích của 1 pha stator sẽ trực tiếp tăngmoment và làm giảm đến mức tối thiểu từ trở biến thiên của mạchtừ. Moment từ trở phụ thuộc vào bình phương dòng điện pha vàhướng của nó độc lập với cực của dòng pha. 1 động cơ VR có thểđơn hoặc đa ngăn. Góc bước β =360o/mNr với Nr là số tăng rotorvà m là số pha trong đơn ngăn hoặc số ngăn trong đa ngăn.

A permanent-magnet stepper motor has permanently-magnetized cylindrical rotor. The direction of the torque produceddepends on the polarity of the stator current.

1 động cơ bước nam châm vĩnh cửu có rotor hình trụ nam châmvĩnh cửu. Hướng của moment phụ thuộc vào cực của dòng stator.

A hybrid motor combines the features of VR and PM steppermotors. The direction of its torque also depends on the polarity of thestator current. Its step angle β =360o/mNr.

1 động cơ hỗn hợp bao gồm các đặc tính của động cơ bước VR vàPM. Hướng của moment phụ thuộc vào cực của dòng stator. Góc bướcβ =360o/mNr.

Half-stepping can be achieved by alternating between the 1-phase-ON and 2-phase-ON mode. Step angle is reduced by half.

Nửa bước bằng cách luân phiên giữa chế độ 1-pha-On và 2-pha-ON. Góc bước giảm 1 nửa.

Microstepping is obtained by deliberately making two phasecurrents unequal in the 2-pha-ON mode.

Vi bước bằng cách giữ cho dòng pha không cân bằng trong chếđộ 2-pha-ON.

In the 1-phase-ON mode of excitation, the rotor moves by onefull-step for each change of excitation. In the 2-phase-ON mode, the rotormoves in full step although it comes to rest at a point midway between thetwo adjacent full-step positions.

Trong kích thích chế độ 1-pha-ON, rotor di chuyển 1 bước đủ mỗi lầnthay đổi kích thích. Trong chế độ 2-pha-ON, rotor dịch chuyển 1 bước đủdù nó có 1 điểm nghỉ ở giữa 2 bước đủ cạnh nhau.

END