Tài liệu Thiết bị điện tử

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

1-5- Ph-¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn c¸c lo¹i ®éng c¬ ®iÖn ®Æc biÖt:

1-5-1- §éng c¬ VSED ( Variable Speeds Electrical Direct)

a. cÊu t¹o:

§éng c¬ VSED cã cÊu t¹o gåm hai phÇn chÝnh:

- §éng c¬ s¬ cÊp: Th-êng ®-îc sö dông lµ lo¹i ®éng c¬ kh«ng ®ång bé r« to lång

sãc. §éng c¬ nµy cã cÊu t¹o phÇn tÜnh(Stato) vµ phÇn ®éng (Roto)

- §éng c¬ thø cÊp: §©y chÝnh lµ mét nam ch©m ®iÖn mét chiÒun»m trong èng lãt

cña roto ®éng c¬ s¬ cÊp. Cuén d©y cña nam ch©m ®iÖn ®-îc chÕ t¹o cè ®Þnh g¾n

trªn phÇn tÜnh cña lâi thÐp, nã ®-îc g¾n liÒn víi vá m¸y. PhÇn ®éng cña nam

ch©m ®iÖn chÝnh lµ lâi s¾t tõ n»m gän trong èng lãt cña roto, trôc cña ®éng c¬

chÝnh lµ trôc cña ®éng c¬ VSED.

- M¸y ph¸t håi tiÕp : Trªn trôc ®éng c¬ phÝa ngoµi cã g¾n mét nam ch©m vinh cöu

h×nh trô, v× vËy khi ®éng c¬ quay th× nam ch©m nµy còng quay theo., bamo bªn

ngoµi nam ch©m h×nh trô lµ cuén d©y ph¸t ®iÖn, ®iÖn ¸p mµ cuén d©y nµy ph¸t ra

khi ®éng c¬ quay tØ lÖ thuËn víi tèc ®é quay cña ®éng c¬. Ng-êi ta sö dông ®iÖn

¸p nµy ®Ó khèng chÕ qu¸ tr×nh æn ®Þnh cña hÖ thèng.

- Ngoµi c¸c bé phËn trªn, còng gièng nh- c¸c lo¹i ®éng c¬ th«ng th-êng kh¸c,

®éng c¬ VSED còng cã vá ®-îc ®óc b»ng thÐp vµ cã c¸c c¸nh t¶n nhiÖt.

Nh- vËy víi c¸ch cÊu t¹o trªn ®éng c¬ VSED cã kh¶ n¨ng më m¸y víi momen nhá

khi kh«ng cã t¶i hoÆc kh«ng t¶i.

b. M« h×nh hÖ thèng øng dông ®éng c¬ VSED:

Nguån cung cÊp

§éng c¬ truyÒn

®éng chÝnh

D©y truyÒn s¶n

xuÊt (t¶i)

Bé ®iÒu chØnh

tèc ®é

HiÓn thÞ tèc ®é

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

c. S¬ ®å khèi hÖ thèng ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ VSED:

Khèi

ChØnh

l-u cã

®iÒu

Nguån

cung

cÊp

Khèi

t¹o dao

®éng

®ång

bé vµ

ph¸t

§éng

c¬

VSED

khiÓn

xung

HiÓn thÞ

Håi tiÕp

- Khèi nguån: sö dông ®iÖn ¸p 3 pha cho ®éng c¬ s¬ cÊp vµ mét pha cung cÊp cho

m¹ch chØnh l-u cã ®iÒu khiÓn ®Ó t¹o dßng mét chiÒu thay ®æi ®-îc ®-a vµo nam ch©m

®iÖn cña ®éng c¬ thø cÊp.

Nguån mét chiÒu cung cÊp cho m¹ch ®iÒu khiÓn t¹o dao ®éng … th-êng sö dông

nguån 12V, 5V.

- Khèi dao ®éng: §©y lµ khèi t¹o xung kÝch më SCR th-êng dao ®éng kiÓu LC hoÆc

RC.

- Khèi ®ång pha: §©y lµ khèi so s¸nh tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn kÝch më SCR víi tÝn hiÖu

®Æt vµo 2 ®Çu A vµ K cña SCR, 2 tÝn hiÖu nµy ph¶i ®ång pha víi nhau th× SCR míi

lµm viÖc ®-îc.

- Khèi chØnh l-u cã ®iÒu khiÓn: Th-êng sö dông SCR c«ng suÊt lín.

- Khèi håi tiÕp: §©y chÝnh lµ mét m¸y ph¸t tèc ®-îc l¾p trªn trôc ®éng c¬ VSED.

TÝn hiÖu nµy ®-îc ®-a vÒ æn ®Þnh tèc ®é ®éng c¬ khi ®iÒu khiÓn.

- Khèi hiÓn thÞ: §©y lµ m¹ch ®o t-¬ng tù sö dông c¬ cÊu ®o tèc ®é tõ mét ®ång hå ®o

®iÖn ¸p håi tiÕp vÒ cña m¸y ph¸t tèc.

d. ¦u nh-îc ®iÓm cña ®éng c¬ VSED:

¦u ®iÓm:

+ §©y lµ lo¹i ®éng c¬ cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n dùa trªn kÕt cÊu cña nh÷ng m¸y ®iÖn th«ng

dông.

+ Kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh tèc ®é ®¬n gi¶n an toµn nhê ®iÒu chØnh nguån mmét chiÒu bªn

ngoµi.

+ Khi khëi ®éng ®éng c¬ kh«ng ph¶i mang t¶i do ®ã rÊt thÝch hîp cho c¸c øng dông

®iÒu khiÓn c¸c b¨ng truyªng, c¸c d©y truyªng s¶n xuÊt.

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

Nh-îc ®iÓm:

+ Ph¶i dïng nhiÒu nguån nu«i

+ Khi t¶i lín cã hiÖn t-îng tr-ît t¹i khíp tõ do ®ã lµm cho hiÖu suÊt cña hÖ thÊp,

kh«ng thÓ sö dông vµo nh÷ng øng dông cÇn ®é chÝnh x¸c cao.

1-5-2- §éng c¬ b-íc (Step Motor) :

§éng c¬ b-íc cã thÓ ®-îc m« t¶ nh- lµ mét ®éng c¬ ®iÖn kh«ng dïng bé chuyÓn

m¹ch. Cô thÓ, c¸c mÊu trong ®éng c¬ lµ stator, vµ rotor lµ nam ch©m vÜnh cöu hoÆc

trong tr-êng hîp cña ®éng c¬ biÕn tõ trë, nã lµ nh÷ng khèi r¨ng lµm b»ng vËt liÖu nhÑ

cã tõ tÝnh. TÊt c¶ c¸c m¹ch ®¶o ph¶i ®-îc ®iÒu khiÓn bªn ngoµi bëi bé ®iÒu khiÓn, vµ

®Æc biÖt, c¸c ®éng c¬ vµ bé ®iÒu khiÓn ®-îc thiÕt kÕ ®Ó ®éng c¬ cã thÓ gi÷ nguyªn bÊt

kú vÞ trÝ cè ®Þnh nµo còng nh- lµ quay ®Õn bÊt kú vÞ trÝ nµo. HÇu hÕt c¸c ®éng c¬ b-íc

cã thÓ chuyÓn ®éng ë tÇn sè ©m thanh, cho phÐp chóng quay kh¸ nhanh, vµ víi mét bé

®iÒu khiÓn thÝch hîp, chóng cã thÓ khëi ®éng vµ dõng l¹i dÔ dµng ë c¸c vÞ trÝ bÊt kú.

Trong mét vµi øng dông, cÇn lùa chän gi÷a ®éng c¬ servo vµ ®éng c¬ b-íc. C¶ hai lo¹i

®éng c¬ nµy ®Òu nh- nhau v× cã thÓ x¸c ®Þnh ®-îc vÞ trÝ chÝnh x¸c, nh-ng chóng còng

kh¸c nhau ë mét sè ®iÓm. Servo motor ®ßi hái tÝn hiÖu håi tiÕp analog. §Æc biÖt, ®iÒu

nµy ®ßi hái mét bé t¾c#]c« ®Ó cung cÊp tÝn hiÖu håi tiÕp vÒ vÞ trÝ cña rotor, vµ mét sè

m¹ch phøc t¹p ®Ó ®iÒu khiÓn sù sai lÖch gi÷a vÞ trÝ mong muèn vµ v× trÝ tøc thêi v× lóc

®ã dßng qua ®éng c¬ sÏ dao ®éng t¾t dÇn.

§Ó lùa chän gi÷a ®éng c¬ b-íc vµ ®éng c¬ servo, ph¶i xem xÐt mét sè vÊn ®Ò, vµ nã

phô thuéc vµo c¸c øng dông thùc tÕ. VÝ dô, kh¶ n¨ng trë vÒ mét vÞ trÝ ®· v-ît qua phô

thuéc vµo h×nh d¹ng rotor ®éng c¬ b-íc, trong khi ®ã, kh¶ n¨ng lÆp l¹i vÞ trÝ cña ®éng

c¬ servo nãi chung phô thuéc vµo ®é æn ®Þnh cña bé t¾c c« vµ c¸c linh kiÖn analog

kh¸c trong m¹ch håi tiÕp.

§éng c¬ b-íc cã thÓ ®-îc dïng trong hÖ thèng ®iÒu khiÓn vßng hë ®¬n gi¶n; nh÷ng hÖ

thèng nµy ®¶m b¶o cho hÖ thèng ®iÒu khiÓn gia tèc víi t¶i träng tÜnh, nh-ng khi t¶i

träng thay ®æi hoÆc ®iÒu khiÓn ë gia tèc lín, ng-êi ta vÉn dïng hÖ ®iÒu khiÓn vßng kÝ

víi ®éng c¬ b-íc. NÕu mét ®éng c¬ b-íc trong hÖ ®iÒu khiÓn vßng më qu¸ t¶i, tÊt c¶

c¸c gi¸ trÞ vÒ vÞ trÝ cña ®éng c¬ ®Òu bÞ mÊt vµ hÖ thèng ph¶i nhËn diÖn l¹i; servo motor

th× kh«ng x¶y ra vÊn ®Ò nµy. §éng c¬ b-íc trong tiÕng §øc lµ SCHRITTMOTOREN,

trong tiÕng Ph¸p lµ MOTEURS PAS µ PAS, vµ trong tiÕng T©y Ban Nha lµ MOTOR

PASO PASO. Tõ step motor vµ stepper motor còng ®-îc dïng kh¸ phæ biÕn.

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

C¸c lo¹i ®éng c¬ b-íc

PhÇn 1: §éng c¬ b-íc dÞch bëi §oµn HiÖp

• Giíi thiÖu

• §éng c¬ biÕn tõ trë

• §éng c¬ ®¬n cùc

• §éng c¬ hai cùc

• §éng c¬ nhiÒu pha

Giíi thiÖu

§éng c¬ b-íc ®-îc chia lµm hai lo¹i, nam ch©m vÜnh cöu vµ biÕn tõ trë (còng cã lo¹i

®éng c¬ hçn hîp n÷a, nh-ng nã kh«ng kh¸c biÖt g× víi ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu).

NÕu mÊt ®i nh·n trªn ®éng c¬, c¸c b¹n vÉn cã thÓ ph©n biÖt hai lo¹i ®éng c¬ nµy b»ng

c¶m gi¸c mµ kh«ng cÇn cÊp ®iÖn cho chóng. §éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu d-êng nh-

cã c¸c nÊc khi b¹n dïng tay xoay nhÑ rotor cña chóng, trong khi ®éng c¬ biÕn tõ trë

th× d-êng nh- xoay tù do (mÆc dï c¶m thÊy chóng còng cã nh÷ng nÊc nhÑ bëi sù gi¶m

tõ tÝnh trong rotor). B¹n còng cã thÓ ph©n biÖt hai lo¹i ®éng c¬ nµy b»ng ohm kÕ.

§éng c¬ biÕn tõ trë th-êng cã 3 mÊu, víi mét d©y vÒ chung, trong khi ®ã, ®éng c¬

nam ch©m vÜnh cöu th-êng cã hai mÊu ph©n biÖt, cã hoÆc kh«ng cã nót trung t©m. Nót

trung t©m ®-îc dïng trong ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu ®¬n cùc.

§éng c¬ b-íc phong phó vÒ gãc quay. C¸c ®éng c¬ kÐm nhÊt quay 90 ®é mçi b-íc,

trong khi ®ã c¸c ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu xö lý cao th-êng quay 1.8 ®é ®Õn 0.72

®é mçi b-íc. Víi mét bé ®iÒu khiÓn, hÇu hÕt c¸c lo¹i ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu vµ

hçn hîp ®Òu cã thÓ ch¹y ë chÕ ®é nöa b-íc, vµ mét vµi bé ®iÒu khiÓn cã thÓ ®iÒu

khiÓn c¸c ph©n b-íc nhá h¬n hay cßn gäi lµ vi b-íc.

§èi víi c¶ ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu hoÆc ®éng c¬ biÕn tõ trë, nÕu chØ mét mÊu cña

®éng c¬ ®-îc kÝch, rotor (ë kh«ng t¶i) sÏ nh¶y ®Õn mét gãc cè ®Þnh vµ sau ®ã gi÷

nguyªn ë gãc ®ã cho ®Õn khi moment xo¾n v-ît qua gi¸ trÞ moment xo¾n gi÷ (hold

torque) cña ®éng c¬.

§éng c¬ biÕn tõ trë

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

H×nh 1.1

NÕu motor cña b¹n cã 3 cuén d©y, ®-îc nèi nh- trong biÓu ®å h×nh 1.1, víi mét ®Çu

nèi chung cho tÊt c¶ c¸c cuén, th× nã ch¾c h¼n lµ mét ®éng c¬ biÕn tõ trë. Khi sö dông,

d©y nèi chung (C) th-êng ®-îc nèi vµo cùc d-¬ng cña nguån vµ c¸c cuén ®-îc kÝch

theo thø tù liªn tôc. DÊu thËp trong h×nh 1.1 lµ rotor cña ®éng c¬ biÕn tõ trë quay 30

®é mçi b-íc. Rotor trong ®éng c¬ nµy cã 4 r¨ng vµ stator cã 6 cùc, mçi cuén quÊn

quanh hai cùc ®èi diÖn. Khi cuén 1 ®-îc kÝch ®iÖn, r¨ng X cña rotor bÞ hót vµo cùc 1.

NÕu dßng qua cuén 1 bÞ ng¾t vµ ®ãng dßng qua cuén 2, rotor sÏ quay 30 ®é theo chiÒu

kim ®ång hå vµ r¨ng Y sÏ hót vµo cùc 2. §Ó quay ®éng c¬ nµy mét c¸ch liªn tôc,

chóng ta chØ cÇn cÊp ®iÖn liªn tôc lu©n phiªn cho 3 cuén. Theo logic ®Æt ra, trong b¶ng

d-íi ®©y 1 cã nghÜa lµ cã dßng ®iÖn ®i qua c¸c cuén, vµ chuçi ®iÒu khiÓn sau sÏ quay

®éng c¬ theo chiÒu kim ®ång hå 24 b-íc hoÆc 2 vßng:

Cuén 1 1001001001001001001001001

Cuén 2 0100100100100100100100100

Cuén 3 0010010010010010010010010

thêi gian #]#]>

PhÇn §iÒu khiÓn møc trung b×nh cung cÊp chi tiÕt vÒ ph-¬ng ph¸p t¹o ra c¸c d·y tÝn

hiÖu ®iÒu khiÓn nh- vËy, vµ phÇn C¸c m¹ch ®iÒu khiÓn bµn vÒ viÖc ®ãng ng¾t dßng

®iÖn qua c¸c cuén ®Ó ®iÒu khiÓn ®éng c¬ tõ c¸c chuçi nh- thÕ. H×nh d¹ng ®éng c¬

®-îc m« t¶ trong h×nh 1.1, quay 30 ®é mçi b-íc, dïng sè r¨ng rotor vµ sè cùc stator

tèi thiÓu. Sö dông nhiÒu cùc vµ nhiÒu r¨ng h¬n cho phÐp ®éng c¬ quay víi gãc nhá

h¬n. T¹o mÆt r¨ng trªn bÒ mÆt c¸c cùc vµ c¸c r¨ng trªn rotor mét c¸ch phï hîp cho

phÐp c¸c b-íc nhá ®Õn vµi ®é.

§éng c¬ ®¬n cùc

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

H×nh 1.2

§éng c¬ b-íc ®¬n cùc, c¶ nam ch©m vÜnh cöu vµ ®éng c¬ hçn hîp, víi 5, 6 hoÆc 8 d©y

ra th-êng ®-îc quÊn nh- s¬ ®å h×nh 1.2, víi mét ®Çu nèi trung t©m trªn c¸c cuén. Khi

dïng, c¸c ®Çu nèi trung t©m th-êng ®-îc nèi vµo cùc d-¬ng nguån cÊp, vµ hai ®Çu cßn

l¹i cña mçi mÊu lÇn l-ît nèi ®Êt ®Ó ®¶o chiÒu tõ tr-êng t¹o bëi cuén ®ã. Sù kh¸c nhau

gi÷a hai lo¹i ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu ®¬n cùc vµ ®éng c¬ hçn hîp ®¬n cùc kh«ng

thÓ nãi râ trong néi dung tãm t¾t cña tµi liÖu nµy. Tõ ®©y, khi kh¶o s¸t ®éng c¬ ®¬n

cùc, chóng ta chØ kh¶o s¸t ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu, viÖc ®iÒu khiÓn ®éng c¬ hçn

hîp ®¬n cùc hoµn toµn t-¬ng tù. MÊu 1 n»m ë cùc trªn vµ d-íi cña stator, cßn mÊu 2

n»m ë hai cùc bªn ph¶i vµ bªn tr¸i ®éng c¬. Rotor lµ mét nam ch©m vÜnh cöu víi 6

cùc, 3 Nam vµ 3 B¾c, xÕp xen kÏ trªn vßng trßn. §Ó xö lý gãc b-íc ë møc ®é cao h¬n,

rotor ph¶i cã nhiÒu cùc ®èi xøng h¬n. §éng c¬ 30 ®é mçi b-íc trong h×nh lµ mét trong

nh÷ng thiÕt kÕ ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu th«ng dông nhÊt, mÆc dï ®éng c¬ cã b-íc

15 ®é vµ 7.5 ®é lµ kh¸ lín. Ng-êi ta còng ®· t¹o ra ®-îc ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu

víi mçi b-íc lµ 1.8 ®é vµ víi ®éng c¬ hçn hîp mçi b-íc nhá nhÊt cã thÓ ®¹t ®-îc lµ

3.6 ®é ®Õn 1.8 ®é, cßn tèt h¬n n÷a, cã thÓ ®¹t ®Õn 0.72 ®é. Nh- trong h×nh, dßng ®iÖn

®i qua tõ ®Çu trung t©m cña mÊu 1 ®Õn ®Çu a t¹o ra cùc B¾c trong stator trong khi ®ã

cùc cßn l¹i cña stator lµ cùc Nam. NÕu ®iÖn ë mÊu 1 bÞ ng¾t vµ kÝch mÊu 2, rotor sÏ

quay 30 ®é, hay 1 b-íc. §Ó quay ®éng c¬ mét c¸ch liªn tôc, chóng ta chØ cÇn ¸p ®iÖn

vµo hai mÊu cña ®«ng c¬ theo d·y.

MÊu 1a 1000100010001000100010001 MÊu 1a 1100110011001100110011001

MÊu 1b 0010001000100010001000100 MÊu 1b 0011001100110011001100110

MÊu 2a 0100010001000100010001000 MÊu 2a 0110011001100110011001100

MÊu 2b 0001000100010001000100010 MÊu 2b 1001100110011001100110011

thêi gian #]#]> thêi gian #]#]>

Nhí r»ng hai nöa cña mét mÊu kh«ng bao giê ®-îc kÝch cïng mét lóc. C¶ hai d·y nªu

trªn sÏ quay mét ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu mét b-íc ë mçi thêi ®iÓm. D·y bªn tr¸i

chØ cÊp ®iÖn cho mét mÊu t¹i mét thêi ®iÓm, nh- m« t¶ trong h×nh trªn; v× vËy, nã

dïng Ýt n¨ng l-îng h¬n. D·y bªn ph¶i ®ßi hái cÊp ®iÖn cho c¶ hai mÊu mét lóc vµ nãi

chung sÏ t¹o ra mét moment xo¾y lín h¬n d·y bªn tr¸i 1.4 lÇn trong khi ph¶i cÊp ®iÖn

gÊp 2 lÇn.

PhÇn §iÒu khiÓn møc trung b×nh trong tµi liÖu nµy sÏ cung cÊp chi tiÕt vÒ ph-¬ng

ph¸p t¹o ra nh÷ng d·y tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn nh- vËy, cßn phÇn C¸c m¹ch ®iÒu khiÓn

nãi vÒ m¹ch ®ãng ng¾t c¸c m¹ch ®iÖn cÇn thiÕt ®Ó ®iÒu khiÓn c¸c mÊu ®éng c¬ tõ c¸c

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

d·y ®iÒu khiÓn trªn. VÞ trÝ b-íc ®-îc t¹o ra bëi hai chuçi trªn kh«ng gièng nhau; kÕt

qu¶, kÕt hîp 2 chuçi trªn cho phÐp ®iÒu khiÓn nöa b-íc, víi viÖc dõng ®éng c¬ mét

c¸ch lÇn l-ît t¹i nh÷ng vÞ trÝ ®· nªu ë mét trong hai d·y trªn. Chuçi kÕt hîp nh- sau:

MÊu 1a 11000001110000011100000111

MÊu 1b 00011100000111000001110000

MÊu 2a 01110000011100000111000001

MÊu 2b 00000111000001110000011100

Thêi gian #]#]>

§éng c¬ hai cùc

H×nh 1.3

§éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu hoÆc hçn hîp hai cùc cã cÊu tróc c¬ khÝ gièng y nh-

®éng c¬ ®¬n cùc, nh-ng hai mÊu cña ®éng c¬ ®-îc nèi ®¬n gi¶n h¬n, kh«ng cã ®Çu

trung t©m. V× vËy, b¶n th©n ®éng c¬ th× ®¬n gi¶n h¬n, nh-ng m¹ch ®iÒu khiÓn ®Ó ®¶o

cùc mçi cÆp cùc trong ®éng c¬ th× phøc t¹p h¬n. Minh ho¹ ë h×nh 1.3 chØ ra c¸ch nèi

®éng c¬, trong khi ®ã phÇn rotor ë ®©y gièng y

nh- ë h×nh 1.2. M¹ch ®iÒu khiÓn cho ®éng c¬ ®ßi hái mét m¹ch ®iÒu khiÓn cÇu H cho

mçi mÊu; ®iÒu nµy sÏ ®-îc bµn chi tiÕt trong phÇn C¸c m¹ch ®iÒu khiÓn. Tãm l¹i,

mét cÇu H cho phÐp cùc cña nguån ¸p ®Õn mçi ®Çu cña mÊu ®-îc ®iÒu khiÓn mét c¸ch

®éc lËp. C¸c d·y ®iÒu khiÓn cho mçi b-íc ®¬n cña lo¹i ®éng c¬ nµy ®-îc nªu

bªn d-íi, dïng + vµ #] ®Ó ®¹i diÖn cho c¸c cùc cña nguån ¸p ®-îc ¸p vµo mçi

®Çu cña ®éng c¬:

§Çu 1a + #] #] #] + #] #] #] + #] #] #] + #] #] #] + + #] #] + + #] #] + + #] #] + +

#] #]

§Çu 1b #] #] + #] #] #] + #] #] #] + #] #] #] + #] #] #] + + #] #] + + #] #] + + #]

#] + +

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

§Çu 2a #] + #] #] #] + #] #] #] + #] #] #] + #] #] #] + + #] #] + + #] #] + + #] #]

+ + #]

§Çu 2b #] #] #] + #] #] #] + #] #] #] + #] #] #] + + #] #] + + #] #] + + #] #] + +

#] #] +

thêi gian #]#]>

Chó ý r»ng nh÷ng d·y nµy gièng nh- trong ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu ®¬n cùc, ë

møc ®é lý thuyÕt, vµ r»ng ë møc ®é m¹ch ®ãng ng¾t cÇu H, hÖ thèng ®iÒu khiÓn cho

hai lo¹i ®éng c¬ nµy lµ gièng nhau.

Chó ý kh¸c lµ cã rÊt nhiÒu chip ®iÒu khiÓn cÇu H cã mét ®Çu vµo ®iÒu khiÓn ®Çu

ra vµ mét ®Çu kh¸c ®Ó ®iÒu khiÓn h-íng. Cã lo¹i chip cÇu H kÓ trªn, d·y ®iÒu

khiÓn d-íi ®©y sÏ quay ®éng c¬ gièng nh- d·y ®iÒu khiÓn nªu phÝa trªn:

Enable 1 1010101010101010 1111111111111111

H-íng 1 1x0x1x0x1x0x1x0x 1100110011001100

Enable 2 0101010101010101 1111111111111111

H-íng 2 x1x0x1x0x1x0x1x0 0110011001100110

thêi gian #]#]>

§Ó ph©n biÖt mét ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu hai cùc víi nh÷ng ®éng c¬ 4 d©y biÕn tõ

trë, ®o ®iÖn trë gi÷a c¸c cÆp d©y. Chó ý lµ mét vµi ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu cã 4

mÊu ®éc lËp, ®-îc xÕp thµnh 2 bé. Trong mçi bé, nÕu hai mÊu ®-îc nèi tiÕp víi nhau,

th× ®ã lµ ®éng c¬ hai cùc ®iÖn thÕ cao. NÕu chóng ®-îc nèi song song, th× ®ã lµ ®éng

c¬ hai cùc dïng ®iÖn thÕ thÊp. NÕu chóng ®-îc nèi tiÕp víi mét ®Çu trung t©m, th×

dïng nh- víi ®éng c¬ ®¬n cùc ®iªn thÕ thÊp.

§éng c¬ nhiÒu pha

H×nh 1.4

Mét bé phËn c¸c ®éng kh«ng ®-îc phæ biÕn nh- nh÷ng lo¹i trªn ®ã lµ ®éng c¬ nam

ch©m vÜnh cöu mµ c¸c cuén ®-îc quÊn nèi tiÕp thµnh mét vßng kÝn nh- h×nh 1.4.

ThiÕt kÕ phæ biÕn nhÊt ®èi víi lo¹i nµy sö dông d©y nèi 3 pha vµ 5 pha. Bé ®iÒu khiÓn

cÇn # cÇu H cho mçi mét ®Çu ra cña ®éng c¬, nh-ng nh÷ng ®éng c¬ nµy cã thÓ cung

cÊp moment xo¾n lín h¬n so víi c¸c lo¹i ®éng c¬ b-íc kh¸c cïng kÝch th-íc. Mét vµi

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

®éng c¬ 5 pha cã thÓ xö lý cÊp cao ®Ó cã ®-îc b-íc 0.72 ®é (500 b-íc mçi vßng).Víi

mét ®éng c¬ 5 pha nh- trªn sÏ quay m-êi b-ícmçi vßng b-íc, nh- tr×nh bµy d-íi ®©y:

§Çu 1 + + + #] #] #] #] #] + + + + + #] #] #] #] #] + +

§Çu 2 #] #] + + + + + #] #] #] #] #] + + + + + #] #] #]

§Çu 3 + #] #] #] #] #] + + + + + #] #] #] #] #] + + + +

§Çu 4 + + + + + #] #] #] #] #] + + + + + #] #] #] #] #]

§Çu 5 #] #] #] #] + + + + + #] #] #] #] #] + + + + + #]

thêi gian #]#]>

ë ®©y, gièng nh- trong tr-êng hîp ®éng c¬ hai cùc, mçi ®Çu hoÆc ®-îc nèi vµo cùc

d-¬ng hoÆc cùc ©m cña hÖ thèng cÊp ®iÖn ®éng c¬. Chó ý r»ng, t¹i mçi b-íc, chØ cã

mét ®Çu thay ®æi cùc. Sù thay ®æi nµy lµm ng¾t ®iÖn ë mét mÊu nèi vµo ®Çu ®ã (bëi v×

c¶ hai ®Çu cña mÊu cã cïng ®iÖn cùc) vµ ¸p ®iÖn vµo mét mÊu ®ang trong tr¹ng th¸i

nghØ tr-íc ®ã. H×nh d¹ng cña ®éng c¬ ®-îc ®Ò nghÞ nh- h×nh 1.4, d·y ®iÒu khiÓn sÏ

®iÒu khiÓn ®éng c¬ quay 2 vßng. §Ó ph©n biÖt ®éng c¬ 5 pha víi c¸c lo¹i ®éng c¬ cã 5

d©y dÉn chÝnh, cÇn nhí r»ng, nÕu ®iÖn trë gi÷a 2 ®Çu liªn tiÕp cña mét ®éng c¬ 5 pha

lµ R, th× ®iÖn trë gi÷a hai ®Çu kh«ng liªn tiÕp sÏ lµ 1.5R.

Vµ còng cÇn ghi nhËn r»ng mét vµi ®éng c¬ 5 pha cã 5 mÊu chia, víi 10 ®Çu d©y dÉn

chÝnh. Nh÷ng d©y nµy cã thÓ nèi thµnh h×nh sao nh- h×nh minh ho¹ trªn, sö dông

m¹ch ®iÒu khiÓn gåm 5 nöa cÇu H, nãi c¸ch kh¸c mçi mÊu cã thÓ ®-îc ®iÒu khiÓn bëi

mét vßng cÇu H ®Çy ®ñ cña nã. §Ó tr¸nh viÖc tÝnh to¸n lý thuyÕt víi c¸c linh kiÖn ®iÖn

tö, cã thÓ dïng chip m¹ch cÇu tÝch hîp ®Çy ®ñ ®Ó tÝnh to¸n gÇn ®óng.

Tãm t¾t ch-¬ng

Qua ch-¬ng nµy, c¸c b¹n ®· cã thÓ ph©n biÖt c¸c lo¹i ®éng c¬ nh- ®éng c¬ biÕn tõ trë,

®éng c¬ ®¬n cùc, ®éng c¬ hai cùc, vµ ®éng c¬ nhiÒu pha dùa vµo c¶m nhËn b»ng tay

khi quay rotor vµ dïng Ohm kÕ. ViÖc ph©n biÖt c¸c cÆp ®Çu ra cña c¸c cuén d©y còng

cã thÓ suy ra tõ viÖc dïng Ohm kÕ ®Ó ®o c¸c ®Çu d©y. Tuy nhiªn, viÖc x¸c ®Þnh cÆp

d©y ra cña tõng cuén d©y trong ®éng c¬ ®¬n cùc h¬i khã kh¨n h¬n mét chót.

§Ó ph©n biÖt hai cÆp d©y cña ®éng c¬ ®¬n cùc 5 d©y, tr-íc tiªn chóng ta dïng Ohm kÕ

®Ó x¸c ®Þnh d©y nèi trung t©m. ¸p ®iÖn ¸p xoay chiÒu vµo d©y trung t©m vµ mét trong 4

d©y cßn l¹i. Dïng Volt kÕ xoay chiÒu ®o ®iÖn ¸p gi÷a d©y nèi trung t©m vµ 3 d©y cßn

l¹i. Chóng ta sÏ thÊy r»ng ®iÖn ¸p gi÷a d©y trung t©m víi 2 trong 3 d©y cßn l¹i ®ã gÇn

nh- b»ng kh«ng, vµ víi d©y thø ba th× gÇn nh- b»ng ®iÖn ¸p xoay chiÒu ¸p vµo ®éng

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

c¬. Nh- vËy, hai d©y cho ®iÖn ¸p gÇn b»ng 0 lµ mét cÆp, hai d©y cßn l¹i sÏ lµ cÆp thø

hai.

Lêi khuyªn:

Khi dïng Ohm kÕ ®Ó ®o, nhí ghi chó vµ vÏ ngay l¹i c¸ch nèi d©y trong ®éng c¬ ®Ó

tr¸nh nhÇm lÉn vÒ sau

- C¸c d©y nèi trung t©m lu«n ®-îc nèi víi nguån d-¬ng trong m¹ch ®iÒu khiÓn (kÓ

c¶ ®éng c¬ biÕn tõ trë vµ ®éng c¬ ®¬n cùc)

- §iÖn ¸p xoay chiÒu dïng ®Ó ph©n biÖt c¸c cÆp d©y trong ®éng c¬ ®¬n cùc ph¶i ®ñ

nhá ®Ó kh«ng lµm h- ®éng c¬. §iÖn ¸p ®Ønh cña dßng xoay chiÒu ph¶i nhá h¬n

®iÖn ¸p ng-ìng cña ®éng c¬. Th«ng th-êng, víi ®éng c¬ 24VDC, vµ 12VDC t«i

th-êng dïng 9VAC vµ 6VAC ®Ó thÝ nghiÖm.

- Lu«n ghi nhí r»ng ®éng c¬ b-íc lµ ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu

Bµi tËp:

Tù viÕt ra (hoÆc lµm thÝ nghiÖm thùc tÕ) tÊt c¶ c¸c tr-êng hîp ®Ó ph©n biÖt tÊt c¶

c¸c lo¹i ®éng c¬ kÓ trªn vµ ph©n biÖt c¸c d©y nèi ®éng c¬ cña tõng lo¹i khi chØ cã

Ohm kÕ vµ Volt kÕ.

Lµm thÕ nµo ®Ó biÕt ®iÖn ¸p ng-ìng cña ®éng c¬ m×nh ®ang cã?

VËt lý häc ®éng c¬ b-íc

PhÇn 2: §éng c¬ b-íc dÞch bëi §oµn HiÖp

• Giíi thiÖu

• TÜnh häc

• §iÒu khiÓn nöa b-íc vµ vi b-íc

• Lùc ma s¸t vµ vïng chÕt

• §éng lùc häc

• Céng h-ëng

• Sèng chung víi céng h-ëng

• VËn tèc moment xo¾n c¶n

• VÊn ®Ò vÒ ®iÖn tõ

Giíi thiÖu

Khi nãi vÒ c¸c ®¹i l-îng vËt lý, viÖc chó ý ®Õn ®¬n vÞ ®o ®-îc dïng lµ rÊt quan

träng! Trong phÇn tr×nh bµy nµy vÒ ®éng c¬ b-íc còng vËy, chóng ta sÏ nh¾c l¹i

c¸c ®¬n vÞ vËt lý tiªu chuÈn:

English CGS MKS

KHèI L¦îNG slug gram kilogram

LùC pound dyne newton

KHO¶NG C¸CH foot centimeter meter

THêI GIAN second second second

GãC radian radian radian

Theo b¶ng trªn, lùc mét pound sÏ gia tèc cho mét khèi l-îng mét slug lµ mét

foot trªn mét gi©y b×nh ph-¬ng. Mèi quan hÖ nµy gi÷a ®¬n vÞ cña lùc, khèi

l-îng vµ thêi gian vµ kho¶ng c¸ch trong c¸c hÖ ®¬n vÞ ®o kh¸c còng gièng nh-

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

vËy. Ng-êi ta th-êng lÉn lén gãc th× ®o b»ng ®é vµ khèi l-îng l¹i ®o b»ng

pound råi lùc l¹i tÝnh b»ng kilograms sÏ lµm thay ®æi kÕt qu¶ ®óng cña c¸c c«ng

thøc d-íi ®©y! CÈn thËn khi biÕn ®æi nh÷ng ®¬n vÞ kh«ng chÝnh quy thµnh c¸c

®¬n vÞ tiªu chuÈn ®-îc liÖt kª trªn ®©y tr-íc khi ¸p dông c¸c c«ng thøc tÝnh

to¸n!

2

TÜnh häc

Cho mét ®éng c¬ quay S radian mçi b-íc, biÓu ®å moment xo¾n theo vÞ trÝ gãc

cña rotor so víi vÞ trÝ c©n b»ng ban ®Çu sÏ cã d¹ng gÇn ®óng h×nh sin. H×nh

d¹ng thùc tÕ cña biÓu ®å phô thuéc vµo h×nh d¹ng c¸c cùc cña rotor vµ stator,

nh-ng trong b¶ng th«ng sè (datasheet) cña ®éng c¬ l¹i kh«ng cã biÓu ®å nµy, vµ

còng kh«ng tr×nh bµy h×nh d¹ng c¸c cùc! §èi víi ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu vµ

®éng c¬ hçn hîp, biÓu ®å moment theo vÞ trÝ gãc rotor th-êng gièng nh- h×nh

sin, nh-ng còng kh«ng h¼n vËy. §èi víi ®éng c¬ biÕn tõ trë, ®-êng nµy gièng

h×nh sin mét chót, h×nh thang mét chót nh-ng còng kh«ng h¼n lµ h×nh r¨ng c-a.

§èi víi ®éng c¬ 3 mÊu biÕn tõ trë hoÆc nam ch©m vÜnh cöu cã gãc b-íc S, chu

kú cña moment so víi vÞ trÝ sÏ lµ 3S; hay mét ®éng c¬ 5 pha, chu kú sÏ lµ 5S. §èi

víi ®éng c¬ 2 mÊu nam ch©m vÜnh cöu hay hçn hîp, lo¹i phæ biÕn nhÊt, chu kú

sÏ lµ 4S, nh- ®-îc m« t¶ trong H×nh 2.1

H×nh 2.1

Nh¾c l¹i, ®èi víi mét ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu 2 mÊu lý t-ëng, ®-êng cong

nµy cã thÓ m« t¶ to¸n häc nh- sau:

T = #]h sin( (( /2) / S) )

trong ®ã

T #]#] moment xo¾n (torque)

h #]#] moment xo¾n gi÷ (holding torque)

S #]#]gãc b-íc, tÝnh b»ng radian (step angle)

= gãc trôc (shaft angle)

Nh-ng nhí r»ng, th-êng th× ®-êng biÓu ®å thùc kh«ng bao giê cã d¹ng h×nh

sin lý t-ëng nh- trªn.

Moment xo¾n gi÷ (holding torque) trªn mét mÊu (winding) cña ®éng c¬ b-íc lµ

gi¸ trÞ ®Ønh cña moment xo¾n trªn biÓu ®å khi dßng qua mét mÊu ®¹t gi¸ trÞ lín

nhÊt. NÕu cè t¨ng gi¸ trÞ moment xo¾n lªn cao h¬n gi¸ trÞ ®Ønh trong khi vÉn gi÷

nguyªn ®iÖn ¸p kÝch ë mét mÊu, rotor sÏ quay tù do.

3

§«i khi viÖc ph©n biÖt gi÷a gãc trôc ®iÖn vµ gãc trôc c¬ lµ viÖc lµm cÇn thiÕt. VÒ

mÆt c¬, mét vßng quay cña rotor sÏ lµ 2 rad. VÒ ph-¬ng diÖn ®iÖn, mét vßng

®-îc ®Þnh nghÜa lµ mét chu kú cña ®-êng cong moment xo¾n ®èi víi gãc trôc.

Trong tµi liÖu nµy, sÏ dïng ®Ó chØ gãc trôc c¬, vµ (( /2)/S) ®Ó chØ gãc trôc

®iÖn cña mét ®éng c¬ 4 b-íc/vßng.

Cho r»ng ®-êng cong moment xo¾n so víi vÞ trÝ gãc gÇn ®óng h×nh sin. Chõng

nµo mµ moment xo¾n cßn b»ng moment xo¾n gi÷, rotor sÏ vÉn n»m trong # chu

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

kú so víi vÞ trÝ c©n b»ng. §èi víi mét ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu hay hçn hîp

hai mÊu, ®iÒu nµy cã nghÜa lµ rotor sÏ gi÷ nguyªn vÞ trÝ so víi vÞ trÝ c©n b»ng

trong ph¹m vi mét b-íc.

NÕu kh«ng cã nguån cÊp vµo c¸c mÊu ®éng c¬, moment xo¾n sÏ kh«ng bao giê

gi¶m xuèng 0! Trong c¸c ®éng c¬ b-íc biÕn tõ trë, tõ tr-êng d- trong m¹ch tõ

cña ®éng c¬ cã thÓ t¹o ra mét moment xo¾n d- nhá, vµ trong c¸c ®éng c¬ nam

ch©m vÜnh cöu vµ hçn hîp, lùc hót gi÷a c¸c cùc vµ tõ tr-êng vÜnh cöu cña rotor

cã thÓ t¹o ra mét moment xo¾n ®¸ng kÓ mµ kh«ng cÇn nguån ¸p.

Moment xo¾n d- trong mét ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu hay hçn hîp th-êng

®-îc gäi lµ moment xo¾n trªn r¨ng cña ®éng c¬, bëi v× mét ng-êi khê kh¹o sÏ

nghÜ r»ng cã mét kÕt cÊu c¬ khÝ d¹ng mÊu r¨ng n»m ë bªn trong ®éng c¬ gi÷

rotor l¹i. Th«ng th-êng, moment xo¾n trªn r¨ng biÔu diÔn theo gãc rotor kh«ng

cã d¹ng h×nh sin, ë mét vÞ trÝ c©n b»ng t¹i mçi b-íc vµ mét biªn ®é lín h¬n

kho¶ng 10% moment xo¾n gi÷ cña ®éng c¬, nh-ng nh×n chung c¸c ®éng c¬ tõ

c¸c nhµ s¶n xuÊt cho ra gi¸ trÞ cao ®Õn 23% ®èi víi ®éng c¬ nhá vµ d-íi 26% ®èi

víi ®éng c¬ cì trung b×nh.

§iÒu khiÓn nöa b-íc vµ vi b-íc

MiÔn lµ kh«ng cã phÇn nµo cña m¹ch tõ b·o hßa, th× viÖc cÊp ®iÖn ®ång thêi cho

hai mÊu ®éng c¬ sÏ sinh ra mét moment xo¾n theo vÞ trÝ lµ tæng cña c¸c moment

xo¾n ®èi víi hai mÊu ®éng c¬ riªng lÎ. §èi víi ®éng c¬ hai mÊu nam ch©m vÜnh

cöu hoÆc hçn hîp, hai ®-êng cong nµy sÏ lµ S radians kh¸c pha, vµ nÕu dßng

qua hai mÊu b»ng nhau, ®Ønh cña tæng sÏ n»m ë vÞ trÝ S/2 radians kÓ tö ®Ønh cña

®-êng cong gèc, nh- ë H×nh 2.2

4

H×nh 2.2

§Êy lµ c¬ b¶n cña ®iÒu khiÓn nöa b-íc. Moment xo¾n gi÷ lµ ®Ønh cña ®-êng

cong moment xo¾n kÕt hîp khi hai mÊu cã cïng dßng lín nhÊt ®i qua. §èi víi

®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu vµ hçn hîp th«ng th-êng, moment xo¾n gi÷ hai

mÊu sÏ lµ:

h2 = 20.5 h1

trong ®ã:

h1 – moment xo¾n gi÷ trªn mét mÊu

h2 – moment xo¾n gi÷ hai mÊu

§iÒu nµy cho thÊy r»ng kh«ng cã phÇn nµo trong m¹ch tõ b·o hoµ vµ moment

xo¾n theo ®-êng cong vÞ trÝ ®èi víi mçi mÊu lµ h×nh sin lý t-ëng.

HÇu hÕt c¸c b¶ng h-íng dÉn ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu vµ biÕn tõ trë ®Òu chØ

ra moment xo¾n gi÷ hai mÊu mµ kh«ng cã ®-a ra moment xo¾n gi÷ trªn mét

mÊu; phÇn nµo, cã lÏ v× nã sÏ chiÕm nhiÒu giÊy h¬n, vµ phÇn nµo còng v× hÇu hÕt

c¸c bé ®iÒu khiÓn ®ñ b-íc th«ng th-êng lu«n ¸p ®iÖn ¸p vµo c¶ hai mÊu cïng

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

lóc.

NÕu bÊt kú phÇn nµo trong m¹ch tõ cña ®éng c¬ bÞ b·o hoµ, hai ®-êng cong

moment xo¾n sÏ kh«ng thÓ céng tuyÕn tÝnh víi nhau. KÕt qña lµ moment tæng

hîp cã thÓ kh«ng n»m chÝnh x¸c t¹i vÞ trÝ S/2 kÓ tõ vÞ trÝ c©n b»ng ban ®Çu.

§iÒu khiÓn vi b-íc cho phÐp c¸c b-íc nhá h¬n b»ng viÖc dïng c¸c dßng kh¸c

nhau qua hai mÊu ®éng c¬, nh- vÏ trªn H×nh 2.3:

H×nh 2.3

5

§èi víi mét ®éng c¬ hai mÊu biÕn tõ trë hoÆc nam ch©m vÜnh cöu, cho r»ng c¸c

m¹ch tõ kh«ng b·o hoµ vµ c¸c ®-êng cong moment xo¾n trªn mçi mÊu theo vÞ

trÝ lµ mét h×nh sin hoµn h¶o, c«ng thøc d-íi ®©y ®-a ra nh÷ng ®Æc tÝnh chñ chèt

cña ®-êng cong moment xo¾n tæng hîp:

h = ( a2 + b2 )0.5

x = ( S / ( /2) ) arctan( b / a )

trong ®ã:

a – moment xo¾n ¸p trªn mÊu víi vÞ trÝ c©n b»ng t¹i 0 radians

b – moment xo¾n ¸p trªn mÊu víi vÞ trÝ c©n b»ng t¹i S radians

h – moment xo¾n gi÷ tæng hîp

x #]#] vÞ trÝ c©n b»ng tÝnh theo radians

S – gãc b-íc, tÝnh theo radians.

Khi kh«ng cã b·o hoµ, c¸c moment xo¾n a vµ b tØ lÖ víi dßng ®i qua c¸c mÊu

t-¬ng øng. §iÒu nµy rÊt th«ng dông khi lµm viÖc víi c¸c dßng vµ moment xo¾n

b×nh th-êng, ®Ó moment xo¾n gi÷ mÊu ®¬n hoÆc dßng cùc ®¹i ®-îc chÊp nhËn

trong mét mÊu ®éng c¬ lµ 1.0.

Ma s¸t vµ vïng chÕt

§-êng cong moment xo¾n so víi vÞ trÝ ®-îc chØ ra trong H×nh 2.1 kh«ng tÝnh

®Õn moment xo¾n ®éng c¬ ®Ó th¾ng lùc ma s¸t! Chó ý r»ng c¸c lùc ma s¸t cã thÓ

®-îc chia thµnh hai lo¹i lín, lùc ma s¸t nghØ lµ lùc ma s¸t tr-ît, cÇn ph¶i cã mét

moment xo¾n ®ñ lín ®Ó th¾ng l¹i nã, kh«ng kÓ ®Õn vËn tèc vµ ma s¸t ®éng häc

hay lùc nhít, hoÆc c¸c c¶n trë kh¸c kh«ng phô thuéc vËn tèc. ë ®©y, chóng ta

quan t©m ®Õn lùc ma s¸t nghØ. Cho r»ng moment xo¾n cÇn thiÕt ®Ó th¾ng lùc ma

s¸t nghØ trong hÖ lµ # gi¸ trÞ ®Ønh moment xo¾n cña motor, nh- miªu t¶ trong

H×nh 2.4.

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

H×nh 2.4

§-êng g¹ch ®øt trong h×nh 2.4 chØ ra moment xo¾n cÇn thiÕt ®Ó th¾ng ma s¸t,

chØ cã mét phÇn ®-êng cong moment xo¾n bªn ngoµi ®-êng g¹ch ®øt lµ lµm cho

rotor chuyÓn ®éng. §-êng cong chØ ra moment xo¾n hiÖu qu¶ khi cã ma s¸t trôc

kh«ng gièng nh÷ng ®-êng cong nµy, H×nh 2.5:

6

H×nh 2.5

Chó ý r»ng t¸c dông cña lùc ma s¸t gåm hai phÇn. §Çu tiªn, tæng moment xo¾n

moment xo¾n t¸c dông bëi c¸c mÊu ®éng c¬, rotor sÏ kh«ng di chuyÓn. Cho r»ng

mét ®-êng cong h×nh sin lý t-ëng gi÷a moment xo¾n vµ vÞ trÝ khi kh«ng cã ma

s¸t, ®é réng gãc cña nh÷ng vïng chÕt sÏ lµ:

d = 2 ( S / ( /2) ) arcsin( f / h ) = ( S / ( /4) ) arcsin( f / h )

trong ®ã:

d #]#] ®é réng vïng chÕt tÝnh b»ng radians

S – gãc b-íc tÝnh b»ng radians

f – moment xo¾n cÇn thiÕt ®Ó th¾ng lùc ma s¸t

h – moment xo¾n gi÷

§iÒu quan träng ph¶i ghi chó vÒ vïng chÕt lµ nã giíi h¹n ®é chÝnh x¸c vÞ trÝ sau

cïng! Mét vÝ dô, khi lùc ma s¸t nghØ lµ 1/2 gi¸ trÞ ®Ønh moment xo¾n, mét ®éng

c¬ b-íc mçi b-íc 90° sÏ cã vïng chÕt lµ 60°! §iÒu ®ã cã nghÜa lµ c¸c b-íc hiÖu

trong vïng chÕt sau mçi b-íc!

Sù xuÊt hiÖn cña vïng chÕt cã mét ¶nh h-ëng rÊt lín ®Õn viÖc ®iÒu khiÓn vi

b-íc thùc tÕ! NÕu vïng chÕt réng x°, th× viÖc ®iÒu khiÓn vi b-íc víi ®é réng mét

b-íc nhá h¬n x° cã thÓ sÏ kh«ng lµm cho rotor quay ®-îc mét chót nµo. V× vËy,

gi¶m thiÓu ma s¸t nghØ lµ rÊt quan träng.

§éng lùc häc

radians. §iÒu nµy di chuyÓn toµn bé ®-êng cong ®-îc miªu t¶ trong h×nh 2.1

mét kho¶ng c¸ch S radians, nh- H×nh 2.6:

7

H×nh 2.6

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

§iÒu ®Çu tiªn ghi nhËn vÒ qu¸ tr×nh quay mét b-íc lµ gi¸ trÞ ngÉu lùc hiÖu dông

lín nhÊt ®¹t t¹i gi¸ trÞ nhá nhÊt khi roto ®ang quay nöa ®-êng tõ b-íc nµy sang

b-íc kÕ tiÕp. Gi¸ trÞ nhá nhÊt nµy x¸c ®Þnh moment xo¾n ®éng (running torque),

gi¸ trÞ moment xo¾n lín nhÊt cña ®éng c¬ cã thÓ ®¹t ®-îc khi nã b-íc tíi tr-íc

®-êng cong h×nh sin lý t-ëng cña moment xo¾n so víi vÞ trÝ vµ moment xo¾n

gi÷ h, gi¸ trÞ moment xo¾n ®éng sÏ lµ h/(20.5). NÕu ®éng c¬ ®-îc quay b»ng c¸ch

vÜnh cöu hai mÊu lý t-ëng sÏ b»ng moment xo¾n gi÷ lo¹i mét mÊu.

Còng nªn ghi nhËn r»ng ë mét tèc ®é b-íc cao, moment xo¾n ®éng ®«i khi

®-îc ®Þnh nghÜa nh- lµ moment kÐo ra (pull#]out torque). NghÜa lµ, nã lµ moment

xo¾n lín nhÊt mµ ®éng c¬ cã thÓ v-ît qua ®Ó quay t¶i tõ b-íc nµy sang b-íc

tiÕp tr-íc khi t¶i bÞ kÐo ra khái vÞ trÝ b-íc bëi lùc ma s¸t. Mét vµi h-íng dÉn

®éng c¬ ®Þnh nghÜa mét moment xo¾n thø hai lµ moment xo¾n kÐo vµo (pull#]in

torque). Nã lµ moment xo¾n ma s¸t cùc ®¹i mµ ®éng c¬ cã thÓ v-ît qua ®Ó gia tèc

mét t¶i ®ang ®øng yªn ®Õn mét tèc ®é ®ång bé (vËn tèc ®iÒu khiÓn mong

muèn). Moment xo¾n kÐo vµo ®-îc nªu trong c¸c tµi liÖu sö dông ®éng c¬ b-íc

lµ gi¸ trÞ kh«ng chÝnh x¸c, bëi v× moment xo¾n kÐo vµo phô thuéc vµo moment

ban ®Çu cña t¶i ®-îc sö dông khi chóng ®-îc ®o, vµ mét vµi b¶ng h-íng dÉn

®éng c¬ chØ ra gi¸ trÞ nµy.

cã thÓ t-¬ng tù nh- trong H×nh 2.7:

H×nh 2.7

khi ®ã, ®-êng cong trªn h×nh lµ quü ®¹o cña rotor ®éng c¬.

8

Céng h-ëng

TÇn sè céng h-ëng cña rotor ®éng c¬ phô thuéc vµo biªn ®é cña dao ®éng;

nh-ng khi biªn ®é gi¶m, tÇn sè dao ®éng sÏ t¨ng ®Õn mét tÇn sè mµ biªn ®é nhá

cßn x¸c ®Þnh ®-îc. TÇn sè nµy phô thuéc vµo gãc b-íc vµ tØ sè gi÷a moment

xo¾n gi÷ vµ moment qu¸n tÝnh cña rotor. Ngay c¶ khi moment xo¾n lín h¬n

hoÆc nhá h¬n còng sÏ lµm t¨ng tÇn sè nµy!

Mét c¸ch h×nh thøc, céng h-ëng tÇn sè nhá cã thÓ ®-îc tÝnh nh- sau:

§Çu tiªn, nh¾c l¹i ph-¬ng tr×nh gia tèc gãc theo ®Þnh luËt Newton:

T = # A

trong ®ã:

T – moment xo¾n ¸p trªn rotor

# #]#] moment qu¸n tÝnh cña rotor vµ t¶i

Chóng ta cho r»ng, víi mét biªn ®é nhá, moment xo¾n trªn rotor cã thÓ ®-îc

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

vËy, ¸p dông ®Þnh luËt Hooke:

T = #]k

trong ®ã:

k #]#] h»ng sè dao ®éng riªng cña hÖ, tÝnh b»ng ®¬n vÞ moment trªn radian

#]#] vÞ trÝ gãc cña rotor, tÝnh b»ng radians

# A = #]k

Chó ý r»ng gia tèc lµ ®¹o hµm bËc hai cña vÞ trÝ theo thêi gian:

A = d2 /dt2

d2 /dt2 = #](k/#)

§Ó gi¶i bµi to¸n nµy, nh¾c l¹i r»ng, cho:

f( t ) = a sin bt

9

C¸c d¹o hµm cña nã lµ:

df( t )/dt = ab cos bt

d2f( t )/dt2 = #]ab2 sin bt = #]b2 f(t)

Ghi chó r»ng, xuyªn suèt phÇn nµy, chóng ta cho r»ng rotor ®ang céng h-ëng.

V× vËy, nã cã ph-¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cã d¹ng:

= a sin (2 f t)

a = biªn ®é gãc céng h-ëng

f = tÇn sè céng h-ëng

nÕu ta lÊy:

b = 2 f

b2 = k/#

Gi¶i ra tÇn sè céng h-ëng f lµ mét hµm cña k and #, ta cã:

f = ( k/# )0.5 / 2

§iÒu cèt yÕu nã lµ moment qu¸n tÝnh cña rotor céng thªm bÊt kú t¶i ngÉu lùc

kÌm theo nµo. Moment cña rotor, trong sù c« lËp, lµ kh«ng thÝch hîp! Mét sè

h-íng dÉn ®éng c¬ cã kÌm theo th«ng tin vÒ céng h-ëng, nh-ng nÕu ®éng c¬

mang t¶i, tÇn sè céng h-ëng sÏ thay ®æi!

kÕt qu¶ th-êng xuÊt hiÖn nh÷ng chuyÓn ®éng ngÉu nhiªn kh«ng ®iÒu khiÓn

®-îc.

10

Céng h-ëng vµ ®éng c¬ lý t-ëng

§Õn ®iÓm nµy, chóng ta chØ chia víi h»ng sè ®µn håi gãc nhá k cho hÖ thèng.

§iÒu nµy ®-îc ®o b»ng thùc nghiÖm, nh-ng nÕu ®-êng cong moment xo¾n so

víi vÞ trÝ lµ h×nh sin, nã còng lµ mét hµm ®¬n gi¶n cña moment xo¾n gi÷. Nh¾c

l¹i r»ng:

T = #]h sin( (( /2)/S) )

HÖ sè ®µn håi gãc nhá k lµ trõ cña ®¹o hµm T t¹i gèc.

k = #]dT / d = #] (#] h (( /2)/S) cos( 0 ) ) = ( /2)(h / S)

Thay vµo c«ng thøc tÇn sè, ta cã:

f = ( ( /2)(h / S) / # )0.5 / 2 = ( h / ( 8 # S ) )0.5

NÕu biÕt moment xo¾n gi÷ vµ tÇn sè céng h-ëng, c¸ch dÔ nhÊt ®Ó x¸c ®inh

moment qu¸n tÝnh cña c¸c phÇn di chuyÓn trong mét hÖ ®-îc ®iÒu khiÓn bëi

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

mét ®éng c¬ b-íc lµ tÝnh gi¸n tiÕp tõ mèi quan hÖ trªn!

# = h / ( 8 f2 S )

V× môc ®Ých thùc nghiÖm, vÊn ®Ò kh«ng ph¶i lµ moment xo¾n hay moment qu¸n

sè céng h-ëng! B¾t ®Çu víi ®Þnh luËt Newton cho gia tèc gãc:

A = T / #

Chóng ta cã thÓ thay thÕ c«ng thøc trªn cho moment qu¸n tÝnh nh- lµ mét hµm

cña tÇn sè céng h-ëng, vµ sau ®ã thay thÕ moment xo¾n ®éng chÞu ®-îc lín

nhÊt thµnh hµm cña moment xo¾n gi÷ ®Ó cã:

A = ( h / ( 20.5 ) ) / ( h / ( 8 f2 S ) ) = 8 S f2 / (20.5)

b×nh ph-¬ng, ta ®-îc:

Asteps = A / S = 8 f2 / (20.5)

V× vËy, ®èi víi mét ®éng c¬ lý t-ëng cã mét hµm moment xo¾n theo vÞ trÝ d¹ng

th-êng cña tÇn sè céng h-ëng cña ®éng c¬ vµ t¶i g¾n cøng!

tÝnh moment xo¾n theo vÞ trÝ cã d¹ng sin lý t-ëng, moment xo¾n gi÷ hai mÊu lµ

mét hµm ®¬n gi¶n theo moment xo¾n gi÷ mÊu ®¬n:

11

h2 = 20.5 h1

trong ®ã:

h1 – moment xo¾n gi÷ mÊu ®¬n

h2 – moment xo¾n gi÷ hai mÊu

Thay vµo c«ng thøc tÇn sè céng h-ëng, chóng ta cã thÓ t×m tØ lÖ gi÷a c¸c tÇn sè

céng h-ëng trong hai tr-êng hîp ®iÒu khiÓn nµy:

f1 = ( h1 / ... )0.5

f2 = ( h2 / ... )0.5 = ( 20.5 h1 / ... )0.5 = 20.25 ( h1 / ... )0.5 = 20.25 f1 = 1.189... f1

Mèi quan hÖ nµy chØ duy tr× nÕu moment xo¾n ®-îc cung cÊp bëi ®éng c¬

kh«ng thay ®æi ®¸ng kÓ khi tèc ®é b-íc kh¸c nhau gi÷a hai tÇn sè nµy.

Nãi chung, nh- sÏ th¶o luËn ë phÇn sau, moment xo¾n hiÖu dông sÏ gÇn nh-

kh«ng ®æi ®Õn khi mét b-íc tiÕp theo x¶y ra, nã sÏ bÞ c¾t ®i. V× vËy, mèi quan hÖ

nµy chØ gi÷ nguyªn nÕu tÇn sè céng h-ëng thÊp d-íi tèc ®é b-íc nµy. T¹i c¸c

tèc ®é b-íc trªn tèc ®é c¾t, hai tÇn sè sÏ gÇn nhau h¬n!

12

Tãm t¾t ch-¬ng

Trong ch-¬ng nµy, chóng ta t×m hiÓu hai phÇn chÝnh lµ tÜnh häc vµ ®éng häc cña

®éng c¬ b-íc. Tuy cã sù kh¸c nhau ®«i chót vÒ cÊu t¹o vµ nguyªn lý t¹o ra tõ

tr-êng, nh-ng vÒ b¶n chÊt mèi quan hÖ gi÷a moment vµ vÞ trÝ gãc cña rotor

d-êng nh- lµ kh«ng kh¸c biÖt mÊy. ChÝnh v× thÕ, nh÷ng lý thuyÕt cña ®éng c¬

vµ hçn hîp.

§iÒu khiÓn nöa b-íc vµ vi b-íc thùc chÊt lµ t¹o ra mét moment tæng hîp mµ

chóng ta vÉn th-êng lµm víi phÐp céng hai dao ®éng h×nh sinh lÖch pha nhau.

Khi ®iÒu khiÓn nöa b-íc, ®iÖn ¸p cÊp cho ®éng c¬ kh«ng thay ®æi trªn c¸c mÊu.

NÕu ®iÖn ¸p nµy thay ®æi, vÞ trÝ ®Ønh cña moment tæng kh«ng n»m chÝnh gi÷a vÞ

®æi mét c¸ch hîp lý, chóng ta cã thÓ t¹o ra nh÷ng gãc b-íc rÊt nhá cho ®éng c¬,

gäi lµ ®iÒu khiÓn vi b-íc.

18

TrÇn V¨n Biªn

§Ò c-¬ng bµi gi¶ng TB§T2

Mét ®iÒu quan träng n÷a trong phÇn tÜnh häc, ®ã lµ lùc ma s¸t bªn trong ®éng

l¹i ¶nh h-ëng lín ®Õn kh¶ n¨ng ®iÒu khiÓn vi b-íc, mµ chóng ta sÏ xem xÐt ë

c¸c phÇn sau.

b-íc kh¸c, vµ dõng l¹i, trôc ®éng c¬ kh«ng thÓ ®øng yªn hoµn toµn, mµ nã cßn

bÞ dao ®éng. ChÝnh nh÷ng dao ®éng nµy sÏ bÞ khuÕch ®¹i khi cã céng h-ëng c¬.

Bµi to¸n ®-îc ®Æt ra lµ lµm sao ®Ó x¸c ®Þnh ®-îc kho¶ng vËn tèc b-íc hîp lý mµ

kh«ng x¶y ra hiÖn t-îng céng h-ëng, hoÆc gi¶ lµm sao ®Ó ®iÒu khiÓn chèng l¹i

viÖc céng h-ëng.

PhÇn nµy ch-a ®-îc hoµn chØnh, t«i sÏ cßn bæ sung vµ söa ch÷a. Tuy nhiªn, vÉn

cung cÊp cho c¸c b¹n ®Ó c¸c b¹n tham kh¶o. T«i sÏ tiÕp tôc söa ch÷a vµ bæ sung

sau.

18

TrÇn V¨n Biªn