Đồ án Hệ thống vô nước và đóng nắp chai tự động

CHƯƠNG I LÝ THUYẾT CÁC THÀNH PHẦN LIÊN QUAN 1/ Động cơ DC: Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp. Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM. Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng. ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ DC trong dân dụng chỉ hoạt động với điện áp 24V trở xuống . Hình 1.1 Một số loại động cơ trên thực tế. 1.1 Cấu tạo: Một động cơ DC có 6 phần cơ bản: Phần ứng hay Rotor (Armature). Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet). Cổ góp (Commutat). Chổi than (Brushes). Trục motor (Axle). Bộ phận cung cấp dòng điện DC. Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích). Số lượng cực từ chính ảnh hưởng tới tốc độ quay. Đối với động cơ công suất nhỏ, người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Hình 1.2: Cấu tạo động cơ điện một chiều. Rotor ( còn gọi là phần ứng ) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phần ứng. Điện áp một chiều được đưa vào phần ứng qua hệ thống chổi than – vành góp. Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có cực từ âm, một nửa có cực từ dương). Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều: E = K Φ. W (1) V = E + Ru.Iu (2) M = K Φ Iu (3) Với: E: sức điện động cảm ứng (V). Φ: Từ thông trên mỗi cực( Wb). Iu: dòng điện phần ứng (A). V : Điện áp phần ứng (V). Ru: Điện trở phần ứng (Ohm). W : tốc độ động cơ (rad/s). M : moment động cơ (Nm). K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ. 1.2 Nguyên lý hoạt động: Khi có một dòng điện chảy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành momen điện từ. Do đó phần ứng sẽ được quay quanh trục. Hình 1.3: Nguyên lý hoạt động của động cơ DC. 1.3 Điều khiển tốc độ động cơ DC: Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện. Có nhiều phương pháp để thay đổi tốc độ động cơ DC, ở đây ta sử dụng phương pháp điều khiển thông dụng nhất là kiểu điều biến độ rộng xung (PWM), có nghĩa là ta cấp áp cho động cơ dưới dạng xung với tần số không đổi mà chỉ thay đổi Ton và Toff. Từ (1),(2). (3) suy ra: W = V/(K.Φ) – Ru.Iu/(K.Φ) (4) Theo (4) : khi Iu không đổi (tức Moment không đổi) và Φ không đổi thì W thay đổi "tuyến tính" theo V (thực tế thì không hoàn toàn tuyến tính theo đường thẳng được). Hình 1.4: Điều khiển động cơ bằng PWM. Khi tỷ lệ thời gian "on" trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp trung bình (VAV). Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" trong một chu kỳ chuyển mạch nhân với điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào động cơ. Như vậy với điện áp nguồn cung cấp là 100V, và tỷ lệ thời gian ON là 25% thì điện áp trung bình là 25V. VAV thay đổi từ VL đến VH tùy theo các độ rộng Ton và Toff Như vậy, tốc độ động cơ sẽ thay đổi "tuyến tính" theo % độ rộng xung. 2. Băng tải: 2.1. Cách lắp đặt vận hành băng chuyền tải: - Đặt hệ thống băng tải vào đúng vị trí cần lắp đặt. - Dùng thước thủy để căn theo chiều ngang dây tải. - Siết chặt các buloong nền và buloong chân. - Điều chỉnh sơ bộ các bass căng dây ở vị trí căng dây tương đối. - Khởi động động cơ băng tải chạy thử. - Điều chỉnh cho dây băng tải cân chính giữa. - Siết ốc kỹ, tỳ ren điều chỉnh lại đúng vị trí. - Cho hệ thống chạy trong 1 giờ rồi kiểm tra, nếu thấy dây bị sàng thì điều chỉnh lại. 2.2. Nguyên tắc kiểm tra băng tải tốt xấu: - Băng tải đen bóng, cứng mềm không quan trọng. - Cắt một băng vải nhỏ dài chừng 5cm, kéo dãn đến khi đứt, băng càng tốt kéo dãn càng nhiều. - Ngửi băng tải thấy có mùi thơm, nếu băng tải có mùi thơm khó chịu thì bỏ ngay. - Lấy mũi nhọn đâm thử, băng tải mà kém thì thủng ngay một lỗ, loại tốt thì khó thủng và có đàn hồi. - Băng tốt thì bề mặt ít lồi lõm và không bị vá, sữa chữa. - Đừng tin vào những chữ in trên mặt băng tải. 2.3. Các loại băng tải: 2.3.1. Băng tải bố NN Cấu tạo Hình 1: Băng tải bố NN Băng tải bố NN gồm nhiều sợi dọc /ngang đểu là Nylon, có các thành phần gồm: cao su mặt trên + lớp bố + cao su mặt dưới. Lớp bố của băng tải loại này duy trì sức căng cũng như tạo độ bền cho kết cấu băng tải, chịu lực nén và kéo tải, chịu nhiệt 1000C tới 6000C. Đặc điểm Cường lực chịu tải lớn: chịu lực gấp 5 lần sợi Cotton. Chịu lực va đập lớn: sợi Nylon là loại sợi tổng hợp chịu sự va đập rất tốt nên các tác động ngoại lực hầu như không ảnh hưởng đến chất lượng bố. Chịu axit, chịu nước và một số loại hóa chất khác. Chống được lão hóa do gấp khúc, uốn lượn nhiều trong sử dụng. Tăng cường sự bám dính giữa sợi và cao su, đồng thời giảm thiểu việc tách tầng giữa các lớp bố. Rất bền nếu phải hoạt động trong môi trường nhiệt độ thấp. Độ dai cực lớn,nhẹ và làm tăng lên sức kéo của motor dẫn đến giảm tiêu thụ điện. Ứng dụng Băng tải NN có đặc tính mềm dẻo, dai và hiện được coi là loại bố chịu lực phổ thông và có nhiều ưu điểm vượt trội. Thường dùng để tải than, sỏi, đá (các cỡ), cát, quặng sắt, xi măng, than, gỗ… Không dùng để tải các vật liệu chịu nhiệt trên 6000C hoặc các bề mặt có chất dầu. Băng tải bố NN chiếm từ 60-70% trên thị trường hiện nay do tính kinh tế và nhẹ của nó. 2.3.2. Băng tải con lăng Hình 2: Băng tải con lăng Băng tải có thể nâng lên hạ xuống để làm đổi hướng vận chuyển. Dùng để vận chuyển các sản phẩm đã đóng thùng, có trọng lượng lớn. 2.3.3. Băng tải cáp thép Cấu tạo Băng tải lõi thép gồm nhiều lõi cáp thép được sắp xếp theo chiều dọc ở những khoảng cách từ 10 đến 15mm, lớp cáp thép này là phần chịu lực tải chính giữ cho băng tải luôn chạy đúng hướng bao quanh nó là lớp phủ cao su mặt trên và mặt dưới. Lớp cáp thép sẽ được liên kết với nhau bằng một phương pháp đặt biệt, sự liên kết này giúp cho băng tải không có bất kỳ sự cố nào xảy ra trong suốt quá trình sử dụng, cao su mặt và cao su bao phủ cáp thép được chế tạo theo những tính chất riêng. Ký hiệu thông thường các loại băng tải cáp thép: ST-500,ST-630,ST-800 và cao nhất tới ST-7000, độ dày có thể lên tới 50mm. Băng tải cáp thép thường rất nặng như loại ST-1000, khổ 1 mét có thể lên tới 25Kg/m. Vì vậy thường chỉ dài 150m/cuộn. Đặc điểm Băng tải cáp thép chủ yếu sử dụng tại các hệ thống truyền tải có chiều dài lớn trên 300m, do có thể chịu được cường lực rất cao. Hình 3: Băng tải cáp thép Các sợi cáp thép được bố trí song song đều nhau theo chiều dọc băng tải và rải đều trên toàn mặt băng tải. Băng tải cáp thép có tỷ lệ dãn dư cực thấp dưới 1% kể cả trong điều kiện toàn tải. Băng tải cáp thép có độ bền tuyệt hảo nhất trong các loại băng tải. Toàn bộ cáp thép trước khi lưu hóa phải được xử lý tráng ngoài tạo bám dính với lớp cao su bao quanh và đây là yếu tố quang trọng nhất khi chọn băng tải. Lớp cao su mặt được chế tạo đặc biệt để chống lại các lực xé rách từ mọi hướng. Có những băng tải thép có tuổi thọ tới 15- 20 năm trong điều kiện vận hành liên tục hiệu quả kinh tế là rất lớn. 2.3.4. Băng tải bố EP Cấu tạo và đặc điểm EP ký hiệu là băng tải có vải bố chịu lực bằng sợi tổng hợp Polyester làm sợi dọc và sợi Nylon làm sợi ngang. Độ dãn băng tải rất nhỏ làm cho hành trình khởi động ngắn hơn do vậy tiết kiệm điện hơn. Băng chuyền khởi động êm, đặc biệt là đối với băng chuyền có độ dài lớn. Chịu ẩm tốt hơn các loại bố khác, vì sợi Polyester có đặc điểm chịu ẩm, nước rất tốt do đó tuổi thọ băng kéo dài hơn đặc biệt khi gặp ẩm cao, chịu nhiệt rất tốt khi dưới 1500C , chịu hóa chất cực tốt. Ưu điểm Độ dãn rất thấp nhỏ hơn 4%, vì vậy bề mặt cao su không bị rạng nứt tránh được hiện tượng thẩm thấu - tác nhân gây lão hóa tới các lớp bố . 2.4. Tỷ lệ truyền của băng tải Ta có: Với : N1 : là số vòng quay của buli băng tải. N2: là số vòng quay của động cơ. θ1: là đường kính của buli băng tải. θ2: là đường kính của buli động cơ. 3. Encoder: Encoder mục đích dùng để xác định vị trí góc của một đĩa quay, để đo tốc độ và chiều quay của thiết bị, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc. Dựa trên nguyên tắc cảm biến ánh sáng với một đĩa có khắc vạch sáng tối quay giữa nguồn sáng và phototransistor (đối với encoder quang) hoặc là hiện tượng cảm ứng điện từ (đối với encoder từ). Ở đây ta chỉ đề cập tới encoder quang. Encoder được chia làm 2 loại, là encoder tuyệt đối và encoder gia tăng. Ở đây ta chỉ nghiên cứu về loại gia tăng. Hình 1.5: Một số loại encoder trên thị trường. 3.1 Cấu tạo chính của Encoder: Gồm 1 bộ phát ánh sáng (thường là LED), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát ( thường là photodiotde hoặc phototransistor), 1 đĩa quang được khoét lỗ gắn trên trục quay đặt giữa bộ phát và thu, thông thường trục quay này sẽ được gắn với trục quay của đối tượng cần đo tốc độ hay vị trí. Hình 1.6: Cấu tạo thực tế của encoder. Hình 1.7: Cấu trúc đĩa và mắt đọc. Một encoder thường có các dây sau: Dây cấp nguồn (+5V) cho encoder. Dây nối đất (GND). Dây pha A – tín hiệu ra theo độ phân giải (1 vòng/N xung (N từ vài chục lên đến vài nghìn xung tuỳ theo độ phân giải)). Dây pha B – tín hiệu ra theo độ phân giải (1 vòng/N xung (N từ vài chục lên đến vài nghìn xung tuỳ theo độ phân giải)), pha B chậm pha hơn pha A 90o. Thường tuỳ theo trạng thái pha nhanh hay chậm của 2 pha này ta xác định chiều quay của đối tượng, để từ đấy bộ đếm đếm tiến hoặc đếm lùi. 3600 A B Z Hình 1.8: Dạng sóng ngõ ra của LED thu. Ngoài ra một số encoder còn có dây pha z, ta thu được một xung từ pha z khi đĩa encoder quay 1 vòng. Hình 1.9: Cấu tạo đĩa quay trong encoder 3.2 Nguyên lý cơ bản: Encoder thực chất là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1. Số lỗ trên đĩa sẽ quyết định độ chính xác của thiết bị đo. Ví dụ có 1 lỗ tức là khi quay được 1 vòng thì bộ thu sẽ thu được 1 xung, nếu đĩa khoét N lỗ có nghĩa 1 vòng thu được N xung. Như vậy khi đo tốc độ, ta đếm số xung trong 1 đơn vị thời gian, từ đó tính được số vòng trên 1 đơn vị thời gian (hoặc có thể đo chu kì xung). Nếu đo tốc độ cao thì số lỗ khoét càng nhiều càng chính xác. Hình 1.10: Quá trình đọc Encoder. 4. Các phần tử khí nén: 4.1. Máy nén khí: Máy nén khí là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lượng cơ học của động cơ điện hoặc động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng. Phân làm 2 loại : Phân loại theo áp suất. Máy nén khí áp suất thấp p <= 15 bar Máy nén khí áp suất cao p>= 15 bar Máy nén khí áp suất rất cao p>= 300 bar Phân loại theo nguyên lý hoạt động. Máy nén khí theo nguyên lý trao đổi thể tích: Máy nén khí kiểu pittong, máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít. Máy nén khí tuabin: Máy nén khi ly tâm và máy nén khí theo chiều trục. 4.2. Bình trích chứa khí nén: Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và được xử lý thì cần phải có một bộ phận lưu trữ để sử dụng. Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén từ máy nén khí chuyển đến trích chứa, ngưng tụ và tách nước. Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và công suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng, ngoài ra kích thước này còn phụ thuộc vào phương pháp sử dụng: ví dụ sử dụng liên tục hay gián đoạn. 4.3. Mạng đường ống dẫn khí nén: Mạng đường ống dẫn khí nén là thiết bị truyền dẫn khí nén từ máy nén khí đến bình trích chứa rồi đến các phần tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành. Mạng đường ống dẫn khí nén có thể phân thành 2 loại: * Mạng đường ống được lắp ráp cố định (mạng đường ống trong nhà máy). * Mạng đường ống được lắp ráp di động (mạng đường ống trong dây chuyền hoặc trong máy móc thiết bị). 4.4. Van đảo chiều: Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng mở hay thay đổi vị trí các cửa van để thay đổi hướng của dòng khí nén. Hình 1.26: Trạng thái khi OFF và ON của van đảo chiều. * Ký hiệu của van đảo chiều Vị trí của nòng van được ký hiệu bằng các ô vuông liền nhau với các chữ cái o,a ,b ,c ,… hay các chữ số 0, 1, 2, … a o b b a Vị trí ‘không’ là vị trí mà khi van chưa có tác động của tín hiệu bên ngoài vào. Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí ở giữa, ký hiệu ‘o’ là vị trí ‘không’. Đối với van có 2 vị trí thì vị trí ‘không’ có thể là ‘a’ hoặc ‘b’, thông thường vị trí bên phải ‘b’ là vị trí ‘không’. Ký hiệu Port của van ISO 5599 ISO 1219 Port cấp nguồn (từ bộ lọc khí) 1 P Port điều khiển (làm việc) 2, 4, 6… A, B, C.. Port xả 3, 5, 7… R, S, T… Port nối tín hiệu điều khiển 12, 14… X, Y… a b Hình 1.27: Kí hiệu cửa xả khí Trường hợp a là cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn, còn cửa xả khí có mối nối cho ống dẫn khí là trường hợp b. Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đường mũi tên biểu diễn hướng chuyển động của dòng khí nén qua van. Khi dòng bị chặn thì được biểu diễn bằng dấu gạch ngang. 1 0 Cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn 2(A) 4(B) 5(S) 1(P) 3(R) Nối với nguồn khí nén Cửa xả khí có mối nối cho ống dẫn 14(Z) Cửa nối điều khiển 12(Y) Cửa nối điều khiển Cửa 1nối với cửa 2 Cửa 1nối với cửa 4 Hình 1.28: Ký hiệu và tên gọi của van đảo chiều Hình trên là ký hiệu của van đảo chiều 5/2 Trong đó: 5 : chỉ số cửa. 2 : chỉ số vị trí. Cách gọi tên và ký hiệu của một số van đảo chiều: TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Van đảo chiều 2/2 Van đảo chiều 4/2 Van đảo chiều 5/2 * Tín hiệu tác động: Tín hiệu tác động vào van đảo chiều có 4 loại là: tác động bằng tay, tác động bằng cơ học, tác động bằng khí nén và tác động bằng nam châm điện. Tín hiệu tác động từ 2 phía ( đối với van đảo chiều không có vị trí ‘không’) hay chỉ từ 1 phía (đối với van đảo chiều có vị trí ‘không’). Tác động bằng tay. TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Kí hiệu nút nhấn tổng quát Nút bấm Tay gạt Bàn đạp Tác bằng khí nén. TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Trực tiếp bằng dòng khí nén vào Trực tiếp bằng dòng khí nén ra Trực tiếp bằng đường khí nén vào với 2 đầu nòng van có đường kính khác nhau Gián tiếp bằng dòng khí nén ra có van phụ trợ Tác động bằng cơ TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Đầu dò Cừ chặn bằng con lăn tác động 2 chiều Cừ chặn bằng con lăn tác động 1 chiều Lò xo Nút nhấn có rãnh định vị Tác động nam châm điện. TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Trực tiếp Bằng nam châm điện và van phụ trợ Tác động theo hướng dân cụ thể Van đảo chiều có vị trí ‘không’ là loại van tác động bằng cơ – lò xo và ký hiệu lò xo nằm ngay vị trí bên cạnh ô vuông phía bên phải của ký hiệu van. Tác động lên phía đối diện nòng van là tín hiệu tác động bằng cơ, khí nén hay bằng điện. Khi chưa có tín hiệu tác động, vị trí của các cửa nối được biểu diễn trong ô vuông phía bên phải đối với van đảo chiều 2 vị trí. Còn đối với van đảo chiều 3 vị trí thì vị trí ‘không’ nằm ở giữa. Ví dụ : Van đảo chiều 2/2 tác động bằng nam châm điện: R 1 0 P Y Van có 2 cửa P và R, 2 vị trí 0 và 1. Tại vị trí 0, cửa P và R bị chặn. Khi cuộn Y có điện, từ vị trí 0 van chuyển sang vị trí 1, cửa P nối với cửa R. Khi cuộn Y mất điện, do tác động của lò xo phía đối diện, van sẽ quay trở về vị trí ban đầu. 4.5. Van tiết lưu Van tiết lưu có nhiệm vụ thay đổi lưu lượng dòng khí nén, có nghĩa là thay đổi tốc độ của cơ cấu chấp hành. TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Van tiết lưu có tiết diện không đổi: Khe hở của van có tiết diện không thay đổi do đó lưu lượng dòng khí chảy qua cũng không thay đổi. Van tiết lưu có tiết diện thay đồi: Lưu lượng dòng khí nén chảy qua van thay đổi nhờ một vít điều chỉnh làm thay đổi tiết diện khe hở. Ký hiệu chung: Có mối nối ren: Không có mối nối ren: · · A B A B Van tiết lưu điều chỉnh bằng tay: Dòng khí nén chỉ có thể đi theo chiều từ A qua B mà không thể đi theo chiều ngược lại. Van tiết lưu 1 chiều điều chỉnh bẵng cữ chặn: Dòng khí nén chỉ có thể đi 1 chiều từ A qua B. Tuỳ vào vị trí của cữ chặn mà tiết diện khe hở của van thay đổi làm cho lưu lượng dòng chảy thay đổi. A · · · B 4.6. Cơ cấu chấp hành. 4.6.1. Nhiệm vụ Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học. Cơ cấu chấp hành có thể chuyển động thẳng (xilanh) hoặc chuyển động quay (động cơ khí nén). 4.6.2. Xi lanh. Xilanh tác dụng đơn - Áp lực khí nén chỉ tác động vào một phía của xilanh, phía còn lại do ngoại lực hay lò xo tác động. - Một số loại xilanh tác động 1 chiều: a b Hình 24. Chiều tác động ngược lại do ngoại lực (a) và do lo xo (b) Xilanh tác động 2 chiều (xilanh tác động kép). - Khí nén được đưa vào 2 phía của xilanh, do yêu cầu điều khiển mà xilanh đi vào hay đi ra sẽ tuỳ thuộc vào việc đưa khí nén vào phía nào của xilanh. Xilanh quay - Hình biểu diễn tượng trưng của xilanh quay. Hai ngõ vào điều khiển để điều khiển pittong có răng di chuyển qua lại. Khi cần pittong di chuyển sẽ ăn khớp với 1 bánh răng làm bánh răng quay. Trục bánh răng sẽ được gắn với cơ cấu chuyển động. Ưu nhược điểm của khí nén: Ưu điểm: Không gây ô nhiễm môi trường. Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa do độ nhớt động học của khí nén nhỏ, tổn thất trên dọc đường thấp. Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo. Nhược điểm: Khi tải trọng thay đổi, vận tốc truyền cũng thay đổi. Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn. Bình khí nén có kích thước lớn, cồng kềnh. 5. Động cơ bước: Động cơ bước có thể xem là thiết bị điện cơ dùng biến đổi các xung điện áp thành các chuyển động cơ học liên tục. 5.1. Các đặc tính cơ bản - Trục của động cơ quay theo từng bước liên tục khi có các xung điệu điều khiển được cung cấp theo một chuổi tuần tự thích hợp. Trạng thái quay của trục động cơ quan hệ trực tiếp với chuổi xung cung cấp. - Tốc độ của trục quay phụ thuộc trực tiếp giá trị tần số của các xung nhập điều khiển và bề dài của chuyển động quay phụ thuộc số xung điều khiển 5.2. Ưu điểm của động cơ bước - Góc quay của động cơ tỉ lệ thuận với số xung điều khiển. - Động cơ đạt được momen toàn phần (full torque) tại lúc đứng yên (khi dây quấn động cơ còn được cung cấp năng lượng). - Chuyển động có khả năng lập lại các trạng thái một cách ổn định tin cậy, điều khiển vị trí chính xác. Với những động cơ bước có cấp chính xác cao có sai số từ 3% đến 5% trong mỗi bước và sai số này không gia tăng ở bước điều khiển kế tiếp. - Các đáp ứng khởi động, dừng và đảo chiều tối hảo. - Có độ tin cậy cao vì động cơ không sử dụng chổi than ; như vậy tuổi thọ của Góc quay của động cơ tỉ lệ thuận với số xung điều khiển. -Động cơ đạt được momen toàn phần (full torque) tại lúc đứng yên (khi dây quấn động cơ còn được cung cấp năng lượng). - Chuyển động có khả năng lập lại các trạng thái một cách ổn định tin cậy, điều khiển vị trí chính xác. Với những động cơ bước có cấp chính xác cao có sai số từ 3% đến 5% trong mỗi bước và sai số này không gia tăng ở bước điều khiển kế tiếp. - Các đáp ứng khởi động, dừng và đảo chiều tối hảo. - Có độ tin cậy cao vì động cơ không sử dụng chổi than ; như vậy tuổi thọ của động cơ chỉ phụ thuộc vào tuổi thọ của phần truyền động cơ khí : bạc đạn. . . - Các động cơ bước đáp ứng với các tín hiệu xung điều khiển cung cấp từ bộ điều khiển vòng hở, do đó đễ dàng điều khiển động cơ và giá thành điều khiển thấp. - Động cơ có khả năng quay với tốc độ đồng bộ có giá trị rất thấp khi mang tải trực tiếp trên trục. - Động cơ có thể đạt được một phạm vi rộng giá trị tốc độ quay tỉ lệ với giá trị tần số của xung điều khiển động cơ chỉ phụ thuộc vào tuổi thọ của phần truyền động cơ khí : bạc đạn. . . - Các động cơ bước đáp ứng với các tín hiệu xung điều khiển cung cấp từ bộ điều khiển vòng hở, do đó đễ dàng điều khiển động cơ và giá thành điều khiển thấp. - Động cơ có khả năng quay với tốc độ đồng bộ có giá trị rất thấp khi mang tải trực tiếp trên trục. - Động cơ có thể đạt được một phạm vi rộng giá trị tốc độ quay tỉ lệ với giá trị tần số của xung điều khiển. 5.3. Nhược điểm của động cơ bước - Có thể xãy ra trạng thái cộng hưởng nếu không được điều khiển thích hợp. - Không điều khiển dễ dàng để động cơ hoạt động tại các giá trị tốc độ rất cao. 5.4. Phân loại động cơ bước Theo các tài liệu kỹ-thuật hiện nay, chúng ta có 3 loại động cơ bước. - Động cơ bước với rotor là nam châm vĩnh cửu (PM stepper motor – Permanent Magnet Stepper Motor ) - Động cơ bước từ dẫn thay đổi (VR stepper motor – Variable Reluctance Stepper Motor). - Động cơ buớc đa hợp (Hybrid Stepper motor) 5.5. Cấu tạo chung của đông cơ bước - Gồm một thanh nam châm vĩnh cửu; đường sức từ trường (từ phổ) do thanh nam châm tạo ra tạo thành hệ thống đường sức kín có hướng đi ra từ cực bắc và đi vào ở cực nam. - Tính chất lưởng cực của thanh nam châm vỉnh cửu có thể được cảm ứng trong từ trường tạo bởi dòng điện khi đi qua cuộn dây quấn. Cực tính của từ trường tạo bởi dòng điện (khi đi qua dây quấn) phụ thuộc vào hướng dòng điện đi vào dây quấn. Tính chất của cục từ thay đổi khi đổi hướng dòng điện qua cuộn dây dẫn. - Khi bố trí thanh nam châm vỉnh cửu có thể quay tự do như phần ứng của máy điện; phần ứng này được đặt trong từ trường tạo bởi phần dây quấn phần cảm stator Hình trên cho ta thấy lực tương tác tạo thành momen quay kéo phần ứng về vị trí cân bằng (tại vị trí trục từ trường của phần cảm và trục từ trường phần ứng thẳng hàng) Momen quay được tính theo công thức sau : M = 2R.Fn Có thể xem động cơ bước hoạt động tương tự như động cơ đồng bộ, với từ trường quay tạo bởi hệ thống xung điện áp cấp tuần tự vào các dây quấn trên các cặp cực từ bố trí liên tiếp lân cận trên stator. 5.6. Nguyên tắc hoạt động - Đa số các động cơ bước là động cơ một pha, hai pha hoặc nhiều pha. Khác với động cơ đồng bộ thông thường là roto của nó không có cuộn dây khởi động (lồng sóc mở máy ) mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số . Roto của động cơ có thể được kích thích hoặc không được kích thích Sơ đồ động cơ bước m pha Xung điện áp cấp cho cuộn dây stator a. Xung một cực ; b. Xung hai cực Khi cung cấp bởi xung một cực, điện áp sẽ biến đổi từ 0 đến +U, còn khi cung cấp bởi xung hai cực điện áp sẽ biến đổi từ +U đến –U. Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stator theo từng cuộn riêng lẻ hay theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số và chiều của sức từ động tổng F của động cơ và do đó vị trí của rotor trong không gian hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây. Ví dụ : nếu các cuộn dây của động cơ trên hình cung cấp cho từng cuộn dây riêng lẻ theo trình tự 1,2,3 . . . m bởi các xung một cực thì rotor động cơ sẽ có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình (a)) Trong thực tế để tăng cường sức từ động tổng của stator do đó làm tăng từ thông và momen đồng bộ , người ta thường cung cấp đồng thời cho hai hoặc nhiều cuộn dây. Lúc đó rotor của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng trùng với vectơ sức từ động tổng F . Trên hình (b) sức từ động F khi cung cấp đồng thời cho một số chẵn cuộn dây (trường hợp này hai hay nhiều cuộn dây được cung cấp điện một cách đồng thời ) Trên hình (c) sức từ động tổng F khi cung cấp đồng thời cho ba cuộn dây (một số lẻ cuộn dây). Trong cả hai trường hợp (cung cấp cho một số chẵn cuộn dây và cung cấp cho một số lẻ cuộn dây ), rotor động cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch giữa hai vị trí liên tiếp của rotor được tính : - Nếu cung cấp theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số chẳn cuộn dây, Ví dụ : 1&2 – 2 – 2&3 – 3 . . . – m thì số vị trí cân bằng của rotor sẽ tăng gấp đôi là 2m . - Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn cuộn dây hay một số lẻ cuộn dây) được gọi là đối xứng. - Nếu số lượng cuộn dây luôn luôn thay đổi (ví dụ : điều khiển theo trình tự chẵn – lẽ – chẵn … ) được gọi là không đối xứng . Số bước trong khoảng từ 0 đến 360o là :