Động cơ bước (Step Motor) là gì ? Những điều cần biết về động cơ bước.
Động cơ bước (Step motor) là một trong số các loại động cơ được sử dụng rất phổ biến không chỉ trong lĩnh vực tự động hóa mà còn ở nhiều lĩnh vực khác. Để giúp các bạn hiểu rõ hơn về động cơ bước, trong bài viết này FAVN TECH sẽ cùng các bạn đi tìm hiểu về các nội dung: Động cơ bước là gì, cấu tạo, nguyên lý, ứng dụng và cách điều khiển động cơ bước…
{tocify} $title = {Nội Dung Bài Viết}
Chúng ta cùng bắt đầu nhé !
Động cơ bước là gì ?
Động cơ bước hay Step motor là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần thiết. Theo Wikipedia
Có những loại step motor nào ?
Xét về cấu tạo, có thể chia động cơ bước thành 3 loại:
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet stepper-PM type).
Xét về phương diện dòng điện điều khiển, động cơ bước nam châm vĩnh cửu có thể chia thành hai loại: Động cơ bước đơn cực và động cơ bước lưỡng cực
Động cơ bước có từ trở thay đổi (Variable Reluctance Stepper Motor-VR type).
Động cơ bước kiểu hỗn hợp hay kiểu lai (Hybrid Synchronous Stepper Motor-HB type).
Cấu tạo của động cơ bước.
Động cơ bước có cấu tạo lai giữa động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.
Các loại động cơ bước về cơ bản có cấu tạo giống nhau và gồm 2 phần là: Stato và roto. Trong đó stato được làm bằng sắt từ và được thiết kế gồm các rãnh trên thân để đặt các cuộn dây. Còn roto có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc vật liệu dẫn từ (sắt non) có điện trở thay đổi được.
Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu.
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có roto được tạo thành từ hai roto nam châm vĩnh cửu đặt lệch nhau như hình dưới đây. Nam châm vĩnh cửu có từ hóa dọc trục. Khi đặt dòng điện vào cuộn dây, các cực trên stato bị nhiễm từ và thẳng hàng với các cực đối diện của roto nam châm vĩnh cửu.
Các bạn có thể quan sát hình ảnh dưới đây, một roto và một stato trong đó có dòng điện được đặt để cực A1 bị nhiễm từ về cực nam và cực A2 bị nhiễm từ về cực bắc, do đó hút các cực ngược lại từ nam châm vĩnh cửu của rôto. Nếu chuyển dòng điện từ pha A sang pha B để từ hóa B1 sang cực nam và B2 sang cực bắc thì roto sẽ quay 90 ° theo chiều kim đồng hồ.
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, có tốc độ chậm nhưng mô-men khá lớn.
Cấu tạo của động cơ bước có từ trở thay đổi.
Động cơ bước có từ trở thay đổi có stato gồm các cuộn dây được quấn trên các cực được làm bằng thép silicon. Mỗi pha trên stato sẽ được quấn thành hai cuộn nối tiếp nhau. Roto được thiết kế gồm các cực từ nổi, làm bằng vật liệu dẫn từ (sắt non) có điện trở thay đổi theo góc quay.
Ưu điểm của động cơ bước có từ trở thay đổi là có cấu tạo đơn giản và có tốc độ cao hơn loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Tuy nhiên, loại động cơ này có nhược điểm là không có khả năng kiểm soát mô-men xoắn tốt và có tiếng ồn khi hoạt động.
Cấu tạo của động cơ bước kiểu hỗn hợp hay kiểu lai.
Cấu tạo của động cơ bước kiểu hỗn hợp (kiểu lai) là sự kết hợp giữa động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước có từ trở thay đổi. Stato của động cơ bước kiểu hỗn hợp có cấu tạo giống như stato của động cơ bước có từ trở biến đổi. Giống như động cơ bước nam châm vĩnh cửu, roto của động cơ bước kiểu hỗn hợp là nam châm vĩnh cửu. Một nửa là cực bắc, nửa còn lại là cực nam.
Động cơ bước kiểu hỗn hợp được thừa hưởng các ưu điểm của động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước từ trở thay đổi là: Có mô-men hãm, mô-men giữ và mô-men quay lớn. Có tốc độ quay cao hơn, độ phân giải cao hơn. Tuy nhiên, do cấu tạo phức tạp hơn nên giá thành của động cơ bước kiểu hỗn hợp cũng đắt hơn hai loại động cơ bước còn lại.
Nguyên lý hoạt động của động cơ bước.
Khi cuộn dây stato được cấp điện sẽ tạo ra từ trường vectơ. Từ trường này làm cho roto quay một góc sao cho, một cặp chiều từ trường của rôto và chiều từ trường của stato là phù hợp. Khi vectơ từ trường của stato quay một góc thì roto cũng quay với từ trường một góc.
Mỗi khi một xung điện được đưa vào, động cơ sẽ quay thêm một góc. Lượng góc động cơ dịch chuyển được, tỉ lệ thuận với số lượng xung đầu vào. Tốc độ của động cơ sẽ phụ thuộc vào tần số xung đầu vào. Thay đổi thứ tự của nguồn điện cuộn dây, động cơ sẽ đảo ngược. Do đó, ta có thể điều khiển chuyển động quay của động cơ bước bằng cách điều khiển số lượng xung đầu vào.
Các thông số của động cơ bước.
Để lựa chọn và điều khiển động cơ bước một cách hiệu quả nhất, trước tiên các bạn nên nắm rõ các thông số cơ bản của một động cơ bước.
Dưới đây mình sẽ đưa ra các thông số cơ bản mà các bạn nên quan tâm:
Step Angle hay còn gọi là góc bước:
Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định. Góc đó là một bước quay của động cơ hay còn được gọi là góc bước.
Độ phân giải (Resolution):
Bên cạnh thông số góc bước trước khi lập trình điều khiển động cơ bước bạn nên chọn độ phân giải phù hợp. Ví dụ chọn độ phân giải (Resolution): 200 xung/vòng hoặc 1000 xung/vòng.
Số pha, số dây (lead wires).
Động cơ bước có thể có một số lượng cuộn dây bất kỳ. Nhưng chúng được nối với nhau thành một nhóm được gọi là pha. Chúng ta thường bắt gặp các loại động cơ bước là: Động cơ bước 2 pha 4 dây, động cơ bước 2 pha 6 dây. Động cơ bước 3 pha, động cơ bước 5 pha.
Kích thước động cơ (Frame size or Motor size).
Để đảm bảo động cơ vừa có thể kéo được tải và hoạt động được ở tốc độ yêu cầu. Bạn cần quan tâm đến mối quan hệ giữa mô-men xoắn và các yếu tố khác như: Tốc độ, kích cỡ động cơ. Khi thay đổi kích cỡ động cơ thì mô-men xoắn của động cơ cũng thay đổi.
Ngoài ra, các bạn cần quan tâm đến mối quan hệ giữa tốc độ và mô-men xoắn (Speed-Torque Characteristics), Max. Holding Torque thông qua các biểu đồ mà nhà sản xuất cung cấp. Các bạn có thể tham khảo biểu đồ dưới đây.
Phương pháp điều khiển động cơ bước.
Trong điều khiển động cơ bước hiện nay có ba phương pháp thường dùng đó là: Điều khiển động cơ step chạy đủ bước (Full step driver), điều khiển động cơ step chạy nửa bước (Half step driver), điều khiển động cơ step chạy bước nhỏ (Microstepping driver).
Phương pháp điều khiển động cơ step chạy đủ bước (Full step driver).
Với phương pháp này có hai cách để điều khiển động cơ bước là:
Phương pháp 1 - Một pha ON: Tại một thời điểm động cơ hoạt động bởi một pha được cấp điện. Với chế độ này yêu cầu ít năng lượng nhất từ bộ điều khiển (Step driver).
Phương pháp 2 - Hai pha ON: Tại một thời điểm động cơ hoạt động bởi hai pha được cấp điện cùng một lúc. Với chế độ này mô men xoắn và tốc độ được cải thiện hơn so với phương pháp một pha ON. Tuy nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với yêu cầu năng lượng cao hơn từ bộ điều khiển.
Phương pháp điều khiển động cơ step chạy nửa bước (Half step driver).
Phương pháp điều khiển half step là sự kết hợp xen kẽ của hai phương pháp một pha ON và hai pha ON của phương pháp Full step.
Với phương pháp điều khiển nửa bước, góc bước có giá trị nhỏ hơn hai lần so với điều khiển đủ bước. Nhờ đó động cơ hoạt động mượt mà hơn. Bên cạnh đó, với phương pháp điều khiển half step này có bộ điều khiển phức tạp hơn.
Phương pháp điều khiển động cơ step chạy bước nhỏ (Microstepping driver).
Phương pháp điều khiển động cơ step chạy bước nhỏ cho phép chia bước đủ thành các bước nhỏ hơn. Ví dụ: Với bước đủ là 1.8 độ, có thể chia thành các bước nhỏ với góc bước là 0.007 độ (1.8/256). Điều này đồng nghĩa với việc, để quay hết một vòng 360 độ động cơ sẽ di chuyển với 51429 bước. Nhờ đó, độ chính xác và tốc độ được nâng cao, trong quá trình hoạt động ít xảy ra rung động hơn.
Microstepping sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển dòng điện tới động cơ. Để điều khiển động cơ step, bộ điều khiển gửi hai sóng sin điện áp, lệch pha nhau 90 độ, đến các cuộn dây của động cơ.
Lưu ý khi điều khiển động cơ bước (Step Motor).
Điều chỉnh dòng điện (A) đầu ra của Step Driver phù hợp với động cơ.
Nếu tải nhỏ và đủ mô-men xoắn cho phép, bạn có thể cài đặt dòng điện hoạt động cho động cơ bước ở mức thấp hơn để hạn chế việc nóng lên của động cơ trong quá trình hoạt động.
Trước khi lập trình bạn cần nắm được các thông số của động cơ bước như: Góc bước là bao nhiêu ? Ví dụ: Góc bước 1.8 độ hay 0.72 độ....
Cần cấp bao nhiêu xung để động cơ quay hết một vòng: Ví dụ: Với động cơ bước có góc bước 1.8 độ, thì cần cấp số xung là 360/1.8 = 200 xung/vòng
Bộ điều khiển động cơ bước là loại nào: Full Step Drive, Half Step Drive hay Micro Stepping.
Động cơ sẽ được ghép với loại tải như thế nào ? Tải trọng cần di chuyển hoặc tăng tốc với tốc độ bao nhiêu ? Cần có mô-men bao nhiêu để di chuyển được tải ? Mức độ chính xác cần thiết khi điều khiển vị trí ?
Ưu nhược điểm của động cơ bước.
Động cơ bước có ưu điểm là: Có mô men xoắn lớn ở vận tốc trung bình và thấp. So với động cơ servo, động cơ step có giá thành rẻ hơn. Có thể điều khiển vị trí chính xác mà không cần encoder. Không yêu cầu về bảo dưỡng, độ bền cao.
Tuy nhiên, ở động cơ bước có nhược điểm là: Xảy ra hiện tượng trượt bước, mất bước. Ngoài ra, khi hoạt động động cơ bước có tiếng ồn và nóng. Động cơ bước không thích hợp có các ứng dụng yêu cầu hoạt động ở tốc độ cao.
Ứng dụng của step motor.
Hiện nay, ở một số dòng động cơ step đời mới được gắn thêm encoder giúp tăng độ chính xác. Với những ưu điểm vượt trội, giá thành cạnh tranh, động cơ bước được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tự động hóa. Có thể kể đến một số ứng dụng mà động cơ bước được sử dụng như:
Các loại máy gia công CNC, máy cắt laser, máy cắt plasma, máy đóng gói, tay gắp sản phẩm…
Ứng dụng trong điều khiển robot.
Trong lĩnh vực công nghệ máy tính - điện tử: Động cơ step được sử dụng trong các ổ đĩa, máy in, máy ảnh…
Các thương hiệu động cơ bước (Step motor).
Hiện nay, trên thị trường có nhiều nhãn hiệu động cơ bước. Tuy nhiên, nổi bật hơn cả có thể kể đến các thương hiệu dưới đây:
Động cơ bước Oriental (Nhật Bản)
Động cơ bước Autonics (Hàn Quốc)
Động cơ bước Sanyo Denki (Nhật Bản)
Động cơ bước Adtech (Trung Quốc)
Động cơ bước Leadshine (Trung Quốc)
Trên đây, là những chia sẻ của FAVN TECH về động cơ bước là gì ? cấu tạo, nguyên lý, ứng dụng của step motor. Hy vọng qua bài viết sẽ giúp các bạn có cái nhìn tổng quan nhất về động cơ bước (Step motor).
Để được cập nhập về các bài viết mới nhất hoặc cần hỗ trợ về phần mềm, các bạn hãy để lại bình luận hoặc tham gia Group của FAVN TECH để được hỗ trợ sớm nhất.