[Kiến Thức] Động cơ bước (step motor) là gì ?

Động cơ bước là gì ?  (Step Motor) là loại motor điện đang được sử dụng rất phổ trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chẳng hạn như: sử dụng để cấu thành nên hệ thống di chuyển của các loại máy CNC (máy khắc cắt laser, máy cắt CNC hay máy cắt plasma CNC,…) Trong bài viết dưới đây, mời bạn đọc cùng tìm hiểu về loại động cơ độc đáo này nhé. Xem chúng có gì đặc biệt, Động cơ bước là gì ? Động cơ bước có cấu tạo như thế nào ? Điều khiển động cơ bước bằng cách gì ?

Động cơ bước (step motor) là gì ?

  Động cơ bước  là một thiết bị cơ điện, nó chuyển đổi năng lượng điện năng thành cơ năng. 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 rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết.

Ngoài ra, nó là một động cơ điện không chổi than, đồng bộ, có thể chia một vòng quay đầy đủ thành một số bước mở rộng.

Khi một chuỗi xung được áp dụng, nó sẽ được chuyển qua một góc nhất định. Góc mà trục động cơ bước quay cho mỗi xung được gọi là góc bước, thường được biểu thị bằng độ.

Nếu góc bước càng nhỏ thì số bước trên mỗi vòng quay càng lớn và độ chính xác của vị trí thu được càng lớn. Các góc bước có thể lớn tới 90 độ và nhỏ đến 0,72 độ. Tuy nhiên, các góc bước thường được sử dụng là 1,8 độ, 2,5 độ, 7,5 độ và 15 độ.

Động cơ bước tiếng anh là gì ?

Thuật ngữ tiếng anh chuyên ngành kỹ thuật của động cơ bước được biết đến với cái tên đó là “ Step Motor – Stepper Motor hay Stepping Motor ”

Cấu tạo của động cơ bước như thế nào ?

        Cấu tạo động cơ bước khá giống với động cơ DC. Nó cũng có một nam châm vĩnh cửu là rotor. Rotor sẽ ở trung tâm và sẽ quay khi lực tác dụng lên nó. Rôto này được bao quanh bởi một số stato được quấn bởi cuộn từ tính trên nó. Stator sẽ được đặt càng gần càng tốt với rôto để từ trường trong các stator có thể ảnh hưởng đến chuyển động của rôto.

Để điều khiển động cơ bước, mỗi stator sẽ được cấp nguồn lần lượt. Trong trường hợp này, stato sẽ từ hóa và hoạt động như một cực điện từ tác dụng lực đẩy lên rôto và đẩy nó di chuyển một bước. Thay thế từ hóa và khử từ của các stator sẽ di chuyển rôto từng bước và cho phép nó xoay với sự kiểm soát tuyệt vời.

Nguyên lý hoạt động của động cơ bước

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, Step motor quay theo từng bước một nên nó có độ chính xác cao về mặt điều khiển cơ học.

Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử. Các mạch điện tử sẽ đưa các tín hiệu của lệnh điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định.

Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.

Ban đầu vị trí của stato và roto đang ở vị trí phase A. Khi cấp điện cho 2 cuộn dây pha B và D tương ứng trong 2 cuộn sẽ xuất hiện được cực tính. 

Do cực tính của các cuộn dây pha và rôto trong động cơ ngược nhau. Dẫn đến roto sẽ chuyển động được đến vị trí phase B on. Khi cuộn dây pha B và D ngắt điện, còn cuộn dây A và B được cấp điện thì lúc này roto lại chuyển động đến vị trí phase C on.

Đặc điểm của động cơ bước

• Động cơ bước có thể sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản, hoặc vòng kín, tuy nhiên khi sử dụng động cơ bước trong hệ điều khiển vòng hở khi quá tải, tất cá các giá trị của động cơ đều bị mất và hệ thống cần nhận diện lại.
• Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau. Khi có dòng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước làm cho roto của động cơ quay một góc nhất định gọi là bước của động cơ.

• Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển. Góc bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển động cơ bước.
• Tính năng mở máy của động cơ được đặc trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không làm cho roto mất đồng bộ.
• Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây.

Phân loại động cơ bước theo số pha

• Loại 1: động cơ bước 2 pha là loại động cơ bước 4 dây, động cơ bước 6 dây hoặc động cơ bước 8 dây.
• Loại 2: động cơ bước 3 pha là loại động cơ bước 3 dây hoặc động cơ bước 4 dây.
• Loại 3: động cơ bước 5 pha là loại động cơ bước có 5 dây

Phân loại theo cực của động cơ bước

Động cơ đơn cực

• Dòng điện trong một động cơ đơn cực luôn chạy qua cuộn dây theo cùng một hướng. Điều này cho phép sử dụng mạch điều khiển đơn giản, nó tạo ra mô-men xoắn ít hơn động cơ lưỡng cực. (Hình màu Đỏ)

Động cơ lưỡng cực

• Dòng điện trong một động cơ lưỡng cực có thể chạy qua cuộn dây theo một trong hai hướng. Trong khi điều này đòi hỏi một mạch điều khiển phức tạp hơn động cơ đơn cực, nó tạo ra nhiều mô-men xoắn hơn. (Hình màu xanh)

Phân loại động cơ bước theo Rotor

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu ( Permanent magnet stepper ) :

• Động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng một nam châm vĩnh cửu (PM) trong rotor và hoạt động dựa trên lực hút hoặc lực đẩy giữa rotor PM và nam châm điện stator.

Động cơ bước biến đổi điện trở ( Variable Reluctance Stepper Motor ) :

• Động cơ bước biến đổi điện trở (VR) có một rotor sắt trơn và hoạt động dựa trên nguyên tắc miễn cưỡng tối thiểu xảy ra với khe hở tối thiểu, do đó các điểm rotor bị hút về phía cực nam châm của stator.

Động cơ bước đồng bộ lai ( Hybrid Synchronous Stepper Motor ):

Động cơ bước lai (HB) được đặt tên bởi vì chúng sử dụng kết hợp các kỹ thuật nam châm vĩnh cửu (PM) và biến đổi điện trở (VR) để đạt được công suất tối đa trong kích thước nhỏ gọn.

Phương pháp điều khiển động cơ bước

Các chế độ điều khiển khác nhau trên động cơ bước đơn cực 4 pha.

Điều khiển dạng sóng ( Wave Drive )

Đây là cách cơ bản nhất để điều khiển một động cơ bước và nó không được sử dụng nhiều nhưng vẫn đáng để hiểu về việc điều khiển động cơ bước. Trong phương pháp này, mỗi pha hoặc stato cạnh nhau sẽ được kích hoạt lần lượt bằng cách sử dụng một mạch đặc biệt. Điều này từ hóa và khử từ hóa stato dẫn đến chuyển động của rôto một bước.

Điều khiển chạy đủ bước ( Full Step Drive )

Trong phương pháp này thay vì kích hoạt các stator một lần, hai stator được kích hoạt với một khoảng thời gian ngắn giữa chúng. Trong chế độ này, bất kỳ hai stator sẽ được kích hoạt.

Điều này có nghĩa là stator thứ nhất bật ON và stator. Thứ hai sẽ ON sau một khoảng thời gian ngắn trong khi stator thứ nhất vẫn ON. Phương pháp này dẫn đến mô-men xoắn cao và cho phép điều khiển động cơ tải cao.

Điều khiển chạy nửa bước ( Haft-Stepping Drive )

Phương pháp này khá giống với ổ đĩa Full bước. Ở đây, hai stator được đặt cạnh nhau sẽ được kích hoạt trước và stator thứ ba sẽ được kích hoạt tiếp theo; hai stator này bị vô hiệu hóa.

 Chu kỳ này kích hoạt hai stator trước và sau đó một stator lặp lại để điều khiển động cơ bước. Phương pháp này dẫn đến tăng độ phân giải của động cơ trong khi giảm mô-men xoắn.

Điều khiển chạy bước nhỏ ( MicroStepping Drive )

Đây là phương pháp điều khiển được sử dụng phổ biến nhất vì tính chính xác của nó. Mạch điều khiển cung cấp dòng bước biến đổi cho cuộn dây stato ở dạng sóng hình sin.

Những bước nhỏ xíu này hiện nay giúp tăng cường độ chính xác của từng bước một. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi. Vì nó cung cấp độ chính xác cao và giảm tiếng ồn hoạt động ở mức độ lớn.

Ưu nhược điểm động cơ bước

Mỗi loại động cơ điều có những ưu nhược điểm nhất định. Step motor cũng không ngoại lệ

Ưu điểm của động cơ bước

• Do cấu trúc bên trong của chúng. Động cơ bước không cần cảm biến để phát hiện vị trí động cơ. Khi động cơ di chuyển bằng cách thực hiện các bước cách đơn giản là đếm các bước này, bạn có thể có được vị trí động cơ tại một thời điểm nhất định.
• Ngoài ra, điều khiển động cơ bước là khá đơn giản. Động cơ không cần bộ trình điều khiển, không cần tính toán phức tạp hoặc điều chỉnh để hoạt động đúng. Nhìn chung cách điều khiển động cơ bước dễ dàng so với các động cơ khác. Với microstepping, bạn có thể đạt độ chính xác vị trí cao, lên tới khoảng 0,007 °.
• Động cơ bước cung cấp mô-men xoắn tốt ở tốc độ thấp, rất tốt cho việc giữ vị trí, và cũng có tuổi thọ dài.

Nhược điểm của động cơ bước

Động cơ bước có thể gặp vấn đề lỡ bước khi mô-men xoắn tải quá cao. Điều này tác động tiêu cực đến việc kiểm soát, vì không có cách nào để biết vị trí thực sự của động cơ. Sử dụng microstepping làm cho động cơ bước thậm chí có nhiều khả năng gặp vấn đề này.

• Những động cơ này luôn tiêu hao dòng điện tối đa. Ngay cả khi không hoạt động, điều này làm cho hiệu suất kém hơn và có thể gây ra quá nhiệt.
• Động cơ bước có mô-men xoắn thấp và trở nên khá ồn ở tốc độ cao.
• Cuối cùng động cơ bước có mật độ công suất thấp và tỷ lệ mô-men xoắn-quán tính thấp.
• Tóm lại, động cơ bước chỉ phù hợp khi bạn cần một giải pháp tiết kiệm chi phí, dễ điều khiển. Và không sử dụng với các ứng dụng cần mô-men xoắn ở tốc độ cao.

Các ứng dụng phổ biên của động cơ bước hiện nay

Động cơ bước là một dạng động cơ được ứng dụng khá nhiều trong nhiều lĩnh vực. Chúng alf tiên thân của các loại đông cơ Servo sau này…..

Máy công nghiệp 

Động cơ bước được sử dụng trong máy đo ô tô và máy công cụ thiết bị sản xuất tự động, máy CNC.

Ứng dụng trong Y tế

 Động cơ bước được sử dụng bên trong máy quét y tế, máy lấy mẫu và cũng được tìm thấy bên trong chụp ảnh nha khoa kỹ thuật số, bơm chất lỏng, mặt nạ phòng độc và máy phân tích máu.

Điện tử tiêu dùng

Động cơ bước trong máy ảnh cho chức năng lấy nét và thu phóng camera kỹ thuật số tự động, máy in 3D.