Step motor là gì? Phân loại và ứng dụng của động cơ bước

Động cơ bước là gì? 

Động cơ bước tên tiếng anh là (stepper motor, còn được gọi là step motor hoặc stepping motor). Là động cơ điện một chiều không chổi than quay theo một chuỗi các bước góc nhỏ và rời rạc. Động cơ bước có thể được đặt ở bất kỳ vị trí bước nào mà không cần cảm biến vị trí để phản hồi. Vị trí bước có thể được tăng hoặc giảm nhanh chóng để tạo ra chuyển động quay liên tục, hoặc có thể được lệnh để động cơ chủ động giữ nguyên vị trí tại một bước nhất định. Động cơ khác nhau về kích thước, tốc độ, độ phân giải bước và mô-men xoắn.

Cơ chế của động cơ bước

Động cơ DC chổi than quay liên tục khi có điện áp DC đặt vào các cực của chúng. Động cơ bước được biết đến với đặc tính chuyển đổi một chuỗi xung đầu vào (thường là sóng vuông) thành một gia số được xác định chính xác về vị trí quay của trục. Mỗi xung làm trục quay theo một góc cố định.

Các loại động cơ bước

Có ba loại động cơ bước chính: Động cơ nam châm vĩnh cửu, động cơ từ trở biến thiên và động cơ đồng bộ lai.

Động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng một nam châm vĩnh cửu (PM) trong rôto và hoạt động dựa trên lực hút hoặc lực đẩy giữa nam châm rôto và nam châm điện stato. Các xung làm rôto di chuyển theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ theo các bước rời rạc. Nếu được cấp nguồn ở bước cuối cùng, một chốt chặn chắc chắn sẽ được giữ tại vị trí trục đó. Chốt chặn này có độ đàn hồi lò xo dự đoán được và giới hạn mô-men xoắn được chỉ định, hiện tượng trượt sẽ xảy ra nếu vượt quá giới hạn.

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có mạch điện tử chuyển mạch DC đơn giản, chốt chặn khi tắt nguồn và không có màn hình hiển thị vị trí. Những đặc điểm này lý tưởng cho các ứng dụng như máy in giấy, máy in 3D và robot. Các ứng dụng này theo dõi vị trí chỉ bằng cách đếm số bước mà mỗi động cơ đã được hướng dẫn thực hiện.

Động cơ từ trở biến thiên (VR) có rôto bằng sắt mềm và hoạt động dựa trên nguyên tắc từ trở tối thiểu xảy ra khi khe hở tối thiểu, do đó các điểm của rôto bị hút về phía các cực từ của stato. Động cơ từ trở thay đổi có chốt hãm khi bật nguồn nhưng không có chốt hãm khi tắt nguồn.

Pha

Cách sắp xếp trong động cơ bước hai pha

Có hai cách sắp xếp cuộn dây cơ bản cho các cuộn dây điện từ trong động cơ bước hai pha: Đơn cực và Lưỡng cực.

Động cơ đơn cực

Động cơ bước đơn cực có một cuộn dây với đầu nối trung tâm cho mỗi pha. Mỗi đoạn cuộn dây được bật cho mỗi hướng của từ trường. Vì trong cách sắp xếp này, cực từ có thể đảo ngược mà không cần đảo cực của dây chung, nên mạch chuyển mạch có thể chỉ cần một transistor chuyển mạch duy nhất cho mỗi nửa cuộn dây. 

Thông thường, với một pha, đầu nối trung tâm của mỗi cuộn dây được thiết kế chung: ba chân cho mỗi pha và sáu chân cho động cơ hai pha thông thường. Thông thường, hai đầu nối chung pha này được nối bên trong, vì vậy động cơ chỉ có năm chân.

Động cơ lưỡng cực

Động cơ lưỡng cực có một cặp kết nối cuộn dây đơn cho mỗi pha. Dòng điện trong cuộn dây cần được đảo ngược để đảo cực từ, do đó mạch điều khiển phải phức tạp hơn, thường sử dụng mạch cầu H (tuy nhiên, có một số chip điều khiển bán sẵn giúp việc này trở nên đơn giản). Mỗi pha có hai chân, không có chân nào chung.

Động cơ bước 8 chân tương tự như động cơ bước đơn cực, nhưng các chân không được nối chung bên trong động cơ. Loại động cơ này có thể được đấu nối theo nhiều cấu hình:

• Đơn cực.
• Lưỡng cực với các cuộn dây nối tiếp. Điều này cho độ tự cảm cao hơn nhưng dòng điện trên mỗi cuộn dây thấp hơn.
• Lưỡng cực với các cuộn dây song song. Điều này đòi hỏi dòng điện cao hơn nhưng có thể hoạt động tốt hơn khi độ tự cảm của cuộn dây giảm.
• Lưỡng cực với một cuộn dây trên mỗi pha. Phương pháp này sẽ chỉ chạy động cơ trên một nửa số cuộn dây có sẵn, điều này sẽ làm giảm mô-men xoắn ở tốc độ thấp nhưng yêu cầu ít dòng điện hơn.

Số pha cao hơn

Động cơ bước nhiều pha với nhiều pha thường có độ rung thấp hơn nhiều. Mặc dù đắt hơn, nhưng chúng có mật độ công suất cao hơn và với Bộ truyền động van điện tử phù hợp, chúng thường phù hợp hơn với ứng dụng.

Mạch điều khiển

Hiệu suất của động cơ bước phụ thuộc rất nhiều vào mạch điều khiển. Đường cong mô-men xoắn có thể được mở rộng đến tốc độ lớn hơn nếu các cực stato có thể đảo ngược nhanh hơn, yếu tố giới hạn là sự kết hợp của độ tự cảm của cuộn dây. Để khắc phục độ tự cảm và đóng cắt cuộn dây nhanh chóng, người ta phải tăng điện áp điều khiển. Điều này càng dẫn đến sự cần thiết phải hạn chế dòng điện mà các điện áp cao này có thể tạo ra.

Mạch điều khiển L/R

Mạch điều khiển L/R còn được gọi là mạch điều khiển điện áp không đổi vì điện áp dương hoặc âm không đổi được đặt vào mỗi cuộn dây để thiết lập vị trí bước. Tuy nhiên, chính dòng điện cuộn dây, chứ không phải điện áp, mới tạo ra mô-men xoắn cho trục động cơ bước. Dòng điện I trong mỗi cuộn dây liên quan đến điện áp V được đặt vào bởi độ tự cảm L của cuộn dây và điện trở R của cuộn dây. Điện trở R quyết định dòng điện cực đại theo định luật Ohm I = V/R.

Mạch truyền động Chopper

Mạch truyền động Chopper được gọi là mạch truyền động dòng điện điều khiển vì chúng tạo ra dòng điện điều khiển trong mỗi cuộn dây thay vì áp dụng điện áp không đổi. Mạch truyền động Chopper thường được sử dụng với động cơ lưỡng cực hai cuộn dây, hai cuộn dây được dẫn động độc lập để tạo ra mô-men xoắn động cơ cụ thể theo chiều thuận (CW) hoặc chiều ngược (CCW).

Dạng sóng dòng điện pha

Động cơ bước là động cơ đồng bộ xoay chiều đa pha và lý tưởng nhất là được dẫn động bằng dòng điện hình sin. Dạng sóng toàn bước là dạng sóng xấp xỉ gần đúng của sóng hình sin, và là lý do tại sao động cơ lại rung động mạnh như vậy. Nhiều kỹ thuật dẫn động khác nhau đã được phát triển để xấp xỉ tốt hơn dạng sóng dẫn động hình sin: đó là bán bước và vi bước.

Truyền động sóng (bật một pha)

Trong phương pháp truyền động này, chỉ có một pha được kích hoạt tại một thời điểm. Nó có cùng số bước như truyền động toàn bước, nhưng động cơ sẽ có mô-men xoắn thấp hơn đáng kể so với định mức. Phương pháp này hiếm khi được sử dụng. Hình ảnh động minh họa ở trên là động cơ truyền động sóng. Trong hình ảnh động, rô-to có 25 răng và cần 4 bước để quay một vị trí răng. Vì vậy, sẽ có 25 × 4 = 100 bước cho mỗi vòng quay toàn bộ và mỗi bước sẽ là 360⁄100 = 3,6°.

Truyền động toàn bước (bật hai pha)

Đây là phương pháp thông thường để truyền động toàn bước cho động cơ. Hai pha luôn được bật để động cơ đạt mô-men xoắn định mức tối đa. Ngay khi một pha bị ngắt, pha khác sẽ được bật. Truyền động sóng và truyền động toàn bước một pha là một, với cùng số bước nhưng mô-men xoắn khác nhau.

Chế độ nửa bước

Khi chế độ nửa bước, Bộ truyền động van luân phiên giữa hai pha bật và một pha bật. Điều này làm tăng độ phân giải góc. Động cơ cũng có mô-men xoắn thấp hơn (khoảng 70%) ở vị trí bước đầy đủ (khi chỉ có một pha bật). Điều này có thể được giảm thiểu bằng cách tăng dòng điện trong cuộn dây chủ động để bù trừ.

Ưu điểm của chế độ nửa bước là các mạch điện tử của Bộ truyền động van không cần phải thay đổi để hỗ trợ nó. Nếu chúng ta chuyển sang chế độ nửa bước, thì sẽ mất 8 bước để quay 1 vị trí răng. Vì vậy, sẽ có 25×8 = 200 bước cho mỗi vòng quay đầy đủ và mỗi bước sẽ là 360/200 = 1,8°. Góc mỗi bước của nó bằng một nửa bước đầy đủ.

Vi bước

Vi bước thường được gọi là vi bước sin-cosin, trong đó dòng điện cuộn dây xấp xỉ dạng sóng AC hình sin. Cách phổ biến để đạt được dòng điện sin-cosin là sử dụng mạch điều khiển cắt. Vi bước sin-cosin là dạng phổ biến nhất, nhưng có thể sử dụng các dạng sóng khác.

Lý thuyết

Động cơ bước có thể được xem như một động cơ AC đồng bộ với số cực (trên cả rotor và stato) tăng lên, lưu ý rằng chúng không có mẫu số chung. Ngoài ra, vật liệu từ mềm với nhiều răng trên rotor và stato làm tăng số cực một cách tiết kiệm chi phí (động cơ từ trở). Các động cơ bước hiện đại được thiết kế lai, có cả nam châm vĩnh cửu và lõi sắt mềm.

Mô-men xoắn kéo vào

Đây là thước đo mô-men xoắn do động cơ bước tạo ra khi hoạt động mà không có trạng thái tăng tốc. Ở tốc độ thấp, động cơ bước có thể tự đồng bộ hóa với tần số bước được áp dụng, và mô-men xoắn kéo vào này phải thắng được ma sát và quán tính. Điều quan trọng là phải đảm bảo tải trên động cơ là ma sát chứ không phải quán tính vì ma sát làm giảm bất kỳ dao động không mong muốn nào.

Mô-men xoắn kéo ra

Mô-men xoắn kéo ra của động cơ bước được đo bằng cách tăng tốc động cơ đến tốc độ mong muốn và sau đó tăng tải mô-men xoắn cho đến khi động cơ dừng hẳn hoặc bỏ lỡ các bước. Phép đo này được thực hiện trên một dải tốc độ rộng và kết quả được sử dụng để tạo ra đường cong hiệu suất động của động cơ bước.

Mô-men xoắn hãm

Động cơ điện đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu có mô-men xoắn giữ vị trí cộng hưởng (được gọi là mô-men xoắn hãm hoặc răng cưa, và đôi khi được bao gồm trong thông số kỹ thuật) khi không được truyền động bằng điện. Lõi từ trở sắt mềm không biểu hiện hiện tượng này.

Rung và cộng hưởng

Khi động cơ di chuyển một bước, nó thường vượt quá vị trí dừng cuối cùng và dao động xung quanh điểm đó trước khi ổn định. Hiện tượng dao động không mong muốn này được gọi là rung và được cảm nhận như sự rung của rôto động cơ. Hiện tượng này rõ rệt hơn ở các động cơ không tải. Một động cơ không tải hoặc tải nhẹ có thể  và thường sẽ bị dừng nếu dao động đủ lớn để gây mất đồng bộ

Ứng dụng

Động cơ bước điều khiển bằng máy tính là một loại hệ thống định vị điều khiển chuyển động. Chúng thường được điều khiển kỹ thuật số như một phần của hệ thống vòng hở để sử dụng trong các ứng dụng giữ hoặc định vị.

Trong lĩnh vực laser và quang học, chúng thường được sử dụng trong các thiết bị định vị chính xác như Bộ truyền động van tuyến tính, bệ tuyến tính, bệ quay, máy đo góc và giá đỡ gương. Các ứng dụng khác bao gồm trong máy đóng gói và định vị các bệ dẫn hướng van cho các hệ thống điều khiển chất lỏng.

Về mặt thương mại, động cơ bước được sử dụng trong ổ đĩa mềm, máy quét phẳng, máy in, máy vẽ, máy đánh bạc, máy quét hình ảnh, ổ đĩa CD, đèn chiếu sáng thông minh, ống kính máy ảnh, máy CNC và máy in 3D.

Hệ thống động cơ bước

Một hệ thống động cơ bước bao gồm ba thành phần cơ bản, thường được kết hợp với một số loại giao diện người dùng (máy tính chủ, PLC hoặc thiết bị đầu cuối):

Bộ lập chỉ mục

Bộ lập chỉ mục (hoặc bộ điều khiển) là một bộ vi xử lý có khả năng tạo xung bước và tín hiệu điều hướng cho bộ điều khiển. Ngoài ra, bộ lập chỉ mục thường được yêu cầu thực hiện nhiều chức năng điều khiển phức tạp khác.

Bộ điều khiển

Bộ điều khiển (hoặc bộ khuếch đại) chuyển đổi tín hiệu lệnh của bộ lập chỉ mục thành công suất cần thiết để cấp điện cho các cuộn dây động cơ.

Động cơ bước

Động cơ bước là một thiết bị điện từ chuyển đổi các xung kỹ thuật số thành chuyển động quay của trục cơ học.