Động Cơ Bước Là Gì? Cấu Tạo, Phân Loại Step Motor

Động cơ bước hay stepper motor được dùng trong các hệ thống máy phay, máy cắt CNC. Để có thể khai thác và sử dụng hiệu quả thì các bạn có thể cập nhật những thông tin chi tiết mà ThuyKhiDien đã tổng hợp về thiết bị này như: cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách thức phân loại trong bài viết này nhé.

1. Động cơ bước là gì?
2. Cấu tạo motor bước
3. Nguyên lý hoạt động stepper motor
4. Thông số động cơ bước
5. Phân loại động cơ bước
6. Theo số pha động cơ
7. Theo rotor
8. Theo cực của động cơ
9. Ưu nhược điểm step motor
10. Ứng dụng của motor bước
11. Phương pháp điều khiển động cơ bước
12. Điều khiển dạng sóng (Wave Drive)
13. Điều khiển chạy đủ bước (Full Step Drive)
14. Điều khiển chạy nửa bước (Half-Stepping Drive)
15. Điều khiển chạy bước nhỏ (MicroStepping Drive)

Động cơ bước là gì?

Motor bước hay step motor, stepper motor đều là tên gọi của động cơ bước. Đây là một thiết bị quen thuộc nhất là trong các ngành điều khiển tự động hóa.

Stepping motor là động cơ sử dụng điện năng nhưng nó khác với các loại động cơ 3 pha, 1 pha thông thường.

Chúng ta hiểu nó là một thiết bị motor đồng bộ, dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển của máy móc, dây chuyền dưới dạng xung điện rời rạc, phát ra liên tiếp nhau thành chuyển động góc quay xác định. Nhờ vào những chuyển động của bộ phận roto mà người dùng có thể gắn cố định roto của máy vào những vị trí đã được thiết kế sẵn.

Với motor bước này, người dùng có thể quy định được tần số góc quay. Góc bước và số bước sẽ tỉ lệ nghịch với nhau. Nếu góc bước của nó nhỏ thì số bước trên mỗi vòng quay sẽ lớn. Và khi đó, độ chính xác của vị trí sẽ cao hơn.

Một số động cơ thì góc bước có thể đạt độ đại là 90 độ, góc tiểu thì 0.72 độ. Góc bước phổ biến nhất hiện nay sẽ là 1.8 độ, 2.5 độ hay 7.5 độ, 15 độ.

Cấu tạo motor bước

Về cơ bản các step motor giống nhau về cấu tạo. Nó bao gồm 2 thành phần chính đó là Stator và Rotor.

+ Stator: Bộ phận được cấu tạo bằng sắt từ. Trên thân, nhiều rãnh nhỏ được thiết kế để đặt cuộn dây dễ dàng.

+ Rotor: Bộ phận này được gọi nôm na là nam châm vĩnh cửu. Chúng sẽ được sắp xếp chồng lên nhau 1 cách cẩn thận, kỹ lưỡng. Những lá này được bố trí sắp xếp đối xứng với nhau và chia thành từng cặp dễ dàng.

Nguyên lý hoạt động stepper motor

Theo như tìm hiểu của TKĐ thì stepping motor không hoạt động theo cơ chế thông thường. Nó sẽ quay theo từng bước 1 vì thế mà người ta đặt tên gọi như vậy. Điều đó tạo nên độ chính xác khá tốt và ứng dụng nhất là trong điều khiển học.

Hoạt động của motor bước hoàn toàn bị phụ thuộc và chi phối bởi bộ chuyển mạch điện tử. Những mạch này sẽ cho ra các tín hiệu khác nhau của lệnh điều khiển rồi chạy vào Stator theo từng số thứ tự lần lượt với 1 tần số nhất định được xác định.

Tổng số góc quay của các rotor sẽ tương ứng với số lần mà động cơ ấy chuyển mạch. Tốc độ quay của con rotor và chiều quay của nó sẽ phụ thuộc vào tần số cũng như số thứ tự chuyển đổi.

Thông số động cơ bước

Điều đầu tiên khi tìm kiếm motor bước đó là xác định được số step. Thông số này sẽ được các nhà sản xuất cung cấp một cách đầy đủ. Thường thì tại Việt Nam dùng các motor bước có số stepp 200.

Một thông số khác mà chúng ta cần quan tâm liên quan đến điện áp đó là:

+ Rated Current / phase (dòng tiêu thụ tối đa của mỗi pha): 2.0 A

+ Phase Resistance (điện trở của từng pha): 1.4 Ω

+ Voltage (hiệu điện thế dòng điện): 2.8 V

Dòng tiêu thụ tối đa của mỗi pha hay Rated Current / phase sẽ cung cấp cho người dùng biết được dòng điện tối đa mà các pha của động cơ nhận được. Khi nào driver hỏng? Đó là khi dòng điện của mỗi pha cao hơn thông số Rated Current / phase. Vì thế mà khi lựa chọn, kỹ sư thường khuyên người mua chọn các driver có dòng điện ra ở mức xấp xỉ 80% – 90% thông số ở trên.

Điện trở ở mỗi pha là 1 hằng số, để biết được thông số này thì bạn tìm kiếm và xem trong datasheet của motor bước. Voltage là hiệu điện thế. Thông số này cho biết hiệu điện thế tối ưu để stepper motor có thể làm việc ổn định, hiệu quả.

Phân loại động cơ bước

Trên thị trường, các loại động cơ bước mini, động cơ bước lớn với nhiều kiểu dáng, giá thành khác nhau khiến không ít khách hàng cảm thấy bỡ ngỡ khi lần đầu tiếp xúc. Vì thế mà việc phân loại chính xác sẽ giúp ích rất nhiều trong quá trình này.

Theo số pha động cơ

Phân chia thiết bị này dựa trên số pha của động cơ thì ta có các loại như sau:

+ Động cơ bước loại 2 pha: có 4 dây, 6 dây hoặc 8 dây.

+ Động cơ bước loại 3 pha: loại 3 dây, 4 dây.

+ Động cơ bước loại 5 pha: có 5 dây.

Theo rotor

Nếu phân chia các stepper motor dựa trên rotor thì có 3 loại:

+ Động cơ bước nam châm vĩnh cửu: Thiết bị sử dụng 1 loại nam châm vĩnh cửu Permanent magnet trong rotor. Nó vận hành dựa vào lực đẩy hoặc lực hút xuất hiện tại nam châm điện rotor hoặc rotor PM.

+ Động cơ bước đồng bộ lai: Nó có tên tiếng anh là Hybrid Synchronous Stepper Motor. Nó là sự kết hợp của biến đổi điện trở và nam châm vĩnh cửu. Motor bước có thể đạt công suất tối đa tốt nhất, kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt.

+ Loại thứ 3 là động cơ biến đổi điện trở: tên viết tắt của nó là VR. Cấu tạo của nó có 1 rotor sắt trơn. Nguyên lý làm việc dựa trên nguyên tắc miễn cưỡng tối thiểu xảy ra tại khe hở tối thiểu. Những điểm của rotor sẽ bị hút về phía cực của nam châm rotor.

Theo cực của động cơ

Nếu phân chia stepper motor theo số cực thì chúng ta có 2 loại khác nhau đó là:

Động cơ đơn cực

Dòng điện chạy trong 1 động cơ đơn cực sẽ luôn chạy qua cuộn dây và chạy cùng 1 hướng. Nhờ vậy mà con người dễ dàng sử dụng các mạch điều khiển đơn giản hơn. Nếu so sánh với động cơ lưỡng cực thì nó tạo ra ít momen xoắn hơn.

Động cơ lưỡng cực

Khác với loại ở trên, dòng điện chạy trong 1 động cơ lưỡng cực sẽ đi qua cuộn dây theo 1 hướng hoặc 2 hướng. Nếu sử dụng thiết bị này thì đòi hỏi con người phải cung cấp một mạch điều khiển phức tạp hơn. Nó cũng tạo nhiều momen xoắn hơn.

Không phải bất cứ các stepping motor nào cũng được ứng dụng mang lại hiệu quả nếu không lựa chọn phù hợp và chất lượng. Vì thế mà người dùng hãy tham khảo các tư vấn của kỹ sư trước khi chọn mua và lắp đặt nhé.

Xem thêm: Xi lanh điện là gì? Phân loại của xy lanh điện

Ưu nhược điểm step motor

Những ưu nhược điểm của motor bước mà Thủy Khí Điện giới thiệu dưới đây sẽ là cơ sở để các bạn cân nhắc chọn lựa.

Ưu điểm

• Đầu tiên đó chính là giá thành phải chăng, người mua dễ dàng tìm kiếm các cửa hàng hay công ty trên thị trường.
• Có thể điều chỉnh một cách chính xác các góc quay.
• Mặc dù dải vận tốc thấp hoặc trung bình nhưng nó có thể cung cấp momen xoắn lớn.
• Ưu điểm đáng chú ý của nó đó là hoạt động bền bỉ, tuổi thọ cao và ít xảy ra sự cố.
• Cấu tạo đơn giản, dễ dàng lắp đặt, bảo dưỡng và thay thế khi cần.

Những ưu điểm này sẽ được phát huy tối đa nếu khách hàng chọn những sản phẩm chính hãng, được bảo đảm chất lượng và đáp ứng các tiêu chuẩn thông số.

Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm khiến nó là sự lựa chọn hàng đầu của nhiều người thì nó vẫn có những nhược điểm làm người dùng phải cân nhắc.

+ Stepping motor không phù hợp với cho những công việc cần tốc độ cao.

+ Trong một số hệ thống, step motor sẽ có hiện tượng trượt bước. Nguyên nhân là lực từ tại nam châm vĩnh cửu yếu nên vị trí không chính xác hoặc nguồn điện cấp vào yếu, không ổn định.

Để khách hàng dễ dàng hình dung cụ thể thì chúng tôi ví dụ: Động cơ bước có góc bước 1.8 độ nên cần 200 vòng xung thì mới quay đủ 1 vòng khi điện cung cấp bị yếu hoặc nam châm không đảm bảo thì cần phải có hơn 200 xung mới đủ cho 1 vòng quay.

+ So với động cơ servo thì các động cơ bước nó lại gây nhiễu và tạo ra nhiều làn sóng rung động hơn. Điều này sẽ ảnh hưởng đến các thiết bị.

+ Một số thiết bị sẽ trượt bước khi trong lúc hoạt động, dòng từ drive tới cuộn dây của động cơ không thể giảm xuống hoặc tăng lên. Vì vậy khi động cơ bị quá tải thì trượt bước xuất hiện và động cơ hay thiết bị sẽ không làm việc chính xác.

+ Sau khi khởi động thì motor bước vào quá trình làm việc. Nó sẽ tạo ra tiếng ồn và nhiệt tăng dần. Để khắc phục điều này nhiều người đã đầu tư động cơ bước đời mới nhất với các cải tiến về nhiệt cũng như tiếng ồn rất hiệu quả.

Nhìn chung thiết bị này chỉ phù hợp khi bạn vừa muốn 1 giải pháp tiết kiệm nhưng vẫn dễ dùng. Nó không thích hợp trong những ứng dụng công việc mà cần momen xoắn tốc độ cao.

Ứng dụng của motor bước

Trong các ngành công nghiệp hiện nay thì motor bước được sử dụng ngày càng nhiều hơn nhất trong các ứng dụng cần điều khiển chuyển động kỹ thuật số và lắp ráp máy móc, vận hành động cơ. Hoạt động của nó được thiết lập với các lệnh đã được mã hóa cụ thể.

Đối với các ngành công nghiệp cần sự tự động và nhanh chóng thì chắc chắn những thiết bị như stepper motor sẽ được sử dụng vì nó có độ chính xác cao ví dụ như: Máy CNC công nghệ laser, máy cắt CNC công nghệ plasma, các máy đột dập… chuyên dùng cho cơ khí đóng tàu và cơ khí chế tạo máy, luyện kim…

Chưa dừng tại đó, stepper motor còn được áp dụng vào trong công nghệ, khoa học máy tính với các ổ đĩa mềm, ổ đĩa cứng, máy in văn phòng.

Trong những lĩnh vực điện tử mà con người dùng hàng ngày thì thiết bị này ứng dụng trong việc sản xuất máy ảnh. Chính sự linh hoạt khi áp dụng mà nó có giúp máy ảnh lấy nét chính xác, đẹp và sắc sảo hơn cũng như trang bị thêm chức năng thu phóng giống như các máy in hay camera kỹ thuật số.

Nó còn có ứng dụng trong lĩnh vực an ninh khi tham gia vào các thiết bị giám sát để có thể thông báo chính xác, tiện việc theo dõi xử lý hơn.

Đối với các ngành y tế hay khoa học nghiên cứu sức khỏe thì ứng dụng của thiết bị sẽ dùng trong sản xuất các máy lấy mẫu, máy quét y tế hay các máy chụp soi kỹ thuật số nhà khoa, một số loại mặt nạ chống độc, bơm chất lỏng hay dùng phân tích mẫu bệnh phẩm, mẫu máu.

Phương pháp điều khiển động cơ bước

Để điều khiển động cơ bước thì người ta dùng 4 phương pháp sau:

Điều khiển dạng sóng (Wave Drive)

Phương pháp này đơn giản và cũng là cơ bản nhất để điều khiển một động cơ. Ngày nay, với sự ra đời của nhiều phương pháp khác nhau mà wave drive ít được sử dụng.

Khi mà Stator hoặc pha khi ở cạnh nhau thì động cơ thông qua 1 mạch đặc trưng giúp từ hóa, khử từ sẽ kích hoạt để vận hành tuần tự. Từ đó động cơ một bước đi lại nhanh chóng hơn.

Điều khiển chạy đủ bước (Full Step Drive)

Mạch điều khiển của loại động cơ bước 4 dây không kích hoạt các Stator cùng 1 lúc mà 2 Stator sẽ cách nhau 1 khoảng thời gian ngắn. Ví dụ đó là: Stator 1 sẽ được bật On thì chỉ sau 1 khoảng thời gian thì Stator 2 được bật. Nhờ vậy mà momen xoắn đạt mức cao. Nó sẽ cho phép điều khiển tốt các động cơ có tải lớn.

Điều khiển chạy nửa bước (Half-Stepping Drive)

Phương pháp này không khác nhiều so với Full Step Drive, khi ở mạch điều khiển và stepper motor thì khi 2 Stator đặt cạnh nhau sẽ được kích hoạt trước, Stator thứ 3 sẽ kích hoạt sau đó 1 đoạn thời gian ngắn. Sau đó, 2 Stator đặt cạnh nhau sẽ bị vô hiệu hóa

Đặc điểm của phương pháp này đó là kích hoạt 2 Stator trước, sau đó có 1 Stator lặp lại sẽ tham gia điều khiển động cơ bước. Từ đó nó sẽ tăng cường độ phân giải của động cơ, momen xoắn sẽ giảm xuống.

Điều khiển chạy bước nhỏ (MicroStepping Drive)

Ưu điểm của phương pháp điều khiển chạy bước nhỏ đó là tính xác thực cao nên nó được dùng phổ thông nhất. Nó giúp tăng độ chính xác với từng bước và giảm được một phần tiếng ồn khi hoạt động tạo tiếng to.

Mạch sẽ cung cấp dòng bước biến đổi để cuộn dây Stator có thể tồn tại dưới dạng hình sin.

Đây là phương pháp mới và chỉ dùng cho stepper motor. Nó cho phép động cơ dừng lại và định vị trong 1 nửa bước chính, giữa hai bước đủ.

5/5 (5 bình chọn)