Động cơ bước (STEP), phân loại, ứng dụng và điều khiển

♦ Xem thêm tri thức về điều khiển động cơ bước

• Điều khiển bằng Driver A4988
• Điều khiển bằng L298N | PWM | Mạch Cầu H
• Những tri thức về động cơ servo mà người làm kỹ thuật phải biết

1/ Động cơ bước là gì?

Read more: Tiêu chuẩn về bản vẽ kỹ thuật Việt Nam

Động cơ bước (stepper motor), thực chất là một động cơ đồng bộ tiêu dùng để biến đổi những tín hiệu điều khiển dưới dạng những xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành những di chuyển góc quay.

1.1/ Cấu tạo động cơ bước

Về cấu tạo động cơ bước gồm với những phòng ban là stato, roto là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ với từ tính. Động cơ bước được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài. Động cơ bước và bộ điều khiển được thiết kế sao cho động cơ với thể giữ nguyên bất kỳ vị trí nhất quyết nào cũng như quay tới một vị trí bất kỳ nào.

Động cơ bước với thể sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn thuần, hoặc vòng kín, tuy nhiên lúc sử dụng động cơ bước trong hệ điều khiển vòng hở lúc quá tải, tất cá những giá trị của động cơ đều bị mất và hệ thống cần nhận diện lại.

1.2/ Đặc điểm của động cơ bước

• Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của những xung rời rạc và kế tiếp nhau. Lúc với 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 với thể mở máy mà ko làm cho roto mất đồng bộ.
• Chiều quay động cơ bước ko phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào trật tự cấp xung cho những cuộn dây.

2/ Phân loại động cơ bước

Read more: Công thức tính gốc lãi trả đều hàng tháng và cách tính bạn nên biết

Động cơ bước được chia thành 3 loại chính là:

1. Động cơ bước biến từ trở.
2. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
3. Động cơ bước hỗn hợp/lai.

2.1/ Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu với roto là nam châm vĩnh cửu, stato với nhiều răng trên mỗi răng với quấn những vòng dây. Những cuộn dây pha với cực tính khác nhau.

Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu với 2 cặp cuộn pha được trình bày ở hình: Ban sơ vị trí của stato và roto đang ở part A. Lúc cấp điện cho 2 cuộn dây pha B và D trong 2 cuộn sẽ xuất hiện cực tính. Do cực tính của cuộn dây pha và roto ngược nhau dẫn tới roto di chuyển tới vị trí như hình part B on. Lúc cuộn dây pha B và D ngắt điện cuộn dây A và B được cấp điện thì roto lại di chuyển tới vị trí như hình part C on.

Gọi số răng trên stato là Zs, góc bước của động cơ là Sđc, góc bước của động cơ này được tính theo công thức sau:

2.2/ Động cơ bước biến từ trở

Động cơ bước biến từ trở với cấu tạo giống với động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Cấu tạo của stato cũng với những cuộn pha đối xứng nhau, nhưng những cuộn pha đối xứng với cùng cực tính khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Góc bước của stato là Ss.

Roto của động cơ bước biến từ trở được cấu tạo từ thép non với khả năng dẫn từ cao, do đó lúc động cơ mất điện roto vẫn tiếp tục quay tự do rồi mới giới hạn hẳn.

Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến từ được thể hiện như hình:

Lúc cấp điện cho pha A (hình a), từng cặp cuộn dây A xếp đặt đối xứng nhau với cùng cực tính là nam (S) và bắc (N). Lúc này những cuộn dây hình thành những vòng từ đối xứng.

Lúc cấp điện cho pha B (hình b). Lúc này từ trở trong động cơ to, momen từ tác động lên trục roto làm cho roto quay theo chiều giảm từ trở. Roto quay cho tới lúc từ trở nhỏ nhất và lúc momen bằng ko thì trục động cơ giới hạn, roto đạt tới vị trí thăng bằng mới.

Tương tự như vật lúc cấp điện cho pha C, động cơ hoạt động theo nguyên tắc trên và roto ở vị trí như hình c. Quá trình trên lặp lại và động cơ quay liên tục theo trật tự pha A  B  C. Để động cơ quay ngược chiều chỉ cần cấp điện cho những pha theo trật tự trái lại.

Gọi số pha của động cơ là Np, ổ răng trên roto là Zr, góc bước của động cơ bước biến từ trở là S ta tính được công thức sau:

2.3/ Động cơ bước hỗn hợp

Động cơ bước hỗn hợp (còn gọi là động ơ bước lai) với đặc trưng cấu trúc của động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ. Stato và roto với cấu tạo tương tự động cơ bước biến từ trở nhưng số răng của stato và roto ko bằng nhau. Roto của động cơ bước thường với 2 phần: phần trong là nam châm vĩnh cửu được gắn chặt lên trục động cơ, phần ngoài là 2 đoạn roto được cung ứng từ lá thép non và răng của 2 đoạn roto được đặt lệch nhau.

Góc bước của động cơ bước hỗn hợp được tính theo công thức:

Trong đó:

• S là góc bước của động cơ
• Sr là góc giữa 2 răng kề nhau
• Zs là số cặp cực trên stato.

Động cơ bước hỗn hợp được sử dụng rộng rãi vì phối hợp những ưu điểm của 2 loại động cơ trên là động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ trở.

2.3/ Động cơ bước 2 pha

Hiện nay những động cơ bước 2 pha được sử dụng rất thông dụng, với kết cấu như động cơ bước hỗn hợp và động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Tuy nhiên động cơ bước 2 pha còn được phân loại dựa vào cách đấu dây những cặp cực.

Động cơ bước đơn cực: cuộn dây pha với ba dây đầu ra. Điểm trung tâm của cuộn dây được đấu ra ngoài. Lúc cấp điện, dây trung tâm được nối với đầu dương của nguồn điện, hai đầu dây còn lại được nối với đầu âm.

Động cơ bước lưỡng cực: cuộn dây pha của loại động cơ này chỉ với 2 đầu ra. Một đầu dây được nối với nguồn dương và đầu còn lại được nối với đầu âm của nguồn điện. Động cơ bước lưỡng cực với kết cấu đơn thuần nhưng điều khiển phức tạp hơn động cơ bước đơn cực.

3/ Phương pháp điều khiển động cơ bước

Hiện nay với 4 phương pháp điều khiển động cơ bước.

1. Điều khiển dạng sóng (Wave): là phương pháp điều khiển cấp xung điều khiển tuần tự theo trật tự chon từng cuộn dây pha.
2. Điều khiển bước đủ (Full step): là phương pháp điều khiển cấp xung song song cho 2 cuộn dây pha kế tiếp nhau.
3. Điều khiển nửa bước (Half step): là phương pháp điều khiển phối hợp cả 2 phương pháp đều khiển dạng sóng và điều khiển bước đủ. Lúc điều khiển theo phương pháp này thì giá trị góc bước nhỏ hơn hai lần và số bước của động cơ bước tăng lên 2 lần so với phương pháp điều khiển bước đủ tuy nhiên phương pháp này với bộ phát xung điều khiển phức tạp.
4. Điều khiển vi bước (Microstep): là phương pháp mới được ứng dụng trong việc điều khiển động cơ bước cho phép động cơ bước giới hạn và định vị tại vị trí nửa bước giữa 2 bước đủ. Ưu điểm của phương pháp này là động cơ với thể hoạt động với góc bước nhỏ,độ xác thực cao. Do xung cấp với dạng sóng nên động cơ hoạt động êm hơn,hạn chế được vấn đề cùng hưởng lúc động cơ hoạt động.

4/ Những thiết bị đi kèm với động cơ bước

4.1/ Hộp giảm tốc

Hộp giảm tốc sử dụng cho động cơ bước là loại hệ bánh rang hành tinh. đảm bảo độ xác thực và bền, tỉ lệ giảm tốc: 1:5, 1:10. Hộp giảm tốc được cung ứng yêu thích theo từng loại động cơ 86, 57, 42 thường tiêu dùng trong robotic hoặc những loại máy gia công

4.2/ Phanh từ

Phanh từ là thiết bị được lắp ở phần đuôi động cơ bước, đây là thiết bị được tiêu dùng để giới hạn động cơ đột ngột hoặc tự giữ trong trường hợp mất điện.

4.3/ Encoder

Đây là một thiết bị được gắng ở phần đuôi động cơ cơ, với chức năng hồi tiếp tín hiệu về driver điều khiển. Từ đó driver sẽ cấp đúng số xung. Loại động cơ được gắng encoder sẽ di chuyển với tốc độ cao, xác thực và ko bị mất bước trong quá trình hoạt động

Loại động cơ step được gắng encoder thường được gọi tên là động cơ hybrid (động cơ lai). để điều khiển động cơ này cũng cần phải sử dụng driver riêng biệt (với những cổng nhận tín hiệu hồi tiếp encoder)

4.4/ Driver điều khiển

Để điều khiển động cơ bước nhu yếu driver. Đây là thiết bị cấp xung cho động cơ hoạt động, ứng với từng loại động cơ sẽ với loại driver tương ứng.

Website: https://copphaviet.com