Động cơ bước là gì ? Cấu tạo, phân loại và các phương pháp điều khiển

Động Cơ Bước ( Stepper Motor ) là gì ?

dong-co-buoc-stepper-motor-oriental

        Động cơ bước ( Step Motor – Stepper Motor hay Stepping Motor ) là một thiết bị cơ điện, nó chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng. 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. Trục của động cơ quay qua một góc cố định cho mỗi xung rời rạc. 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.

 cau-tao-cua-dong-co-buoc

Cấu tạo của động cơ bước

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.

 

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.

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.

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

phuong-phap-dieu-khien-dong-co-buoc-01

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

Điều khiển dạng sóng ( Wave Drive )

phuong-phap-dieu-khien-dong-co-buoc-02

    • 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 )

phuong-phap-dieu-khien-dong-co-buoc-03

    • 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 )

phuong-phap-dieu-khien-dong-co-buoc-04

    • 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 ):

phuong-phap-dieu-khien-dong-co-buoc-05

    • 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 điểm

    • 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

    • 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

    • 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.
    • Bảo mật : sản phẩm giám sát mới cho ngành an ninh.
    • 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.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *