Động cơ bước là một bộ phận được ứng dụng phổ biến trong như máy gia công CNC, máy cắt laser, máy cắt plasma CNC,… Nếu bạn đang tìm hiểu về động cơ này, đừng bỏ qua bài viết hữu ích ngay sau đây nhé!
1. Động cơ bước là gì?
- Động cơ bước (Step Motor) là một loại động cơ điện quay theo từng bước nhỏ, thay vì quay liên tục như động cơ DC hoặc động cơ AC thông thường. Nó được điều khiển bằng cách cấp xung điện theo một trình tự nhất định, giúp kiểm soát chính xác vị trí mà không cần sử dụng cảm biến phản hồi.
- Điều này có nghĩa là khi cấp một số xung điện xác định, động cơ sẽ quay một góc tương ứng. Ví dụ, nếu động cơ có 200 bước mỗi vòng (1.8° mỗi bước), khi cấp đủ 100 xung, trục động cơ sẽ quay đúng nửa vòng (180°).
- Động cơ này được sử dụng phổ biến trong các hệ thống tự động hóa, máy CNC, in 3D và các ứng dụng yêu cầu điều khiển vị trí chính xác.
2. Cấu tạo động cơ bước
Một động cơ bước thông thường bao gồm các bộ phận chính sau:
- Stator (Phần tĩnh): Là phần cố định của động cơ, chứa các cuộn dây điện (cuộn dây stato) được sắp xếp theo pha để tạo ra từ trường.
- Rotor (Phần quay): Là phần chuyển động, có thể là dạng răng hoặc nam châm vĩnh cửu. Rotor quay theo từng bước khi được điều khiển.
- Cuộn dây điều khiển: Được cấp điện theo thứ tự nhất định để tạo từ trường quay, làm rotor quay theo từng bước.
- Trục động cơ: Truyền chuyển động từ rotor ra ngoài để sử dụng trong các hệ thống cơ khí.
3. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước
Động cơ bước hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường xoay. Khi một cuộn dây trong stato được cấp điện, nó tạo ra một từ trường hút rotor về phía cực từ. Quá trình cấp điện cho các cuộn dây theo một trình tự xác định sẽ làm rotor quay theo từng bước.
4. Các loại động cơ bước
| Tiêu chí phân loại | Loại động cơ bước | Đặc điểm chi tiết |
| Phân loại theo số pha | Động cơ bước 2 pha |
|
| Động cơ bước 3 pha |
|
|
| Động cơ bước 5 pha |
|
|
| Phân loại theo rotor | Động cơ có rotor nam châm vĩnh cửu hoặc dây quấn |
|
| Động cơ thay đổi từ trở |
|
|
| Phân loại theo cực của động cơ | Động cơ bước đơn cực |
|
| Động cơ bước lưỡng cực |
|
5. Các chế độ điều khiển động cơ bước
Sau đây là các chế độ điều khiển động cơ bước phổ biến cùng những đặc điểm nổi bật. Cụ thể như sau:
5.1. Điều khiển dạng sóng
Điều khiển dạng sóng (Wave Drive) là phương pháp cơ bản nhất trong điều khiển động cơ bước, nhưng ngày nay ít được sử dụng do một số hạn chế về hiệu suất.
Trong phương pháp này, chỉ một pha của stato được kích hoạt tại một thời điểm, dẫn đến việc từ hóa cuộn dây và tạo ra mô-men xoắn khiến rotor di chuyển từng bước một. Khi pha đang hoạt động bị tắt, pha tiếp theo sẽ được kích hoạt để tiếp tục quá trình này.
Mặc dù phương pháp này giúp tiết kiệm năng lượng do chỉ một cuộn dây được kích hoạt tại một thời điểm, nhưng nó lại có nhược điểm lớn là mô-men xoắn thấp hơn so với các phương pháp điều khiển khác. Do đó, Wave Drive không phù hợp với các ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn lớn hoặc tải nặng.
5.2. Điều khiển chạy đủ bước
Điều khiển chạy đủ bước (Full Step Drive) là phương pháp phổ biến giúp động cơ bước đạt được mô-men xoắn cao hơn so với Wave Drive.
Trong phương pháp này, hai pha stato được kích hoạt đồng thời thay vì từng pha riêng lẻ. Điều này giúp tăng mô-men xoắn khoảng 40% so với phương pháp điều khiển dạng sóng. Khi cuộn dây của một pha được cấp điện, cuộn dây của pha tiếp theo cũng được kích hoạt ngay sau đó, tạo thành một chu trình điều khiển giúp rotor di chuyển theo từng bước.
Ưu điểm của phương pháp điều khiển động cơ bước này là mô-men xoắn lớn, hoạt động ổn định, thích hợp với các ứng dụng cần tải nặng và có yêu cầu cao về độ chính xác vị trí. Tuy nhiên, vì sử dụng đồng thời hai cuộn dây nên tiêu thụ điện năng lớn hơn so với điều khiển dạng sóng.
5.3. Điều khiển chạy nửa bước
Điều khiển chạy nửa bước (Half-Stepping Drive) là sự kết hợp giữa Wave Drive và Full Step Drive, giúp tăng cường độ phân giải của động cơ mà vẫn giữ được mô-men xoắn ở mức chấp nhận được.
Nguyên lý hoạt động của phương pháp điều khiển động cơ bước này là luân phiên kích hoạt một pha, sau đó kích hoạt hai pha cùng lúc. Cụ thể:
- Ở bước đầu tiên, một pha của stato được kích hoạt để rotor dịch chuyển một nửa khoảng cách bước bình thường.
- Ở bước tiếp theo, pha thứ hai được kích hoạt mà không tắt pha thứ nhất, giúp rotor di chuyển thêm một nửa bước nữa.
- Tiếp tục chu trình này, động cơ sẽ quay với bước nhỏ hơn bình thường, giúp tăng gấp đôi độ phân giải góc quay so với chế độ Full Step.
Ưu điểm chính của phương pháp này là giảm rung động, giúp động cơ di chuyển mượt mà hơn so với điều khiển đủ bước. Tuy nhiên, mô-men xoắn của nó có thể thấp hơn một chút so với Full Step Drive.
5.4. Điều khiển động cơ bước chạy bước nhỏ
Điều khiển chạy bước nhỏ (Microstepping Drive) là phương pháp tiên tiến và được sử dụng phổ biến nhất hiện nay do độ chính xác cao và giảm thiểu tiếng ồn khi vận hành.
Khác với các phương pháp trên, thay vì bật/tắt các cuộn dây theo từng bước cụ thể, Microstepping Drive điều chỉnh dòng điện cung cấp cho các cuộn dây theo dạng sóng hình sin hoặc hình tam giác, giúp rotor di chuyển một cách trơn tru, liên tục thay vì dừng lại ở từng vị trí cụ thể.
Ưu điểm vượt trội của phương pháp điều khiển động cơ bước này bao gồm:
- Độ chính xác rất cao, có thể chia nhỏ góc bước xuống đến hàng nghìn bước mỗi vòng quay.
- Giảm thiểu rung động và tiếng ồn, giúp động cơ hoạt động mượt mà hơn, tránh hiện tượng “giật bước” thường gặp ở phương pháp Full Step.
- Phù hợp với các ứng dụng yêu cầu chuyển động chính xác, như máy CNC, robot, máy in 3D hoặc các hệ thống quang học.
Tuy nhiên, Microstepping Drive yêu cầu bộ điều khiển phức tạp và chi phí cao hơn so với các phương pháp điều khiển động cơ bước khác.
6. Thông số động cơ bước
Khi lựa chọn động cơ bước, cần chú ý đến các thông số kỹ thuật sau:
- Góc bước: Là góc quay của rotor khi thực hiện một bước (thông thường là 1.8° hoặc 0.9°).
- Số bước trên vòng quay: Xác định độ phân giải của động cơ, ví dụ 200 bước/vòng (1.8° mỗi bước).
- Điện áp hoạt động: Điện áp cung cấp cho động cơ, thường từ 5V – 48V.
- Dòng điện pha: Dòng điện tối đa mà cuộn dây động cơ có thể chịu đựng, ảnh hưởng đến mô-men xoắn.
- Mô-men xoắn: Đơn vị Nm (Newton-Meter), cho biết lực quay của động cơ.
- Chế độ điều khiển: Full-step, half-step, micro-stepping.
7. Ứng dụng của động cơ bước
Do khả năng điều khiển vị trí chính xác, động cơ bước được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:
- Máy CNC và máy in 3D: Điều khiển chính xác vị trí dao cắt và đầu in.
- Hệ thống tự động hóa công nghiệp: Dùng trong băng tải, robot, hệ thống đóng gói.
- Thiết bị y tế: Máy quét MRI, thiết bị phẫu thuật tự động.
- Thiết bị quang học: Kính viễn vọng, hệ thống căn chỉnh laser.
- Camera an ninh và hệ thống giám sát: Điều chỉnh góc quay của camera.
Động cơ bước là một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, khả năng kiểm soát vị trí tốt mà không cần cảm biến phản hồi. Tuy nhiên, để đạt hiệu suất tối ưu, bạn cần lựa chọn đúng loại động cơ, phương pháp điều khiển và driver phù hợp với ứng dụng cụ thể.
Hy vọng bài viết của DN Solutions này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về động cơ bước, hẹn gặp lại trong những chia sẻ tiếp theo.
