Động cơ bước – CHI TIẾT

  Motor bước là gì ? Động cơ bước là máy điện được sử dụng rộng rãi trong các ứng dùng điều khiển vị trí. Đọc thêm

 

Motor bước là gì ? Động cơ bước là máy điện được sử dụng rộng rãi trong các ứng dùng điều khiển vị trí. Bài viết hôm nay sẽ tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại và các đặc tính của động cơ bước.

1.   Định nghĩa motor bước

Motor bước là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các chuỗi xung điện thành các chuyển động góc quay.

motor bước thực tế

Động cơ bước thực tế

Mỗi bước được định nghĩa bởi góc bước, ví dụ bên dưới cho thấy động cơ có góc bước 900 vì cần thực hiện 4 bước để quay được một vòng. Tùy thuộc vào cấu hình động cơ, góc bước thay đổi, ví dụ: 0,72°, 1,8°, 3,75°, 7,5°, 15°, …

Góc bước

Góc bước

>>>> Xem thêm: Động cơ đồng bộ là gì

2.   Cấu tạo

Tương tự như ở động cơ một chiều, cấu tạo động cơ bước bao gồm stato và roto.

Cấu tạo motor bước

Cấu tạo động cơ bước

2.1   Stato motor bước

Stato được làm bằng sắt từ được chia thành các rãnh để đặt cuộn dây.

Stato của motor bước

Stato của động cơ

2.2   Roto

Rotor được cấu tạo từ dây quấn hay một dãy các lá nam châm vĩnh cữu được xếp chồng lên nhau. Trên các lá nam châm này lại chia thành các cặp cực xếp đối xứng nhau.

Roto của motor bước

Roto của động cơ

3.   Nguyên lý làm việc của motor bước

Ta nhắc lại quy tắc bàn tay phải: Nắm bàn tay phải, rồi đặt sao cho bốn ngón tay hướng theo chiều dòng điện chạy qua các vòng dây thì ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ trong lòng ống dây.

Quy tắc bàn tay phải

Quy tắc bàn tay phải

Nguyên lý hoạt động của motor bước: Khi cấp điện vào cuộn dây của stato, cuộn dây sẽ đóng vai trò là một nam châm điện gây ra lực tác động làm quay roto.

Lực tương tác giữa stato và roto

Lực tương tác giữa stato và roto

Khi thay đổi thứ tự cấp điện cho các cuộn dây của stato sẽ làm thay đổi trình tự quay của roto. Việc thay đổi thứ tự chuyển mạch sẽ nhờ vào mạch điện tử.

Nguyên lý hoạt động của motor bước

Nguyên lý hoạt động của motor bước

4.   Phân loại motor bước

Động cơ bước được phân loại tùy thuộc vào cấu tạo và cách bố trí cuộn dây.

4.1   Phân loại theo cách bố trí cuộn dây

a.    Động cơ bước lưỡng cực

Động cơ bước lưỡng cực có động cơ có cấu tạo gồm hai cuộn dây riêng biệt.

Động cơ bước lưỡng cực

Motor bước lưỡng cực

Động cơ loại này có đặc điểm là:

+ Dòng điện chạy qua toàn bộ cuộn dây

+ Cần đổi chiều điện áp để đổi hướng dòng điện qua cuộn dây, từ đó thay đổi cực từ của cuộn dây đó.

b.   Động cơ bước đơn cực

Động cơ bước đơn cực có thêm một đầu nối chung ở giữa cuộn dây.

Động cơ bước đơn cực

Motor bước đơn cực

Động cơ có thể có đưa ra 5 hoặc 6 đầu dây tùy theo các đấu dây. Động cơ loại này có đặc điểm:

+ Mỗi cuộn dây được phân chia tức là dòng điện chạy qua một nửa cuộn dây. Do đó động cơ bước đơn cực có mô-men xoắn nhỏ hơn động cơ bước lưỡng cực.

+ Điểm chung sẽ được nối với nguồn điện, các đầu cực được nối với cực kia của nguồn điện để cho phép dòng điện chạy qua mỗi nửa cuộn dây. Bằng cách thay đổi thứ tự cấp điện ở các đầu dây sẽ làm thay đổi cực từ.

4.2   Phân loại theo cấu tạo roto motor bước

a.    Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Motor bước nam châm vĩnh cửu có roto là nam châm vĩnh cửu, stato có nhiều răng trên mỗi răng có quấn các vòng dây. Các cuộn dây pha có cực tính khác nhau.

Nguyên lý của động cơ bước nam châm vĩnh cửu: Cấp nguồn cho stato, cuộn dây stato được cung cấp năng lượng và tạo ra từ cực bắc và nam. Điều này làm cho roto quay và thẳng hàng với các cực được cung cấp năng lượng. Bây giờ bằng cách cung cấp năng lượng cho cuộn dây tiếp theo roto sẽ quay tiếp.

Nguyên lý của động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Nguyên lý của motor bước nam châm vĩnh cửu

Để tăng độ phân giải hay giảm góc bước ta có thể tăng số cặp cực roto hay tăng số cuộn dây pha ở stato.

Tăng độ phân giải động cơ bước

Tăng độ phân giải cho motor bước

b.   Động cơ bước biến đổi từ trở

Cấu tạo động cơ bước biến đổi từ trở bao gồm một stato dây quấn và một rôto bằng lá sắt mềm. Cấu tạo của stato cũng có các cuộn pha đối xứng nhau như ở động cơ nam châm vĩnh cửu.

Roto của động cơ được cấu tạo từ thép non có khả năng dẫn từ cao, do đó khi động cơ mất điện roto vẫn tiếp tục quay tự do rồi mới dừng hẳn.

Động cơ bước biến đổi từ trở

Motor bước biến đổi từ trở

Nguyên lý Motor bước biến đổi từ trở:

+ Khi cấp nguồn cho cuộn dây stato, nó sẽ tạo ra từ trường của nó và khuếch tán các cực từ của chính nó.

+ Do từ tính còn lại trong các cực nam châm của roto, nó sẽ làm cho roto di chuyển ở vị trí như vậy để đạt được vị trí tối thiểu và do đó một bộ cực của roto thẳng hàng với bộ cực của stato.

+ Cấp nguồn cho cuộn dây tiếp theo, lúc này từ trở trong động cơ lớn. Moment từ tác động lên trục roto làm cho roto quay để giảm thiểu từ trở của đường từ thông. Roto quay đến khi từ trở nhỏ nhất và khi moment bằng không thì trục động cơ dừng, roto đạt đến vị trí cân bằng mới.

Nguyên lý động cơ bước biến đổi từ trở

Nguyên lý động cơ bước biến đổi từ trở

c.    Động cơ bước lai

Động cơ bước lai sự kết hợp của nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến trở. Nam châm vĩnh cửu được sử dụng bên trong roto và lõi sắt bên ngoài roto, răng của 2 đoạn roto được đặt lệch, bù cho nhau. Nam châm vĩnh cửu tạo thành các cực Bắc và Nam trên roto.

Roto động cơ bước lai

Roto động cơ bước lai

Mỗi cuộn dây ở động cơ khi được cấp điện sẽ cung cấp năng lượng cho 4 cực stato. Đoạn roto cực bắc có quy ước màu đỏ và đoạn roto cực nam có màu xanh.

Động cơ bước lai mỗi cuộn dây sẽ hình thành 4 cực stato

Mỗi cuộn dây sẽ hình thành 4 cực stato

Nguyên lý hoạt động của motor bước lai:

Đặt điện áp vào mỗi cuộn dây, chiều dòng điện sẽ quyết định cực tính của mỗi cực stato.

Trong hình bên dưới các cực A và A’ của stato được căn chỉnh hoàn hảo với một trong các răng của đoạn roto. Mặt khác, các cực B và B’ của stato thực sự nằm giữa hai răng của đoạn roto.

Stepper motor 18

Tiếp theo ta đổi chiều dòng điện cuộn dây A. Bây giờ các cực A và A’ của stato nằm giữa hai răng của đoạn roto. Trong khi đó các cực B và B’ thẳng hàng với các răng của đoạn roto.

Bây giờ ta nhìn lại toàn bộ quy trình 4 bước khi thay đổi lần lượt thứ tự cấp điện cho stato.

Quy trình cấp điện ở motor bước lai

Quy trình cấp điện ở động cơ bước lai

Như vậy roto đã quay một góc rất nhỏ nhờ cấu tạo của động cơ bước lai. Đây là một cải tiến về độ phân giải (góc bước) đáng kể so với động cơ nam châm vĩnh cửu cơ bản mà chúng ta đã xem xét trước đây.

Động cơ bước lai có mô-men xoắn cao hơn và có thể đạt được kích thước bước nhỏ hơn.

5.   Đặc tính cơ bản của động cơ bước

5.1   Đặc tính động

Đặc tính tốc độ – moment: được xác định bởi động cơ và bộ điều khiển, và bị ảnh hưởng rất nhiều bởi loại điều khiển được sử dụng.

Đặc tính moment – tốc độ động cơ

Đặc tính moment – tốc độ

+ Moment giữ lớn nhất (Maximum holding torque – TH) là moment xoắn cần thiết để động cơ chuyển động hết một bước khi các cuộn dây được cấp điện khi động cơ không quay.

+ Tần số bắt đầu lớn nhất (Maximum starting frequency – fS) là tốc độ xung lớn nhất tại đó động cơ có thể quay hay dừng lập tức khi ma sát và tải quán tính của động cơ bằng không. Điều khiển động cơ ở tốc độ vượt quá tốc độ này sẽ yêu cầu thời gian tăng hoặc giảm tốc. Tần số này sẽ giảm khi tải quán tính được thêm vào động cơ.

Đặc tính tải quán tính và tần số bắt đầu: cho thấy tần số khởi động cho phép sẽ giảm khi tải quán tính tăng. Các giá trị này thay đổi theo tốc độ xung, nhưng động cơ không thể tuân theo tốc độ xung vượt quá một điểm nhất định, vì sẽ dẫn đến sai bước.

Đặc tính tải quán tính – tần số khởi động

Đặc tính tải quán tính – tần số khởi động

Đặc tính độ rung: Khi động cơ bước quay thực tế là thực hiện một loạt các bước có phản hồi, mỗi bước được mô tả gồm các giai đoạn như sau:

+ Khi có một xung đầu vào, động cơ sẽ quay đến vị trí tiếp theo.

+ Động cơ được tăng tốc quay qua vị trí dừng, vượt quá một góc nhất định và sẽ bị kéo ngược lại.

+ Động cơ dừng lại ở vị trí dừng đã định sau một dao động tắt dần.

Độ rung động

Độ rung động

Đồ thị dưới đây biểu diễn độ lớn dao động của động cơ đang quay. Mức độ rung động càng thấp thì động cơ quay càng mượt.

Mức độ dao động theo tốc độ

Mức độ dao động theo tốc độ

5.2   Đặc tính tĩnh:

Đặc tính moment và góc: mối quan hệ giữa độ dịch chuyển góc của roto và moment lực tác dụng lên trục động cơ khi động cơ được kích thích ở dòng điện định mức.

Đặc tính moment

Đặc tính moment – góc

     + Điểm ổn định: Các điểm tại đó roto dừng, với các răng stato và roto được căn chỉnh chính xác. Các điểm này cực kỳ ổn định, và roto sẽ luôn dừng ở đó nếu không có ngoại lực tác dụng.

     + Điểm không ổn định: Các điểm mà răng stato và roto lệch nhau một nửa bước. Khi roto tại những điểm này sẽ di chuyển đến điểm ổn định tiếp theo sang trái hoặc phải, ngay cả khi chịu một tác động ngoại lực nhỏ nhất.

     Các hình minh họa sau đây cho thấy mối quan hệ vị trí giữa răng roto và stato tại các điểm được đánh số trong sơ đồ trên.

Vị trí giữa stato và roto ứng với các góc dịch chuyển

Vị trí giữa stato và roto ứng với các góc dịch chuyển

Độ chính xác góc: Trong điều kiện không tải, động cơ có độ chính xác góc trong khoảng 0,05˚. Độ chính xác góc của động cơ bước được biểu thị bằng độ chính xác vị trí dừng.

Độ chính xác vị trí dừng: thể hiện sự khác biệt giữa vị trí dừng mong muốn và vị trí thực tế.

Độ chính xác góc động cơ bước

Độ chính xác góc

Trong điều kiện thực tế động cơ luôn có ma sát. Độ chính xác góc trong những trường hợp như vậy được tạo ra bởi sự dịch chuyển góc gây ra bởi đặc tính góc – moment, dựa trên tải trọng ma sát. Nếu tải trọng ma sát không đổi, góc dịch chuyển sẽ không đổi đối với hoạt động một chiều.

Tuy nhiên, trong hoạt động hai chiều, sai số góc có thể tăng gấp đôi. Khi yêu cầu dừng cao, luôn luôn định vị theo cùng hướng.

Độ chính xác góc khi động cơ quay hai chiều

Độ chính xác góc khi động cơ quay hai chiều

6. Đặt mua động cơ bước giá tốt, chất lượng đảm bảo

Động cơ bước được khác hàng rất ưa chuộng giá bán trên shopee

+ Sản phẩm chất lượng được đánh giá cao

+ Cam kết đổi hàng hoặc hoàn tiền trong vòng 3 ngày nếu sản phẩm lỗi

+ Động cơ mới và củ do tháo máy giá rẻ

+ Đa dạng công suất, độ phân giải

+ Nhiều loại kích thước giá chỉ từ 15.000 VNĐ

+ Kèm nhiều mạch điều khiển động cơ bước

động cơ bước shopee

Video tham khảo

Tài Liệu Tham Khảo “Motor bước”

[1]

https://www.electronicwings.com/sensors

-modules/stepper-motor, 23/10/2020.

[2]

M. McComb, “Introduction to Stepper Motors.pdf”.

[3]

https://www.orientalmotor.com/stepper-motors/technology/stepper-motor-overview.html, 25/10/2020.

Hãy bình luận đầu tiên

Để lại một phản hồi

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiện thị công khai.


*