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

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

Hình 1: Động cơ bước

Vê cấu tạo động cơ bước gồm có các bộ phận 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 có 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 có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như quay đến một vị trí bất kỳ nào.

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

Một số đặc điểm của động cơ bước:

Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau. Khi có 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 có thể mở máy mà không làm cho roto mất đồng bộ.

Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây.

Động cơ bước được chia thành 3 loại chính là:

–    Động cơ bước biến từ trở.

–    Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.

–    Động cơ bước hỗn hợp/lai.

3.2.1. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Động cơ 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.

Hình 2: Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có 2 cặp cuộn pha được trình bày ở hình:

Ban đầu vị trí của stato và roto đang ở phase A. Khi 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 đến roto chuyển động đến vị trí như hình phase B on. Khi cuộn dây pha B và D ngắt điện cuộn dây A và B được cấp điện thì roto lại chuyển động đến vị trí như hình phase C on.

Hình 3: Nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu

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:

3.2.2. Động cơ bước biến từ trở

Động cơ bước biến từ trở có cấu tạo giống với động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Cấu tạo của stato cũng có các cuộn pha đối xứng nhau, nhưng các cuộn pha đối xứng có 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 có khả năng dẫn từ cao, do đó khi động cơ mất điện roto vẫn tiếp tục quay tự do rồi mới dừng hẳn.

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

Hình 4: Nguyên lý hoạt động động cơ bước biến trừ trở

Khi cấp điện cho pha A (hình a), từng cặp cuộn dây A bố trí đối xứng nhau có cùng cực tính là nam (S) và bắc (N). Lúc này các cuộn dây hình thành các vòng từ đối xứng.

Khi cấp điện cho pha B (hình b). Lúc này từ trở trong động cơ lớn, momen từ tác động lên trục roto làm cho roto quay theo chiều giảm từ trở. Roto quay cho tới khi từ trở nhỏ nhất và khi momen bằng không thì trục động cơ dừng, roto đạt đến vị trí cân bằng mới.

Tương tự như vật khi 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 thứ tự pha A  B  C. Để động cơ quay ngược chiều chỉ cần cấp điện cho các pha theo thứ tự ngược 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:

3.2.3. Động cơ bước hỗn hợp

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

Hình 5: Cấu tạo động cơ bước hỗn hợp

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 kết hợp các ưu điểm của 2 loại động cơ trên là động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ trở.

 

3.2.4. Động cơ bước 2 pha

 

Hiện nay các động cơ bước 2 pha được sử dụng rất thông dụng, có 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 các cặp cực.

Động cơ bước đơn cực: cuộn dây pha có ba dây đầu ra. Điểm trung tâm của cuộn dây được đấu ra ngoài. Khi 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 có 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 có kết cấu đơn giản nhưng điều khiển phức tạp hơn động cơ bước đơn cực.

Hình 6: Động cơ bước 2 pha lưỡng cực và đơn cực

3.2.5. Các phương pháp điều khiển động cơ bước

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

 

Hình 7: Phương pháp điều khiển động cơ bước

Điều khiển dạng sóng (Wave): là phương pháp điều khiển cấp xung điều khiển lần lượt theo thứ tự chon từng cuộn dây pha.

Điều khiển bước đủ (Full step): là phương pháp điều khiển cấp xung đồng thời cho 2 cuộn dây pha kế tiếp nhau.

Điều khiển nửa bước (Half step): là phương pháp điều khiển kết hợp cả 2 phương pháp đều khiển dạng sóng và điều khiển bước đủ. Khi 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 có bộ phát xung điều khiển phức tạp.

Điều khiển vi bước (Microstep):  là phương pháp mới được áp dụng trong việc điều khiển động cơ bước cho phép động cơ bước dừng và định vị tại vị trí nửa bước giữa

2 bước đủ. Ưu điểm của phương pháp này là động cơ có thể hoạt động với góc bước nhỏ,độ chính xác cao. Do xung cấp có dạng sóng nên động cơ hoạt động êm hơn,hạn chế được vấn đề cộng hưởng khi động cơ hoạt động.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Trả lời

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