Trong bài viết này sẽ trình bày những kiến thức cơ bản về động cơ bước. Bạn sẽ được tìm hiểu về nguyên lý làm việc, cấu tạo, phương pháp điều khiển, ứng dụng và các loại động cơ bước cũng như ưu nhược điểm của nó.
Cơ bản về động cơ bước
Động cơ bước (Stepper Motor) là một động cơ điện có đặc điểm chính là trục của nó quay bằng cách thực hiện các bước, tức là bằng cách chuyển động theo một lượng độ xác định. Tính năng này có được nhờ vào cấu trúc bên trong của động cơ và cho phép biết chính xác vị trí góc của trục bằng cách chỉ cần đếm các bước có thể đã được thực hiện như thế nào mà không cần đến cảm biến. Đặc điểm này cũng làm cho động cơ bước phù hợp với nhiều loại ứng dụng.
Nguyên lý làm việc của động cơ bước
Như tất cả các động cơ điện khác, động cơ bước có phần tĩnh (stato) và phần quay (rotor). Trên stato có các răng trên mỗi răng có quấn các vòng dây. Các cuộn dây pha có cực tính khác nhau. Rotor là một nam châm vĩnh cửu hoặc một lõi sắt có từ trở biến đổi. Chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn các loại cấu trúc rotor khác nhau ở phần sau. Hình 1 là hình vẽ thể hiện mặt cắt của động cơ, trong đó rotor là loại từ trở biến đổi.
Hình 1
Nguyên lý làm việc cơ bản của động cơ bước như sau: Động cơ bước hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ. Bằng cách cấp điện cho một hoặc nhiều pha của stato, một từ trường được tạo ra bởi dòng điện chạy trong cuộn dây và rotor thẳng hàng với từ trường này. Khi các pha được cấp điện theo thứ tự thì rotor sẽ quay theo một lượng xác định để đạt được vị trí cuối cùng mong muốn. Hình 2 mô tả nguyên lý làm việc của động cơ. Lúc đầu cuộn dây A được cấp điện và rotor thẳng hàng với từ trường mà nó sinh ra. Khi cuộn dây B được cấp điện, rotor quay theo chiều kim đồng hồ một góc 60° để thẳng hàng với từ trường mới. Điều tương tự xảy ra khi cuộn dây C được cấp điện. Trong hình, màu sắc của răng stato cho biết hướng của từ trường do cuộn dây stato tạo ra.
Hình 2
Các loại động cơ bước và cấu tạo
Hiệu năng của động cơ bước – cả về độ phân giải (hay kích thước bước), tốc độ và mô-men xoắn – bị ảnh hưởng bởi các chi tiết cấu tạo, đồng thời có thể ảnh hưởng đến cách điều khiển động cơ. Trên thực tế, không phải tất cả các động cơ bước đều có cấu trúc bên trong (hoặc cấu tạo) giống nhau, bởi vì có các cấu hình rotor và stato khác nhau.
Rotor
Đối với động cơ bước, về cơ bản có ba loại rotor:
Rotor nam châm vĩnh cửu: Rotor là một nam châm vĩnh cửu thẳng hàng với từ trường do mạch stato tạo ra. Cấu trúc này cho phép động cơ có mô-men xoắn và cả mô-men hãm tốt. Điều này có nghĩa là động cơ sẽ kháng lại, ngay cả khi không quá mạnh, đối với sự thay đổi vị trí bất kể cuộn dây có được cấp điện hay không. Hạn chế của cấu trúc này là động cơ bước có tốc độ và độ phân giải thấp hơn so với các loại động cơ khác. Hình 3 mô tả một mặt cắt của một động cơ bước nam châm vĩnh cửu.
Hình 3
Rotor từ trở biến đổi: Rotor được làm bằng lõi sắt và có hình dạng cụ thể cho phép nó thẳng hàng với từ trường (Hình 1 và Hình 2). Với giải pháp này, động cơ dễ dàng đạt được tốc độ và độ phân giải cao hơn, nhưng mô-men xoắn thường phát triển thấp hơn và không có mô-men hãm.
Rotor lai (Hybrid): Loại rotor này có cấu tạo đặc trưng và là sự kết hợp giữa nam châm vĩnh cửu và các phiên bản từ trở biến đổi. Rotor có hai nắp với các răng xen kẽ, và được từ hóa theo trục. Cấu hình này cho phép động cơ có những ưu điểm của cả nam châm vĩnh cửu và phiên bản từ trở biến đổi, đặc biệt là độ phân giải, tốc độ và mô-men xoắn cao. Hiệu năng cao hơn này đòi hỏi một cấu trúc phức tạp hơn, và do đó chi phí cao hơn. Hình 4 cho thấy một ví dụ đơn giản về cấu trúc của loại động cơ này. Khi cuộn dây A được cấp điện, một răng của nắp được từ hóa N thẳng hàng với răng được từ hóa S của stato. Đồng thời, do cấu trúc của rotor nên răng được từ hóa S ăn khớp với răng được từ hóa N của stato. Động cơ thực tế có cấu tạo phức tạp hơn, với số răng nhiều hơn so với trong hình, dù nguyên lý hoạt động của động cơ bước là giống nhau. Số lượng răng cao cho phép động cơ đạt được kích thước bước nhỏ, đến 0,9°.
Hình 4
Stator
Stato là bộ phận của động cơ có nhiệm vụ tạo ra từ trường thẳng hàng với từ trường của rotor. Các đặc điểm chính của mạch stato bao gồm số pha và số cặp cực của nó, cũng như cấu hình dây. Số pha là số cuộn dây độc lập, trong khi số cặp cực cho biết các cặp răng chính được sử dụng như thế nào bởi mỗi pha. Động cơ bước hai pha được sử dụng phổ biến nhất, trong khi động cơ ba pha và năm pha ít phổ biến hơn (xem Hình 5 và Hình 6).
Hình 5: Stator hai pha (trái) và Stator ba pha (phải)
Hình 6: Stator hai pha, cặp đơn cực (trái) và stator hai pha, cặp lưỡng cực (phải).
Điều khiển động cơ bước
Chúng ta đã biết rằng các cuộn dây của động cơ bước cần được cấp điện theo một trình tự cụ thể nhằm tạo ra từ trường thẳng hàng với từ trường của rotor. Một số thiết bị được sử dụng để cung cấp điện áp cần thiết cho các cuộn dây, và do đó cho phép động cơ hoạt động bình thường. Bắt đầu từ các thiết bị gần động cơ hơn, chúng ta có:
- Mạch cầu H dùng transistor là thiết bị vật lý được dùng để điều khiển sự kết nối điện của các cuộn dây động cơ. Các transistor có thể được xem như là các công tắc được điều khiển bằng điện, khi công tắc đóng lại (transistor dẫn) cho phép kết nối cuộn dây với nguồn cung cấp điện và do đó có dòng điện chạy trong cuộn dây. Một mạch cầu H là cần thiết cho mỗi pha động cơ.
- Bộ tiền điều khiển (Pre-Driver) là một thiết bị điều khiển sự kích hoạt của các transistor, cung cấp điện áp và dòng điện cần thiết, nó được điều khiển bởi một MCU.
- MCU là một bộ vi điều khiển, thường được lập trình bởi người sử dụng động cơ và tạo ra các tín hiệu cụ thể cho bộ tiền điều khiển để có được hoạt động mong muốn của động cơ.
Hình 7 mô tả đơn giản sơ đồ điều khiển động cơ bước. Bộ tiền điều khiển và mạch cầu H có thể được chứa trong một thiết bị duy nhất, được gọi là bộ điều khiển/bộ lái (driver).
Hình 7
Các loại bộ điều khiển (lái) động cơ bước
Hiện nay trên thị trường có các bộ điều khiển động cơ bước khác nhau, với các tính năng khác nhau cho các ứng dụng cụ thể. Các đặc điểm quan trọng nhất bao gồm giao diện đầu vào. Các tùy chọn phổ biến nhất là:
- Bước / Hướng – Bằng cách gửi một xung vào chân Step (bước), bộ điều khiển thay đổi đầu ra của nó để động cơ sẽ thực hiện một bước, hướng của bước này được xác định bởi mức logic trên chân Direction (hướng).
- Pha / Cho phép (enable) – Đối với mỗi pha cuộn dây stato, pha xác định hướng dòng điện và kích hoạt cho phép (enable) nếu pha được cấp điện.
- PWM – Trực tiếp điều khiển các tín hiệu cực cổng của FET bằng xung vuông.
Một tính năng quan trọng khác của bộ điều khiển động cơ bước là nó chỉ có thể điều khiển điện áp trên cuộn dây hoặc dòng điện chạy qua cuộn dây:
- Với điều khiển điện áp, bộ điều khiển chỉ điều chỉnh điện áp trên cuộn dây. Mô-men xoắn được phát triển và tốc độ thực hiện các bước chỉ phụ thuộc vào đặc tính của động cơ và tải.
- Bộ điều khiển điều khiển dòng điện tiên tiến hơn, vì chúng điều chỉnh dòng điện chạy qua cuộn dây hoạt động để kiểm soát tốt hơn mô-men xoắn được tạo ra, và do đó hành vi động của toàn bộ hệ thống.
Động cơ đơn cực/lưỡng cực
Một đặc điểm khác của động cơ cũng ảnh hưởng đến điều khiển là sự sắp xếp của các cuộn dây stato xác định chiều dòng điện được thay đổi như thế nào. Để rotor quay được, không chỉ cần cung cấp năng lượng cho các cuộn dây, mà còn phải điều khiển chiều của dòng điện, xác định hướng của từ trường do chính cuộn dây tạo ra (xem Hình 8).
Trong động cơ bước, để điều khiển chiều dòng điện được thực hiện bằng hai cách tiếp cận khác nhau.
Hình 8
Trong động cơ bước đơn cực, một trong các đầu dây được nối với điểm chính giữa của cuộn dây (xem Hình 9). Điều này cho phép điều khiển chiều của dòng điện bằng cách sử dụng mạch và linh kiện tương đối đơn giản. Điểm chính giữa (Am) được kết nối với điện áp đầu vào Vin (Hình 8). Nếu MOSFET 1 được kích dẫn, dòng điện chạy từ Am đến A+. Nếu MOSFET 2 được kích dẫn, dòng điện chạy từ Am sang A-, tạo ra từ trường theo hướng ngược lại. Như đã chỉ ra ở trên, cách tiếp cận này làm cho mạch điều khiển đơn giản hơn (chỉ cần hai transistor), nhưng hạn chế là tại một thời điểm chỉ sử dụng một nửa cuộn dây, điều này có nghĩa là đối với cùng một dòng điện chạy trong cuộn dây, từ trường có cường độ bằng một nửa so với nếu dùng cả cuộn dây. Ngoài ra, những động cơ này khó chế tạo hơn vì phải có nhiều đầu dây hơn làm đầu vào động cơ.
Hình 9: Mạch lái động cơ bước đơn cực.
Trong động cơ bước lưỡng cực, mỗi cuộn dây có sẵn 2 đầu dây, và để điều khiển chiều dòng điện cần sử dụng cầu H (Hình 10). Như trong hình 8, nếu MOSFET 1 và 4 dẫn điện, dòng điện chạy từ A+ sang A-, ngược lại nếu MOSFET 2 và 3 dẫn điện, dòng điện chạy từ A- sang A+, tạo ra từ trường theo hướng ngược lại. Giải pháp này yêu cầu mạch điều khiển phức tạp hơn, nhưng cho phép động cơ đạt được mô-men xoắn cực đại cho lượng cuộn dây được sử dụng.
Hình 10: Mạch điều khiển động cơ bước lưỡng cực
Với sự tiến bộ của công nghệ, các ưu điểm của động cơ đơn cực ngày càng trở nên ít sử dụng hơn, và các động cơ bước lưỡng cực hiện đang được ưa chuộng nhất.
Các phương pháp điều khiển động cơ bước
Hiện nay, có bốn phương pháp điều khiển động cơ bước:
Điều khiển dạng sóng (Wave)
Ở phương pháp này, tại một thời điểm chỉ có một pha được cấp điện (Hình 11). Để cho đơn giản, chúng ta sẽ quy định dòng điện chạy theo chiều dương nếu nó đi từ đầu + đến đầu – của một pha (ví dụ: từ A+ đến A-); ngược lại là chiều âm. Bắt đầu từ bên trái của hình vẽ, dòng điện chỉ chạy trong pha A theo chiều dương và rotor được biểu diễn bằng một nam châm, thẳng hàng với từ trường do nó tạo ra. Trong bước tiếp theo, dòng điện chỉ chạy trong pha B theo chiều dương và rotor quay 90° theo chiều kim đồng hồ để thẳng hàng với từ trường tạo ra bởi pha B. Sau đó, pha A được cấp điện trở lại, nhưng dòng điện chạy theo chiều âm và rotor quay lại 90°. Trong bước cuối cùng, dòng điện chạy theo chiều âm trong pha B và rotor quay lại một góc 90°.
Hình 11
Điều khiển bước đủ (Full-step)
Ở phương pháp bước đủ, hai pha luôn được cấp điện cùng một lúc. Hình 12 cho thấy các bước khác nhau của phương pháp điều khiển này. Các bước tương tự như các bước của chế độ sóng, sự khác biệt đáng kể nhất là ở phương pháp này, động cơ có thể tạo ra mô-men xoắn cao hơn vì nhiều dòng điện chạy hơn trong động cơ và từ trường mạnh hơn được tạo ra.
Hình 12
Điều khiển nửa bước (Half-step)
Chế độ nửa bước là sự kết hợp của chế độ sóng và chế độ toàn bước (Hình 12). Sử dụng kết hợp này cho phép kích thước bước giảm một nửa (trong trường hợp này là 45 ° thay vì 90 °). Hạn chế duy nhất là mô-men xoắn được tạo ra bởi động cơ không phải là hằng số, vì nó cao hơn khi cả hai pha được cung cấp điện và yếu hơn khi chỉ có một pha được cấp điện.
Hình 12
Điều khiển vi bước (Microstep)
Điều khiển vi bước có thể được coi là một cải tiến hơn nữa của chế độ nửa bước, bởi vì nó cho phép giảm kích thước bước hơn nữa và có đầu ra mô-men xoắn không đổi. Điều này có được bằng cách điều khiển cường độ của dòng điện chạy trong mỗi pha. Phương pháp điều khiển này đòi hỏi bộ điều khiển động cơ phức tạp hơn so với các phương pháp khác. Hình 14 cho thấy cách hoạt động của phương pháp điều khiển vi bước. Nếu IMAX là dòng điện lớn nhất có thể chạy trong một pha, bắt đầu từ bên trái, trong hình đầu tiên IA = IMAX và IB = 0. Trong bước tiếp theo, dòng điện được điều khiển để đạt được IA = 0,92 x IMAX và IB = 0,38 x IMAX, tạo ra từ trường quay 22,5° theo chiều kim đồng hồ so với từ trường trước đó. Bước này được lặp lại với các giá trị dòng điện khác nhau để đạt được các vị trí 45°, 67,5° và 90°. Điều này cung cấp khả năng giảm một nửa kích thước của bước so với chế độ nửa bước; nhưng có thể tiến xa hơn nữa. Sử dụng vi bước giúp đạt độ phân giải vị trí rất cao, nhưng lợi thế này đi kèm với chi phí của một thiết bị phức tạp hơn để điều khiển động cơ và mô-men xoắn nhỏ hơn được tạo ra với mỗi bước. Thật vậy, mômen quay tỉ lệ với góc sin giữa từ trường stato và từ trường rotor; do đó khi bước càng nhỏ thì mômen quay càng nhỏ. Điều này có thể dẫn đến việc bỏ lỡ một số bước, có nghĩa là vị trí rôto không thay đổi ngay cả khi dòng điện trong cuộn dây stato có.
Hình 14
Ưu và nhược điểm của động cơ bước
Chúng ta đã hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ bước. Sau đây là tóm tắt những ưu và nhược điểm của chúng so với các loại động cơ khác.
Ưu điểm
- Do cấu trúc bên trong của chúng, động cơ bước không yêu cầu cảm biến để phát hiện vị trí động cơ. Vì động cơ di chuyển bằng cách thực hiện “các bước”, chỉ cần đếm các bước này, bạn có thể có được vị trí động cơ tại một thời điểm nhất định.
- Ngoài ra, điều khiển motor bước khá đơn giản. Động cơ cần bộ điều khiển, nhưng không cần tính toán phức tạp hoặc điều chỉnh để hoạt động bình thường. Nói chung, phương pháp điều khiển dễ hơn so với các động cơ khác. Với phương pháp điều khiển vi bước, động cơ có thể đạt đến độ chính xác vị trí cao, lên đến khoảng 0,007°.
- Động cơ bước cung cấp mô-men xoắn tốt ở tốc độ thấp, rất tốt để giữ vị trí. Động cơ khá bền, giá thành tương đối thấp, việc thay thế cũng khá dễ dàng.
Nhược điểm
- Động cơ bước khi hoạt động có hiện tượng bị trượt bước. Điều này ảnh hưởng xấu đến việc điều khiển, vì không có cách nào để biết vị trí thực của động cơ. Sử dụng phương pháp điều khiển vi bước làm cho động cơ thậm chí có nhiều khả năng gặp vấn đề này hơn.
- Động cơ này luôn tiêu hao dòng điện tối đa ngay cả khi đứng yên, điều này làm cho động cơ có hiệu suất thấp và có thể gây ra quá nhiệt.
- Động cơ bước có mô-men xoắn thấp và khá ồn khi hoạt động ở tốc độ cao.
- Cuối cùng, động cơ bước có mật độ công suất thấp và tỷ lệ mô-men xoắn trên quán tính thấp.
Tóm lại, động cơ bước tốt khi bạn cần một giải pháp rẻ tiền, dễ điều khiển và khi hiệu suất và mô-men xoắn cao ở tốc độ cao là không cần thiết.
Ứng dụng của động cơ bước
Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu, bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số. Loại động cơ này hiện đang được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa, đặc biệt là các thiết bị cần điều khiển chính xác. Các ứng dụng cụ thể bao gồm:
- Điện tử tiêu dùng – Động cơ bước trong các máy chụp hình kỹ thuật số cho các chức năng phóng to thu nhỏ và lấy nét tự động. Nó chính là các cơ cấu chấp hành của các mô-đun máy ảnh trong điện thoại di động.
• Ô-tô và máy bay – Motor bước cho phép các xe ô-tô nhận tín hiệu viễn thông. Động cơ này cũng được sử dụng để điều khiển hành trình, định vị ăng-ten quân sự, thiết bị cảm biến tự động và camera tự động. Trong các máy bay, chúng được sử dụng trong các thiết bị máy bay, thiết bị cảm biến, ăng-ten, thiết bị quét.
• Thiết bị văn phòng – Động cơ bước được tích hợp bên trong máy scan, điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm, máy in, máy photocopy, máy in mã vạch.
• Y tế – Động cơ này được sử dụng bên trong máy quét y tế, động cơ bước đa trục điều khiển chuyển động micro hoặc nano cho các thiết bị tự động, máy bơm định lượng, máy lấy mẫu và máy phun sắc ký tự động. Chúng còn được sử dụng trong máy chụp ảnh nha khoa kỹ thuật số, máy bơm chất lỏng, mặt nạ thở và máy phân tích máu.
• Máy công nghiệp – Motor bước được sử dụng trong thang máy, băng tải và chuyển hướng băng chuyền…
• Hóa chất – Thiết bị trộn và lấy mẫu sử dụng bộ điều khiển motor bước và thiết bị kiểm tra môi trường được điều khiển bằng động cơ bước đơn/đa trục.
• An ninh – Nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị an ninh như camera an ninh và giám sát.
Lời kết
Bài viết này, tôi đã cung cấp cho các bạn các kiến thức cơ bản về động cơ bước như: cấu tạo, nguyên lý hoạt động; phân loại cũng như các ứng dụng của động cơ bước. Hy vọng qua nội dung của bài viết này đã đem đến một phần kiến thức đến với các bạn đang học về kỹ thuật.
Rất mong nhận được những góp ý của các bạn để bài viết được hoàn thiện hơn!
