Ứng dụng của động cơ bước

1. Khái quát về động cơ bước

Hình ảnh: Động cơ bước

Các hệ thống truyền động rời rạc thường thực hiện nhờ động cơ chấp hành đặc biệt gọi là động cơ bước.

Động cơ bước 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 hoặc các chuyển động của rô to và có khả năng cố định rô to vào những vị trí cần thiết.

Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đứa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rô to tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay tốc độ quay của rô to, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần cứng) của động cơ bước thì rô to (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần cứng thay đổi liên tục thì rô to sẽ quay liên tục. (P/s: nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc).

2. Cấu tạo của động cơ bước

Về cấu tạo, động cơ bước có thể coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.

Trong khi động cơ một chiều không tiếp xúc có tô to thường là một nam châm vĩnh cửu và cần có một cảm biến vị trí rô to (để thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đôi chiều) thì động cơ bước có rô to dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều cấu thành các cặp nam châm N-S xen kẽ nhau để tạo ra số cặp cực 2p lớn hơn và không cần phải có bộ cảm biến vị trí rô to. Nhờ cảm biến vị trí rô to, có thể điều khiển dòng một chiều vào các cuộn dây stato để có từ trường quay liên tục nên động cơ một chiều không tiếp xúc quay liên tục. Đối với động cơ bước, vì từ trường quay không liên tục do các xung điện cấp vào rời rạc nên rô to quay theo các bước.

Cấu tạo của động cơ bước

Cũng giống như động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ, động cơ bước có các bối dây tạo thành các pha trên stato, đồng thời trên cả rô to và stato đều có các răng để tạo thành các cặp cực nam châm điện. Nhưng động cơ đồng bộ giảm tốc có các cuộn kích thích và cần phải có dòng điện kích thích để khởi động, còn động cơ bước không cần yếu tố này. Mặt khác, trên stato của động cơ đồng bộ giảm tốc, ngoài cuộn dây phụ (để kích thích) thì cuộn dây chính thường là ba pha hoặc hai pha được nuôi bằng nguồn xoay chiều tạo ra từ trường quay liên tục với vận tốc góc. Vì vậy sau khi hoàn thành việc khởi động, rô to quay với vận tốc đồng bộ (nhỏ hơn vận tốc của từ trường quay). Trong khi đó, stato của động cơ bước chỉ có một loại cuộn dây pha và chúng có vai trò như nhau.

3. Lựa chọn motor bước

3.1. So sánh động cơ từ trở thay đổi với loại nam châm vĩnh cửu và loại lai.

Để lựa chọn động cơ cho các ứng dụng chúng ta cần quan tâm đến loại động cơ nào sử dụng phù hợp cho ứng dụng này, moment của hệ thống như thế nào, độ phức tạp của bộ điều khiển và các đặc tính vật lý của động cơ.

Các loại động cơ bước

Đối với loại đông cơ từ thông thay đổi, loại động cơ này cơ lợi từ sự đơn giản của ứng dụng. Nó không yêu cầu rô to từ thông vĩnh cửu phức tạp, vì thế nó hoạt động ổn định hơn rất nhiều, so với loại nam châm vĩnh cửu.

Tuy nhiên, moment của tất cả các loại động cơ bước đều giảm khi vận tốc tăng, tuy nhiên đối với STEP từ trở thay đổi thì sự giảm moment này hầu như không đáng kể khi vận tốc tăng,vì vậy loại STEP này có thể đạt được tốc độ 10.000 bước/giây. Còn STEP nam châm vĩnh cửu chỉ đạt được 5.000 bước/giây, và thông thường là 1.000 bước/giây. Sự suy giảm moment không đáng kể của loại từ trở thay đổi, nên loại động cơ này thường được sử dụng không cần hộp giảm tốc, thường được ứng dụng trong các máy giặt.

Ngược lại động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ STEP lại ít tạo ra tiếng ồn, trong khi loại từ trở thay đổi thì tiếng ồn tương đối lớn.

Với hệ thống điều khiển thích hợp: động cơ loại nam châm vĩnh cửu và lai có thể điều khiển vi bước phụ thuộc vào tỉ số dòng điện ở các cuộn dây.

3.2. So sánh động cơ đơn cực và lưỡng cực

Động cơ loại lưỡng cực sẽ có moment sinh ra nhiều hơn 30% so với loại đơn cực có cùng kích thước. Tuy nhiên động cơ loại lưỡng cực lại có mạch điều khiển phức tạp hơn so với loại đơn cực.

3.3. So sánh động cơ lai và động cơ nam châm vĩnh cửu

- Step size:

Nam châm vĩnh cửu: (3,6 ->7,5) độ

Lai : (0,9 ->3,6) độ

Và để có độ phân giải lớn hơn, chúng ta có thể sử dụng thêm hộp giảm tốc

- Moment:

Moment là một trong những vấn đề quan trọng khi lựa chọn động cơ bước.

Moment giữ: là moment cần thiết để xoay trục động cơ khi cuộn dây được cấp điện

Moment kéo: là moment sinh ra khi động cơ xoay ở vận tốc ổn định, moment này chống lại khả năng tăng tốc của động cơ mà không bị trượt bước.

Moment kéo ra: moment này có thể làm cho động cơ di chuyển khi động cơ đang hoạt động

Moment chốt: là moment đòi hỏi để xoay động cơ khi cuộn dây động cơ không cấp điện.

Trong tất cả các loại moment đều là hàm theo vận tốc, dựa vào moment này mà chúng ta có thể lựa chọn động cơ phù hợp với tải, sao cho không bị trượt bước. Và khi bị trượt bước hay còn gọi động cơ bước trượt vị trí trục động cơ đang ở đâu, nếu không có bộ hồi tiếp vị trí. Tất cả các loại moment này được ghi lại trong đặc tính động cơ do nhà sản xuất cung cấp. Và luôn nhớ rằng, trừ động cơ từ trở thay đổi, các loại còn lại thì moment đều thay đổi rất nhanh theo vận tốc

- Tuổi thọ:

Khi lựa chọn động cơ, chúng ta chọn động cơ phù hợp với moment cản của tải, chọn tải làm việc có moment cản bằng 40%-60% moment của động cơ. Và khi sử dụng động cơ trong môi trường ẩm ướt, xù xì chúng ta cần bảo vệ động cơ để động cơ hoạt động hiệu quả, tăng tuổi thọ động cơ.

4. Ứng dụng của động cơ bước

Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, motor 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.

Ứng dụng của động cơ bước trong thiết bị điều khiển robot

Những ứng dụng cụ thể của động cơ bước trong ngành tự động hóa là: trong thiết bị điều khiển robot, điều khiển định vị trong các quan hệ trắc, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt,..hay sự kết nối động cơ bước với vi điều khiển 8051.