Lỗi thường gặp khi dùng Stepper Motor và cách khắc phục

Mặc dù Động cơ bước (Stepper Motor) được ưa chuộng trong các ứng dụng điều khiển vị trí nhờ cấu trúc đơn giản và khả năng định vị mở (open-loop), nhưng việc khai thác không đúng kỹ thuật lại thường dẫn đến những lỗi khó kiểm soát trong hệ thống cơ điện tử. Những lỗi như mất bước, sai số vị trí, rung giật khi khởi động, hoặc thậm chí cháy drive đều bắt nguồn từ sự hiểu chưa đầy đủ về các thông số kỹ thuật và nguyên lý hoạt động. Để đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và chính xác, kỹ sư cần nhận diện được nguyên nhân gốc rễ của các lỗi – bao gồm cả yếu tố cơ học, điện học lẫn điều khiển – và áp dụng các biện pháp xử lý phù hợp. Bài viết này sẽ hệ thống hóa các lỗi thường gặp theo từng nhóm nguyên nhân, đồng thời đưa ra phương pháp khắc phục kèm ví dụ thực tế, giúp bạn chủ động trong thiết kế, cài đặt và bảo trì hệ thống sử dụng Stepper Motor.

Xem thêm: Động cơ bước là gì? Cách chọn Stepper Motor phù hợp cho dự án công nghiệp

Lỗi thường gặp khi dùng Stepper Motor và cách khắc phục

1 . Sự cố: Quá nhiệt motor hoặc driver.

Giải pháp: do òng điện định mức thiết lập quá cao, không có chế độ giảm dòng khi dừng. Thiết lập dòng RMS đúng theo thông số của motor, sử dụng chức năng idle current reduction.

2. Sự cố: Động cơ bước hoặc Drive hoạt động không liên tục hoặc không ổn định.

Giải pháp: Trước tiên, hãy đảm bảo rằng tất cả các kết nối giữa động cơ bước và trình điều khiển và bộ điều khiển đều chặt chẽ. Khi thay thế động cơ bước, trình điều khiển bước hoặc bộ điều khiển hoặc bộ điều khiển trong hệ thống điều khiển chuyển động, hãy đảm bảo kiểm tra tất cả các khối đầu nối và đầu nối. Kiểm tra độ chính xác của hệ thống cáp/dây điện. Tạo lực căng cho hệ thống dây điện của động cơ để xác nhận rằng các kết nối được an toàn và kiểm tra điện trở bằng đồng hồ đo ohm.

3. Sự cố: Hiệu suất hệ thống kém (vấn đề EMI, động cơ bỏ qua các bước ngắt quãng/khả năng lặp lại thấp, động cơ chết máy, hành vi bất thường của động cơ – chạy về phía trước, chạy theo một hướng rồi theo hướng khác, dây nóng lên)

Giải pháp: Kiểm tra xem dây/cáp có quá dài không và kết nối giữa các dây có quá dài không. Giữ cho dây/cáp có chiều dài dưới 8m. Đối với các ứng dụng mà chiều dài dây dẫn từ động cơ bước đến bộ điều khiển vượt quá 8m, vui lòng liên hệ với nhà máy để được hướng dẫn. Một khả năng khác là dây dẫn của động cơ có cỡ quá nhỏ. Một lỗi thường gặp là kết hợp dây cáp của bạn với kích thước cỡ của dây dẫn. Ngoài ra, hãy kiểm tra tuổi thọ của động cơ, vì theo thời gian và quá trình sử dụng, động cơ bước sẽ mất một phần từ tính, ảnh hưởng đến hiệu suất. Thông thường, người ta có thể mong đợi 10.000 giờ hoạt động cho động cơ bước (khoảng 4,8 năm, chạy một ca tám giờ mỗi ngày làm việc) hoặc nhiều nhất là 20.000 giờ hoạt động với giả định là các thành phần chất lượng cao và điều kiện hoạt động lý tưởng. Ngoài ra, hãy đảm bảo rằng sự kết hợp động cơ bước/trình điều khiển của bạn phù hợp với ứng dụng của bạn. Liên hệ với nhà cung cấp nếu bạn có bất kỳ mối quan tâm nào.

4. Sự cố: Động cơ bước bị dừng.

Giải pháp: Trong một số trường hợp, việc dừng của động cơ bước gây ra một xung điện áp lớn làm hỏng các bóng bán dẫn pha trên trình điều khiển. Một số trình điều khiển được thiết kế để tự bảo vệ khỏi những sự cố như vậy. Có thể thêm thiết bị ngăn chặn quá độ bên ngoài.

5. Sự cố: Trình điều khiển động cơ bước không còn hoạt động nữa.

Giải pháp: Ngắt kết nối dây động cơ bước trong khi trình điều khiển được cấp nguồn sẽ tạo ra một đột biến dòng điện được cấp cho trình điều khiển và có thể khiến trình điều khiển bị hỏng. Tránh thực hiện bất kỳ dịch vụ nào cho động cơ bước, trình điều khiển hoặc bộ điều khiển trong khi bật nguồn, đặc biệt là liên quan đến các kết nối động cơ. Biện pháp phòng ngừa này là bắt buộc đối với cả trình điều khiển và kỹ thuật viên/người lắp đặt.

6. Sự cố: Động cơ bước có cuộn dây bị ngắn mạch hoặc ngắn mạch ở vỏ động cơ.

Giải pháp: Có khả năng động cơ bước của bạn bị lỗi. Không cố gắng sửa chữa động cơ. Việc mở động cơ có thể khiến động cơ mất từ ​​tính, dẫn đến hiệu suất kém. Việc mở vỏ động cơ cũng sẽ làm mất hiệu lực bảo hành của bạn. Có thể kiểm tra cuộn dây động cơ bằng đồng hồ đo ohm.

7. Sự cố: Các yếu tố môi trường không lý tưởng.

Giải pháp: Các yếu tố môi trường như tiếng ồn điện (do hàn, v.v.), hơi hóa chất, độ ẩm, độ ẩm, bụi, mảnh vụn kim loại, v.v., có thể làm hỏng các linh kiện điện tử và động cơ bước. Bảo vệ trình điều khiển, bộ điều khiển và động cơ bước khỏi môi trường ăn mòn, thông gió kém hoặc chứa các xung điện áp. Bạn có thể chọn các sản phẩm ở nhiều dải điện áp đường dây cũng như động cơ bước chống nước bắn, được xếp hạng IP65. Đối với động cơ chống nổ hoặc chống rửa trôi, hãy liên hệ trực tiếp với nhà máy. Đối với các đường dây AC chứa xung điện áp, có thể cần đến bộ điều chỉnh đường dây (bộ lọc).

8. Sự cố: Động cơ bước đang dẫn động ngược với Drive

Giải pháp: Động cơ bước được tải quay sẽ tạo ra điện áp EMF ngược trên trình điều khiển. Tốc độ cao hơn sẽ tạo ra mức điện áp cao hơn. Nếu tốc độ quay quá cao, điện áp này có thể làm hỏng trình điều khiển. Điều này đặc biệt nguy hiểm nếu động cơ được dẫn động ngược trong khi trình điều khiển vẫn đang bật.

Câu hỏi thường gặp về động cơ bước

Q: Có nên chọn kích thước động cơ lớn không?

A: Kích thước động cơ bước rất quan trọng vì nếu quán tính rotor của động cơ chủ yếu gồm tải, cộng hưởng cao sẽ xảy ra và gây ra vấn đề. Ngoài ra, rotor lớn hơn cần nhiều thời gian hơn để tăng tốc/giảm tốc, do đó, điều quan trọng là phải chọn kích thước động cơ phù hợp với ứng dụng.

Q: Khi tăng tốc, tại sao động cơ bước lại mất mô-men xoắn?

A: Độ tự cảm của cuộn dây là nguyên nhân chính khiến động cơ mất mô-men xoắn ở tốc độ cao.

Hằng số thời gian điện, Τ, là khoảng thời gian cần thiết để cuộn dây động cơ sạc tới 63% giá trị định mức của nó khi có điện trở R và độ tự cảm L. Với Τ=R/L, độ tự cảm cao không phải là vấn đề ở tốc độ thấp vì dòng điện có thể dễ dàng và nhanh chóng chạy qua các cuộn dây động cơ. Tuy nhiên, ở tốc độ cao, dòng điện đủ lớn không thể chạy qua các cuộn dây đủ nhanh trước khi dòng điện chuyển sang pha tiếp theo, do đó làm giảm mô-men xoắn do động cơ cung cấp.

Do đó, dòng điện và số vòng trong các cuộn dây quyết định mô-men xoắn đầu ra cực đại trong động cơ, trong khi điện áp được áp dụng và độ tự cảm của cuộn dây ảnh hưởng đến tốc độ mà một lượng mô-men xoắn nhất định có thể được tạo ra.

Q: Tại sao việc tăng điện áp lại làm tăng mô-men xoắn nếu động cơ bước không được điều khiển bằng điện áp?

A: Điện áp có thể được xem như là lực ép dòng điện qua các cuộn dây. Bằng cách tăng điện áp, áp suất được áp dụng để ép dòng điện qua cuộn dây cũng tăng lên. Điều này đến lượt nó khiến dòng điện tích tụ nhanh hơn trong cuộn dây và có thể tạo ra từ trường lớn hơn. Từ trường lớn hơn này tạo ra nhiều mô-men xoắn hơn.

Q: Nhiệt độ hoạt động tối đa của động cơ bước là bao nhiêu?

A: Hầu hết các động cơ bước đều có lớp cách điện Loại B. Điều này cho phép động cơ chịu được nhiệt độ lên đến 130°C. Do đó, với nhiệt độ môi trường là 40°C, động cơ có mức tăng nhiệt độ cho phép là 90°C. Động cơ có lớp cách điện Loại F có thể chịu được nhiệt độ lên đến 155°C. Động cơ có lớp cách điện Loại H có thể chịu được nhiệt độ lên đến 180°C.

Q: Có thể tăng mô-men xoắn bằng cách chạy động cơ bước ở mức gấp đôi dòng điện định mức của nó không?

A: Có thể tăng mô-men xoắn bằng cách tăng dòng điện, nhưng làm như vậy sẽ làm giảm khả năng chạy trơn tru của động cơ.

Q: Sự khác biệt giữa 4, 6 và 8 dây trong động cơ là gì?

A: Động cơ bước có khả năng chạy ở chế độ song song hoặc chế độ nối tiếp. Ở chế độ song song, chỉ có thể chạy động cơ 4 dây, trong khi ở chế độ nối tiếp, có thể chạy động cơ 6 dây. Động cơ 8 dây có thể chạy ở cấu hình song song hoặc nối tiếp. Trong các ứng dụng cần mô-men xoắn lớn hơn ở tốc độ cao hơn, giá trị độ tự cảm thấp hơn do động cơ 4 dây cung cấp là lựa chọn tốt hơn.

Q: Sự khác biệt giữa động cơ bước đơn cực (unipolar) và lưỡng cực (bipolar) là gì?

A: Động cơ quấn đơn cực thường có 6 hoặc 8 dây ra và có một dây trung tâm nối từ giữa mỗi cuộn dây. Còn động cơ quấn lưỡng cực thường có 4 dây ra và không có dây trung tâm ở giữa hai đầu dây cho mỗi cuộn dây. Động cơ đơn cực có một dây trung tâm cho mỗi cuộn dây, giúp điều khiển dòng điện dễ dàng hơn, trong khi động cơ lưỡng cực có hai đầu dây cho mỗi cuộn dây, cho phép dòng điện chạy qua các cuộn dây theo hai hướng, tạo ra mô-men xoắn lớn hơn.

Q: Sự khác biệt giữa bộ điều khiển động cơ bước vòng hở và vòng kín

A: Trong bộ điều khiển động cơ bước vòng hở, không có phản hồi nào đi từ động cơ đến bộ điều khiển. Loại bộ điều khiển này có hiệu quả khi động cơ mang tải không đổi ở tốc độ ổn định. Bộ điều khiển động cơ vòng kín phù hợp hơn với các ứng dụng có tải hoặc tốc độ thay đổi. So với bộ điều khiển vòng kín, bộ điều khiển vòng hở không phức tạp và có chi phí thấp hơn.

Q: Khi nào nên sử dụng microstepping?

A: Nên sử dụng microstepping khi muốn động cơ quay trơn tru. Vì động cơ microstepping di chuyển theo các bước nhỏ hơn nên có độ phân giải cao hơn. Microstepping có thể được sử dụng để giảm cộng hưởng của hệ thống vì kích thước bước nhỏ hơn làm giảm hiện tượng vượt mức. Vì trình điều khiển microstepping chia dòng điện giữa các pha nên dòng điện tích tụ dần dần hơn trong các cuộn dây động cơ, tạo ra mô-men xoắn nhất quán hơn và chuyển động trơn tru hơn. Microstepping thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu động cơ hoạt động ở mức dưới 700 xung mỗi giây.

Q: Phanh có tác dụng gì trên Động cơ bước?
A: Phanh không làm chậm trục của động cơ mà chỉ giữ trục tại chỗ. Nếu cung cấp 24V cho phanh, phanh sẽ được "thả" và trục có thể quay tự do. Nếu không cung cấp 24V, phanh sẽ khóa vị trí và giữ trục tại chỗ.

Q: Khoảng cách cáp được khuyến nghị giữa động cơ bước và trình điều khiển Drive là bao nhiêu?
A: Chúng tôi khuyên rằng hệ thống dây điện giữa động cơ bước và trình điều khiển không nên dài quá 8m. Mặc dù không bắt buộc, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng cáp động cơ có vỏ bọc chống nhiễu.

Q: Có nên tháo rời động cơ bước ra không?
Trả lời: Không nên tự ý tháo rời động cơ. Động cơ mất từ ​​tính lên đến 60% nếu rotor bị kéo ra. Nếu tất cả các bộ phận được thay thế đúng cách, động cơ có thể được từ hóa lại tại nhà máy, nhưng chi phí khá lớn.

Q: Tại sao động cơ bước bị rung?
A: Cộng hưởng vốn có trong thiết kế và hoạt động của tất cả các động cơ bước và xảy ra ở các tốc độ bước cụ thể. Tốc độ bước chậm, quán tính rôto cao và mô-men xoắn cao tạo ra tiếng rung khi rôto vượt quá độ dịch chuyển góc mong muốn và bị kéo trở lại vị trí, gây ra cộng hưởng. Cộng hưởng có thể dẫn đến rung động, tiếng ồn và mất bước. Giảm kích thước bước, thêm bộ giảm chấn cơ học hoặc lắp hộp số có thể giúp giảm thiểu cộng hưởng. Kích thước bước có thể được giảm thông qua phương pháp điều khiển vi bước, có thể giảm vượt quá và do đó cộng hưởng. Bộ giảm chấn hỗ trợ giảm hiệu ứng quán tính, từ đó giảm cộng hưởng. Hộp số giảm cộng hưởng bằng cách "tăng quán tính của phía động cơ trong hệ thống truyền động".

Q: Tại sao động cơ bị trượt bước?
A: Động cơ bước có thể bỏ qua các bước nếu động cơ tạo ra cộng hưởng hoặc nếu quán tính tải của động cơ lớn. Nếu gia tốc của rôto chậm hơn tốc độ quay của từ trường động cơ hoặc tốc độ trung bình của rôto cao hơn tốc độ quay của từ trường stato, điều này cũng có thể dẫn đến việc bỏ qua các bước. Để tránh bị mất bước, hãy đảm bảo chọn trình điều khiển phù hợp. Bạn cũng có thể thử giảm kích thước bước hoặc thêm hộp số.

Q: Tại sao động cơ bước bị nóng?
A: Động cơ bước có thể bị nóng vì bộ truyền động cần cung cấp cho động cơ toàn bộ dòng điện mọi lúc để duy trì vị trí của động cơ. Vì động cơ tiêu thụ nhiều điện năng nên có thể sinh ra lượng nhiệt lớn. Một số cách để ngăn ngừa việc sinh nhiệt quá mức là giảm dòng điện giữ hoặc chạy hoặc sử dụng điều khiển vòng kín.