Step Motor là gì? Tổng quan về động cơ bước (Stepper Motor)

Step Motor là gì?

Step Motor (Stepper Motor, Stepping Motor) đều là những từ khóa chỉ về động cơ bước. Step Motor là loại động cơ chấp hành đặc biệt, thường được sử dụng cho các hệ truyền động rời rạc. Step 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 hoặc các chuyển động của Rotor và có khả năng cố định Rotor vào những vị trí cần thiết.

Step Motor làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (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 ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục (Nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc).

• Servo là gì? Tổng quan về động cơ Servo (Servo Motor)

Ưu điểm của Stepper Motor

• Không chổi than

Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò…) có thể gây nguy hiểm.

• Tạo được mômen giữ

Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn. Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ. Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor.

• Điều khiển vị trí theo vòng hở

Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo).

• Độc lập với tải

Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển. Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được). Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay.

Phân loại Stepper Motor

1. Phân loại theo rotor của động cơ bước

• Loại 1: Stepper Motor có rotor được tác động bằng dây quấn hoặc nam châm vĩnh cữu.
• Loại 2: Stepper Motor có rotor không được tác động nhưng có phần từ cảm ứng, phản kháng – còn gọi là động cơ bước thay đổi từ trở.
• Loại 3: Stepper Motor có cấu tạo rotor kết hợp cả 2 loại trên.

Sẽ rất quen thuộc khi các bạn được giới thiệu rằng: Stepper Motor được chia làm 2 loại, đó là loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu và loại động cơ bước biến từ trở (hoặc kết hợp cả hai gọi là loại động cơ bước hỗn hợp).

2. Phân loại theo cực của động cơ bước

Loại 1: Stepper Motor đơn cực, có thể bao gồm cả động cơ bước loại nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ bước loại hỗn hợp. Nhưng ở các cuộn dây luôn có đầu trung tâm được nối ra từ chính giữa mỗi cuộn dây.

Loại 2: Stepper Motor lưỡng cực, có thể bao gồm cả động cơ bước loại nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ bước loại biến từ trở. Nhưng ở các cuộn dây sẽ không có đầu dây nối ra từ trung tâm.

3. Phân loại theo số pha của động cơ bước

• Loại 1: Step Motor 2 pha, là loại động cơ bước 4 dây, 6 dây hoặc 8 dây.
• Loại 2: Step Motor 3 pha, là loại động cơ bước 3 dây hoặc 4 dây.
• Loại 3: Step Motor 5 pha, là loại động cơ bước có 5 dây hoặc 10 dây.

Nguyên lý điều khiển động cơ bước (Step Motor)

Stepper Motor không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.

• Điều khiển full-step (wave drive – 1 phase on)

Cách điều khiển này đơn giản, nhưng công suất rất thấp, chỉ đạt 25% đối với Step Motor kiểu unipolar, và 50% đối với kiểu bipolar. Do đó lực xoắn xinh ra bởi dạng điều khiển này tương đối yếu.

• Điều khiển full-step (two phase drive – 2 phase on)

Trong chế độ này, hai cuộn dây sẽ được cấp năng lượng đồng thời, cho công suất cao hơn dạng ở trên.

• Điều khiển half-step (1 or 2 phase on)

Loại điều khiển này kết hợp hai dạng trên lại. kết quả là Step Motor có thể di chuyển ở các góc có độ phân giải gấp 2 lần kiểu ở trên.

Mô phỏng điều khiển động cơ bước bằng arduino trên proteus

Trên đây, MC&TT đã chia sẻ cho các bạn về khái niệm, ưu điểm, phân loại, nguyên lý hoạt động và mô phỏng về động cơ bước (Step Motor, Stepper Motor, Stepping Motor). Chúng tôi hy vọng rằng, với những thông tin kiến thức được chia sẻ phía trên sẽ giúp ích các bạn trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu, học tập và làm việc với động cơ bước. Xin cảm ơn!