Stepper Actuator là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế

Stepper Actuator là gì?

Stepper Actuator là một thiết bị truyền động tuyến tính (linear actuator) hoặc quay (rotary actuator) sử dụng động cơ bước (stepper motor) làm cơ cấu điều khiển chính, cho phép tạo ra chuyển động từng bước một cách chính xác mà không cần hệ thống hồi tiếp (encoder).

Với bộ truyền động bước, trục của động cơ bước thông thường được thay thế bằng vít dẫn chính xác và rôto được ren để chuyển đổi thành đai ốc chính xác được điều chỉnh theo vít dẫn.

Khi rôto quay, vít dẫn quay lên và xuống đai ốc chính xác, tạo ra chuyển động tuyến tính mà không cần các thành phần cơ học bên ngoài. Theo cách này, bộ truyền động bước có thể đơn giản hóa nhiều ứng dụng quay sang tuyến tính, đồng thời cung cấp độ phân giải và độ chính xác cao.

Bộ truyền động bước có thể được vận hành ở nhiều tốc độ khác nhau và có thể được sử dụng để truyền động hầu như mọi tải thường gặp.

Tính chất vật lý của bộ truyền động bước - Stepper Actuator

Bộ truyền động tuyến tính bước được tạo thành từ cùng các đặc tính cốt lõi như động cơ bước, với một số sửa đổi. Các thành phần chính của động cơ bước tiêu chuẩn là trục, rôto từ tính và các lớp phủ stato, ổ trục, cuộn dây động cơ bằng đồng và dây dẫn, vòng đệm và nắp trước và nắp cuối. Trong bộ truyền động tuyến tính bước, trục của động cơ bước thông thường được thay thế bằng vít dẫn chính xác và có một đai ốc chính xác có ren bên trong tâm rôto, tương tác với vít dẫn để tạo chuyển động tuyến tính. Các cuộn dây động cơ, cuộn dây đồng dài, được quấn quanh stato để dẫn năng lượng điện từ vào rôto để quay động cơ. Các lớp phủ stato và rôto bao gồm thép silicon, cho phép điện trở suất cao hơn và tổn thất lõi thấp hơn. Có nhiều loại nam châm được sử dụng: nhựa ferit, ferit thiêu kết và Nd-Fe-B (nam châm neodymium).

Các thành phần của bộ truyền động bước PM có trục ren và tấm lắp

Minh họa trục ren có bước ren và vít dẫn

Phân biệt: Stepper Actuator vs Stepper Motor thông thường

Bộ truyền động bước hoạt động như thế nào?

Bộ truyền động bước được điều khiển bởi trình điều khiển động cơ bước, ra lệnh cho bộ truyền động bước khởi động hoặc dừng. Trình điều khiển gửi xung tín hiệu điện để kích hoạt tuần tự các pha của bộ truyền động, khiến rôto (đai ốc chính xác) quay và vít dẫn kéo dài hoặc thu lại. Bằng cách gửi xung điện dưới dạng câu lệnh, bộ điều khiển chỉ định bộ truyền động bước nên kéo dài hoặc thu lại bao xa và nhanh như thế nào. Bộ điều khiển có thể được lập trình trước hoặc được điều khiển theo thời gian thực bằng các đầu vào được xác định trước trên bộ truyền động bước hoặc bộ điều khiển.

Phân loại Stepper Actuator

Non-Captive, Captive, and External Linear Stepper Actuators

• Captive Stepper Actuator

Captive Stepper Actuators - Bộ truyền động bước cố định, còn được gọi là "bộ truyền động bước vít xoay", có cơ chế chống xoay tích hợp. Trục ra có khía cho phép bộ truyền động kéo dài và thu lại như một khối thống nhất. Các loại bộ truyền động này được thiết kế cho các ứng dụng đòi hỏi chiều dài hành trình ngắn.

• Non-Captive Stepper Actuator

Non-Captive Stepper Actuator - Bộ truyền động bước không cố định, còn được gọi là "bộ truyền động bước đai ốc xoay", có một vít dẫn kéo dài qua động cơ mà không có bất kỳ giới hạn hành trình nào, nhưng phải được lắp ráp chắc chắn trên một bộ phận máy móc hoặc thiết bị không quay. Điều này cho phép vít dẫn kéo dài và thu lại mà không quay trong khi động cơ vẫn đứng yên. Các loại bộ truyền động này được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu chiều dài hành trình dài hơn.

• External Linear Stepper Actuator

External Linear Stepper Actuator - Bộ truyền động bước tuyến tính bên ngoài, còn được gọi là "bộ truyền động bước đai ốc di chuyển", sử dụng sự kết hợp giữa vít dẫn và đai ốc kéo dài ra khỏi động cơ. Khi vít dẫn quay, chuyển động tuyến tính được tạo ra khi đai ốc di chuyển qua lại dọc theo vít. Bộ truyền động tuyến tính bên ngoài lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu chiều dài hành trình ngắn.

Như đã thảo luận trong phần trước, bộ truyền động bước bao gồm các thành phần cốt lõi giống như động cơ bước cơ bản, với một số sửa đổi. Bộ truyền động bước có thể sử dụng các loại động cơ bước khác nhau trong cấu tạo của chúng, tức là Động cơ từ trở biến thiên(VR), Động cơ nam châm vĩnh cửu (PM) hoặc Động cơ bước lai.

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

Cách chọn bộ truyền động bước - Stepper Actuator

• Độ dài hành trình

Khi xác định bộ truyền động bước phù hợp cho một ứng dụng cụ thể, cần phải hiểu độ dài hành trình. Độ dài hành trình mô tả khoảng cách tuyến tính mà bộ truyền động sẽ di chuyển. Độ dài hành trình cho phép thiết bị xử lý các khoảng cách hoạt động ngắn hoặc dài. Hầu hết, nhưng không phải tất cả, bộ truyền động bước đều có độ dài hành trình cho phép bộ truyền động di chuyển một lượng cụ thể.

Ví dụ, một bộ truyền động nhỏ có thể di chuyển rèm cửa sổ nhà, trong khi một bộ truyền động lớn có thể di chuyển rèm cửa màn hình chiếu phim. Do đó, độ dài hành trình dài hơn sẽ làm tăng giá của bộ truyền động tuyến tính.

• Chu kỳ nhiệm vụ

Hiểu được chu kỳ nhiệm vụ, thời gian trôi qua giữa các hoạt động, sẽ cung cấp một ước tính hợp lý về tuổi thọ dự kiến ​​của bộ truyền động bước. Chu kỳ nhiệm vụ có thể dựa trên đơn vị giờ mỗi ngày, phút mỗi giờ hoặc số lần đột quỵ mỗi phút. Bằng cách quản lý chu kỳ nhiệm vụ, người ta có thể tăng tuổi thọ và bảo trì cần thiết cho bộ truyền động bước.

• Tải

Một trong những tiêu chí để lựa chọn bộ truyền động bước là xác định công suất cần thiết cho ứng dụng. Xác định tải trọng cần thiết cho ứng dụng sẽ giúp xác định kích thước và công xuất của bộ truyền động bước. Hướng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn bộ truyền động bước phù hợp. Với bộ truyền động bước ở vị trí nằm ngang, việc tính toán khả năng tải tổng thể đòi hỏi phải bù cho lực ma sát. Khi bộ truyền động được lắp ở vị trí thẳng đứng, điều đặc biệt quan trọng là phải xem xét trọng lượng do lực hấp dẫn trong tính toán tải trọng.

• Hệ số công suất

Xác định yêu cầu về công suất cơ học của ứng dụng (lực tuyến tính, tốc độ) để xác định thông số kỹ thuật điện cần thiết của bộ truyền động.

• Chi phí

Giá bộ truyền động bước thay đổi và thường bị ảnh hưởng bởi kích thước, chức năng, độ chính xác, chiều dài hành trình và lực tuyến tính. Một số loại bộ truyền động đắt hơn những loại khác và giá sẽ khác nhau tùy theo nhà sản xuất, ngay cả đối với cùng một loại.

Ưu điểm của Bộ truyền động bước

• Giảm thiểu các thành phần cơ học
• Thiết kế tiết kiệm chi phí
• Độ phân giải và độ chính xác cao
• Lực đầu ra cao
• Độ dài hành trình dài
• Nhiều tùy chọn về kết cấu và chức năng có sẵn

Nhược điểm của Bộ truyền động bước

• Các bộ phận dễ bị mài mòn (đặc biệt là ổ trục)

Ứng dụng phổ biến

Bộ truyền động bước phổ biến trong cả ứng dụng thương mại và gia dụng, và công nghiệp như:

• Máy in 3D (trục Z, extruder head).
• Máy CNC mini, laser cutter.
• Hệ thống pick-and-place.
• Đóng gói tự động.
• Dẫn hướng camera, máy đo tự động, hoặc thiết bị y tế.