Stepper Driver là gì? Chọn bộ điều khiển động cơ bước phù hợp

Stepper Driver là gì?

Stepper Drive còn gọi là bộ điều khiển động cơ bước bao gồm các thiết bị điện tử và phần mềm có khả năng tạo ra chuỗi xung và dòng điện cần thiết để điều khiển động cơ bước. Chức năng chính của phần cứng và phần mềm của trình điều khiển bước là cung cấp dòng điện pha định mức đến các cuộn dây động cơ bước trong thời gian ngắn nhất.

Tốc độ thay đổi dòng điện qua các cuộn dây rất quan trọng để động cơ bước chạy ở tốc độ và mô-men xoắn tối ưu.

Lực cản đối với sự thay đổi dòng điện là độ tự cảm. Để dòng điện chạy nhanh hơn, nó phải thắng lực cảm ứng.

Hằng số thời gian cảm ứng, τ = L/R, đóng vai trò quan trọng trong tốc độ dòng điện chạy. Hằng số thời gian cảm ứng thấp tạo nên tốc độ dòng điện chạy nhanh hơn, trong khi hằng số thời gian cảm ứng lớn hơn sẽ làm giảm tốc độ dòng điện.

Bộ điều khiển bước hoạt động bằng cách cắt điện áp cung cấp đầu vào. Trình điều khiển bước thực hiện điều này bằng cách sử dụng chip điều chế độ rộng xung (PWM). Ba loại trình điều khiển và bộ điều khiển bước cơ bản bao gồm L/R, Bilevel và PWM.

Sơ đồ hệ thống động cơ bước

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

Stepper Driver và Controller hoạt động như thế nào?

Rotor, gắn vào bánh răng kim loại của động cơ bước, được bao quanh bởi các nam châm điện. Các nam châm điện cũng có răng giống như bánh răng hướng về phía các bánh răng trên rotor nhưng không tiếp xúc với nhau.

Khi đã hiểu được cấu trúc, chuyển động của động cơ bước chủ yếu được giao cho bộ điều khiển bước. Trình điều khiển ON/OFF từng nam châm điện thông qua các dạng sóng xung truyền qua các cuộn dây để tạo ra trường điện từ. Việc này khiến các bánh răng thẳng hàng với nam châm điện được cấp điện đầu tiên, nhưng không thẳng hàng với nam châm điện thứ hai. Do đó, để quay động cơ bước, trình điều khiển bước sẽ OFF nam châm điện đầu tiên và ON nam châm điện thứ hai. Điều này làm động cơ quay một bước, việc tiếp tục quá trình này, từ nam châm điện này sang nam châm điện khác, cho phép động cơ bước liên tục quay thông qua sự điều khiển của trình điều khiển và bộ điều khiển bước.

Động cơ bước có thể thực hiện 200 bước hoặc ít hơn để hoàn thành một vòng quay hoàn chỉnh Có thể thay đổi hướng quay của động cơ bằng cách đảo ngược thứ tự của các nam châm điện được cấp điện.

Phân loại cơ bản của bộ điều khiển bước

Hiệu suất của động cơ bước phụ thuộc rất nhiều vào mạch trình điều khiển bước. Bằng cách đảo ngược các cực stato nhanh hơn, đường cong mô-men xoắn có thể được mở rộng đến tốc độ lớn hơn. Để khắc phục độ tự cảm và chuyển mạch các cuộn dây nhanh hơn, điện áp truyền động phải được tăng lên.

Bộ điều khiển bước được chia thành ba loại khác nhau: Trình điều khiển bước L/R, Bilevel và Điều chế độ rộng xung (PWM).

Bộ điều khiển bước L/R – Giới hạn điện trở (L/R Stepper Driver – Resistance Limited)

Bộ điều khiển bước L/R là cơ sở cho các thiết kế truyền động cũ hơn. Kỹ thuật truyền động này đạt được các hoạt động ở chế độ Full-step và half-step. Động cơ bước được điều khiển bởi trình điều khiển L/R không cho phép kiểm soát thay đổi mức dòng điện và tạo ra hiệu suất hệ thống từ thấp đến trung bình. Do đó, trình điều khiển L/R thường chỉ được sử dụng để thay thế cho các hệ thống động cơ bước cũ hơn.

Bộ điều khiển bước L/R là trình điều khiển hiệu suất thấp, chỉ cung cấp mô-men xoắn chạy định mức đầy đủ ở tốc độ từ thấp đến trung bình, dẫn đến công suất đầu ra hạn chế. Tuy nhiên, tốc độ và công suất đầu ra có thể hoàn toàn đủ cho một số ứng dụng tốc độ thấp.

Trình điều khiển bước L/R giới hạn điện trở, sử dụng điện trở rơi để khớp động cơ với nguồn điện. Các điện trở này thường được đặt nối tiếp với các dây dẫn chung của động cơ bước. Điện trở của chúng phải được tính toán dựa trên dòng điện pha và định mức điện áp của động cơ bước. Mạch trình điều khiển bước L/R không hiệu quả đối với các ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn và/hoặc tốc độ từ trung bình đến cao.

Một lượng nhiệt đáng kể có thể được tạo ra trong các điện trở là một phần của mạch liên quan. Nguồn điện cần thiết và điện trở có thể khá cồng kềnh; đây là một lý do khác khiến trình điều khiển bước L/R ít được ưa chuộng. Các yếu tố này phải được tính đến trước khi chọn loại trình điều khiển bước để sử dụng với động cơ của bạn.

Bộ điều khiển bước hai mức (Bilevel Stepper Driver)

Bộ điều khiển bước hai mức sử dụng cả điện áp cao và thấp. Bilevel Stepper Driver sử dụng điện áp cao để đạt được tốc độ dòng điện. Khi đạt đến mức dòng điện hoạt động, trình điều khiển bước sẽ tắt điện áp cao và duy trì mức dòng điện từ nguồn cấp điện áp thấp, do đó có thuật ngữ bilevel.

Trong khi động cơ tăng bước, điện áp cao sẽ truyền dòng điện vào các cuộn dây, cung cấp nhiều hơn dòng điện cần thiết khi tốc độ bước tăng. Sơ đồ chuyển mạch điện áp thấp-cao-thấp này mang lại hiệu suất cao hơn và chi phí thấp hơn so với các mạch cắt và các sơ đồ phức tạp hơn. Trình điều khiển bước hai mức loại bỏ nhu cầu sử dụng điện trở rơi, tuy nhiên, việc thiết kế và chế tạo tốn kém hơn một chút. Do trình điều khiển bước hai mức ngày càng phổ biến, nên hiện nay nhìn chung nó khá tiết kiệm chi phí. Lợi ích của trình điều khiển bước hai mức là chúng không gây nóng động cơ cũng như các vấn đề về RFI và EMI liên quan đến trình điều khiển loại cắt.

Trình điều khiển bước hai mức chỉ có thể điều khiển động cơ bước ở chế độ Full-step hoặc Half-step. Nếu độ mượt là yếu tố quan trọng đối với ứng dụng của bạn, bạn có thể cân nhắc sử dụng trình điều khiển vi bước hoặc động cơ bước 0,9 độ.

PWM (Chopper) Stepper Driver/Controller – Microstep

Bộ điều khiển bước PWM (điều chế độ rộng xung), còn được gọi là bộ điều khiển Chopper hoặc bô điều khiển Microstep, sử dụng một nguồn cấp điện áp cao duy nhất. Trong PWM Stepper Driver, dòng điện của động cơ bước được điều chỉnh bằng các bóng bán dẫn đầu ra ON và OFF để đạt được mức dòng điện trung bình.

Có những ưu điểm và nhược điểm của các hệ thống trình điều khiển bước sử dụng PWM. Tính năng nổi bật nhất của trình điều khiển PWM là khả năng điều khiển động cơ bước ở chế độ microstep. Đối với các ứng dụng yêu cầu độ mượt mà, trình điều khiển bước Microstep là lựa chọn phù hợp nhất. Trình điều khiển microstep sẽ duy trì tốc độ dòng điện không đổi đến động cơ bước ở mọi tốc độ, mang lại hiệu suất tuyệt vời.

Nhược điểm của ổ đĩa Chopper là tạo ra EMI và RFI, cũng như các vấn đề về động cơ quá nhiệt.

Cách chọn bộ trình điều khiển động cơ bước

Tốc độ và hướng quay của động cơ bước được xác định bởi các thiết bị điều khiển kỹ thuật số. Việc lựa chọn trình điều khiển và bộ điều khiển động cơ bước tương thích nhất có thể giúp người dùng tiết kiệm tiền và là giải pháp điều khiển chuyển động ít cồng kềnh hơn.

• Khoảng cách cần di chuyển
• Thời gian tối đa cho phép để di chuyển
• Độ chính xác chốt mong muốn (tĩnh)
• Độ chính xác động mong muốn (overshoot)
• Thời gian cho phép để độ chính xác động trở về thông số kỹ thuật độ chính xác tĩnh (thời gian ổn định)
• Độ phân giải bước cần thiết (kết hợp kích thước bước, bánh răng và thiết kế cơ học)
• Ma sát hệ thống:

Tất cả các hệ thống cơ học đều thể hiện một số loại lực ma sát. Hãy nhớ rằng động cơ phải cung cấp đủ mô-men xoắn để vượt qua mọi ma sát hệ thống.

• Quán tính của hệ thống:

Quán tính của một vật là thước đo mức độ chống lại sự thay đổi vận tốc của vật đó. Tải trọng quán tính càng lớn, động cơ bước mất nhiều thời gian hơn để tăng tốc hoặc giảm tốc tải trọng. Tốc độ quay của động cơ không phụ thuộc vào quán tính. Đối với chuyển động quay, quán tính tỷ lệ thuận với khối lượng của vật thể đang di chuyển nhân với bình phương khoảng cách của vật thể đó so với trục quay

• Đặc điểm tốc độ/mô-men xoắn của động cơ:

Khi lựa chọn trình điều khiển bước và động cơ, công suất của động cơ phải vượt quá yêu cầu chung của tải Mô-men xoắn mà bất kỳ động cơ nào có thể cung cấp thay đổi theo tốc độ của nó. Các đường cong tốc độ/mô-men xoắn riêng lẻ nên được tham khảo bởi người thiết kế cho từng ứng dụng

• Tỷ lệ mô-men xoắn trên quán tính:

Giá trị này được định nghĩa là mô-men xoắn định mức của động cơ chia cho quán tính của rô-to. Tỷ lệ này (phép đo) xác định tốc độ động cơ có thể tăng tốc và giảm tốc khối lượng của chính nó. Động cơ có định mức mô-men xoắn tương tự có thể có tỷ lệ mô-men xoắn trên quán tính khác nhau do kết cấu khác nhau

• Biên độ mô-men xoắn:

Bất cứ khi nào có thể, nên chọn trình điều khiển bước và bộ điều khiển có thể cung cấp mô-men xoắn lớn hơn mức cần thiết. Hiệu ứng cộng hưởng có thể khiến mô-men xoắn của động cơ thấp hơn một chút ở một số tốc độ. Lựa chọn trình điều khiển bước và hệ thống động cơ cung cấp biên độ ít nhất 50% so với biên độ tối thiểu mô-men xoắn cần thiết là lý tưởng. Hơn 100% có thể quá tốn kém.

Bộ điều khiển động cơ bước - Stepper Drive hãng Kinco

Kinco là một trong những nhà cung cấp hàng đầu về giải pháp sản xuất và công nghệ chất lượng cao tại Trung Quốc. Họ tập trung vào việc phát triển, sản xuất và kinh doanh các sản phẩm tự động hóa chất lượng cao. Danh mục sản phẩm của Kinco bao gồm: HMI, PLC, biến tần, Động cơ Servo, Động cơ Bước v.v. Hiện nay, Kinco đã mở rộng ứng dụng của mình trong các lĩnh vực như: tự động hóa, logistics, thiết bị hình ảnh y tế, v.v.

Xem thêm: Kinco Việt Nam – Đại diện phân phối thiết bị tự động hóa Kinco tại Việt Nam

Kinco hiện đang cung cấp trên thị trường 2 dòng Stepper Drive. Mỗi dòng sản phẩm được đều được thiết kế để đáp ứng nhu cầu cụ thể của người dùng.

FM Series Field bus Stepper Driver

• Hỗ trợ Modbus, CANopen và EtherCAT Field bus.
• Hỗ trợ giao tiếp cổng nối tiếp RS232, sử dụng phần mềm máy tính KincoStep cài đặt tham số.
• Hỗ trợ xung + hướng (PLS+DIR) xung dương và xung âm (CW/CCW) và pha A+B.
• Cài đặt chức năng IO phong phú, hỗ trợ chế độ điều khiển gốc, tốc độ nhiều đoạn, vị trí nhiều đoạn.
• Hỗ trợ động cơ thích ứng, dòng trục khóa tùy chỉnh, bộ lọc bước vi mô và các chức năng khác.
• Chức năng bảo vệ mạnh mẽ: bảo vệ quá áp, quá nhiệt và quá dòng điện áp thấp.
• Dòng điện truyền động dưới 6A, động cơ bước lai hai pha 42, 57, 86 và ba pha 57, 85

CM/M Series Stepper Driver

• Hỗ trợ PLS+DIR, xung ngược (CW/CCW).
• Chức năng lọc bước vi mô giúp động cơ chạy ổn định ở tốc độ thấp.
• Dải điện áp rộng cho đầu vào tín hiệu, dễ đấu dây.
• Các thông số điều khiển tối ưu được tạo tự động cho các động cơ khác nhau và chạy mượt mà hơn.
• Kích thước nhỏ gọn giúp tiết kiệm không gian lắp đặt.