Khái niệm

Động cơ bước (tiếng Anh: stepper motor, step motor, hoặc stepping motor) là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện 1 pha hay 3 pha thông thường. Chúng 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 rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết.

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

Ảnh thực tế của một động cơ bước.

Nói chung, động cơ bước là một loại động cơ mà các bạn có thể quy định được tần số góc quay của nó. Nếu góc bước của nó càng nhỏ thì số bước trên mỗi vòng quay của động cơ càng lớn và độ chính xác của vị trí chúng ta thu được càng lớn. Các góc bước của động cơ có thể đạt cực đại là 90 độ và cực tiểu đến 0.72 độ. Tuy nhiên, các góc bước của động cơ thường được sử dụng phổ biến nhất là góc 1.8 độ, góc 2.5 độ, góc 7.5 độ và góc 15 độ.

Ví dụ: Một động cơ bước có góc 1.8 độ/bước nếu quay hết 1 vòng khoảng 360 độ thì mất 200 bước (thuật ngữ chuyên ngành gọi là full step). Các chế độ quay càng nhiều xung thì động cơ quay của máy sẽ càng êm hơn. Ở Việt Nam, người ta hay dùng phổ biến nhất là động cơ 200 bước.

Phân loại động cơ bước

Dựa vào số pha của động cơ:

• Động cơ bước 2 pha: có 4, 6 hoặc 8 dây, 1 góc bước tương ứng khoảng 1.8 độ.
• Động cơ bước 3 pha: có 3 hoặc 4 dây, 1 góc bước tương ứng khoảng 1.2 độ.
• Động cơ bước 5 pha: có 5 dây, 1 góc bước tương ứng khoảng 0.72 độ.

Dựa vào rotor:

• Động cơ bước có rotor được làm bằng dây quấn hoặc sử dụng nam châm vĩnh cửu.
• Động cơ bước thay đổi từ trở. Đây là 1 loại động cơ có rotor không được tác động nhưng lại có phần tử cảm ứng.
• Động cơ bước đồng bộ lai sử dụng kết hợp đồng thời các kỹ thuật nam châm vĩnh cửu và biến đổi từ trở để đạt được công suất tối đa trong một kích thước vô cùng nhỏ gọn.

Dựa theo cực của động cơ:

• Động cơ bước đơn cực.
• Động cơ bước lưỡng cực.

Cấu tạo động cơ bước

Cấu tạo động cơ bước bao gồm rotor và stator.

• Rotor bao gồm một dãy các lá nam châm vĩnh cửu, chúng được sắp xếp chồng lên nhau một cách kỹ lưỡng, cẩn thận. Trên các lá nam châm này lại được chia thành các cặp cực sắp xếp đối xứng với nhau. Trong trường hợp của động cơ biến từ trở là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính.
• Stato được cấu tạo bằng sắt từ, chúng được chia thành các rãnh nhỏ để đặt cuộn dây.

Nguyên lý hoạt động của động cơ bước

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu:

Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có 2 cặp cuộn pha được trình bày ở hình: Ban đầu vị trí của stator và rotor đang ở pha A. Khi cấp điện cho 2 cuộn dây pha B và D trong 2 cuộn sẽ xuất hiện cực tính. Do cực tính của cuộn dây pha và rotor ngược nhau dẫn đến rotor chuyển động đến vị trí như hình pha B on. Khi cuộn dây pha B và D ngắt điện cuộn dây A và B được cấp điện thì rotor lại chuyển động đến vị trí như hình pha C on.

Gọi số răng trên stato là Zs, góc bước của động cơ là Sđc, góc bước của động cơ này được tính theo công thức sau: Sđc = 360/Zs.

Động cơ bước biến từ trở:

Động cơ bước biến từ trở có cấu tạo giống với động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Cấu tạo của stator cũng có các cuộn pha đối xứng nhau, nhưng các cuộn pha đối xứng có cùng cực tính khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu.

Rotor của động cơ bước biến từ trở được cấu tạo từ thép non có khả năng dẫn từ cao, do đó khi động cơ mất điện roto vẫn tiếp tục quay tự do rồi mới dừng hẳn.

Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến từ được thể hiện như hình:

• Khi cấp điện cho pha A, từng cặp cuộn dây A bố trí đối xứng nhau có cùng cực tính là nam (S) và bắc (N). Lúc này các cuộn dây hình thành các vòng từ đối xứng.
• Khi cấp điện cho pha B, lúc này từ trở trong động cơ lớn, momen từ tác động lên trục rotor làm cho rotor quay theo chiều giảm từ trở. Rotor quay cho tới khi từ trở nhỏ nhất và khi moment bằng không thì trục động cơ dừng, rotor đạt đến vị trí cân bằng mới.
• Tương tự như vậy khi cấp điện cho pha C. Quá trình trên lặp lại và động cơ quay liên tục theo thứ tự pha A, B, C. Để động cơ quay ngược chiều chỉ cần cấp điện cho các pha theo thứ tự ngược lại.

Gọi số pha của động cơ là Np, ổ răng trên roto là Zr, góc bước của động cơ bước biến từ trở là S ta tính được công thức sau: S=360/(Np*Zr).

Lưu ý: Động cơ bước thường được sử dụng trong hệ thống điều khiển có vòng hở đơn giản, hoặc là vòng kín đều được. Tuy nhiên, khi sử dụng động cơ bước vào trong hệ điều khiển vòng hở khi máy móc bị quá tải thì tất cả các giá trị của động cơ đều bị mất đi và hệ thống cũng cần phải nhận diện lại.

Tóm tắt các đặc điểm của động cơ bước:

• Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau. Khi có dòng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước làm cho roto của động cơ quay một góc nhất định gọi là bước của động cơ.
• Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển. Góc bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển động cơ bước.
• Tính năng mở máy của động cơ được đặc trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không làm cho roto mất đồng bộ.
• Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây.

Phương pháp điều khiển động cơ bước

Hiện nay có 4 phương pháp điều khiển động cơ bước:

• Điều khiển động cơ bước dạng sóng (Wave): Đây là phương pháp điều khiển cấp xung cho bộ điều khiển, hoạt động lần lượt theo đúng thứ tự nhất định cho từng cuộn dây pha.
• Điều khiển động cơ bước đủ (Full step): Đây là phương pháp điều khiển cấp xung cùng lúc, đồng thời cho cả 2 cuộn dây pha được sắp xếp kế tiếp nhau.
• Điều khiển nửa bước (Half step): là phương pháp điều khiển kết hợp cả 2 phương pháp đều khiển dạng sóng và điều khiển bước đủ. Khi điều khiển theo phương pháp này thì giá trị góc bước nhỏ hơn hai lần và số bước của động cơ bước tăng lên 2 lần so với phương pháp điều khiển bước đủ tuy nhiên phương pháp này có bộ phát xung điều khiển phức tạp.
• Điều khiển vi bước (Microstep): là phương pháp mới được áp dụng trong việc điều khiển động cơ bước cho phép động cơ bước dừng và định vị tại vị trí nửa bước giữa 2 bước đủ. Ưu điểm của phương pháp này là động cơ có thể hoạt động với góc bước nhỏ,độ chính xác cao. Do xung cấp có dạng sóng nên động cơ hoạt động êm hơn,hạn chế được vấn đề cộng hưởng khi động cơ hoạt động.

Các ưu và nhược điểm của động cơ bước

Các ưu điểm:

• Động cơ bước có khả năng cung cấp mô men xoắn lớn ở dải vận tốc trung bình và thấp.
• Có thể điều chỉnh chính xác góc quay.
• Động cơ bước có tuổi thọ lâu dài, hoạt động bền bỉ.
• Động cơ bước dễ dàng lắp đặt, thay thế.
• Động cơ bước có giá thành thấp.

Các nhược điểm:

• Động cơ bước khi hoạt động có hiện tượng bị trượt bước. Về cơ bản dòng từ driver tới cuộn dây động cơ không thể tăng hoặc giảm trong lúc hoạt động. Do đó, nếu bị quá tải động cơ sẽ bị trượt bước gây sai lệch trong điều khiển.
• Động cơ bước sẽ ồn và nóng dần lên khi hoạt động. Các driver điều khiển động cơ bước thế hệ mới nhất thì độ ồn và nóng của động cơ đã giảm đáng kể.
• Đông cơ bước gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động cơ servo.
• Động cơ bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao.

Các ứng dụng của động cơ bước

• Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác: Điều khiển robot, điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay,…
• Lĩnh vực công nghệ máy tính: Động cơ bước cũng được sử dụng trong các loại ổ đĩa cứng hoặc ổ đĩa mềm, thậm chí là cả máy in,...
• Máy công nghiệp: Động cơ bước được sử dụng trong máy đo ô tô và máy công cụ thiết bị sản xuất tự động, máy CNC, máy dán nhãn tự động,...
• Bảo mật: sản phẩm giám sát mới cho ngành an ninh.
• Y tế: sản xuất máy quét y tế, máy lấy mẫu, thậm chí còn có bên trong máy chụp ảnh nha khoa kỹ thuật số, những chiếc bơm chất lỏng, mặt nạ phòng độc và các loại máy móc phân tích mẫu máu,...
• Điện tử tiêu dùng: Động cơ bước trong máy ảnh cho chức năng lấy nét và thu phóng camera kỹ thuật số tự động, máy in 3D,...