Động cơ bước (Step Motor) là một loại động cơ điện đặc biệt được ứng dụng rất nhiều trong máy CNC: máy cắt CNC, máy cắt laser, máy cắt ống,… Trong bài viết này, VNTECH sẽ chia sẻ tới khách hàng những thông tin chi tiết nhất về động cơ bước (Step Motor).
Nội dung bài viết
Động cơ bước (Step Motor) là gì?
Động cơ bước (step motor) là một loại động cơ điện đặc biệt có khả năng quay theo từng bước rời rạc với góc quay được xác định trước. Nó biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện thành các chuyển động góc quay chính xác.
Đặc điểm chính:
– Chuyển động từng bước: Thay vì quay liên tục, rotor của động cơ bước di chuyển theo các bước góc nhỏ, giống như kim giây của đồng hồ.
– Mỗi xung điện gửi đến động cơ sẽ khiến rotor quay một bước. Số lượng xung quyết định góc quay tổng cộng, tần số xung quyết định tốc độ quay.
– Vị trí chính xác: Nhờ khả năng điều khiển từng bước, động cơ bước có thể đạt được độ chính xác vị trí cao mà không cần sử dụng cảm biến phản hồi.
Động cơ bước được điều khiển bởi một trình điều khiển, trình điều khiển này sẽ gửi các xung vào động cơ khiến động cơ quay. Số xung mà động cơ quay bằng với số xung được đưa vào trình điều khiển. Động cơ sẽ quay với tốc độ bằng với tần số của các xung đó.
Ví dụ: Một động cơ bước 1,8 độ/bước, để quay hết 1 vòng (360 độ) thì mất 200 bước (gọi là FULL STEP).
– Các chế độ quay nhiều xung thì động cơ quay sẽ êm hơn.
– Ở Việt Nam thì người ta hay dùng là động cơ 200 step.
Tuy động cơ bước có khả năng định vị chính xác rất cao nhưng không gì là hoàn hảo, luôn có sai số nhỏ. Động cơ bước tiêu chuẩn của ORIENTAL MOTOR có độ chính xác là ± 3 phút cung (0,05°). Tuy nhiên, tính năng đáng chú ý của động cơ bước là sai số này không tích lũy từ bước này sang bước khác.
– Khi động cơ bước tiêu chuẩn di chuyển một bước, nó sẽ di chuyển 1,8° ± 0,05°.
– Nếu cùng một động cơ di chuyển một triệu bước, nó sẽ di chuyển 1.800.000° ± 0,05° (không tích lũy sai số).
>>> Xem thêm: Động cơ servo là gì?
Nguyên lý hoạt động của động cơ Step
Động cơ bước hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường, tương tự như nhiều loại động cơ điện khác. Tuy nhiên, điểm khác biệt là cách thức tạo ra và điều khiển từ trường để tạo ra chuyển động từng bước.
1/ Tạo từ trường: Khi dòng điện chạy qua các cuộn dây stato, nó tạo ra từ trường.
2/ Tương tác từ trường: Từ trường này tương tác với từ trường của nam châm vĩnh cửu (hoặc nam châm điện) trên rotor.
3/ Xoay từng bước: Sự tương tác từ trường này tạo ra lực hút và đẩy, làm cho rotor quay một góc nhất định (góc bước) để các cực từ của rotor thẳng hàng với cực từ của stato.
4/ Điều khiển bước: Bằng cách thay đổi thứ tự cấp điện cho các cuộn dây stato, ta có thể thay đổi hướng và vị trí của từ trường stato, từ đó điều khiển rotor quay theo các bước mong muốn.
Ví dụ:
Trong động cơ bước 4 pha, mỗi pha sẽ được kích hoạt lần lượt theo thứ tự A-B-C-D-A-B-C-D…
– Mỗi lần chuyển pha, rotor sẽ quay một góc bước (ví dụ 1.8 độ).
– Bằng cách điều khiển tần số xung kích thích, ta có thể điều khiển tốc độ quay của động cơ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động:
– Số pha: Số pha của động cơ ảnh hưởng đến góc bước và độ mượt của chuyển động.
– Dòng điện: Cường độ dòng điện qua cuộn dây ảnh hưởng đến mô-men xoắn của động cơ.
– Tần số xung: Tần số xung điều khiển tốc độ quay của động cơ.
– Tải trọng: Tải trọng ảnh hưởng đến khả năng hoạt động và độ chính xác của động cơ.
Có những loại động cơ bước nào?
Động cơ bước được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, phổ biến nhất là dựa trên số pha, cấu tạo rotor và cách thức kích thích.
Phân loại theo số pha
1/ Động cơ bước 2 pha: Đây là loại phổ biến nhất, có góc bước 1.8 độ. Chúng có thể có 4, 6 hoặc 8 dây.
– Ưu điểm: Giá thành rẻ, điều khiển đơn giản.
– Nhược điểm: Mô-men xoắn thấp hơn so với các loại khác.
2/ Động cơ bước 3 pha: Có góc bước 1.2 độ. Chúng có thể có 3 hoặc 4 dây.
– Ưu điểm: Mô-men xoắn cao hơn động cơ 2 pha, độ ồn thấp.
– Nhược điểm: Ít phổ biến hơn, mạch điều khiển phức tạp hơn.
3/ Động cơ bước 5 pha: Có góc bước 0.72 độ.
– Ưu điểm: Độ phân giải cao, chuyển động mượt mà.
– Nhược điểm: Giá thành cao, mạch điều khiển phức tạp.
Phân loại theo cấu tạo rotor
1/ Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (PM): Rotor là nam châm vĩnh cửu.
– Ưu điểm: Giá thành rẻ, mô-men xoắn giữ tốt (giữ nguyên vị trí khi không có dòng điện).
– Nhược điểm: Mô-men xoắn thấp hơn so với loại lai.
2/ Động cơ bước biến trở (VR): Rotor làm bằng vật liệu từ tính mềm, không có nam châm.
– Ưu điểm: Góc bước nhỏ, quán tính thấp, tốc độ cao.
– Nhược điểm: Mô-men xoắn thấp, không có mô-men xoắn giữ.
3/ Động cơ bước lai (Hybrid): Kết hợp ưu điểm của hai loại trên, rotor có cả nam châm vĩnh cửu và răng cưa.
– Ưu điểm: Mô-men xoắn cao, độ phân giải tốt, góc bước nhỏ.
– Nhược điểm: Giá thành cao hơn so với loại PM.
Phân loại theo cách thức kích thích
1/ Kích thích đơn cực: Mỗi cuộn dây chỉ có một chiều dòng điện chạy qua.
– Ưu điểm: Mạch điều khiển đơn giản.
– Nhược điểm: Mô-men xoắn thấp.
2/ Kích thích lưỡng cực: Dòng điện có thể chạy qua cuộn dây theo cả hai chiều.
– Ưu điểm: Mô-men xoắn cao hơn.
– Nhược điểm: Mạch điều khiển phức tạp hơn.
Ngoài ra, còn có các cách phân loại khác dựa trên kích thước, điện áp, ứng dụng,…
Cấu tạo động cơ bước (Step Motor)
Động cơ bước dù có nhiều loại khác nhau, đều có chung cấu tạo cơ bản gồm 2 phần chính: Stato (phần tĩnh) và Rotor (phần quay).
1. Stato:
– Vỏ stato: Là bộ phận bao bọc bên ngoài, làm bằng kim loại hoặc nhựa, có tác dụng bảo vệ các bộ phận bên trong và cố định lõi stato.
– Lõi stato: Thường làm bằng thép kỹ thuật điện, có các rãnh để chứa cuộn dây.
– Cuộn dây: Được quấn quanh lõi stato, tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua.
+ Cuộn dây được chia thành các pha, số lượng pha phụ thuộc vào loại động cơ.
+ Ví dụ: Động cơ 2 pha có 2 cuộn dây, động cơ 5 pha có 5 cuộn dây.
2. Rotor: Cấu tạo rotor khác nhau tùy thuộc vào loại động cơ bước:
– Động cơ bước nam châm vĩnh cửu: Rotor là một nam châm vĩnh cửu hình trụ, có các cực từ Bắc-Nam xen kẽ.
– Động cơ bước biến trở: Rotor làm bằng vật liệu từ tính mềm, có các răng cưa.
+ Khi có từ trường tác động, các răng cưa này sẽ bị từ hóa và tương tác với từ trường stato.
– Động cơ bước lai: Rotor kết hợp cả nam châm vĩnh cửu và răng cưa.
+ Nam châm vĩnh cửu được gắn trên trục rotor, còn các răng cưa được bố trí xen kẽ trên bề mặt rotor.
Hệ thống động cơ bước
Sơ đồ bên dưới cho thấy một hệ thống dựa trên động cơ bước điển hình.
1/ Máy tính hoặc PLC: Đây là bộ não của hệ thống, không chỉ điều khiển hệ thống động cơ bước mà còn điều khiển phần còn lại của máy.
– Nó có thể nâng thang máy hoặc tiến băng tải.
– Nó có thể phức tạp như PC hoặc PLC hoặc đơn giản như nút nhấn của người vận hành.
2/ Thẻ chỉ mục hoặc thẻ PLC: Bộ phận này sẽ đưa ra số xung chính xác mà động cơ sẽ di chuyển và thay đổi tần số để động cơ tăng tốc, chạy ở tốc độ nhất định rồi giảm tốc.
3/ Bốn hộp tiếp theo tạo nên trình điều khiển động cơ.
– Phase Control Logic: Để điều khiển pha lấy các xung từ bộ chỉ mục và xác định pha nào của động cơ cần được cấp điện.
– Nguồn điện logic là nguồn điện cấp thấp cấp điện cho các IC trong trình điều khiển.
+ Tùy thuộc vào bộ chip hoặc thiết kế ứng dụng, nhưng hầu hết các nguồn điện logic đều nằm trong phạm vi 5 vôn.
– Nguồn điện động cơ là điện áp cung cấp để cấp điện cho động cơ. Mức điện áp này thường nằm trong phạm vi 24 VDC nhưng có thể cao hơn nhiều.
4/ Bộ khuếch đại công suất là bộ bóng bán dẫn cho phép dòng điện cấp điện cho các pha.
+ Chúng liên tục được bật và tắt để di chuyển động cơ theo đúng trình tự của nó.
Ưu, nhược điểm của động cơ Step
Động cơ Step mang lại nhiều lợi ích cho các ứng dụng cần điều khiển chuyển động chính xác, nhưng cũng có những hạn chế nhất định. Dưới đây là tóm tắt ưu nhược điểm của động cơ bước:
Ưu điểm động cơ Step
– Độ chính xác cao: Khả năng di chuyển và dừng lại chính xác tại các vị trí mong muốn theo từng bước góc nhỏ.
– Dễ dàng điều khiển bằng cách thay đổi thứ tự cấp điện cho các cuộn dây stato.
– Có thể tạo ra lực quay lớn ngay cả khi ở tốc độ thấp, phù hợp với các ứng dụng cần lực kéo lớn khi khởi động.
– So với các loại động cơ servo, động cơ bước có giá thành rẻ hơn, đặc biệt là loại nam châm vĩnh cửu.
– Ít hỏng hóc, tuổi thọ cao do cấu tạo đơn giản, ít chổi than.
– Có thể kết nối trực tiếp với mạch điều khiển kỹ thuật số mà không cần bộ giải mã.
– Có khả năng giữ nguyên vị trí khi không có dòng điện (đối với loại nam châm vĩnh cửu).
Nhược điểm đông cơ Step
– Khi hoạt động ở tốc độ cao, hiệu suất và mô-men xoắn giảm xuống.
– Nếu tải quá lớn hoặc gia tốc quá nhanh, động cơ có thể bị mất bước, dẫn đến sai số vị trí.
– Thường tạo ra rung động khi hoạt động, đặc biệt là ở tốc độ thấp.
– Một số loại động cơ bước có thể tạo ra tiếng ồn khi hoạt động.
– Tiêu thụ năng lượng tương đối cao, ngay cả khi không quay.
Ứng dụng của động cơ bước
Động cơ bước được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng điều khiển chính xác, giá thành hợp lý và độ tin cậy cao. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến:
1. Trong công nghiệp:
– Máy CNC: Điều khiển chuyển động chính xác của các trục máy CNC, giúp gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao.
– Máy in 3D: Điều khiển chuyển động của đầu in, giúp tạo ra các sản phẩm 3D với độ phân giải cao.
– Robot công nghiệp: Điều khiển chuyển động của các khớp nối robot, cho phép robot thực hiện các thao tác phức tạp.
– Máy cắt laser: Điều khiển chuyển động của đầu cắt laser, giúp cắt các vật liệu với độ chính xác cao.
– Máy đóng gói: Điều khiển chuyển động của băng tải, định lượng sản phẩm, đóng gói tự động.
– Máy dệt: Điều khiển chuyển động của khung dệt, tạo ra các hoa văn phức tạp trên vải.
2. Trong thiết bị văn phòng:
– Máy in: Điều khiển chuyển động của đầu in, giúp in ấn văn bản và hình ảnh chất lượng cao.
– Máy scan: Điều khiển chuyển động của đầu scan, giúp quét tài liệu với độ phân giải cao.
– Máy photocopy: Kết hợp chức năng của máy in và máy scan.
3. Trong thiết bị y tế:
– Máy bơm tiêm: Điều khiển lượng thuốc tiêm chính xác.
– Máy phân tích máu: Điều khiển chuyển động của các bộ phận trong máy.
– Thiết bị chụp X-quang: Điều khiển chuyển động của đầu chụp.
4. Trong các lĩnh vực khác:
– Camera quan sát: Điều khiển chuyển động của camera để theo dõi khu vực.
– Ô tô: Điều khiển góc phun nhiên liệu, điều khiển cửa sổ trời, gương chiếu hậu.
– Thiết bị gia dụng: Điều khiển chuyển động của máy giặt, lò vi sóng, điều hòa.
– Thiết bị giải trí: Điều khiển chuyển động của máy chơi game, máy chiếu.
Động cơ bước nổi bật với khả năng điều khiển chính xác từng bước, độ tin cậy cao và giá thành hợp lý. Chúng đã và đang đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp tự động hóa đến thiết bị y tế và đời sống hàng ngày. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, động cơ bước ngày càng được cải thiện và ứng dụng rộng rãi hơn.
THÔNG TIN LIÊN HỆ
- Địa chỉ văn phòng:
- Địa chỉ Hà Nội: Số 39 ngõ 285 đường Phúc Lợi, Phúc Lợi, Long Biên, Hà Nội
- Chi Nhánh Đà Nẵng: Lô 11, Khu A4, Nguyễn Sinh Sắc, Hoà Minh, Liên Chiểu, Đà Nẵng
- Chi Nhánh HCM: 43 Đường N2, KP Thống Nhất, Dĩ An, Bình Dương
- SĐT: 0984.537.333
- Email: sale@vntechcnc.vn
- Facebook: https://www.facebook.com/vntechcnc
- Website: https://thietbivntech.vn
