Động cơ Bước là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế Stepper Motor

Động cơ bước – Stepper Motor là gì?

Động cơ bước – Stepper Motor là một thiết bị cơ điện đạt được chuyển động cơ học thông qua việc chuyển đổi các xung điện. Động cơ bước được điều khiển bằng xung kỹ thuật số thay vì điện áp liên tục được áp dụng. Không giống như động cơ điện thông thường quay liên tục, động cơ bước quay hoặc “bước”, theo các gia số góc cố định. Động cơ bước thường được sử dụng nhất để điều khiển vị trí. Một khía cạnh quan trọng của động cơ bước là không có phản hồi để duy trì kiểm soát vị trí, điều này phân loại động cơ bước thành hệ thống vòng hở.

Sơ đồ hệ thống động cơ bước

Cấu tạo Động cơ bước – Stepper Motor

Các thành phần chính của động cơ bước là trục, rotor và stato, nam châm, ổ trục, dây đồng và dây chì, vòng đệm và nắp trước và nắp cuối. Trục thường được làm bằng kim loại thép không gỉ, trong khi các lớp stato và rotor được làm bằng thép silic. Thép silic cho phép điện trở suất cao hơn, giúp giảm tổn thất lõi. Các nam châm khác nhau có sẵn trong động cơ bước cho phép cân nhắc nhiều về kết cấu. Nam châm có thể là nhựa ferit, ferit thiêu kết và nam châm liên kết Nd-Fe-B. Các ổ trục thay đổi tùy theo kích thước động cơ. Vật liệu vỏ được làm bằng nhiều kim loại khác nhau như nhôm, có khả năng chịu nhiệt cao.

Động cơ bước hoạt động như thế nào?

Công dụng chính của động cơ bước là điều khiển chuyển động, dù là chuyển động tuyến tính hay chuyển động quay. Trong trường hợp chuyển động quay, việc nhận xung kỹ thuật số theo trình tự chính xác cho phép trục quay theo các bước tăng dần rời rạc. Một xung (còn được gọi là tín hiệu đồng hồ hoặc bước) có thể được tạo ra bởi bộ vi xử lý, timing logic,… Một chuỗi xung kỹ thuật số chuyển thành các vòng quay của trục. Mỗi vòng quay cần một số xung nhất định, mỗi xung bằng một bước tăng dần hoặc một vòng quay, chỉ là một phần của một vòng quay hoàn chỉnh.

Có nhiều mối quan hệ giữa các xung đầu vào và vòng quay của trục động cơ. Một mối quan hệ như vậy là mối quan hệ giữa chuỗi xung được áp dụng và hướng quay. Khi các xung tuần tự thích hợp được truyền đến thiết bị, trục sẽ quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Một mối quan hệ khác giữa các xung đầu vào và vòng quay của động cơ là mối quan hệ giữa tần số và tốc độ. Tăng tần số xung đầu vào sẽ làm tăng tốc độ quay của trục.

Phân loại Động cơ bước – Stepper Motor

Động cơ bước thay đổi tùy theo ứng dụng về cấu tạo và chức năng. Ba loại động cơ bước phổ biến nhất là: Động cơ bước từ trở biến thiên, Động cơ nam châm vĩnh cửu và Động cơ bước hỗn hợp (Hybrid).

Động cơ bước từ trở biến thiên (Variable Reluctance Stepper Motor)

Động cơ bước từ trở biến thiên là một loại động cơ bước dựa trên nguyên lý từ trở, sử dụng các răng trên stato và rôto để tạo ra chuyển động bước. Rôto của loại động cơ này không có nam châm, nên không có mô men xoắn hãm.

Khi cuộn dây stato được cấp điện, nó sẽ tạo ra từ trường. Các cực được từ hóa, các răng rôto bị hút vào các cực stato được cấp điện và quay để thẳng hàng. Khi các cuộn dây xung quanh pha A của stato được cấp điện, các răng rôto bị hút vào các cực stato, cho phép các cực thẳng hàng. Khi các cuộn dây của pha A mất điện và pha B được cấp điện, rôto quay để răng của nó khớp với răng của stato. Quá trình này tiếp tục theo trình tự với pha C, sau đó pha D được cấp điện, thúc đẩy rôto quay.

Động cơ bước từ trở biến thiên có góc bước nhỏ hơn (ví dụ 0.72 độ, 1.8 độ), cho phép điều khiển chính xác hơn

Ưu điểm:

• Thiết kế đơn giản: Cấu tạo đơn giản hơn so với động cơ bước nam châm vĩnh cửu.
• Chi phí thấp: Dễ dàng sản xuất và có chi phí thấp hơn.
• Độ phân giải góc cao, nhờ bước quay nhỏ.

Nhược điểm:

• Mô men xoắn thấp, đặc biệt ở tốc độ thấp.
• Độ rung và tiếng ồn lớn, hoạt động không mượt bằng các loại khác.
• Yêu cầu điều khiển phức tạp

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Stepper Motor)

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu bao gồm các rôto nam châm vĩnh cửu không có răng, được từ hóa vuông góc với trục quay. Bằng cách cấp điện cho bốn pha theo trình tự, rôto quay do lực hút của các cực từ. Động cơ bước được hiển thị trong sơ đồ bên dưới sẽ thực hiện các bước 90 độ khi các cuộn dây được cấp điện theo trình tự theo chiều kim đồng hồ: ABAB. Động cơ bước PM thường có góc bước là 45 hoặc 90 độ và bước ở tốc độ tương đối thấp. Tuy nhiên, chúng thể hiện mô-men xoắn cao và đặc tính giảm chấn tốt.

Ưu điểm

• Cấu tạo đơn giản, chi phí thấp.

• Mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp, phù hợp cho ứng dụng tải nhẹ.

• Hoạt động êm, ít rung hơn loại từ trở.

• Dễ điều khiển, không cần encoder/phản hồi vị trí.

Nhược điểm:

• Độ chính xác không cao bằng động cơ bước lai (hybrid).

• Hiệu suất thấp hơn so với các loại cao cấp.

• Không phù hợp với tải nặng hoặc tốc độ cao.

Hybrid Stepper Motors

Động cơ bước hỗn hợp (Hybrid) kết hợp các đặc tính của cả thiết kế Động cơ bước từ trở biến thiên và động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Với rotor nhiều răng giống với động cơ VR và nam châm đồng tâm từ hóa theo trục xung quanh trục của nó, động cơ bước lai cung cấp khả năng tăng mô-men xoắn động, giữ và hãm. So với động cơ bước PM, nó cung cấp khả năng cải thiện hiệu suất về độ phân giải bước, mô-men xoắn và tốc độ. Động cơ bước lai thông thường được thiết kế với góc bước là 0,9°, 1,8°, 3,6° và 4,5°, trong đó 1,8° là góc bước được sử dụng phổ biến nhất. Chúng lý tưởng cho các ứng dụng có tải ổn định với tốc độ dưới 1.000 vòng/phút. Các yếu tố chính được xem xét khi thiết kế để có mô-men xoắn đầu ra tối ưu của động cơ là số lớp, độ chính xác và độ sắc nét của răng và độ bền của vật liệu từ tính.

Ưu điểm

• Góc bước nhỏ (thường là 0.9° hoặc 1.8°), giúp điều khiển vị trí rất chính xác.

• Nhờ kết hợp nam châm vĩnh cửu và cấu trúc đặc biệt, mô-men xoắn cao hơn so với các loại động cơ bước khác cùng kích thước.

• Hiệu suất điện – cơ cao hơn so với động cơ biến từ.

• Khi dừng, động cơ vẫn có khả năng giữ vị trí mà không cần sử dụng encoder.

• Phản hồi tức thời với tín hiệu điều khiển, thích hợp với hệ thống cần phản ứng nhanh.

• Không cần bộ cảm biến phản hồi (feedback sensor) trong nhiều ứng dụng.

Nhược điểm

• Dễ bị rung hoặc gây tiếng ồn, đặc biệt ở tốc độ thấp.

• Hiện tượng mất bước (miss step): Khi tải quá nặng hoặc điều khiển sai, động cơ có thể mất bước vì không có cơ chế phản hồi vị trí.

• Tốc độ cao làm giảm mô-men xoắn và hiệu suất tổng thể.

• Phải dùng bộ điều khiển (driver) phù hợp để tận dụng hết hiệu năng

Động cơ bước tích hợp hộp số – Stepper Motor with Gearbox

Đây là tổ hợp giữa động cơ bước và hộp số giảm tốc, được thiết kế để tăng mô-men xoắn, giảm tốc độ đầu ra và cải thiện độ chính xác điều khiển vị trí.

Các loại hộp số phổ biến tích hợp với động cơ bước: