Động cơ bước là gì? Cấu tạo, phân loại, nguyên lý làm việc

Động cơ bước là gì? Chúng có cấu tạo ra sao và nguyên lý điều khiển như thế nào? Chúng có ưu, nhược điểm gì và chúng có ứng dụng như thế nào trong thực tiễn. Đây là những vấn đề được nhiều khách hàng quan tâm chính vì vậy Hangchavn.com sẽ chia sẻ một cách đầy đủ nhất về động cơ bước là gì, cũng như các thông tin liên quang về loại động cơ này.

I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC.

Động cơ bước là một trong những loại động cơ phổ biến, với nhiều ứng dụng rộng rãi trong đời sống, và các lĩnh vực công nghiệp. Loại động cơ này có cấu tạo và nguyên lý làm việc khách hoàn toàn với động cơ điện 1 chiều, động cơ đốt trong (động cơ dầu diesel, động cơ xăng, động cơ gas,…)Vậy động cơ bước là gì?

1.1 Động cơ bước là gì?

Động cơ bước hay còn được gọi là Step Motor là một loại động cơ điện đồng bộ, dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển của máy móc, dây chuyền dưới dạng một chuỗi các xung điện rời rạc và kế tiếp nhau thành chuyển động góc quay xác định. Trong một số trường hợp, chúng biến đối tín hiệu điều khiển thành chuyển động của rotor và cố định rotor vào những vị trí cần thiết.

Từ khái niệm ta có thể thấy sự khác biệt giữa động cơ bước và động cơ thông thường nằm ở cách thức mà chúng hoạt động. Cụ thể: Động cơ bước không quay một cách ổn định, liên tục, chúng thực hiện chuyển động quay theo từng bước sóng của hệ thống điều khiển. Nhờ có đặc tính này mà động cơ bước có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Khi hoạt động chúng được điều khiển nhờ nhờ các bộ chuyển mạch điện. Các tín hiệu điện được truyền đến stato theo thứ tự và theo một tần số nhất định. Tổng số góc quay của roto trong động cơ sẽ tương ứng với số lần chuyển mạch của hệ thống.

Một cách dễ hiểu, người dùng có thể quy định tần số góc quay đối với động cơ bước. Góc bước càng nhỏ thì số bước trên mỗi vòng quay của động cơ càng lớn. Khi đó, độ chính xác của vị trí sẽ càng cao. Động cơ có thể đạt được góc bước cực đại lên tới 90 độ và góc bước cực tiểu là 0.72 độ. Tuy nhiên, các bước phổ biến nhất hiện nay là 1.8 độ, 2.5 độ hay 7.5 độ và 15 độ.

động cơ bước là gì
Động cơ bước là gì?

1.2 Cấu tạo và thông số của động cơ bước là gì

Trong phần khái niệm về động cơ bước là gì, chúng ta đã biết động cơ bước là một động cơ điện. Chính vì vậy bất kỳ một chiếc động cơ bước nào cũng có cấu tạo bởi 2 thành phần chính bao gồm rotor và stator trong đó:

  1. Rotor: Là một dãy các lá nam châm vĩnh cửu xếp chồng lên nhau, trên các lá này lại chia thành các cặp cực đối xứng nhau.
  2. Stato: Được cấu tạo từ sắt từ, trên đó có chia các rãnh để đặt cuộn dây, vd như động cơ bước 2 pha có 4 cuộn dây. Khi cấp 1 xung điện vào cuộn dây trên stato thì roto sẽ quay 1 góc bằng góc bước cơ bản.

Mỗi một động cơ bước khác nhau sẽ có các thông số kỹ thuật riêng. Tuy vậy, một cách cơ bản nhất thi số bước là thông số quan trọng. Theo như thông tin từ nhà sản xuất, động cơ bước trên thị trường Việt Nam hiện nay có số step là 200. Bên cạnh đó, động cơ bước còn có các thông số khác, cụ thể như sau:

  • Dòng tiêu thụ tối đa mỗi pha: 2.0 A.
  • Điện trở của từng pha: 1.4 Ω.
  • Hiệu điện thế dòng điện: 2.8 V

Trong đó, thông số dòng tiêu thụ tối đa mỗi pha cho biết dòng điện tối đa mà mỗi pha của động cơ có thể nhận được. Nếu mạch điều khiển nào có dòng điện mỗi pha cao hơn thông số nêu trên thì sẽ dẫn đến tình trạng hư hỏng. Do đó, trong quá trình sử dụng, khách hàng nên lựa chọn loại mạch điều khiển cho dòng điện chạy ra xấp xỉ 80 – 90 % các thông số nêu trên.

Cấu tạo của động cơ bước (Step Motor)
Cấu tạo của động cơ bước (Step Motor)

1.3 Ứng dụng trong thực tiễn của động cơ bước là gì?

Ứng dụng của động cơ bước là gì? Đây là chủ đề được nhiều khách hàng quan tâm. Nhờ vào ưu điểm điều chỉnh chính xác góc quay mà động cơ bước được ứng dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp tự động hóa, đặc biệt là đối với các thiết bị máy móc yêu cầu có sự chính xác cao như Máy cắt công nghệ plasma CNC, máy cắt công nghệ CNC laser, máy in 3D,…. Bên cạnh đó, động cơ bước cũng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như:

  1. An ninh bảo mật: Được ứng dụng để chế tạo sản phẩm giám sát mới, đem lại tiến bộ cho lĩnh vực bảo mật.
  2. Y tế: Bộng cơ bước được sử dụng để sản xuất máy quét y tế, máy lấy mẫu, thậm chí còn có bên trong máy chụp ảnh nha khoa
  3. kỹ thuật số: Trong lĩnh vực Y tế, những chiếc bơm chất lỏng, mặt nạ phòng độc và các loại máy móc phân tích mẫu máu,…
  4. Khoa học máy tính: Step Motor được sử dụng trong các loại ổ đĩa cứng hoặc ổ đĩa mền, máy in,…
  5. Điện tử tiêu dùng: Được dùng trong quá trình chế tạo máy ảnh, đem lại chức năng lấy nét chính xác và sắc sảo cho máy ảnh, đồng thời có chức năng thu phóng các loại camera kỹ thuật số tự động hay các loại máy in 3D.
Một số mẫu động cơ bước

II. CÁCH PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC LÀ GÌ

Hiện nay, trên thị trường có các loại động cơ bước mini, động cơ bước lớn với nhiều mẫu mã, chủng loại và giá thành khác nhau khiến không ít khách hàng cảm thấy bỡ ngỡ khi lần đầu tiếp xúc. Vì vậy, việc phân loại chính xác sẽ giúp khách hàng hiểu hơn về sản phẩm. Các cách phân loại động cơ bước là gì? Hãy cùng tìm hiểu trong phần nội dung dưới đây.

2.1 Phân loại động cơ bước theo số pha

Cách phân loại động cơ bước phổ biến nhất là dựa vào số pha của động cơ, Step Motor. Việc phân loại theo cách này sẽ giúp khách hàng dễ dàng tìm kiếm, mô tả loại động cơ mà đơn vị, doanh nghiệp mình đang sử dụng, từ đó việc tìm mua chúng sẽ trở nên dễ dàng hơn.

  1. Động cơ bước 2 pha: Có các loại động cơ bước 4 dây, 6 dây, 8 dây.
  2. Động cơ bước 3 pha: Gồm có các loại động cơ 3 dây hoặc 4 dây.
  3. Động cơ bước 5 pha: Loại động cơ này có 5 dây.

2.2 Phân loại theo cực của động cơ bước

Cách phân loại động cơ bước phổ biến thứ 2 là dựa vào số cực của động cơ. Với cách phân loại này người ta có thể phân loại Step Motor thành động cơ đơn cực và động cơ lưỡng cực. Cụ thể như sau:

  1. Động cơ đơn cực: Trong động cơ đơn cực, dòng điện chạy qua cuộn dây chỉ theo 1 hướng. nhờ đó, việc sử dụng mạch điều khiển trở nên đơn giản và dễ dàng hơn, tạo momen xoắn ít hơn động cơ lưỡng cực.
  2. Động cơ lưỡng cực: Dòng điện trong động cơ lưỡng cực có thể chạy qua cuộn dây theo một hoặc 2 hướng. Điều này đòi hỏi một mạch điều khiển phức tạp hơn động cơ đơn cực và tạo nhiều momen xoắn hơn.

2.3 Phân loại động cơ bước theo Rotor

Dựa theo rotor, có thể chia động cơ bước thành 3 loại: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu, động cơ bước biến đổi điện trở và động cơ bước đồng bộ lai.

  1. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu: Loại động cơ này sử dụng một nam châm vinh cửu trong rotor và vận hành dựa trên lực đẩy hoặc lực hút giữa rotor và nam châm điện stator.
  2. Động cơ bước biến đổi điện trở: có một rotor sắt trơn, hoạt động dựa trên nguyên tắc miễn cưỡng tối thiểu xảy ra với khe hở tối thiểu. Do đó, các điểm của rotor bị hút về phía cực nam châm của stator.
  3. Động cơ bước đồng bộ lai: Loại động cơ này là sự kết hợp giữa các kỹ thuật nam châm vĩnh cửu và biến đổi điện trở để đạt được công suất tối đa trong khi kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt.

Tham khảo thêm về xe nâng dầu 3 tấn để nhận nhiều ưu đãi nhé.

Phân loại động cơ bước

III. NHỮNG ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC LÀ GÌ

Chúng ta đã cùng nhau tìm động cơ bước là gì và những thông tin xoay quanh chủ đề này, tuy vậy trước khi chọn mua khách hàng nên tìm hiểu một cách kỹ lưỡng về các đặc tính động cơ. Theo đó động cơ bước có 2 đặc tính cơ bản bao gồm: Đặc tính động và đặc tính tĩnh, cụ thể như sau:

3.1 Đặc tính động của động cơ bướclà gì

Đặc tính động của động cơ bước là các đặc tính liên quan tới tốc độ, tải quán tính, tần số bắt đầu và độ rung khi động cơ hoạt động. Chúng được thể hiện bằng momen, sức mạnh tải và mức độ rung cụ thể như sau:

1. Đặc tính tốc độ – momen của động cơ bước

Đặc tính tốc độ – momen được xác định bởi động cơ và bộ điều khiển. Đặc tính này bị ảnh hưởng rất nhiều bởi loại điều khiển được sử dụng. Trong đó, momen giữ lớn nhất là momen xoắn cần thiết để động cơ chuyển động hết một bước khi các cuộn dây được cấp điện trong điều kiện động cơ không quay.

2. Đặc tính tải quán tính và tần số bắt đầu

Đặc tính này cho biết tần số khởi động cho phép sẽ giảm khi tải quán tính tăng. Các giá trị này thay đổi theo tốc độ xung, nhưng động cơ không thể tuân theo tốc độ xung vượt quá một điểm nhất định, vì nếu điều đó xảy ra sẽ dẫn đến hiện tượng sai bước. Tần số bắt đầu lớn nhất là tốc độ xung lớn nhất mà tại đó, động cơ có thể quay hoặc dừng lập tức khi ma sát và tải quán tính của động cơ bằng không. Tần số này sẽ giảm khi tải quán tính được thêm vào động cơ.

Đặc tính độ rung của động cơ bước

Tác động của đặc tính độ rung tới động cơ bước là gì? Hiện tượng động cơ bước quay thực tế là thực hiện một loạt các bước có phản hồi. Mức độ rung động càng thấp thì động cơ quay càng mượt. Mỗi bước bao gồm các giai đoạn:

  • Khi có một xung đầu vào, động cơ sẽ quay đến vị trí tiếp theo.
  • Động cơ được tăng tốc quay qua vị trí dừng, vượt quá một góc nhất định và sẽ bị kéo ngược lại.
  • Động cơ dừng lại ở vị trí dừng đã định sau một dao động tắt dần.

động cơ step motor

3.2 Đặc tính tĩnh của động cơ bước là gì?

Đặc tính tĩnh của động cơ bước được thể hiện qua momen và góc của bộ phân đứng yên. Cụ thể như sau:

1. Đặc tính momen và góc:

Đặc tính này thể hiện mối quan hệ giữa độ dịch chuyển góc của roto và momen lực tác dụng lên trục động cơ khi động cơ được kích thích ở dòng điện định mức.

2. Độ chính xác góc:

Trong điều kiện không tải, động cơ có độ chính xác góc trong khoảng 0,05˚. Độ chính xác góc của động cơ bước được biểu thị bằng độ chính xác vị trí dừng – sự khách biệt giữa vị trí dừng mong muốn và vị trí thực tế. Trong điều kiện thực tế, động cơ luôn có ma sát. Độ chính xác góc trong những trường hợp như vậy được tạo ra bởi sự dịch chuyển góc gây ra bởi đặc tính góc – moment, dựa trên tải trọng ma sát. Nếu tải trọng ma sát không đổi, góc dịch chuyển sẽ không đổi đối với hoạt động một chiều. Tuy nhiên, trong hoạt động hai chiều, sai số góc có thể tăng gấp đôi. Khi yêu cầu dừng cao, luôn luôn định vị theo cùng hướng.

IV. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC LÀ GÌ

Về cơ bản động cơ bước (Step Motor) quay theo từng bước nên chúng có độ chính xác cao về mặt điều khiển học. Động cơ bước hoạt động thông qua các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và tần số nhất định. Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Vậy nguyên lý điều khiển động cơ bước là gì? Người điều khiển có thể điều khiển loại động cơ này thông qua những nguyên lý nào?

4.1 Điều khiển dạng sóng (Wave Drive)

Điều khiển dạng sóng  là phương pháp cơ bản nhất để điều khiển một động cơ. Tuy nhiên, hiện nay chúng ít được sử dụng bởi sự ra đời của nhiều phương pháp mới hiện đại và thuận tiện hơn. Mỗi pha hoặc stator cạnh nhau sẽ được kích hoạt lần lượt bằng cách sử dụng một mạch đặc biệt. Việc từ hóa và khử từ hóa stator dẫn đến chuyển động của rotor một bước.

4.2 Điều khiển chạy đủ bước (Full Step Drive)

Với phương pháp điều khiển chạy đủ bước, mạch điều khiển của loại động cơ bước 4 dây không kích hoạt các Stator cùng 1 lúc mà 2 Stator sẽ cách nhau 1 khoảng thời gian ngắn. Nhờ vậy mà momen xoắn đạt mức cao, cho phép điều khiển tốt các động cơ có tải lớn.

4.3 Điều khiển chạy nửa bước (Half-Stepping Drive)

Phương pháp này không khác quá nhiều so với điều khiển chạy đủ bước. 2 stator đặt cạnh nhau được kích hoạt trước, stator thứ 3 sẽ kích hoạt sau đó một thời gian ngắn để tham gia điều khiển động cơ bước. Tiếp theo, 2 stator đặt cạnh nhau sẽ bị vô hiệu hóa. Từ đó, độ phân giải động cơ được tăng cường nhưng momen xoắn giảm xuống.

5.4 Điều khiển chạy bước nhỏ (MicroStepping Drive)

Phương pháp điều khiển chạy bước nhỏ có tính xác thực cao nên được sử dụng phổ biến nhất. Chúng giúp tăng độ chính xác với từng bước và giảm được một phần tiếng ồn khi hoạt động tạo tiếng to. Mạch điều khiển sẽ cung cấp dòng bước biến đổi để cuộn dây Stator có thể tồn tại dưới dạng hình sin.

Bên trong của động cơ bước
Bên trong của động cơ bước

V. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC LÀ GÌ?

Bất kỳ một loại động cơ hay thiết bị nào cũng tồn tại những ưu nhược điểm riêng, động cơ bước cũng vậy. Vậy loại động cơ này có những ưu nhược điểm gì, chúng liệu có phù hợp với nhu cầu thực tế của doanh nghiệp không?

5.1 Ưu điểm của động cơ bước là gì

Động cơ bước là loại động cơ hiện đại sở hữu một số ưu điểm vượt trội, chính nhờ những ưu điểm này mà động cơ bước được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Một số ưu điểm của dòng động cơ này phải kể đến như:

  1. Momen tải lớn: Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ. Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor.
  2. Điều chỉnh chính xác góc quay: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác.
  3. Độc lập với tải: Thông thường, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển của các loại động cơ. Nhưng đối với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được). Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay.
  4. Điều khiển đơn giản: Động cơ không cần bộ trình điều khiển, không cần tính toán phức tạp hoặc điều chỉnh để hoạt động đúng. Nhìn chung cách điều khiển động cơ bước dễ dàng so với các động cơ khác. Với microstepping, bạn có thể đạt độ chính xác vị trí cao, lên tới khoảng 0,007 °.
  5. Tuổi thọ cao: Nguyên nhân dẫn đến ưu điểm tuổi thọ cao của động cơ bước là gì? Động cơ bước cung cấp mô-men xoắn tốt ở tốc độ thấp, giữ vị trí tốt giúp kéo dài tuổi thọ của động cơ.
Các bộ phận của động cơ bước
Các bộ phận của động cơ bước

5.2 Nhược điểm của động cơ bước là gì

Bên cạnh những ưu điểm nêu trên, động cơ bước còn tồn tại một số nhược điểm như:

  1. Trượt bước: Khả năng xảy ra hiện tượng trượt bước khi momen xoắn tải quá cao do lực từ trên nam châm vĩnh cửa yếu nên cho vị trí không chính xác hoặc do nguồn điện cấp vào không đủ tải. Việc sử dụng microstepping thậm chí còn tăng khả năng xảy ra hiện tượng trượt bước.
  2. Tiêu hao nguyên liệu: Việc tiêu hao nhiên liệu ngay cả khi không hoạt động khiến hiệu suất giảm đi và có thể gây ra quá nhiệt. Bên cạnh đó, Step motor ồn và nóng lên khi hoạt động.
  3. Tốc độ thấp: Không phù hợp cho các ứng dụng cần momen xoắn tốc độ cao bởi Step Motor với mommen xoắn có tốc độ thấp, gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn.

Hangcha Việt Nam là đơn vị cung cấp các giải pháp nâng hạ toàn diện bao gồm: Xe nâng, dịch vụ nâng hạ, sửa chữa, bảo dưỡng xe nâng, cung cấp phụ tùng xe nâng chính hãng. Khi đến với Hangcha Việt Nam khách hàng sẽ được tận hưởng những dịch vụ hoàn hảo, với những sản phẩm chất lượng nhất. Liên hệ ngay hotline: 0975645225 để được hỗ trợ tốt nhất