Động cơ bước, một thiết bị truyền động quan trọng trong tự động hóa, được đánh giá cao nhờ khả năng định vị chính xác và hiệu suất đáng tin cậy. Từ các dụng cụ y tế phức tạp đến robot công nghiệp cỡ lớn, những động cơ này hoạt động không mệt mỏi ở hậu trường.
Không giống như động cơ DC dựa vào trường điện từ liên tục để quay, động cơ bước di chuyển theo từng bước rời rạc. Để hiểu điều này, hãy xem xét các thành phần chính của chúng:
Stator
Stator là bộ phận đứng yên, được làm bằng các tấm thép silicon nhiều lớp có nhiều cuộn dây (hoặc pha). Các cuộn dây này được sắp xếp theo một mô hình cụ thể để tạo ra các cực từ. Số cực của stato và cấu hình cuộn dây quyết định góc bước của động cơ.
Cánh quạt
Rôto, bộ phận quay, có ba loại chính:
Trở kháng thay đổi (VR): Thiết kế đơn giản, làm bằng chất liệu từ tính mềm không có nam châm vĩnh cửu. Nó chuyển động dựa trên nguyên lý từ trở tối thiểu, thẳng hàng với từ thông mạnh nhất.
Nam châm vĩnh cửu (PM): Sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ trường cố định. Tương tác giữa nam châm điện stato và nam châm rôto làm quay.
lai: Kết hợp thiết kế VR và PM để có độ chính xác và mô-men xoắn cao hơn. Rôto bao gồm nam châm vĩnh cửu và vật liệu từ mềm có răng.
Bộ điều khiển
“Bộ não” của động cơ bước, bộ điều khiển tạo ra các tín hiệu cung cấp năng lượng cho cuộn dây stato theo một trình tự cụ thể. Hiệu suất của nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và tốc độ của động cơ. Bộ điều khiển phổ biến bao gồm bộ vi điều khiển và DSP.
Đặc điểm cốt lõi của động cơ bước là chuyển động “từng bước”. Bằng cách điều khiển trình tự cuộn dây stato, rôto quay theo từng bước chính xác:
1. Tạo chuỗi xung
Bộ điều khiển tạo ra một chuỗi kích thích được xác định trước (ví dụ: Pha A → B → C → D → A cho một động cơ 4 pha).
2. Kích hoạt từ trường
Mỗi cuộn dây mang điện tạo ra một từ trường, hút hoặc đẩy rôto.
3. Chuyển động bước
Rôto quay đến vị trí cân bằng tiếp theo, hoàn thành một bước.
4. Kiểm soát chu kỳ
Việc lặp lại trình tự sẽ thúc đẩy quá trình quay liên tục.
Cơ chế dành riêng cho động cơ:
Động cơ VR: Rôto thẳng hàng với các cực từ của stato do giảm thiểu điện trở.
Động cơ PM: Nam châm điện Stator tương tác với nam châm vĩnh cửu của rôto để tạo ra mô-men xoắn.
Động cơ lai: Kết hợp cả hai nguyên lý để nâng cao độ chính xác và mô-men xoắn.
Việc chọn động cơ bước phù hợp đòi hỏi phải hiểu các số liệu sau:
• Góc bước: Độ trên mỗi bước (ví dụ: 1,8°). Góc nhỏ hơn = độ chính xác cao hơn.
• Số bước trên mỗi vòng quay: Tổng số bước cần thiết cho một vòng quay đầy đủ (360°/góc bước).
• Giữ mô-men xoắn: Công suất mô men xoắn khi đứng yên (chống lại tải trọng bên ngoài).
• Mô-men xoắn động: Mô-men xoắn cực đại trong quá trình vận hành (giảm ở tốc độ cao hơn).
• Tần số đáp ứng: Tần số xung tối đa mà động cơ có thể xử lý (xác định tốc độ tối đa).
Phương pháp truyền động tác động đáng kể đến hiệu suất:
Ổ đĩa đơn cực: Nguồn điện duy nhất cho mỗi cuộn dây. Đơn giản và tiết kiệm chi phí nhưng kém hiệu quả.
Ổ đĩa lưỡng cực: Nguồn điện kép, dòng điện hai chiều. Mô-men xoắn và hiệu suất cao hơn nhưng phức tạp hơn.
Ổ đĩa trực thăng: Điều chỉnh dòng điện thông qua chuyển mạch nhanh, cải thiện hiệu suất tốc độ cao.
Động cơ bước tỏa sáng trong:
Tự động hóa công nghiệp: Robot, máy CNC, dây chuyền lắp ráp.
Thiết bị y tế: Hệ thống hình ảnh, robot phẫu thuật.
Thiết bị văn phòng: Máy in, máy scan.
Bảo mật: Camera PTZ, kiểm soát truy cập.
Điện tử tiêu dùng: Máy in 3D, máy ảnh.
Hoạt động "từng bước" độc đáo của động cơ bước khiến chúng không thể thiếu trong tự động hóa. Bằng cách nắm vững cấu trúc, nguyên lý và kỹ thuật truyền động, các kỹ sư có thể tối ưu hóa các động cơ này để đạt được độ chính xác và hiệu quả vô song. Mong rằng hướng dẫn này sẽ giúp bạn hiểu sâu hơn và phát huy hết tiềm năng của chúng trong các ứng dụng của bạn!
