Động cơ bước

Động cơ bước là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động như thế nào trong thực tiễn được rất nhiều người quan tâm, đặc biệt là trong lĩnh vực cơ khí. Bài viết này sẽ giúp các bạn tìm hiểu về động cơ bước để có thể lựa chọn đúng phù hợp với nhu cầu sử dụng.

Động cơ bước 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 roto và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần thiết.

Động cơ bước là động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các loại động cơ điện 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.

Bên trong động cơ bước

Theo hình trên, bên trong động cơ bước có 4 cuộn dây Stator được sắp xếp theo cặp đối cứng qua tâm. Rotor là nam châm vĩnh cửu có nhiều răng. Động cơ bước hoạt động trên cơ sở lý thuyết từ trường các cực cùng dấu đẩy nhau và các cực khác dấu hút nhau. Từ trường của Stator là do dòng điện chạy qua lõi cuộn dây tạo ra, khi đó hướng của dòng thay đổi thì cực từ trường cũng thay đổi theo gây nên chuyển động đảo chiều của động cơ.

Khác với động cơ đồng bộ thông thường, Rotor của động cơ bước được khởi động bằng phương pháp tần số do không có cuộn dây khởi động. Rotor của động cơ bước có Rotor tích cực hoặc Rotor thụ động.

Động cơ bước làm việc nhờ bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu vào Stator theo một thứ tự và một tần số nhất định. Số lần chuyển mạch sẽ bằng tổng số góc quay của Rotor, chiều quay và tốc độ quay của rotor cũng phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.

Xung điện áp cấp cho cuộn dây Stator có thể là xung 1 cực hoặc 2 cực:

Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stator theo từng cuộn riêng lẻ hoặc có thể theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số cũng như chiều của lực điện từ tổng F phụ thuộc vào vị trí của các lực điện từ thành phần. Do đó, vị trí của Rotor của động cơ bước phụ thuộc hoàn toàn vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây:

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ bước với Rotor 2 cực và các lực điện từ khi điều khiển bằng xung 1 cực

Hình trên: a); b); c) thể hiện nguyên lý động cơ bước m pha với Rotor có 2 cực 2p=2 và không được kích thích. Nếu các cuộn dây của động cơ bước được cấp điện riêng lẻ bởi xung 1 cực thì Rotor của động cơ bước có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây hình a).

Để tăng cường lực điện từ tổng của Startor do đó tăng từ thông và moment đồng bộ, ta cấp điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây. Lúc đó Rotor của động cơ bước sẽ có vị trí ổn định trùng với vector lực điện từ tổng F. Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ các cuộn dây Stator. (hình 5b, 5c).

Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở, ngoài ra còn có loại động cơ hỗn hợp nhưng nó không có khác biệt gì với động cơ nam châm vĩnh cửu. Nếu không có nhãn để phân biệt động cơ, bạn vẫn có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng.

Động cơ bước nhiều pha

Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ Rotor của chúng , trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do, sử dụng 0hm kế ta cũng có thể phân biệt được hai loại động cơ này.

Động cơ bước 2 cực

Động cơ biến từ trở thường có 3 mấu với một dây chung, trong khi đó động cơ nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có thể có hoặc không có nút trung tâm.

Động cơ bước có góc quay phong phú, các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến 0.72 độ mỗi bước. Hầu hết các loại động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước và một vài bộ điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước.

Động cơ bước đơn cực

Động cơ bước được điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau tạo thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của Rotor. Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước bên có chế độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào Stator theo thứ tự và tần số nhất định.

Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa, chúng được ứng dụng trong các thiết bị điều khiển cần độ chính xác. Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số.

Ví dụ: điều khiển robot, điều khiển bắt, bám các mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt… Ngoài ra trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, máy in…