0981676163Miền Nam
0984601144Miền Bắc

Cách Điều Khiển Vận Hành Động Cơ Bước (Step Motor) Hiệu Quả Nhất Hiện Nay

15 thg 3 2021 16:57

Hiện nay, động cơ bước được sử dụng nhiều trong việc điều khiển robot bắt, bám các mục tiêu trong các khí tài quan sát hay điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt,… Vậy, điều khiển động cơ bước có khó không? Làm thế nào cho hiệu quả? 

1. Khái niệm motor bước

Trước khi tìm hiểu cách điều khiển động cơ bước hiệu quả, bạn cần nắm được động cơ bước là gì? Đây là một động cơ đồng bộ dùng có khả năng biến đổi các tín hiệu điều khiển động cơ dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau để trở thành các chuyển động của góc quay hoặc các chuyển động của roto và đem lại khả năng cố định roto vào trong những vị trí cần thiết.

Động cơ bước là một loại động cơ đồng bộ

Động cơ bước là một loại động cơ đồng bộ

Động cơ bước là 1 loại động cơ điện có nguyên lý hoạt động và ứng dụng khác biệt với đại đa số các loại động cơ điện còn lại. Chúng thực chất chính là một động cơ đồng bộ, được dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển động cơ dưới dạng các xung điện.

2. Nguyên tắc điều khiển động cơ bước

Khác với các động cơ đồng bộ thông thường, trong việc điều khiển vi bước step motor Rotor, động cơ bước được khởi động bằng phương pháp đo tần số do nó không có cuộn dây để khởi động. Rotor của động cơ bước sẽ có loại Rotor tích cực hoặc là Rotor thụ động.

Động cơ bước sẽ làm việc dựa vào bộ chuyển mạch điện tử nhằm mục đích đưa các tín hiệu vào trong Stator theo một thứ tự và 1 tần số nhất định. Số lần chuyển mạch của động cơ sẽ được tính bằng tổng số góc quay của Rotor. Khi đó, chiều quay cũng như tốc độ quay của roto sẽ phụ thuộc vào thứ tự và tần số chuyển đổi.

Động cơ bước làm việc nhờ vào bộ chuyển mạch điện tử

Động cơ bước làm việc nhờ vào bộ chuyển mạch điện tử

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

  • Chuyển mạch điện tử trong điều khiển step motor có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stator có thể theo từng cuộn riêng lẻ hoặc là theo từng nhóm của các cuộn dây. 
  • Trị số của động cơ cũng như chiều của lực điện từ chính là tổng F phụ thuộc vào vị trí của các lực điện từ có trong nó. Do đó, vị trí Rotor của động cơ bước lúc này sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây dưới đây:

Sơ đồ chi tiết nguyên lý hoạt động của động cơ bước

Sơ đồ chi tiết nguyên lý hoạt động của động cơ bước

Hình trên thể hiện nguyên lý hoạt động của động cơ bước m pha với Rotor có 2 cực 2p = 2 và khi chúng không được kích thích. Nếu các cuộn dây bên trong của động cơ bước được cung cấp điện riêng lẻ bởi xung 1 cực thì Rotor của động cơ bước lúc này sẽ có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây giống như ở hình a.

Để mạch điều khiển động cơ bước 6 dây tăng cường lực điện từ tổng của Stato, từ đó sẽ tăng từ thông và mô men đồng bộ, chúng ta phải cấp điện đồng thời cho 2, 3, cũng có khi là nhiều cuộn dây. Lúc đó phần Rotor của động cơ bước sẽ có vị trí ổn định và trùng với vectơ của lực điện từ tổng F. Đồng thời, lực điện từ tổng F của nó cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ phát ra từ các cuộn dây Stator. 

3. Sơ đồ và cách điều khiển động cơ bước

Động cơ bước khi được điều khiển dưới dạng nhiều xung điện rời rạc kế tiếp nhau thì sẽ tạo thành các chuyển động góc quay cũng như các chuyển động của Rotor.  Động cơ bước sẽ không còn quay theo cơ chế thông thường mà sẽ quay theo từng bước nên cũng có chế độ chính xác rất cao xét về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ vào các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển động cơ bước 5 dây vào Stato theo thứ tự và những tần số nhất định.

Vì mỗi một loại động cơ bước sẽ có những đặc tuyến khác nhau, nên cách điều khiển cũng sẽ khác nhau. Tùy thuộc vào lực kéo (mô men) và tốc độ quay mà động cơ yêu cầu, chúng ta có thể dùng các cách điều khiển dưới đây:

  • Với những động cơ bước chỉ cần chạy ở tốc độ thấp: Người ta sẽ sử dụng phương pháp điều khiển để cung cấp điện áp trực tiếp. Lúc này, chính nội trở cuộn dây của động cơ sẽ hoạt động để tạo ra một dòng điện, do đó, giới hạn dòng điện này sẽ phụ thuộc vào điện áp cung cấp trực tiếp cho nó.
  • Với những động cơ bước yêu cầu chạy ở tốc độ cao: Người ta không thể tiếp tục sử dụng phương pháp cấp điện áp trực tiếp nữa vì lực kéo lúc này sẽ bị giảm nghiêm trọng. Bởi lẽ, đặc tuyến cảm của cuộn dây trong động cơ sẽ kìm hãm khả năng hoạt động của dòng điện.
  • Với những động cơ bước cần cải thiện và nâng cao hiệu suất của motor bước và bộ điều khiển ở tốc độ thấp và cần tăng tốc độ cao thì chúng ta nên sử dụng phương pháp điều khiển bằng băm xung. Cách điều khiển động cơ bước này sẽ giúp bạn duy trì tần số không đổi, tùy theo nguyên tắc duy trì dòng điện thì các cuộn dây của động cơ cũng sẽ không đổi so với mọi cấp độ. Cách điều khiển này còn được gọi là điều khiển tùy theo dòng điện.

4. Phương pháp điều khiển động cơ bước

4.1. Điều khiển động cơ bước dạng sóng (Wave Drive)

Đây là phương pháp cơ bản nhất để điều khiển 1 động cơ bước, dù cho nó không được sử dụng nhiều nhưng vẫn đáng để giúp cho chúng ta hiểu về cách điều khiển động cơ bước. Trong phương pháp này, nếu mỗi pha hoặc stato ở cạnh nhau sẽ được động cơ kích hoạt lần lượt bằng cách sử dụng 1 mạch đặc biệt giúp từ hóa và khử từ hóa stato, điều này sẽ dẫn đến chuyển động nhanh chóng của rôto một bước.

4.2. Điều khiển động cơ chạy đủ bước (Full Step Drive)

Trong mạch điều khiển động cơ bước 4 dây, thay vì kích hoạt tất cả các stator một lần, 2 stator sẽ được kích hoạt chỉ cách nhau 1 khoảng thời gian ngắn. Điều này có nghĩa là nếu stator thứ 1 bật ON thì stator thứ 2 sẽ ON ngay sau đó một khoảng thời gian ngắn, trong khi đó thì stator thứ nhất vẫn ON. Phương pháp này dẫn đến mô men xoắn đạt mức cao và cho phép chúng ta điều khiển động cơ tải cao.

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

Phương pháp này cũng tương tự như ổ đĩa Full bước. Ở step motor và mạch điều khiển, 2 stator được đặt cạnh nhau sẽ được tiến hành kích hoạt trước và stator thứ 3 sẽ được kích hoạt ngay sau đó, nhưng 2 stator này lại bị vô hiệu hóa. Chu kỳ này sẽ kích hoạt 2 stator trước và sau đó 1 stator lặp lại để giúp điều khiển động cơ bước. Phương pháp này sẽ dẫn đến tăng cường độ phân giải của động cơ trong khi đó mô men xoắn sẽ giảm xuống.

4.4. Điều khiển động cơ chạy bước nhỏ (MicroStepping Drive)

Đây là phương pháp điều khiển động cơ bước được sử dụng phổ biến nhất vì nó có tính chính xác rất cao. Mạch điều khiển cung cấp ngay 1 dòng bước biến đổi cho cuộn dây stato đang tồn tại ở dạng sóng hình sin. Những bước đi nhỏ xíu này hiện nay dùng để tăng cường độ chính xác tuyệt đối của từng bước một. Phương pháp này cũng được sử dụng rộng rãi do nó có thể giảm tiếng ồn của hoạt động ở mức độ lớn.

Có nhiều phương pháp để điều khiển động cơ bước

Có nhiều phương pháp để điều khiển động cơ bước

5. Điều khiển động cơ bước dùng Code Arduino như thế nào?

Module Driver A4988 là 1 con IC có trong máy in 3d, 1 điều khá ngạc nhiên là hầu hết các máy in 3d đều sử dụng con IC này để điều khiển, vì máy in 3d có tải trọng nhỏ và kích thước của con IC này lại khá tương thích, nó nhỏ hơn 10 lần so với tb6560 hoặc 20 lần so với MA860H. Thậm chí, nó chỉ to hơn móng tay người một chút.

Quá trình điều khiển động cơ bước Arduino có tính năng:

  • Điều khiển rất đơn giản.
  • Điều khiển được cả những động cơ hoạt động với điện áp vừa, thậm chí lên tới 35V và có dòng lên tới 2A.
  • Có 5 chế độ: full bước, 1/ 2 bước, 1/ 4 bước, 1/ 8 bước, 1/ 16 bước.
  • Điều chỉnh dòng ra bằng cách sử dụng chiết áp (siêu nhỏ) nằm bên trên Current Limit = VREF × 2.5
  • Tự động bật Shutdown thì quá nóng,...​

Khi bạn lựa chọn chế độ full hay 1/2 hoặc 1/4 thì sẽ được thông qua 3 pin là MS1, MS2, MS3. Có thể nối thẳng 3 pin này vào công tắc bit 3p để dễ dàng thiết lập từ trên phần cứng. Lưu ý thêm, nếu thả nổi 3 pin này thì tức là mode full step.

Bảng thông số điều khiển động cơ bước Arduino 

Bảng thông số điều khiển động cơ bước Arduino 

Nếu muốn bật/ tắt động cơ thì các bạn phải thông qua pin ENABLE, bật mức LOW tức là bật module, mức HIGH tức là đang tắt module. Điều khiển chiều quay cho động cơ có thể thông qua pin DIR.

Thực hiện cách điều khiển step motor thông qua pin STEP, chú ý mỗi xung sẽ tương ứng với 1 bước (hoặc 1 vi bước). Hai chân Sleep cùng với Reset sẽ nối với nhau luôn. Dưới đây là chi tiết cách điều khiển động cơ bước source code:

#include:

AccelStepper stepper (1,5,4); // pin 5 step, pin 4 dir void setup () {Serial.begin (9600); pinMode (6,OUTPUT); // Enable; digital Write(6, LOW); // Đặt Enable xuống LOW để khởi động động cơ} void loop() {if (stepper.distanceToGo() == 0)// kiểm tra thử động cơ bước có còn đang hoạt động hay không, nếu không còn chạy thì chọn: 

{delay(1000); stepper.moveTo(rand() % 400); //chuyển đến tọa độ 0 399 (Random) stepper.setMaxSpeed((rand () % 400) 200); //chỉnh tốc độ. stepper. Đặt setAcceleration((rand() % 200) 100); // chỉnh gia tốc}

Serial.println(stepper.distanceToGo());

stepper.run (); // 

Chú ý phải có hàm này ở hàm loop vì với mỗi biến stepper thì phải làm như vậy mới chạy được. 

Kết luận

Trong quá trình điều khiển chuyển động kỹ thuật, điều khiển động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu cho máy móc, bởi nó có thể thực hiện trung thành được các lệnh mà chúng ta đưa ra dưới dạng số. Cùng với sự phát triển của ngành khoa học chế tạo, động cơ bước hiện nay được ứng dụng nhiều trong các ngành tự động hóa, đặc biệt là trong các thiết bị điều khiển từ xa cần có độ chính xác cao. 

Nội Dung Có Thể Bạn Quan Tâm:

2.792 reviews

Tin tức liên quan

Review top các loại động cơ TTT thông dụng nhất
Review Top Các Loại Động Cơ QM Nhiều Người Dùng Nhất
Cấu Tạo Motor Điện, Những Bộ Phận Quan Trọng Nhất Khi Vận Hành
Những Điều Cần Lưu Ý Khi Lựa Chọn Và Sử Dụng Motor IE3
Tỉ Số Truyền Của Các Loại Hộp Giảm Tốc Bán Chạy Nhất Hiện Nay
/ /