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

Bạn đang tìm hiểu về cách điều khiển động cơ bước? Bạn muốn biết cách làm thế nào để động cơ bước của mình hoạt động hiệu quả nhất? Vậy thì bài viết này là dành cho bạn.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về cách điều khiển động cơ bước, từ những kiến thức cơ bản đến các phương pháp điều khiển nâng cao. Chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về các loại động cơ bước, các đặc điểm kỹ thuật của động cơ bước, cách lựa chọn động cơ bước phù hợp, và các lưu ý khi điều khiển động cơ bước.

Bài viết này được viết với mục đích giúp bạn hiểu rõ hơn về cách điều khiển động cơ bước, từ đó giúp bạn sử dụng động cơ bước hiệu quả và an toàn.

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 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

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

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

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 

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. 

6. Các loại động cơ bước

Động cơ bước được phân loại dựa trên số pha của cuộn dây Stator, bao gồm:

• Động cơ bước 2 pha

Động cơ bước 2 pha là loại động cơ bước đơn giản nhất, có cấu tạo gồm 2 cuộn dây Stator. Mỗi cuộn dây có 2 cực, tạo ra tổng cộng 4 cực. Góc bước của động cơ bước 2 pha thường là 90 độ.

Ưu điểm:

• Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ
• Dễ dàng điều khiển

Nhược điểm:

• Mô-men xoắn và độ chính xác thấp

• Động cơ bước 3 pha

Động cơ bước 3 pha có cấu tạo phức tạp hơn động cơ bước 2 pha, có cấu tạo gồm 3 cuộn dây Stator. Mỗi cuộn dây có 3 cực, tạo ra tổng cộng 9 cực. Góc bước của động cơ bước 3 pha thường là 45 độ.

Ưu điểm:

• Mô-men xoắn và độ chính xác cao hơn động cơ bước 2 pha

Nhược điểm:

• Cấu tạo phức tạp hơn, giá thành cao hơn

• Động cơ bước 5 pha

Động cơ bước 5 pha là loại động cơ bước có cấu tạo phức tạp nhất, có cấu tạo gồm 5 cuộn dây Stator. Mỗi cuộn dây có 5 cực, tạo ra tổng cộng 25 cực. Góc bước của động cơ bước 5 pha thường là 18 độ.

Ưu điểm:

• Mô-men xoắn và độ chính xác cao nhất

Nhược điểm:

• Cấu tạo phức tạp nhất, giá thành cao nhất

7. Đặc điểm kỹ thuật của động cơ bước

Các đặc điểm kỹ thuật quan trọng của động cơ bước bao gồm:

• Góc bước: Số độ quay của rotor cho mỗi xung điện. Góc bước càng nhỏ thì độ chính xác càng cao, nhưng mô-men xoắn càng thấp.

• Mô-men xoắn: Lực quay tối đa mà động cơ có thể tạo ra. Mô-men xoắn càng cao thì động cơ có thể kéo tải nặng hơn.

• Tốc độ tối đa: Tốc độ quay tối đa của động cơ. Tốc độ tối đa càng cao thì động cơ có thể quay nhanh hơn.

Các đặc điểm kỹ thuật này được ghi trên nhãn của động cơ bước. Người dùng cần lưu ý các đặc điểm kỹ thuật này khi lựa chọn động cơ bước cho ứng dụng của mình.

8. Các ứng dụng của động cơ bước

Động cơ bước được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Tự động hóa: Máy CNC, robot, máy in 3D,...

Động cơ bước được sử dụng trong máy CNC để điều khiển chuyển động của các trục X, Y, Z. Động cơ bước cũng được sử dụng trong robot để điều khiển chuyển động của các khớp nối. Động cơ bước cũng được sử dụng trong máy in 3D để điều khiển chuyển động của đầu phun.

• Thiết bị điện tử: Máy in, máy ảnh, máy quay,...

Động cơ bước được sử dụng trong máy in để điều khiển chuyển động của trục cấp giấy. Động cơ bước cũng được sử dụng trong máy ảnh để điều khiển chuyển động của ống kính. Động cơ bước cũng được sử dụng trong máy quay để điều khiển chuyển động của ống kính.

• Thiết bị y tế: Máy CT, máy X-quang,...

Động cơ bước được sử dụng trong máy CT để điều khiển chuyển động của ống tia X. Động cơ bước cũng được sử dụng trong máy X-quang để điều khiển chuyển động của ống tia X.

• Thiết bị quân sự: Vũ khí, thiết bị bay không người lái,...

Động cơ bước được sử dụng trong vũ khí để điều khiển chuyển động của các bộ phận. Động cơ bước cũng được sử dụng trong thiết bị bay không người lái để điều khiển chuyển động của cánh quạt.

Trên đây là một số gợi ý về các sub topic có thể bổ sung vào bài viết về cách điều khiển động cơ bước. Việc bổ sung các sub topic này sẽ giúp bài viết cung cấp cho người đọc cái nhìn toàn diện hơn về động cơ bước, từ đó giúp họ hiểu rõ hơn về cách điều khiển và ứng dụng động cơ bước trong thực tế.

9. Cách lựa chọn động cơ bước

Khi lựa chọn động cơ bước, cần lưu ý các yếu tố sau:

• Góc bước: Góc bước càng nhỏ thì độ chính xác càng cao, nhưng mô-men xoắn càng thấp. Tùy theo ứng dụng cụ thể mà lựa chọn góc bước phù hợp.

• Mô-men xoắn: Mô-men xoắn càng cao thì động cơ có thể kéo tải nặng hơn. Tùy theo tải trọng của ứng dụng mà lựa chọn mô-men xoắn phù hợp.

• Tốc độ tối đa: Tốc độ tối đa càng cao thì động cơ có thể quay nhanh hơn. Tùy theo yêu cầu tốc độ của ứng dụng mà lựa chọn tốc độ tối đa phù hợp.

• Kích thước và trọng lượng: Kích thước và trọng lượng của động cơ cần phù hợp với không gian và tải trọng của ứng dụng.

• Giá thành: Giá thành của động cơ bước phụ thuộc vào số pha, góc bước, mô-men xoắn, tốc độ tối đa, kích thước và trọng lượng.

10. Một số lưu ý khi điều khiển động cơ bước

• Cần sử dụng bộ driver động cơ bước phù hợp. Bộ driver động cơ bước sẽ cung cấp điện áp và dòng điện cần thiết cho động cơ hoạt động.

• Cần cấp nguồn đủ cho động cơ. Động cơ bước tiêu thụ dòng điện lớn, cần đảm bảo cấp nguồn đủ cho động cơ hoạt động ổn định.

• Cần sử dụng đúng phương pháp điều khiển. Phương pháp điều khiển động cơ bước sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác và mô-men xoắn của động cơ.

• Cần chú ý đến nhiệt độ của động cơ. Động cơ bước có thể sinh nhiệt khi hoạt động, cần chú ý đến nhiệt độ của động cơ để tránh động cơ bị quá nóng.

Kết luận

Động cơ bước là một loại động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Việc hiểu rõ về cách điều khiển động cơ bước sẽ giúp người dùng sử dụng động cơ bước hiệu quả và an toàn.

Nội Dung Có Thể Bạn Quan Tâm:

• Động Cơ Bước (Step Motor) Là Gì? Cấu Tạo, Phân Loại Và Nguyên Lý Hoạt Động Của Động Cơ Bước
• Motor Điện 3 Pha Xuất Khẩu Châu Âu, Cấu Tạo, Ký Hiệu, Tiêu Chuẩn Thiết Kế
• Giá Motor 3 Pha Hitachi Toshiba Mitsubishi Nhật, ABB, Siemens Đức, Giá Quấn Lại Motor Toàn Quốc
• Biến Tần Điều Khiển Tốc Độ Motor 3 Pha, Lợi Ích, Khái Niệm
• Động Cơ Parma, Thương Hiệu Bán Chạy Nhất Việt Nam, Quy Mô Tập Đoàn
• Cách Đấu Điện Motor 1 Pha, Đấu tụ, Đảo Chiều Tùy Ý