Động cơ bước có phanh: cấu tạo, đấu phanh 24V, trình tự nhả phanh và cách chọn

Động cơ bước có phanh là động cơ bước lai hai pha (hoặc ba pha) được gắn thêm một bộ phanh điện từ ở đuôi, có nhiệm vụ khóa trục khi mất điện. Khi trục Z máy CNC, bàn nâng, cửa trượt đứng hay cơ cấu kẹp chịu tác dụng của trọng lực, một động cơ bước bình thường sẽ thả trôi tải ngay lúc driver mất nguồn hoặc bị disable. Phanh điện từ lấp đúng khoảng trống đó: không có điện thì phanh ăn, cấp 24VDC thì phanh nhả.

Tuy nhiên phanh chỉ phát huy tác dụng khi được chọn đúng mô-men, đấu đúng nguồn, có linh kiện dập xung và nhất là chạy đúng trình tự với driver. Phần lớn các sự cố "trục tụt xuống mỗi lần bật máy", "động cơ rung mà không quay", "phanh nóng ran" đều đến từ ba điểm này chứ không phải do phanh kém chất lượng.

1. Động cơ bước có phanh là gì và vì sao cần phanh?

Mô-men giữ (holding torque) của động cơ bước chỉ tồn tại khi driver đang cấp dòng cho cuộn dây. Ba tình huống làm mất mô-men giữ:

• Mất điện lưới, nhảy aptomat, rút nguồn bảo trì.
• Nhấn dừng khẩn cấp, mạch an toàn cắt nguồn driver hoặc kéo chân ENABLE về trạng thái tắt.
• Driver báo lỗi (quá dòng, quá áp, lệch vị trí với loại vòng kín) và tự ngắt ngõ ra.

Lúc đó chỉ còn mô-men hãm từ (detent torque) của nam châm rotor, cỡ vài phần trăm mô-men giữ, không đủ giữ tải đứng: đầu khoan rơi xuống phôi, bàn nâng tụt, cửa trượt sập xuống. Phanh điện từ giải quyết đúng vấn đề này: nó là phanh an toàn khi mất điện (fail-safe, power-off activated), mặc định luôn khóa và chỉ nhả khi được cấp điện.

Ứng dụng điển hình của động cơ bước có phanh

• Trục Z máy CNC router, máy khắc, máy cắt plasma, máy in 3D khổ lớn dùng vít me bước lớn hoặc dây đai.
• Thang nâng, bàn nâng hạ, cơ cấu nâng hạ khay trong máy đóng gói, máy chiết rót.
• Cửa trượt đứng, cửa chắn bảo vệ, tấm chắn che máy.
• Trục mà động cơ được tắt dòng khi đứng lâu để giảm nóng, nhưng vị trí vẫn phải giữ nguyên.

2. Cấu tạo và nguyên lý của phanh điện từ trên động cơ bước

Bộ phanh thường là một khối tròn hoặc vuông lắp ở đuôi động cơ, ăn vào trục sau (trục phía sau rotor). Vì vậy động cơ bước có phanh dài hơn bản tiêu chuẩn và có thêm hai dây riêng cho cuộn phanh, tách khỏi bốn dây pha A+, A−, B+, B−.

Để dễ hình dung khác biệt về chiều dài, ảnh dưới là một động cơ bước size 57 bản tiêu chuẩn chưa có phanh; bản có phanh cùng mô-men sẽ có thêm cụm phanh nối dài ở phần đuôi, phía có dây ra.

a. Phanh lò xo (spring-applied)

Gồm cuộn dây điện từ đặt trong vỏ, một đĩa ép (armature) bằng thép, các lò xo nén và một đĩa ma sát gắn vào trục qua then hoặc rãnh then hoa. Khi không có điện, lò xo đẩy đĩa ép kẹp chặt đĩa ma sát vào mặt bích, trục bị khóa. Khi cấp 24VDC, cuộn dây hút đĩa ép về phía nó, nén lò xo lại, đĩa ma sát được giải phóng và trục quay tự do. Phanh lò xo thường không phân cực dây, chịu được nhiệt tốt, nhưng do đĩa ma sát ăn vào trục qua then hoa nên có độ rơ góc nhỏ khi phanh đóng.

b. Phanh nam châm vĩnh cửu (permanent magnet)

Lực kẹp đến từ nam châm vĩnh cửu chứ không phải lò xo. Khi cấp điện đúng chiều, từ trường của cuộn dây triệt tiêu từ trường nam châm, đĩa ép được lò xo lá kéo ra và phanh nhả. Ưu điểm là gọn, mô-men lớn so với kích thước và gần như không có độ rơ, rất hợp với động cơ bước cần giữ chính xác vị trí. Nhược điểm là phân cực dây: đấu ngược cực, từ trường cuộn dây cộng thêm vào nam châm thay vì triệt tiêu, phanh không nhả. Điện áp quá cao cũng có thể làm phanh hút lại. Một số hãng ghi rõ dây đỏ là +24V, dây đen là 0V và cảnh báo đấu ngược thì phanh không hoạt động đúng.

Thông số cần đọc trên catalog phanh

3. Mô-men giữ của phanh khác mô-men giữ của động cơ thế nào?

Đây là chỗ nhiều người chọn sai. Trên catalog động cơ bước có phanh luôn có hai con số mô-men:

• Mô-men giữ của động cơ (holding torque): mô-men tối đa khi cuộn dây mang dòng định mức và trục đứng yên. Ví dụ 2,0 N·m.
• Mô-men giữ của phanh (static friction torque, brake torque): mô-men tối đa phanh giữ được khi không có điện. Ví dụ cũng size 57 nhưng phanh có thể chỉ 0,6 N·m, 1,5 N·m hoặc 2,3 N·m tùy model.

Mô-men phanh thường được chọn xấp xỉ hoặc thấp hơn mô-men giữ của động cơ, vì phanh chỉ cần thắng mô-men do trọng lực gây ra, không cần thắng mô-men tăng tốc. Điều quan trọng là phải kiểm tra lại mô-men tải tĩnh thực tế quy về trục động cơ, rồi nhân hệ số an toàn.

Cách tính mô-men phanh cần thiết cho trục đứng

Với vít me, mô-men do tải tạo ra trên trục vít:

T = F × p / (2π)

Trong đó F = m × g là lực trọng trường (N), p là bước vít (m). Công thức này bỏ qua hiệu suất truyền ngược, nghĩa là giả định tải có thể quay ngược vít hoàn toàn, cho kết quả an toàn nhất.

Ví dụ 1: Trục Z mang cụm spindle và giá đỡ nặng 20 kg, vít me bi bước 10 mm, nối trực tiếp.

• F = 20 × 9,81 = 196 N
• T = 196 × 0,010 / 6,283 ≈ 0,31 N·m
• Nhân hệ số an toàn 2: cần phanh tối thiểu khoảng 0,62 N·m. Phanh 0,6 N·m là sát giới hạn, nên chọn loại từ 1,0 N·m trở lên.

Ví dụ 2: Trục nâng dùng dây đai GT2, puly 20 răng (chu vi 40 mm, bán kính khoảng 6,37 mm), tải 5 kg.

• F = 49 N; T = 49 × 0,00637 ≈ 0,31 N·m
• Hệ số an toàn 2: cần khoảng 0,62 N·m, size 42 phanh 0,3 N·m sẽ không đủ, phải lên phanh lớn hơn hoặc thêm đối trọng.

Nếu giữa động cơ và vít có bộ truyền giảm tốc tỉ số i (đai, bánh răng, hộp số hành tinh), mô-men cần ở trục động cơ giảm i lần. Đây là lý do động cơ bước có phanh gắn hộp số hành tinh 1:5 hay 1:10 giữ được tải rất nặng chỉ với phanh nhỏ, đổi lại tốc độ trục ra giảm tương ứng.

Phanh mới chưa chạy rà hoặc bị dính dầu, mỡ có thể chưa đạt mô-men danh định, thêm lý do để giữ hệ số an toàn 1,5–2.

4. Các size động cơ bước có phanh thường gặp

Bảng dưới là dải thông số tham khảo của các dòng phổ biến:

Vài model để đối chiếu: Leadshine 42CM06-BZ (0,6 N·m), 57CM23-BZ (2,3 N·m), 86CM85-BZ (8,5 N·m), bản vòng kín CS-M22430B (3,0 N·m, phanh 2 N·m); StepperOnline 17HS19-2004D-B070 (0,52 N·m, phanh 24V 3,7 W), 23HS30-5004D-B280 (2,0 N·m, phanh 24V 4,5 W); size 86 dạng 86BYG250D 8,5 N·m hoặc 12 N·m cũng rất phổ biến.

Chiều dài động cơ có phanh tăng thêm khoảng 30–40 mm. Chẳng hạn một động cơ size 57 mô-men 2,3 N·m bản thường dài khoảng 76 mm thì bản có phanh khoảng 116 mm. Cần tính trước chiều dài này khi thiết kế gá và vỏ che trục Z.

Động cơ size 57 thân dài như ảnh dưới là cỡ thường dùng cho trục Z máy CNC router, khi thay bằng bản có phanh sẽ dài thêm cụm phanh ở đuôi.

5. Đấu phanh động cơ bước: nguồn riêng, không qua driver

Nguyên tắc số một: hai dây phanh không bao giờ được đấu vào các cọc A+, A−, B+, B− của driver. Đầu ra driver là dòng băm xung xoay chiều, không phải 24VDC phẳng; đấu nhầm có thể làm cháy cuộn phanh hoặc làm driver báo lỗi ngắn mạch. Cuộn phanh cần nguồn một chiều 24V riêng, được đóng cắt bằng một trong các cách dưới.

Yêu cầu đối với nguồn phanh

• Điện áp đúng 24VDC, đo tại đầu dây phanh khi phanh đang nhả phải còn trong dung sai (với phanh ±5% là từ 22,8 V trở lên). Dây phanh dài, tiết diện nhỏ hoặc qua nhiều đầu nối làm sụt áp, phanh nhả không hết và cọ má.
• Có thể dùng chung nguồn 24V với mạch điều khiển; không nên lấy từ nguồn động lực của driver vì áp bị đẩy lên khi động cơ hãm. Driver chạy 36V, 48V thì phanh vẫn cần nguồn 24V riêng. Cách chọn nguồn cho driver được trình bày trong bài động cơ bước 24V.
• Công suất nguồn phanh: cộng dòng tất cả các phanh rồi dư 50%. Ba phanh 4,5 W tiêu thụ khoảng 0,56 A, một nguồn 24V 1A là thoải mái.

a. Điều khiển phanh bằng rơ-le trung gian

Cách đơn giản và phổ biến nhất trong tủ điện: ngõ ra của bộ điều khiển (PLC, mạch CNC, ngõ BRAKE của driver) kéo cuộn rơ-le 24V, tiếp điểm thường mở của rơ-le cấp 24V cho phanh. Ưu điểm là cách ly hoàn toàn, dễ chèn thêm tiếp điểm của mạch dừng khẩn nối tiếp. Nhược điểm là thêm độ trễ đóng cắt của rơ-le khoảng 5–15 ms và tiếp điểm bị hồ quang khi cắt tải cảm nếu không có mạch dập.

b. Điều khiển phanh bằng transistor hoặc MOSFET

Với mạch tự làm dùng vi điều khiển hay board điều khiển máy in 3D, dùng một MOSFET kênh N mức logic (ví dụ loại ngưỡng mở thấp, chịu vài ampe) đóng cắt phía âm của cuộn phanh. Cực S nối 0V, cực D nối dây âm của phanh, dây dương phanh nối +24V. Bắt buộc có diode hoặc mạch dập xung song song với cuộn phanh (xem mục 6), có điện trở 100–220 Ω nối tiếp cực G và điện trở 10 kΩ kéo G xuống 0V để phanh luôn đóng khi vi điều khiển đang khởi động hoặc treo. Trên board máy in 3D có thể dùng ngõ ra quạt (đã có MOSFET) nếu ngõ đó cấp đúng 24V và được bật sau khi động cơ có dòng.

c. Dùng ngõ ra BRAKE có sẵn trên driver

Một số driver động cơ bước, chủ yếu là driver số và driver vòng kín (ví dụ các dòng có ghi "alarm and brake output"), có ngõ ra riêng ký hiệu BRK, BR hoặc BRAKE. Ngõ ra này thường là transistor cực thu hở (open collector) hoặc opto, dòng chịu tải nhỏ, nên dùng để kéo cuộn rơ-le trung gian chứ không nối thẳng cuộn phanh, trừ khi tài liệu driver cho phép rõ dòng phanh. Lợi ích lớn là driver tự xử lý trình tự: chỉ nhả phanh khi động cơ đã có dòng giữ, và đóng phanh ngay khi báo lỗi hoặc khi mất tín hiệu ENABLE.

Mạch dừng khẩn phải cắt trực tiếp nguồn phanh

Dù điều khiển bằng cách nào, nên đặt một tiếp điểm của nút dừng khẩn hoặc rơ-le an toàn nối tiếp trên đường +24V của phanh để phanh đóng ngay bằng phần cứng, không phụ thuộc firmware. Nhiều bộ điều khiển CNC có nút đỏ trên hộp nhưng nút này không thực sự đưa máy vào trạng thái dừng khẩn; nối phanh theo phần cứng tránh được bẫy này.

Phần động cơ của loại có phanh vẫn đấu hai cuộn pha vào driver như động cơ bước thông thường. Video dưới đây ghi lại quá trình đấu điện và vận hành thực tế một động cơ bước với driver.

6. Diode, varistor: dập xung cho cuộn phanh và ảnh hưởng đến thời gian ăn phanh

Cuộn phanh là tải cảm: khi cắt dòng đột ngột, nó sinh xung điện áp ngược hàng trăm vôn, làm cháy MOSFET, đánh lửa tiếp điểm rơ-le, gây nhiễu làm vi điều khiển treo. Vì vậy cuộn phanh luôn cần linh kiện dập xung mắc song song; một số hãng kèm sẵn varistor và yêu cầu bắt buộc lắp.

Một điểm quan trọng: loại linh kiện dập xung quyết định phanh ăn nhanh hay chậm:

Với diode thường, dòng cuộn phanh chạy vòng qua diode và tắt rất chậm vì điện áp kẹp chỉ 0,7 V, từ trường giữ đĩa ép thêm một lúc rồi phanh mới ăn; trên trục đứng nặng, vài chục mili giây trễ này đủ để tải trôi một đoạn khi mất điện. Varistor hoặc diode nối tiếp Zener tiêu tán năng lượng ở điện áp cao hơn nên phanh ăn đúng thời gian danh định.

Lưu ý khi lắp diode

• Diode phải mắc ngược: catot (vạch) về phía +24V, anot về phía 0V. Lắp xuôi chiều là ngắn mạch nguồn ngay khi đóng phanh, cháy cầu chì hoặc MOSFET.
• Đặt linh kiện dập càng gần cuộn phanh càng tốt, lý tưởng là ngay tại hộp đấu dây của động cơ.
• Với phanh nam châm vĩnh cửu có phân cực, xác định đúng dây dương trước khi lắp diode.

7. Trình tự nhả phanh và bật enable: độ trễ bao nhiêu mili giây?

Sai trình tự là nguyên nhân số một khiến trục đứng tụt một đoạn mỗi lần bật hoặc tắt máy. Nguyên tắc chung: phanh chỉ nhả khi động cơ đã có dòng giữ, và động cơ chỉ mất dòng khi phanh đã ăn chắc.

Khi khởi động

1. Cấp nguồn driver, chờ driver khởi động xong. Nhiều driver số cần tới vài trăm mili giây; có hãng khuyến cáo chờ ít nhất 0,5 giây sau khi cấp nguồn mới nhả phanh trên trục đứng.

2. Bật ENABLE để động cơ có dòng giữ đầy đủ. Không nên để driver ở chế độ giảm dòng khi đứng yên ngay lúc này.

3. Cấp 24V cho phanh để nhả.

4. Chờ phanh nhả xong về cơ khí, thường 50–100 ms là đủ với phanh cỡ nhỏ, rồi mới phát xung chạy. Phát xung khi phanh chưa nhả hết, động cơ phải kéo ngược lực phanh, dễ mất bước và mòn má phanh.

Khi dừng

1. Cho động cơ giảm tốc về 0 bằng xung điều khiển, không dùng phanh để dừng.

2. Chờ trục đứng yên hẳn, khoảng 50–100 ms sau xung cuối.

3. Cắt 24V phanh để phanh ăn.

4. Chờ phanh ăn chắc (100–200 ms, lâu hơn nếu chỉ dùng diode thường) rồi mới tắt ENABLE hoặc giảm dòng động cơ.

Khi mất điện hoặc dừng khẩn: không thể giữ trình tự trên. Phanh ăn theo thời gian cơ khí của nó và tải có thể trôi một đoạn nhỏ trong khoảng thời gian đó. Đây là lý do phải dùng mạch dập xung nhanh và chọn mô-men phanh có hệ số an toàn.

Trên board máy in 3D hoặc mạch CNC, cần đặc biệt chú ý lệnh tắt động cơ khi rảnh (idle timeout, lệnh tắt động cơ chèn tự động cuối file G-code). Nếu lệnh này tắt dòng động cơ mà không đóng phanh trước, trục Z sẽ tụt. Cách an toàn là gắn điều khiển phanh với trạng thái ENABLE của driver chứ không gắn với một macro riêng.

8. Phanh chỉ để giữ, không để hãm trục đang quay

Phanh trên động cơ bước là phanh giữ (holding brake). Năng lượng nó hấp thụ được mỗi lần đóng khi trục đang quay rất nhỏ. Nhà sản xuất đều cảnh báo: không dùng phanh để giảm tốc hoặc dừng động cơ, vì việc này làm mòn má phanh nhanh và giảm mô-men giữ; cũng không coi nó là phanh an toàn cho người. Hậu quả của việc dùng sai thường xuất hiện sau vài tháng: trục bắt đầu trôi chậm xuống khi tắt máy, dù phanh vẫn có tiếng tách bình thường.

Với các cơ cấu có người làm việc bên dưới tải (thang nâng, bàn nâng hàng), phanh động cơ không thay được các biện pháp an toàn cơ khí như chốt chặn, cam khóa, đối trọng hay phanh dù.

9. Kiểm tra phanh của động cơ bước hoạt động bình thường

Đo điện trở cuộn phanh

Tính điện trở dự kiến bằng R = U² / P. Phanh 24V 3,7 W có điện trở khoảng 156 Ω; phanh 4,5 W khoảng 128 Ω; phanh 0,23 A khoảng 104 Ω. Đo bằng đồng hồ vạn năng ở thang ohm: giá trị lệch nhiều so với tính toán, chạm vỏ hoặc hở mạch là cuộn phanh hỏng. Cuộn phanh có điện trở lớn hơn nhiều so với cuộn pha động cơ (chỉ vài ohm), nên đây cũng là cách nhận ra cặp dây phanh khi dây không có màu hoặc nhãn rõ ràng.

Thử nhả phanh bằng tay khi chưa lắp vào máy

• Không cấp điện: xoay trục bằng tay, trục phải bị khóa cứng (chỉ có thể còn độ rơ góc rất nhỏ với phanh lò xo).
• Cấp 24VDC đúng cực: nghe một tiếng "tách" rõ khi đĩa ép bị hút, trục xoay được nhẹ nhàng, chỉ còn cảm giác nấc của động cơ bước.
• Cắt điện: lại nghe tiếng tách, trục bị khóa lại ngay.

Không có tiếng tách thường do sai cực, thiếu áp, đứt dây hoặc khe hở quá lớn do má mòn. Có tiếng tách mà trục vẫn nặng, có tiếng cọ là phanh nhả không hết hoặc dầu, bụi kim loại lọt vào khe phanh.

Kiểm tra trên máy

• Đo điện áp tại hai đầu dây phanh khi phanh đang nhả, phải đạt dung sai của hãng.
• Thử giữ tải: đưa trục đứng lên vị trí giữa hành trình, tắt ENABLE (phanh đã đóng), theo dõi vị trí trong vài phút. Trục không được trôi.
• Thử mất điện đột ngột với tải thật (có biện pháp đỡ an toàn): đo đoạn tụt. Nếu tụt nhiều hơn vài phần mười milimét, xem lại mạch dập xung và mô-men phanh.

Khe hở phanh

Khe hở giữa đĩa ép và cuộn dây (air gap) chỉ vài phần mười milimét, trên phanh cỡ nhỏ được chỉnh sẵn, không có vít chỉnh. Khi má mòn, khe hở tăng tới mức cuộn dây không hút nổi đĩa ép, phanh không nhả nữa; lúc đó phải thay cụm phanh hoặc thay động cơ.

Phanh nóng bao nhiêu là bình thường?

Cuộn phanh được cấp điện suốt thời gian máy chạy nên vỏ phanh ấm lên là bình thường. Nóng bất thường thường do quá áp (chỉnh nguồn lên 27–28V) hoặc phanh nhả không hết và cọ má. Có hãng bán module băm xung cấp đủ áp để hút rồi giảm áp giữ cho bớt nóng; không tự làm cách này nếu không có thông số áp giữ của hãng phanh.

10. Nhả phanh bằng tay khi mất điện hoặc khi bảo trì

Phanh điện từ cỡ lớn đôi khi có cần gạt hoặc vít nhả tay, còn động cơ bước có phanh cỡ 42–86 đa số không có. Khi cần hạ trục hoặc xoay trục lúc máy không có điện (kẹt dao, căn chỉnh cơ khí), cách nhả là cấp 24VDC trực tiếp vào hai dây phanh từ một nguồn rời (adapter 24V, hai ắc quy 12V nối tiếp) đúng cực. Trước khi nhả phải đỡ tải bằng kích, khối gỗ hoặc dây treo vì động cơ lúc này không có dòng giữ, không đặt tay dưới tải, và tháo nguồn rời ra trước khi đóng điện lại cho máy.

11. Phanh điện từ hay hộp số trục vít tự hãm: chọn giải pháp nào?

Ngoài phanh, tải đứng còn hay được giữ bằng hộp số trục vít bánh vít hoặc vít me bước nhỏ tự hãm.

Hộp số trục vít bánh vít

Hộp giảm tốc trục vít tỉ số lớn, một đầu mối có xu hướng tự hãm tĩnh: tải không quay ngược được trục vít khi đứng yên. Nhưng khả năng này phụ thuộc góc xoắn, ma sát, độ mòn và nhất là rung động: có rung, tải có thể "bò" xuống từ từ. Hiệu suất thấp còn buộc động cơ phải lớn hơn. Vì vậy không coi hộp trục vít là thiết bị giữ an toàn duy nhất cho tải treo.

Vít me bước nhỏ tự hãm

Với vít me thang T8: điều kiện tự hãm là góc nâng ren nhỏ hơn góc ma sát. Vít T8 bước 2 mm (một đầu mối) có góc nâng khoảng 5°, xấp xỉ góc ma sát của đai ốc đồng trên thép (khoảng 6–8°), nên gần như tự hãm. Vít T8 bước 8 mm (bốn đầu mối) có góc nâng khoảng 20°, tải dễ dàng quay ngược vít. Vít me bi có hiệu suất trên 90% không bao giờ tự hãm.

So sánh nhanh

Với tải đứng nặng chạy nhanh, phương án phổ biến nhất là vít me bi hoặc dây đai kèm động cơ có phanh. Với các ứng dụng công suất lớn hơn dùng động cơ xoay chiều, giải pháp tương đương là động cơ giảm tốc có phanh với phanh điện từ lắp sau động cơ.

12. Động cơ bước vòng kín có phanh

Động cơ bước vòng kín (hybrid servo) có phanh mang cả encoder và cụm phanh ở đuôi nên dài hơn bản hở vòng. Hệ vòng kín có hai điểm lợi khi đi với phanh:

• Driver vòng kín hầu hết có ngõ ra BRAKE và ALARM, tự xử lý trình tự đóng nhả phanh.
• Tải trôi một chút trong lúc phanh đang ăn hoặc động cơ bị kéo lệch đều được encoder phát hiện; driver bù lại hoặc báo lỗi lệch vị trí để dừng an toàn.

Nếu phanh nhả chậm hơn lúc driver bắt đầu điều khiển, driver vòng kín thấy sai lệch vị trí lớn và báo lỗi ngay khi khởi động; khi đó kiểm tra điện áp phanh và độ trễ nhả phanh trước khi nghĩ tới hỏng encoder.

Khi tải đứng cần tốc độ hoặc mô-men đỉnh vượt khả năng động cơ bước, motor servo có phanh là bước tiếp theo; phanh trên servo AC được trình bày trong bài lưu ý khi sử dụng động cơ servo.

13. Câu hỏi thường gặp về động cơ bước có phanh

Động cơ bước có phanh có tự giữ trục khi mất điện không?

Có. Phanh điện từ trên động cơ bước là loại an toàn khi mất điện: không có 24V thì lò xo hoặc nam châm vĩnh cửu ép phanh lại, trục bị khóa. Phanh chỉ nhả khi được cấp đúng 24VDC, nên khi mất điện, nhảy aptomat hay dừng khẩn, phanh tự ăn mà không cần tín hiệu điều khiển.

Phanh của động cơ bước dùng điện áp bao nhiêu?

Phổ biến nhất là 24VDC. Dung sai thường chỉ ±5% đến ±10%, tức khoảng 22,8–25,2 V với phanh ±5%. Một số ít động cơ cỡ nhỏ dùng phanh 12VDC, vì vậy luôn đọc tem hoặc catalog trước khi cấp điện.

Có cấp nguồn 12V cho phanh 24V được không?

Không. Ở 12V lực hút của cuộn dây chỉ bằng khoảng một phần tư, không đủ thắng lò xo hoặc nam châm, phanh nhả không hết hoặc không nhả. Động cơ khi đó phải quay ngược lực phanh, mòn má, nóng và mất bước.

Có đấu hai dây phanh vào driver động cơ bước được không?

Không được đấu vào cọc pha A, B của driver. Cuộn phanh cần nguồn 24VDC riêng, đóng cắt qua rơ-le hoặc MOSFET. Chỉ khi driver có ngõ ra BRAKE riêng và tài liệu cho phép dòng phanh tương ứng thì mới nối trực tiếp; còn lại ngõ BRAKE chỉ dùng để kéo rơ-le trung gian.

Mô-men phanh có cần lớn hơn mô-men giữ của động cơ không?

Không bắt buộc. Mô-men phanh chỉ cần lớn hơn mô-men tĩnh do tải gây ra trên trục động cơ, nhân hệ số an toàn 1,5–2. Nhiều động cơ có phanh nhỏ hơn mô-men giữ của chính động cơ mà vẫn giữ tốt nếu tải tĩnh nằm trong giới hạn.

Vì sao động cơ bước có phanh chỉ rung, kêu mà không quay?

Thường do phanh chưa nhả. Kiểm tra có đủ 24V tại hai dây phanh không, cực có đúng không và bộ điều khiển có nhả phanh trước khi phát xung không.

Dây phanh của động cơ bước có phân cực không?

Tùy loại phanh. Phanh nam châm vĩnh cửu có phân cực, thường dây đỏ là +24V, dây đen là 0V; đấu ngược thì phanh không nhả. Phanh lò xo thường không phân cực, nhưng khi đã lắp diode dập xung thì cực tính của mạch lại trở nên quan trọng.

Có tự lắp thêm phanh cho động cơ bước đang dùng được không?

Có, nhưng không đơn giản. Động cơ phải có trục sau (hai đầu trục) để gắn phanh dạng lắp đuôi, hoặc dùng loại phanh có mặt bích và trục riêng lắp phía trước động cơ. Thường thay hẳn bằng động cơ bước có phanh cùng size sẽ nhanh và chắc chắn hơn.

Động cơ bước có phanh gắn thêm hộp số được không?

Được. Phanh nằm ở trục động cơ nên mô-men giữ tại trục ra của hộp số được nhân lên theo tỉ số truyền (trừ hao hiệu suất). Ví dụ phanh 0,6 N·m qua hộp số hành tinh 1:10 có thể giữ mô-men tĩnh cỡ vài N·m ở trục ra, miễn là trong giới hạn chịu tải của hộp số.

Trục Z máy in 3D có cần động cơ bước có phanh không?

Phần lớn không cần nếu dùng vít T8 bước 2 mm. Máy dùng vít bước 8 mm, vít me bi hoặc dây đai trục Z mà bàn in, đầu phun tụt khi tắt máy thì nên dùng phanh.

Driver đã giảm dòng giữ khi đứng yên thì có cần phanh nữa không?

Có, nếu tải đứng. Chế độ giảm dòng chỉ giữ được khi driver còn điện và không lỗi; mất điện, dừng khẩn hay driver báo lỗi thì mô-men giữ mất hết. Phanh còn cho phép tắt hẳn dòng động cơ khi dừng lâu, giảm nóng mà vẫn giữ vị trí.

14. Kết luận

Động cơ bước có phanh giữ tải đứng khi mất điện, dừng khẩn hay driver báo lỗi. Để phanh làm đúng việc, cần chọn mô-men phanh theo mô-men tĩnh của tải nhân hệ số an toàn, cấp nguồn 24VDC riêng đủ áp, lắp varistor hoặc diode nối tiếp Zener ngay tại cuộn phanh, điều khiển qua rơ-le hoặc MOSFET có mạch dừng khẩn cắt trực tiếp, và quan trọng nhất là giữ đúng trình tự: động cơ có dòng trước, phanh nhả sau; phanh ăn trước, động cơ mất dòng sau. Phanh chỉ để giữ trục đứng yên, việc dừng tải đang chạy luôn thuộc về driver.