Author: Lê Minh Quân.
Published date: 02/10/2021
{jcomments on}
1. LỜI NÓI ĐẦU
Chắc hẳn, “động cơ” là một từ rất quen thuộc với rất nhiều người. Khi ở nhà, ở nơi làm việc, ở trường học hay đang đi trên đường, các bạn đều có thể nhìn thấy hình ảnh của chúng: động cơ quay cánh quạt trong máy quạt, động cơ quay bánh xe trong xe ô tô, xe máy, động cơ bơm nước,... Có rất nhiều loại động cơ được sản xuất, chúng khác nhau về hình dáng, kích thước, cấu tạo, nguyên lý hoạt động,... và được ứng dụng cho các mục đích khác nhau. Trong bài viết này, TickLab sẽ mang đến cho bạn những kiến thức cơ bản về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một loại động cơ được sử dụng rất phổ biến trong các máy móc hiện nay, đó là động cơ bước hay còn gọi là stepper motor.
Hình 1: Hình ảnh thực tế của động cơ bước
2. ĐỘNG CƠ BƯỚC LÀ GÌ?
Động cơ bước là một loại động cơ điện 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 rotor có khả năng cố định rotor vào các vị trí cần thiết [1].
Nói đơn giản thì bạn có thể hiểu động cơ bước là động cơ mà chúng ta có thể điều khiển nó quay theo một góc mong muốn.
Ở Việt Nam, người ta hay sử dụng động cơ 200 step, có nghĩa là để quay một vòng thì động cơ mất 200 bước hay 1 bước tương ứng với 1,8 độ.
3. ĐỘNG CƠ BƯỚC BIẾN TỪ TRỞ (VARIABLE RELUCTANCE STEPPER MOTOR)
Đầu tiên, chúng ta sẽ đi tìm hiểu về một loại động cơ bước. Đó là động cơ bước biến từ trở, loại động cơ đơn giản nhất.
3.1. Cấu tạo
Hình 2: Cấu tạo bên trong của động cơ bước [2]
Cũng như các động cơ khác, động cơ bước biến từ trở gồm 2 bộ phận chính:
- Rotor: được cấu tạo từ các lá thép non có khả năng dẫn từ cao.
- Stator: có nhiều răng trên mỗi răng có quấn các vòng dây.
Hình 3: Cấu tạo rotor và stator trong động cơ bước biến từ trở [2]
Đối với động cơ được mô tả trên hình thì ta thấy stator có 6 răng tương ứng với 3 cuộn dây được cấp điện bởi 3 nguồn DC khác nhau, còn rotor thì có 4 răng. Chính sự sắp xếp khác nhau về số răng giữa stator và rotor đã khiến cho động cơ bước có nguyên lí hoạt động vô cùng đặc biệt.
3.2. Nguyên lí hoạt động
Ban đầu cuộn dây A được cấp điện và rotor có vị trí đầu tiên như hình bên dưới. Khi có dòng điện đi qua, cuộn dây A sẽ trở thành một nam châm điện với cực Nam ở trên và cực Bắc ở dưới. Do tương tác giữa các cực của nam châm nên rotor có vị trí thẳng hàng với cuộn dây A.
Hình 4: Vị trí ban đầu của rotor [2]
Khi ta ngắt điện cuộn dây A và cấp điện cho cuộn dây B. Khi đó cuộn dây B sẽ trở thành một nam châm điện, nó sẽ tương tác từ tính với rotor và làm rotor quay một góc 30 độ để thẳng hàng với cuộn dây B. Góc quay ở đây được gọi là bước của động cơ.
Hình 5: Vị trí thứ hai của rotor [2]
Tương tự như thế, ta ngắt điện cuộn dây B và cấp điện cho cuộn dây C, rotor sẽ quay 1 bước đến vị trí thứ 3 như hình dưới.
Hình 6: Vị trí thứ ba của rotor [2]
Cách điều khiển động cơ quay như trên được gọi là điều khiển đủ bước (full-step). Ngoài ra, để động cơ quay trơn tru hơn ta còn có kiểu điều khiển nửa bước (half-step) và vi bước (microstep) [3]. Để điều khiển nửa bước, ta có thể dễ dàng làm như sau:
Khi rotor đang ở vị trí thẳng hàng với cuộn dây A, ta cấp điện cho cuộn B và vẫn giữ nguyên cuộn A. Khi đó rotor sẽ quay đến vị trí ngay giữa 2 cuộn dây này, hay nói cách khác nó đã quay một góc 15 độ.
Hình 7: Vị trí rotor nằm giữa hai cuộn dây A và B [2]
Tiếp theo ta ngắt điện cuộn dây A, rotor sẽ quay 1 góc 15 độ thẳng hàng với cuộn B
Hình 8: Vị trí rotor thẳng hàng với cuộn dây B [2]
Cứ thực hiện tương tự như trên, ta đã điều khiển được động cơ quay nửa bước.
4. ĐỘNG CƠ BƯỚC LAI (HYBRID STEPPER MOTOR)
Như đã đề cập ở phần đầu, động cơ bước thường được sử dụng hiện nay là động cơ bước có bước 1,8 độ. Đó thuộc loại động cơ bước hỗn hợp/lai (hybrid stepper motor). Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu về động cơ bước lai có bước 1,8 độ.
4.1. Cấu tạo
- Rotor: được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu với 2 nắp đậy 2 đầu được làm từ thép có biên dạng hình tròn gồm nhiều răng (50 răng). Vì thế nên rotor có một đầu là cực Nam còn 1 đầu là cực Bắc.
Hình 9: Cấu tạo của rotor trong động cơ bước lai [2]
- Stator: gồm các cuộn dây tương ứng với 48 răng.
Hình 10: Cấu tạo stator trong động cơ bước lai [2]
Sự sắp xếp hoàn hảo giữa các răng của rotor và stator: các cặp răng màu đỏ của stator thẳng hàng với rotor, ngược lại thì các cặp răng màu vàng không thẳng hàng với stator, các cặp răng màu lục và lam thẳng hàng một nửa với rotor.
Hình 11: Sự sắp xếp các răng của rotor và stator trong động cơ bước lai [2]
4.2. Nguyên lý hoạt động
Các cuộn dây của stator được nối lại thành 2 cuộn A, B. Đó là lý do vì sao chúng ta thường thấy động cơ bước có 4 dây. Giả sử rằng cực của rotor đang là cực Nam. Khi cuộn dây A được cấp điện, các cực từ được hình thành như hình dưới:
Hình 12: Vị trí ban đầu của rotor khi cuộn A được cấp điện [2]
Các cặp răng màu đỏ và rotor có cực khác nhau nên hút nhau, vì thế chúng thẳng hàng. Còn các cặp răng màu vàng và các răng trên rotor đẩy nhau nên chúng không thẳng hàng.
Khi ta ngắt điện cho cuộn A và cấp cho cuộn B
Hình 13: Rotor quay một góc để thẳng hàng với các cặp răng màu lam
Khi đó, rotor sẽ quay 1 góc để nó thẳng hàng với các cặp răng màu lam đang là cực Bắc. Góc quay này chính bằng 1,8 độ [2].
Động cơ bước hybrid cũng có thể áp dụng các cách điều khiển nửa bước hay vi bước tương tự như động cơ bước biến từ trở [3].
5. TỔNG KẾT
Trên đây là toàn bộ cách hoạt động cũng như cấu tạo của động cơ bước mà TickLab đã chia sẻ cho các bạn. Nhờ vào cách điều khiển động cơ quay theo từng bước mà động cơ bước có được những ưu điểm như sau:
- Điều khiển vòng hở đơn giản
- Độ chính xác cao
- Giá thành rẻ
Vì thế nên chúng được ứng dụng trong các công việc đòi hỏi độ chính xác cao và đơn giản như: chuyển động của cánh tay robot, chuyển động của các máy CNC,...Bên cạnh đó do cách điều khiển vòng hở nên động cơ bước sẽ dễ bị trượt bước khi quá tải hoặc khi quay ở tốc độ cao, momen yếu. Vì vậy nên tùy vào ứng dụng cụ thể mà ta lựa chọn loại động cơ và cách điều khiển cho phù hợp.
6. THAM KHẢO
[1] vi.wikipedia.org, ‘Động cơ bước’. [Online]. Available: https://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90%E1%BB%99ng_c%C6%A1_b%C6%B0%E1%BB%9Bc
[2] How does a Stepper Motor work ?. Lesics, 2016 How does a Stepper Motor work ?
[3] robotpark.com, ‘Stepper Motor Working Principle’, 2016. [Online]. Available: http://www.robotpark.com/Stepper-Motor-Working