Cách chọn Stepper Motor phù hợp cho dự án công nghiệp

Động cơ bước – Stepper Motor là gì?
Động cơ bước – Stepper Motor là một thiết bị cơ điện đạt được chuyển động cơ học thông qua việc chuyển đổi các xung điện. Động cơ bước được điều khiển bằng xung kỹ thuật số thay vì điện áp liên tục được áp dụng. Không giống như động cơ điện thông thường quay liên tục, động cơ bước quay hoặc “bước”, theo các gia số góc cố định. Động cơ bước thường được sử dụng nhất để điều khiển vị trí. Một khía cạnh quan trọng của động cơ bước là không có phản hồi để duy trì kiểm soát vị trí, điều này phân loại động cơ bước thành hệ thống vòng hở.
Sơ đồ hệ thống động cơ bước

Cấu hình động cơ bước – Stepper Motor
Các thành phần chính của động cơ bước là trục, rotor và stato, nam châm, ổ trục, dây đồng và dây chì, vòng đệm và nắp trước và nắp cuối. Trục thường được làm bằng kim loại thép không gỉ, trong khi các lớp stato và rotor được làm bằng thép silic. Thép silic cho phép điện trở suất cao hơn, giúp giảm tổn thất lõi. Các nam châm khác nhau có sẵn trong động cơ bước cho phép cân nhắc nhiều về kết cấu. Nam châm có thể là nhựa ferit, ferit thiêu kết và nam châm liên kết Nd-Fe-B. Các ổ trục thay đổi tùy theo kích thước động cơ. Vật liệu vỏ được làm bằng nhiều kim loại khác nhau như nhôm, có khả năng chịu nhiệt cao
Động cơ bước hoạt động như thế nào?
Công dụng chính của động cơ bước là điều khiển chuyển động, dù là chuyển động tuyến tính hay chuyển động quay. Trong trường hợp chuyển động quay, việc nhận xung kỹ thuật số theo trình tự chính xác cho phép trục quay theo các bước tăng dần rời rạc. Một xung (còn được gọi là tín hiệu đồng hồ hoặc bước) có thể được tạo ra bởi bộ vi xử lý, timing logic,… Một chuỗi xung kỹ thuật số chuyển thành các vòng quay của trục. Mỗi vòng quay cần một số xung nhất định, mỗi xung bằng một bước tăng dần hoặc một vòng quay, chỉ là một phần của một vòng quay hoàn chỉnh.
Có nhiều mối quan hệ giữa các xung đầu vào và vòng quay của trục động cơ. Một mối quan hệ như vậy là mối quan hệ giữa chuỗi xung được áp dụng và hướng quay. Khi các xung tuần tự thích hợp được truyền đến thiết bị, trục sẽ quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Một mối quan hệ khác giữa các xung đầu vào và vòng quay của động cơ là mối quan hệ giữa tần số và tốc độ. Tăng tần số xung đầu vào sẽ làm tăng tốc độ quay của trục.
Phân loại động cơ bước
Động cơ bước thay đổi tùy theo ứng dụng về cấu tạo và chức năng. Ba loại động cơ bước phổ biến nhất là: Động cơ bước từ trở biến thiên, Động cơ nam châm vĩnh cửu và Động cơ bước hỗn hợp (Hybrid).

Cách chọn Stepper Motor phù hợp cho dự án công nghiệp
Có một số tiêu chí quan trọng liên quan đến việc lựa chọn động cơ bước phù hợp:

• Chuyển động cơ học mong muốn
• Tốc độ
• Tải
• Chế độ bước
• Cấu hình cuộn dây

Với các xung logic đầy đủ, động cơ bước có thể là động cơ hai chiều, đồng bộ, cung cấp khả năng tăng tốc nhanh, chạy/dừng và dễ dàng giao tiếp với các cơ chế kỹ thuật số khác. Được đặc trưng bởi mô men quán tính rotor thấp, không trôi và lỗi định vị không tích lũy, động cơ bước là giải pháp tiết kiệm chi phí cho nhiều ứng dụng điều khiển chuyển động.

Động cơ bước được vận hành mà không có phản hồi, theo kiểu vòng hở và đôi khi có hiệu suất tương đương với các hệ thống servo DC đắt tiền hơn. Như đã đề cập trước đó, độ không chính xác duy nhất liên quan đến động cơ bước là lỗi định vị không tích lũy được đo bằng % góc bước. Thông thường, động cơ bước được sản xuất với độ chính xác bước trong khoảng 3-5%.

Nhà thiết kế hệ thống nên điều chỉnh các đặc tính của các thành phần mà mình kiểm soát để đáp ứng các thông số kỹ thuật thiết kế. Các yếu tố cần được xem xét bao gồm các lựa chọn động cơ bước, trình điều khiển và nguồn điện, cũng như truyền động cơ học, chẳng hạn như bánh răng hoặc giảm trọng lượng tải thông qua việc sử dụng các vật liệu thay thế. Một số mối quan hệ và thông số hệ thống này được mô tả trong hướng dẫn này.

• Tải trọng quán tính

Quán tính là thước đo sức cản của vật thể đối với sự thay đổi vận tốc. Quán tính của vật thể càng lớn thì mô men xoắn cần thiết để tăng tốc hoặc giảm tốc càng lớn. Quán tính là hàm số của khối lượng và hình dạng của vật thể. Nhà thiết kế hệ thống có thể muốn chọn hình dạng thay thế hoặc vật liệu có mật độ thấp để có hiệu suất tối ưu. Nếu có một lượng mô men xoắn hạn chế trong hệ thống đã chọn, thì thời gian tăng tốc và giảm tốc phải tăng lên. Chúng tôi khuyến nghị rằng tỷ lệ giữa quán tính của hệ thống và quán tính của rôto không vượt quá 10:1. Có thể sử dụng hộp số để giúp đạt được tỷ lệ này.

• Tải trọng ma sát

Tất cả các hệ thống cơ học đều thể hiện một lực ma sát nào đó. Người thiết kế hệ thống động cơ bước phải có khả năng dự đoán các yếu tố gây ra ma sát bên trong hệ thống. Các yếu tố này có thể ở dạng lực cản ổ trục, ma sát trượt, hao mòn hệ thống hoặc độ nhớt của hộp số chứa đầy dầu (phụ thuộc vào nhiệt độ). Động cơ bước được chọn phải có khả năng khắc phục mọi ma sát hệ thống trong khi vẫn cung cấp mô-men xoắn cần thiết để tăng tốc tải quán tính.

• Độ phân giải của vị trí

Độ phân giải vị trí theo yêu cầu của ứng dụng có thể ảnh hưởng đến loại truyền động được sử dụng và/hoặc lựa chọn trình điều khiển động cơ bước.

Ví dụ: Vít dẫn có 5 ren/inch trên bộ truyền động cung cấp 0,001 inch/bước; nửa bước cung cấp 0,0005 inch/bước; độ phân giải bước nhỏ 25.400 bước/vòng cung cấp 0,0000015 inch/bước.