Động cơ bước - STEP MOTOR - Điện

1. Cấu tạo động cơ bước

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các loại động cơ điện thông thường.Chúng thực chất là một động cơ 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 và có khả năng cố định Rotor vào những vị trí cần thiết.

Như hình 1 minh họa: bên trong động cơ bước có 4 cuộn dây Stator được sắp xếp theo cặp đối xứng qua tâm. Rotor là nam châm vĩnh cửu có nhiều răng. Động cơ bước hoạt động trên cơ sở lý thuyết điện - từ trường : các cực cùng dấu đẩy nhau và các cực khác dấu hút nhau. Chiều quay được xác định bởi từ trường của Stator, mà từ trường này là do dòng điện chạy qua lõi cuộn dây gây nên. Khi hướng của dòng thay đổi thì cực từ trường cũng thay đổi theo, gây nên chuyển động ngược lại của động cơ (đảo chiều).

Hình 1: Bên trong động cơ bước

Động cơ bước làm việc được là nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào Stator theo một thứ tự nhất định và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của Rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của Rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.

Nếu xét trên phương diện dòng điện, khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây Stator (phần ứng) của động cơ bước, thì Rotor (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Ở đây ta có thể định nghĩa về góc bước (Step Angle) là độ quay nhỏ nhất của một bước do nhà sản xuất quy định.

Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì Rotor sẽ quay liên tục (thực chất chuyển động đó vẫn theo các bước rời rạc).

Hình 2 :Cấu tạo của động cơ bước

Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện (hay thiết bị) số (Digital Device) mà ở đó các thông tin được số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theo từng bước. Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá mà máy tính yêu cầu.

Hình 3 :Một xung tương ứng với một bước của rôto (1 xung – 1 bước)

Hình 4 :Mô tả tương quan giữa quá trình điện và quá trình cơ của động cơ bước

2.Nguyên lý làm việc chung của động cơ bước

Khác với động cơ đồng bộ thông thường, Rotor của động cơ bước không có cuộn dây khởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số, Rotor của động cơ bước có thể được kích thích (Rotor tích cực) hoặc không được kích thích (Rotor thụ động).

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

Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây Stator theo từng cuộn riêng lẻ, hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số cũng như chiều của lực điện từ tổng F phụ thuộc vào vị trí của các lực điện từ thành phần. Do đó vị trí Rotor của động cơ bước trong không gian, hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây:

Hình 5 :Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với Roto 2 cực và các lực điện từ khi điều khiển bằng xung 1 cực

Hình 5 vẽ sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với Rotor có 2 cực (2p=2) và không được kích thích. Nếu các cuộn dây của động cơ bước được cấp điện cho từng cuộn dây riêng lẻ theo thứ tự 1, 2, 3, … m, bởi xung 1 cực, thì Rotor của động cơ bước có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình 5a).

Để tăng cường lực điện từ tổng của Stator do đó tăng từ thông và moment đồng bộ, ta cấp điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây. Lúc đó Rotor của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với vector lực điện từ tổng F. Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ thành phần của các cuộn dây Stator (hình 5b, 5c).

Hình b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số chẵn cuộn dây (2 cuộn dây). Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị trí chính giữa hai trục của hai cuộn dây.

Hình 5c vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số lẻ cuộn dây (3 cuộn dây). Lực điện từ tổng F nằm trùng với trục của một cuộn dây và cũng có trị số lớn hơn.

Tóm lại, trong cả hai trường hợp cấp điện cho một số chẵn cuộn dây và cấp điện cho một số lẻ cuộn dây, Rotor của động cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch giữa hai vị trí liên tiếp của Rotor bằng 2π/m.

Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây (ví dụ, kết hợp giữa hình 5b và 5c), hay nghĩa là số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn thay đổi từ chẵn sang lẻ và ngược lại, thì số vị trí cân bằng của Rotor sẽ tăng lên gấp đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi một nửa bằng 2π/m . Trường hợp này được gọi là điều khiển không đối xứng, hay điều khiển nửa bước (half step).

Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn cuộn dây hoặc một số lẻ cuộn dây, ví dụ hình 5b hoặc hình 5c) thì Rotor có m vị trí cân bằng và được gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cả bước (full step).