Chuyên Đề nghiên cứu tìm hiểu Động cơ bước ( step motor )

Bên cạnh đó, chúng tôi cũng sẽ xem xét các phương pháp điều khiển động cơ bước và ứng dụng cụ thể của động cơ bước trong thực tế.. Nghiên cứu động cơ bước giúp nâng cao kiến thức về các

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

-Chuyên đề:

NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ BƯỚC ( STEP MOTOR )

Giáo viên hướng dẫn: ThS Hoàng Duy Khang

Sinh viên thực hiện:

Lê Quang Hùng – 63TĐH2 Hoàng Văn Đức – 63TĐH2 Nguyễn Chung Giang – 63TĐH2 Phạm Đức Hoàng – 63TĐH2 Nguyễn Hữu Hoàng – 63TĐH2

Hà Nội, 6/2024

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ bước (step motor) là một trong những thành phần quan trọng và phổ biến trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển hiện đại Khả năng điều khiển chính xác vị trí, tốc độ,

và mô-men xoắn của động cơ bước đã mở ra nhiều ứng dụng rộng rãi từ các hệ thống máy tính, thiết bị y tế, cho đến robot công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác

Trong tiểu luận này, chúng tôi sẽ nghiên cứu chi tiết về động cơ bước, bao gồm nguyên lý hoạt động, cấu trúc và các loại động cơ bước phổ biến Bên cạnh đó, chúng tôi cũng sẽ xem xét các phương pháp điều khiển động cơ bước và ứng dụng cụ thể của động cơ bước trong thực tế Qua đó, giúp người đọc hiểu rõ hơn về loại động cơ này và có thể lựa chọn, sử dụng động cơ bước phù hợp cho các ứng dụng cụ thể

Qua quá trình nghiên cứu, chúng tôi hy vọng có thể cung cấp một cái nhìn toàn diện và sâu sắc về động cơ bước, từ đó giúp độc giả hiểu rõ hơn về vai trò và tiềm năng của loại động

cơ này trong ngành công nghiệp hiện đại Đồng thời, chúng tôi cũng hy vọng tiểu luận này

sẽ là nguồn tài liệu hữu ích cho những ai đang tìm hiểu hoặc nghiên cứu về động cơ bước

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo đã hỗ trợ và đóng góp ý kiến quý báu trong quá trình thực hiện tiểu luận này Hy vọng rằng tiểu luận sẽ nhận được sự đón nhận và phản hồi tích cực từ quý độc giả

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Nhóm đã từng nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển Nhúng cho động cơ DC trên nền tảng MATLAB/SIMULINK

Tuy nhiên sau khi nhìn các đề tài thì nhóm thấy được Ưu việt trong các trong đề tài là động cơ bước ( Step Motor ) Động cơ bước là một đề tài nghiên cứu hấp dẫn, có tính ứng dụng rộng rãi và tiềm năng phát triển lớn Ngoài ra có tính ứng dụng rộng rãi, ưu điểm vượt trội và lợi ích thiết thực Nghiên cứu động cơ bước giúp nâng cao kiến thức về các hệ thống

tự động hóa, điều khiển chuyển động, góp phần phát triển các thiết bị tự động hóa, điều khiển chuyển động có độ chính xác cao, hiệu quả hơn, đồng thời nâng cao năng lực cạnh tranh của các doanh nghiệp trong lĩnh vực tự động hóa

5

1 Khái niệm chung

- Động cơ bước ( Step Motor - Stepper Motor hay Stepping Motor ) là một thiết bị

cơ điện, nó chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng Ngoài ra, nó là một động

cơ điện không chổi than, đồng bộ, có thể chia một vòng quay đầy đủ thành một

số bước mở rộng Trục của động cơ quay qua một góc cố định cho mỗi xung rời rạc Khi một chuỗi xung được áp dụng, nó sẽ được chuyển qua một góc nhất định Góc mà trục động cơ bước quay cho mỗi xung được gọi là góc bước, thường được biểu thị bằng độ

- Nếu góc bước càng nhỏ thì số bước trên mỗi vòng quay càng lớn và độ chính xác của vị trí thu được càng lớn Các góc bước có thể lớn tới 90 độ và nhỏ đến 0,72

độ, tuy nhiên, các góc bước thường được sử dụng là 1,8 độ, 2,5 độ, 7,5 độ và 15

Hình 1: Động cơ bước

2 Cấu tạo

Gồm 2 thành phần chính: Phần quay( Rotor) và được bao quanh là phần tĩnh ( Stator)

Hình 2: Cấu tạo Động cơ bước

3 Nguyên lý làm việc

- Nguyên lý hoạt động động cơ bước không quay theo các cơ chế thông thường, bởi vì Step motor quay theo từng bước một, cho nên nó có một độ chính xác cao, đặc biệt là về mặt điều khiển học

- Động cơ motor bước làm việc nhờ vào hoạt động của các bộ chuyển mạch điện

tử Các mạch điện tử này sẽ đưa các tín hiệu của lệnh điều khiển chạy vào stato theo số thứ tự lần lượt và một tần số nhất định

Tổng số góc quay của từng con rotor tương ứng với số lần mà động cơ được chuyển mạch Đồng thời, chiều quay và tốc độ quay của con rotor còn phụ thuộc vào số thứ tự chuyển đổi cũng như tần số chuyển đổi của nó

4 Phương trình Đặc Tính Cơ

- Phương trình đặc tính tốc độ-mô men(ĐTCơ):

ω=V t

Kϕ− Ra

( Kϕ)2T d

5 Ảnh hưởng của các tham số lên ĐTC

- Ở chế độ xác lậpT d =T mvà tại giá trị nhất định củaT m, tốc độ sẽ giảm một lượng

là∆ ω so với ω0

∆ ω= R a ( Kϕ)2T m

- Tốc độ động cơ với mômen tải Tm sẽ là

ω =ω0−Δω= V t

Kϕ−T d

|β|

- Với β là Độ cứng Đặc tính cơ

+ ĐTC tự nhiên có β tn=−( Kϕ)2

/ Ra

+ ĐTC nhân tạo có β đc =−( Kϕ)2

/( R a +R p)

*Chú ý: với động cơ lớn (>10Hp), điện trở 𝑅 𝑎 nhỏ, dòng điện lớn, và độ rơi tốc độ 𝛥𝜔 là nhỏ và

tốc độ hầu như không thay đổi

6 Các phương pháp điều khiển tốc độ và hãm

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

6.1 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

6.2 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

6.3 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

6.4 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

7 Dải động cơ công suất và các nhà cung cấp

- Thông thường, mỗi motor step có một bộ phận quan trọng nhất, nếu bạn hỏi mua động cơ bước thì chắc chắn phải hỏi đầu tiên Đó là, động cơ bước thường có bao

nhiêu step Theo như thông tin từ nhà sản xuất, động cơ bước trên thị trường Việt Nam hiện nay đang được giới DIY tin dùng có số step là 200

- Ngoài ra, động cơ bước còn có các thông số khác, cụ thể như:

Rated Current/ phase (dòng tiêu thụ tối đa của mỗi pha) 2.0 A

Voltage (hiệu điện thế dòng điện) 2.8 V

- Trong đó, tham số Rated Current/ phase sẽ thể hiện cho bạn biết dòng điện tối đa

mà mỗi pha của động cơ có thể nhận được Nếu driver điều khiển nào có dòng điện mỗi pha cao hơn thông số nêu trên thì sẽ hỏng Do đó, bạn nên lựa loại driver cho dòng điện chạy ra xấp xỉ 80 – 90% thông số trên đây

- Điện trở mỗi pha được xem là hằng số (các bạn có thể xem trong datasheet của động cơ bước mà mình đã mua) Còn con số voltage được xem là hiệu điện thế tối ưu để làm cho các stepper có thể hoạt động ổn định (2.0 * 1.4 = 2.8V)

8 Ứng dụng

Động cơ bước hiện nay đã và đang được ứng dụng rất nhiều và ngày càng phổ biến, chủ yếu là trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số của các động cơ Nó được thực hiện bởi các lệnh đã được mã hoá tự động dưới dạng số

Ứng dụng động cơ bước trong ngành công nghiệp tự động hoá, đặc biệt là đối với

công nghiệp hiện đại, giúp phục vụ cho quá trình gia công cơ khí như: Máy cắt công nghệ plasma CNC, máy cắt công nghệ CNC laser,…

Ứng dụng động cơ bước nhiều nhất trong ngành công nghiệp tự động hoá

Ngoài ra, trong lĩnh vực công nghệ máy tính, động cơ bước Step cũng được sử dụng trong các loại ổ đĩa cứng hoặc ổ đĩa mềm, thậm chí là cả máy in,…

Trong lĩnh vực an ninh bảo mật, động cơ bước chính là một sản phẩm giám sát mới, đem lại tiến bộ vượt trội cho ngành an ninh

Trong lĩnh vực tế, động cơ bước được sử dụng để sản xuất máy quét y tế, máy lấy mẫu, thậm chí còn có bên trong máy chụp ảnh nha khoa kỹ thuật số, những chiếc bơm chất lỏng, mặt nạ phòng độc và các loại máy móc phân tích mẫu máu

Trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, động cơ bước được dùng trong quá trình chế tạo máy ảnh, đem lại chức năng lấy nét chính xác và sắc sảo cho máy ảnh, đồng thời có chức năng thu phóng các loại camera kỹ thuật số tự động hay các loại máy in 3D Thiết bị quân sự: Vũ khí, thiết bị bay không người lái,

KẾT LUẬN

Qua quá trình nghiên cứu và tìm hiểu về động cơ bước (step motor), chúng tôi đã đạt được những kết quả và hiểu biết quan trọng sau:

- Tìm hiểu được thế nào là động cơ bước

- Hiểu rõ Cấu tạo của động cơ bước

- Hiểu Rõ Nguyên Lý Hoạt Động: Chúng tôi đã nắm vững nguyên lý hoạt động của động cơ bước, từ cách tạo ra các bước di chuyển đến cơ chế điều khiển bằng các xung điện Điều này giúp làm rõ cách động cơ bước có thể điều khiển chính xác vị trí và tốc độ

- Tìm hiểu phương trình đặc tính cơ cũng như ảnh hưởng của các tham số lên đặc tính cơ

- Phân Loại và Đặc Điểm: Động cơ bước có nhiều loại, bao gồm động cơ bước từ trở, động cơ bước vĩnh cửu và động cơ bước hỗn hợp Mỗi loại có những đặc điểm và ứng dụng riêng, phù hợp với các yêu cầu khác nhau của hệ thống điều khiển

- Phương Pháp Điều Khiển: Các phương pháp điều khiển động cơ bước, từ đơn giản như điều khiển vòng mở đến phức tạp như điều khiển vòng kín với phản hồi

vị trí, đã được phân tích chi tiết Điều này giúp hiểu rõ hơn về cách tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác của động cơ bước

- Dải động cơ công suất và các nhà cung cấp

- Ứng Dụng Thực Tiễn: Động cơ bước được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như tự động hóa, robot, y tế và sản xuất công nghiệp Các ứng dụng cụ thể

đã được nghiên cứu để minh họa vai trò quan trọng của động cơ bước trong việc nâng cao hiệu quả và độ chính xác của các thiết bị và hệ thống

Nghiên cứu về động cơ bước đã cung cấp một cái nhìn toàn diện và sâu sắc về loại động cơ quan trọng này Hiểu rõ nguyên lý hoạt động, phương pháp điều khiển và ứng dụng thực tiễn của động cơ bước không chỉ nâng cao kiến thức và kỹ năng kỹ thuật của chúng tôi mà còn mở ra nhiều cơ hội để áp dụng vào các dự án công nghệ

và công nghiệp trong tương lai.