Động Cơ Bước: Khái Niệm, Phân Loại, Nguyên Lý Hoạt Động

1. Động cơ bước là gì?

Động cơ bước, hay còn gọi là Step Motor là gì? Theo Wikipedia, động cơ bước là một loại động cơ sử dụng điện nhưng có nguyên lý và ứng dụng vô cùng khác biệt so với các loại động cơ điện 1 pha và động cơ điện 3 pha thông thường. 

Thực chất, đây là một loại động cơ đồng bộ, có khả năng biến đổi các tín hiệu điều khiển của máy móc dưới dạng các xung điện rời rạc được phát ra kế tiếp nhau, tạo thành các chuyển động góc quay. Đôi khi chính là các chuyển động của rôto, giúp cho người dùng cố định roto của máy vào trong các vị trí cần thiết.

Nói chung, động cơ bước (motor bước) là một loại động cơ mà các bạn có thể quy định được tần số góc quay của nó. Nếu góc bước của nó càng nhỏ thì số bước trên mỗi vòng quay của động cơ càng lớn và độ chính xác của vị trí chúng ta thu được càng lớn. 

Các góc bước của động cơ có thể đạt cực đại là 90 độ và cực tiểu đến 0,72 độ. Tuy nhiên, các góc bước của động cơ thường được sử dụng phổ biến nhất là góc 1,8 độ, góc 2,5 độ, góc 7,5 độ và góc 15 độ. 

Ví dụ: Một động cơ bước có góc 1,8 độ/ bước nếu quay hết 1 vòng khoảng 360 độ thì mất 200 bước (thuật ngữ chuyên ngành gọi là Full Step). Các chế độ quay càng nhiều xung thì động cơ quay của máy sẽ càng êm hơn. Ở Việt Nam, người ta hay dùng phổ biến nhất là động cơ 200 step.

2. Phân loại động cơ bước

Các loại động cơ bước được phân chia dựa theo các tiêu chí dưới đây:

a) Phân loại dựa vào số pha của động cơ

• Động cơ bước 2 pha sẽ tương ứng với 1 góc bước khoảng 1.8 độ.
• Động cơ Step 3 pha sẽ tương ứng với 1 góc bước là 1.2 độ.
• Động cơ Step 5 pha sẽ tương ứng với góc bước là 0.72 độ.

b) Phân loại động cơ bước dựa vào rotor

• Động cơ bước có rotor được làm bằng dây quấn hoặc sử dụng nam châm vĩnh cửu.
• Động cơ bước thay đổi từ trở. Đây là 1 loại động cơ có roto không được tác động nhưng lại có phần tử cảm ứng.

c) Phân loại tùy thuộc vào cực của động cơ

• Động cơ bước đơn cực.
• Động cơ bước lưỡng cực.

3. Cấu tạo động cơ bước

Cấu tạo của động cơ bước gồm: Rotor và stato.

• Rotor thực ra chính là một dãy các lá nam châm vĩnh cửu, chúng được sắp xếp chồng lên nhau một cách kỹ lưỡng, cẩn thận. Trên các lá nam châm này lại được chia thành các cặp cực sắp xếp đối xứng với nhau.
• Stato được cấu tạo bằng sắt từ, chúng được chia thành các rãnh nhỏ để đặt cuộn dây.

4. Thông số motor bước

Thông thường, mỗi motor step có một bộ phận quan trọng nhất, nếu bạn hỏi mua bán 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:

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)

5. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước như thế nào?

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.

Hiện nay, có 4 phương pháp để điều khiển động cơ bước được sử dụng phổ biến nhất, đó là:

• Điều khiển động cơ bước dạng sóng (Wave): Đây là phương pháp điều khiển cấp xung cho bộ điều khiển, hoạt động lần lượt theo đúng thứ tự nhất định cho từng cuộn dây pha.
• Điều khiển động cơ bước đủ (Full step): Đây là phương pháp điều khiển cấp xung cùng lúc, đồng thời cho cả 2 cuộn dây pha được sắp xếp kế tiếp nhau.
• Điều khiển động cơ nửa bước (Half step): Chính là phương pháp điều khiển kết hợp cả 2 phương pháp điều khiển động cơ dạng sóng và điều khiển động cơ bước đủ. Khi điều khiển động cơ theo phương pháp này thì giá trị của góc bước nhỏ hơn 2 lần và số bước của động cơ bước cũng sẽ tăng lên 2 lần so với phương pháp điều khiển bằng động cơ bước đủ. Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này có bộ phát xung điều khiển vô cùng phức tạp.
• Điều khiển động cơ vi bước (Microstep): Đây là phương pháp mới, chỉ được áp dụng trong quá trình điều khiển động cơ bước. Từ đó, cho phép động cơ bước dừng lại và định vị trong khoảng vị trí nửa bước chính giữa 2 bước đủ. 

Ưu điểm dễ thấy của phương pháp này chính là động cơ có thể hoạt động hiệu quả với góc bước nhỏ và độ chính xác rất cao. Do xung cấp của động cơ có dạng sóng nên máy sẽ hoạt động êm hơn, hạn chế được các vấn đề cộng hưởng lực mỗi khi động cơ hoạt động.

6. Ứng dụng của động cơ bước

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 các thiết bị máy móc cần phải có sự chính xác. Chẳng hạn như các loại máy móc 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,… 

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.

7. Ưu – nhược điểm của động cơ bước

Nắm được những ưu – nhược điểm của động cơ bước sẽ giúp cho chúng ta ứng dụng loại động cơ này vào trong sản xuất một cách tốt nhất, đem lại giá trị kinh tế cao. Vậy, ưu – nhược điểm của động cơ bước hiện nay có gì đáng bàn?

Ưu điểm “đáng đồng tiền bát gạo” của động cơ bước đó là:

• Step Motor có ưu điểm đầu tiên là khả năng cung cấp mô men xoắn cực lớn, đặc biệt là ở dải vận tốc thấp và vận tốc trung bình.
• Một “điểm cộng” nữa của động cơ bước trên thị trường hiện nay đó là nó khá bền, giá thành sản phẩm cũng tương đối thấp, do đó việc mua bán, trao đổi cũng khá thuận tiện, không gặp bất kỳ một trở ngại nào. Không chỉ có vậy, việc thay thế động cơ bước trong quá trình sản xuất cũng tương đối dễ dàng.

Nhược điểm của động cơ bước:

• Motor Step hay xảy ra các hiện tượng khó chịu, chẳng hạn như bị trượt bước. Lý do được biết đến đó là vì lực từ yếu hay đôi khi còn do nguồn điện cấp vào động cơ không đủ.
• Một “điểm trừ” nữa đó là trong quá trình hoạt động, động cơ Step Motor thường gây ra tiếng ồn ào khó chịu và có hiện tượng động cơ bị nóng dần lên. Với những động cơ Step Motor thế hệ mới thì độ ồn và hiện tượng nóng của động cơ đã được giảm đi đáng kể.
• Không nên sử dụng động cơ Step Motor cho các thiết bị máy móc đòi hỏi tốc độ cao.

8. Ứng dụng động cơ bước trong các dự án DIY:

8.1 Máy in 3D:

• Sử dụng động cơ bước để điều khiển chuyển động của đầu phun và đế in.
• Động cơ bước Nema 17 thường được sử dụng cho máy in 3D nhỏ.
• Lựa chọn driver phù hợp với loại động cơ bước và bo mạch điều khiển.
• Cài đặt phần mềm điều khiển và cấu hình các thông số in ấn.

8.2 Máy CNC:

• Sử dụng động cơ bước để điều khiển chuyển động của trục X, Y, Z.
• Động cơ bước Nema 23 thường được sử dụng cho máy CNC cỡ vừa.
• Lựa chọn driver có khả năng cung cấp đủ mô men xoắn cho động cơ.
• Cài đặt phần mềm điều khiển và lập trình các lệnh di chuyển cho máy CNC.

8.3 Robot mini:

• Sử dụng động cơ bước để điều khiển chuyển động của các khớp robot.
• Động cơ bước Nema 17 hoặc nhỏ hơn thường được sử dụng cho robot mini.
• Lựa chọn driver có kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ.
• Cài đặt phần mềm điều khiển và lập trình các hành động cho robot.

Ngoài ra, động cơ bước còn được ứng dụng trong nhiều dự án DIY khác như:

• Máy cắt laser mini
• Máy vẽ tranh tự động
• Hệ thống tưới nước tự động
• Cánh tay robot điều khiển bằng cử chỉ
• Cổng tự động

Lưu ý:

• Khi thực hiện các dự án DIY, cần tuân thủ các nguyên tắc an toàn để tránh tai nạn.
• Tham khảo các hướng dẫn chi tiết và tài liệu kỹ thuật để thực hiện dự án thành công.

9. Cách lựa chọn động cơ bước:

• Kích thước: Lựa chọn kích thước phù hợp với nhu cầu sử dụng:
  • Nema 17: Máy in 3D nhỏ, robot mini
  • Nema 23: Máy CNC cỡ vừa, máy cắt laser
  • Nema 34: Máy CNC cỡ lớn, máy công nghiệp
• Mô men xoắn: Lựa chọn mô men xoắn đủ lớn để đáp ứng yêu cầu của ứng dụng:
  • Mô men xoắn thấp: Máy in 3D, robot mini
  • Mô men xoắn trung bình: Máy CNC cỡ vừa
  • Mô men xoắn cao: Máy CNC cỡ lớn, máy cắt kim loại
• Góc bước: Lựa chọn góc bước phù hợp với độ chính xác cần thiết:
  • Góc bước lớn: Máy CNC tốc độ cao
  • Góc bước nhỏ: Máy in 3D, máy CNC cần độ chính xác cao
• Số pha: Lựa chọn số pha phù hợp với yêu cầu về độ ồn và độ rung:
  • 2 pha: Độ ồn thấp, giá thành rẻ
  • 3 pha: Độ rung thấp, mô men xoắn cao
  • 5 pha: Độ chính xác cao, độ ồn và rung thấp

10. So sánh với các loại động cơ khác:

Loại động cơ	Ưu điểm	Nhược điểm
Động cơ bước	Giá thành rẻ, điều khiển đơn giản, độ chính xác cao	Độ ồn cao, tốc độ quay thấp
Động cơ servo	Tốc độ cao, độ chính xác cao, độ ồn thấp	Giá thành cao, điều khiển phức tạp
Động cơ DC	Giá thành rẻ, điều khiển đơn giản	Độ chính xác thấp, độ ồn cao

11. Lời khuyên sử dụng:

• Sử dụng nguồn điện phù hợp với thông số kỹ thuật của động cơ bước.
• Sử dụng driver phù hợp để điều khiển động cơ bước hiệu quả.
• Lắp đặt động cơ bước đúng cách, đảm bảo độ chính xác và ổn định.
• Bảo trì động cơ bước định kỳ để kéo dài tuổi thọ.
• Tham khảo tài liệu hướng dẫn sử dụng của nhà sản xuất.

12. Tương lai của động cơ bước:

12.1 Xu hướng phát triển:

• Động cơ bước có kích thước nhỏ gọn, tích hợp cao và độ chính xác cao.
• Tăng hiệu suất và giảm tiếng ồn của động cơ bước.
• Phát triển các loại driver thông minh và dễ sử dụng.

12.2 Ứng dụng tiềm năng:

• Công nghiệp 4.0: Sử dụng động cơ bước trong các hệ thống tự động hóa, robot và máy móc thông minh.
• Robot: Sử dụng động cơ bước trong các robot có kích thước nhỏ gọn và độ chính xác cao.
• Xe tự hành: Sử dụng động cơ bước trong các hệ thống điều khiển hướng và phanh của xe.