Động cơ bước là gì ? Cấu tạo và hoạt động của động cơ bước
Động cơ bước được sử dụng nhiều trong hệ thống di chuyển bàn máy của máy cắt CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC, máy xung, máy cắt dây EDM, máy khắc cắt laser, máy cắt Plasma CNC... Cùng tìm hiểu về cấu tạo, hoạt động và ứng dụng của động cơ bước bài viết dưới đây.
1. Động cơ bước là gì ?
Động cơ bước là một trong những loại động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa, di chuyển bàn máy của máy cắt CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC, máy xung, máy cắt dây EDM, máy khắc cắt laser, máy cắt Plasma CNC. Động cơ bước được thiết kế để di chuyển với các bước nhỏ và chính xác, do đó chúng thường được sử dụng để điều khiển các vị trí, tốc độ và hướng của các bộ phận trong các thiết bị và hệ thống.
Động cơ bước 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 rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết (theo Wikipedia định nghĩa về động cơ bước).
2. Phân loại động cơ bước
a. Dựa theo số pha : Động cơ bước phổ biến trên thị trường được chia thành 3 loại chính
Động cơ bước 2 pha : Có 4 dây hoặc 8 dây ra, góc bước 1.8º
Động cơ bước 3 pha : Có 3 dây ra, góc bước 1.2º
Động cơ bước 5 pha : Có 5 dây ra, góc bước 0.72º
Động cơ bước của hãng Sanyo Denki có 6 dây ra, tuy nhiên chúng ta có thể bỏ 2 chân chung đi và dùng như loại động cơ bước 2 pha 4 dây.
Góc bước cơ bản càng nhỏ thì số lượng cực từ trên roto càng lớn, ví dụ động cơ có góc bước 1.8º thì có 100 cặp cực từ. Do đó động cơ bước 5 pha là tốt nhất, rất bền về mặt vật lý, tuổi thọ cao, khả năng duy trì momen xoắn là dài nhất theo thời gian.
b. Dựa theo kích thước mặt bích hay là size của động cơ bước
Động cơ bước size 42 : Mặt bích 42mm x 42mm , thường là động cơ bước 2 pha
Động cơ bước size 57 : Mặt bích 57mm x 57mm, có loại động cơ bước 2 pha và động cơ bước 3 pha
Động cơ bước size 86 : Mặt bích 86mm x 86mm , có loại động cơ bước 2 pha và động cơ bước 3 pha
Động cơ bước size 110 : Mặt bích 110mm x 110mm, có loại động cơ bước 2 pha và động cơ bước 3 pha
Động cơ bước size 130 : Mặt bích 130mm x 130mm, thường là động cơ bước 3 pha
Ngoài ra động cơ bước của Nhật Bản như Sanyo Denki thì có size 60 và size 80
3. Cấu tạo động cơ bước
Cấu tạo của động cơ bước bao gồm roto là một dãy các lá nam châm vĩnh cửu xếp chồng lên nhau, trên các lá này lại chia thành các cặp cực đối xứng nhau. Stato được cấu tạo từ sắt từ trên đó có chia các rãnh để đặt cuộn dây( động cơ bước 2 pha có 4 cuộn dây). Khi cấp 1 xung điện vào cuộn dây trên stato thì roto sẽ quay 1 góc bằng góc bước cơ bản.
Động cơ bước có thể được điều khiển theo chế độ đầy bước, nửa bước hoặc vi bước, để rõ hơn lấy ví dụ về động cơ bước 2 pha phổ biến với góc bước 1.8 độ thì điều khiển đầy bước cần 200 xung (200 x 1.8 = 360 độ), nửa bước là 400 xung, vi bước thì cần 1000, 2000 xung... tùy theo driver có thể điều khiển tới vi bước 1/256 tức 51.200 xung/vòng. Vi bước càng nhỏ thì động cơ bước hoạt động càng êm, mịn và chính xác tuy nhiên nếu chạy với độ phân giải quá cao thì tốc độ lớn nhất của động cơ sẽ giảm xuống.
Một loại step 2 pha của cnc3ds
Step 5 pha Vexta
4. Thông số của động cơ bước
Motor bước có nhiều thông số kĩ thuật, tuy nhiên khi lựa chọn mua motor bước chúng ta cần quan tâm các thông số sau đây :
- Momen xoắn trên trục động cơ (Torque) Nm : Sức kéo của động cơ, 1Nm = 10 Kg/cm
- Dòng điện định mức ( Reated current ) A : Dòng điện này được dùng tham khảo để cài đặt trên driver
- Góc bước ( Step angle ) : Góc bước 0.72°, 1.2° 1.8°. Nếu góc bước 1.8° thì tương đương 200 xung/vòng quay
- Số pha của động cơ bước : Để lựa chọn driver động cơ bước cho phù hợp
- Kích thước mặt bích, đường kính trục và chiều dài thân của động cơ
- Công suất của động cơ bước
Thông thường, công suất của động cơ bước được tính theo momen xoắn
Công thức: P= T*n/9.55
Trong đó:
T là mô-men xoắn trên trục động cơ (Nm)
P là công suất động cơ điện (kW)
n là tốc độ động cơ (vòng/phút)
- Tốc độ của động cơ bước
Tốc độ tối đa của động cơ bước phụ thuộc vào điện áp nguồn cấp vào bộ điều khiển động cơ bước.
Ví dụ : Với driver DMA860H, khi cấp điện 24VDC thì tốc độ lớn nhất của động cơ bước 86HPB113AL4 là 250 vòng/phút, nhưng nếu cấp điện 60VAC thì tốc độ lớn nhất của động cơ này đạt được là 1100 vòng/phút.
Tốc độ của động cơ bước được thay đổi vô cấp thông qua điều chỉnh tần số xung điều khiển vào driver, trái ngược với động cơ không đồng bộ điều tốc qua biến tần, momen xoắn ( sức kéo ) của động cơ bước không bị giảm đi khi giảm tốc độ của nó.
4. Ưu nhược điểm của động cơ bước
- Motor bước khi hoạt động có hiện tượng bị trượt bước do lực từ trên nam châm vĩnh cửu đã yếu nên cho vị trí không chính xác hoặc nguồn điện cấp vào không đủ (VD : động cơ bước có góc bước 1.8 độ nên cần 200 xung thì quay đủ 1 vòng tuy nhiên nếu có hiện tượng trượt bước thì cần nhiều hơn 200 xung mới đủ 1 vòng).
- Nhược điểm thứ 2 của động cơ bước đó là ồn và nóng lên khi hoạt động, điều này là hoàn toàn bình thường đối với động cơ bước vì bản thân nó được thiết kế để chịu được sức nóng như vậy. Đối với các driver điều khiển động cơ bước thế hệ mới nhất thì độ ồn và nóng của động cơ đã giảm đáng kể.
- Ngược lại thì ưu điểm của động cơ bước đó chính là khả năng cung cấp moment xoắn cực lớn ở dải vận tốc thấp và trung bình, khá bền bỉ, thay thế dễ dàng và giá thành thấp, chúng ta có thể tham khảo đường đặc tuyến momen / tốc độ của động cơ bước 86HBP thì tại dải tốc độ 200rpm moment đã bắt đầu giảm, tới tốc độ 1000 rpm thì moment xoắn chỉ còn 1/3, bởi vậy không nên dùng động cơ bước ở các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao và gia tốc lớn. Nhìn chung thì tốc độ giảm moment của động cơ bước tỉ lệ thuận với tốc độ của động cơ.
5. Kinh nghiệm lựa chọn mua motor bước
Lựa chọn mua động cơ bước là rất quan trọng ! Motor bước phù hợp sẽ giúp hoạt động của hệ thống đáp ứng đúng với thông số thiết kế.
Mặt khác, nếu lựa chọn mua đúng motor bước sẽ giúp bạn tiết kiệm chi phí, hơn nữa lựa chọn động cơ phù hợp còn làm máy móc hoạt động ổn định và bền bỉ, động cơ đạt tuổi thọ cao.
Xác định nhu cầu sử dụng: Trước khi mua động cơ bước, bạn cần xác định nhu cầu sử dụng của mình là gì ? Xác định vị trí, tốc độ hay mô-men xoắn, độ chính xác là bao nhiêu và kích thước của motor bước.
Kiểm tra thông số kỹ thuật: Bạn cần kiểm tra kỹ các thông số kỹ thuật của động cơ bước để đảm bảo phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình. Những thông số quan trọng bao gồm số bước, góc bước, dòng điện định mức, mô-men xoắn, và tốc độ động cơ.
Kiểm tra tính tương thích: Trước khi mua động cơ bước, bạn cần kiểm tra tính tương thích của nó với các thiết bị khác như driver, encoder hay bộ điều khiển. Điều này giúp bạn đảm bảo các thiết bị hoạt động tốt với nhau và không gây ra lỗi trong quá trình sử dụng.
Tìm nhà cung cấp đáng tin cậy: Bạn nên tìm kiếm những nhà cung cấp đáng tin cậy và có kinh nghiệm trong lĩnh vực cung cấp động cơ bước. Điều này giúp bạn đảm bảo mua được sản phẩm chất lượng và nhận được dịch vụ hỗ trợ tốt từ nhà cung cấp. Chúng tôi tự hào là nhà cung cấp hàng đầu về các loại động cơ bước trên thị trường
Kiểm tra chất lượng: Bạn nên kiểm tra kỹ sản phẩm để đảm bảo chất lượng của động cơ bước. Kiểm tra xem có bị méo mó hay gãy rụng dây, cũng như kiểm tra độ chính xác của vị trí và tốc độ xoay.
Chế độ bảo hành và dịch vụ hỗ trợ: Bạn cần hỏi về chế độ bảo hành và dịch vụ hỗ trợ kỹ thuật của nhà sản xuất để đảm bảo khi gặp sự cố hoặc cần hỗ trợ kỹ thuật, bạn có thể nhận được sự giúp đỡ nhanh chóng và hiệu quả.
So sánh giá cả: Trước khi mua động cơ bước, bạn cần so sánh giá cả từ các nhà cung cấp khác nhau để tìm được giá cả hợp lý và phù hợp với ngân sách của mình.
6. Ứng dụng của động cơ bước
Động cơ bước được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm:
Máy in 3D: Động cơ bước là một phần quan trọng của các máy in 3D. Chúng được sử dụng để điều khiển các trục X, Y và Z của máy in, giúp máy in có thể in ra các sản phẩm đa dạng hình dạng và kích thước.
Máy CNC: Động cơ bước được sử dụng trong các máy CNC để điều khiển các trục di chuyển và định vị vật liệu. Các máy CNC có thể được sử dụng để gia công kim loại, gỗ, nhựa...
Thiết bị y tế: Động cơ bước được sử dụng trong các thiết bị y tế để điều khiển chuyển động của các bộ phận trong máy móc. Các ứng dụng của động cơ bước trong lĩnh vực y tế bao gồm máy trợ thở, máy xét nghiệm, và thiết bị chẩn đoán hình ảnh...
Thiết bị tự động hóa: Động cơ bước được sử dụng để điều khiển các bộ phận trong các hệ thống tự động hóa như băng tải, robot..
Thiết bị điện tử: Động cơ bước cũng được sử dụng trong các thiết bị điện tử như máy quay, camera...