NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEPPER MOTOR)

Động cơ bước là gì? 

Động cơ bước hay còn gọi là step motor là động cơ đồng bộ không chổi than mà vòng quay được chia thành một số bước. Không giống như động cơ một chiều không chổi than quay liên tục khi nó được cấp điện áp một chiều, động cơ bước quay theo các bước góc riêng biệt.

A Stepper Motor or a step motor is a brushless, synchronous motor which divides a full rotation into a number of steps. Unlike a brushless DC motor which rotates continuously when a fixed DC voltage is applied to it, a step motor rotates in discrete step angles. TheStepper Motors therefore are manufactured with steps per revolution of 12, 24, 72, 144, 180, and 200, resulting in stepping angles of 30, 15, 5, 2.5, 2, and 1.8 degrees per step. Động cơ bước có thể được điều khiển có hoặc không có tín hiệu phản hồi. 

Động cơ bước hoạt động như thế nào? 

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). Ở đây trục rotor được làm bằng sắt từ hay nam châm được bao quanh bởi stator điện từ. Rotor và stator có thể có răng hoặc không có tùy thuộc vào loại của động cơ bước. Khi stator được cấp năng lượng rotor di chuyển theo lực hút của bản thân nó với stator( trong trường hợp động cơ bước loại nam châm vĩnh cữu) hay di chuyển để có 1 khoảng cách tối thiểu với stator( trong trường hợp động cơ bước loại từ trở biến thiên. Bằng cách này, stator được cấp năng lượng một cách trình tự để làm quay rotor động cơ bước  . 

Các loại động cơ bước 

Dựa vào cấu tạo mà động cơ bước được chia thành 3 loại chính: 

1. Động cơ bước loại nam châm vĩnh cữu (permanent magnet stepper)

2. Động cơ bước loại từ trở biến thiên ( variable reluctance stepper)

3. Động cơ bước loại tổng hợp ( hybrid step motor)

   1. Động cơ bước loại nam châm vĩnh cữu (Permanent Magnet Stepper motor) :

Cực của rotor,stator động cơ bước loại nam châm vĩnh cữu không có răng. Thay vào đó rotor có cực bắc, nam thay thế có trục vuông góc với trục rotor.

Khi stator được cấp năng lượng, nó trở thành các cực nam châm điện. Ro When a stator is energized, it develops electromagnetic poles. The magnetic rotor aligns along the magnetic field of the stator. The other stator is then energized in the sequence so that the rotor moves and aligns itself to the new magnetic field. This way energizing the stators in a fixed sequence rotates the stepper motor by fixed angles.

Độ phân giải của động cơ bước loại nam châm vĩnh cữu có thể được tăng lên bằng cách tăng số lượng cực trong rotor hay tăng số pha stator.

Động cơ bước loại thay đổi từ trở :   

Động cơ bước loại từ trở biến thiên có rotor làm bằng sắt không từ tính và có răng. khi stator được cấp năng lượng, rotor di chuyển để có khoảng cách nhỏ nhất giữa stator và răng của nó.

Răng của rotor được thiết kế sao cho khi chúng được khớp với một stator thì chúng lại lệch với stator tiếp theo. và lúc đó nếu stator tiếp theo được cấp năng lượng rotor sẽ di chuyển răng của nó khớp với stator tiếp theo. Theo cách này stator được cấp năng lượng theo một trình tự cố định sẽ hoàn thành vòng quay cho động cơ bước. 

Độ phân giải của động cơ bước loại thay đổi từ trở có thể được tăng lên bằng cách tăng số răng của rotor hay tăng số lượng "pha"

Động cơ bước loại hổn hợp :

Động cơ bước loại hỗn hợp là một sự kết hợp của cả hai loại nam châm vĩnh cữu và thay đổi từ trở. A hybrid stepper is a combination of both permanent magnet and the variable reluctance. It has a magnetic teethed rotor which better guides magnetic flux to preferred location in the air gap.

The magnetic rotor has two cups. One for north poles and second for the south poles. The rotor cups are designed so that that the north and south poles arrange in alternative manner. Check out the insight of a Hybrid Stepper Motor.

The Hybrid motor rotates on same principle of energizing the stator coils in a sequence.

Types of Winding and Lead-out

The step motors are mostly two phase motors. These can be unipolar or bipolar. In unipolar step motor there are two winding per phase. The two winding to a pole may have one lead common i.e. centre tapped. The unipolar motor so, have five, six or eight leads. In the designs where the common of two poles are separate but centre tapped, motor have six leads. If the centre taps of the two poles are internally short, the motor has five leads. Eight lead unipolar facilitates both series and parallel connection whereas five lead and six lead motors have series connection of stator coils. The unipolar motor simplifies the operation because in operating them there is no need to reverse the current in the driving circuit. These are also called bifilar motors.

In bipolar stepper there is single winding per pole. The direction of current need to be changed by the driving circuit so the driving circuit of the bipolar stepper becomes complex. These are also called unifilar motors.

Stepping Modes

There are three stepping modes of a stepper motor. The stepping mode refers to the pattern of sequence in which stator coils are energized.

1.      Wave drive (One phase ON at a time)

2.      Full drive (Two phase ON at a time)

3.      Half drive (One and two phase ON at a time)

1.    Wave drive :

In wave drive stepping mode only one phase is energized at a time.

Full Drive :

In full drive, two phases are energized at a time.

Half Drive :

In half drive, alternately one and two phases are energized. This increases the resolution of the motor.

•