KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ BƯỚC

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................... 2
1. Lí do chọn đề tài .................................................................... 2
2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................. 3
3. Nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................ 3
4. Đối tượng nghiên cứu............................................................ 3
5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................... 3
6. Phạm vi nghiên cứu ............................................................... 3
PHẦN NỘI DUNG ................................................................... 4
I. Giới thiệu động cơ bước ........................................................ 4
II. Cấu tạo của động cơ bước .................................................... 7
III. Nguyên tắc hoat động của động cơ bước ............................ 9
VI. Một số loại động cơ bước ................................................. 17
KẾT LUẬN ............................................................................. 28
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................... 29


PHẦN MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài
Trong xu hướng phát triển chung hiện nay, khoa học kỹ thuật đóng
vai trò then chốt quyết định cho sự phát triển của một đất nước. Ngày càng
có nhiều loại máy móc, thiết bị kỹ thuật được phát minh, sáng chế và đưa
vào sử dụng trong thực tế. Và máy điện là một bộ phận không thể thiếu
trong công nghiệp, giao thông, đời sống,…
Máy điện bao gồm động cơ điện và máy phát điện. Máy phát điện
biến đổi cơ năng thành điện năng. Động cơ điện biến đổi điện năng thành
cơ năng. Trong thực tế động cơ điện được sử dụng rộng rãi hơn.
Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số động cơ bước là cơ cấu
chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh

đưa ra dưới dạng số. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự
động, điều khiển xa và nhiều thiết bị điện tử khác, nổi bật là trong các lĩnh
vực sau: điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm, và máy in trong hệ máy tính, điều
khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển vị trí
trong các hệ quang khắc phức tạp, điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các
khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công, cắt gọt,
điều khiển các cơ cấu lái phương chiều trong máy bay,…
Động cơ bước là loại động cơ điện có nguyên tắc và ứng dụng khác
biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Để hiểu rõ hơn sự khác biệt
đó em đã tiến hành tìm hiểu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của động cơ
bước. Đây chính là lí do em chọn đề tài: “Khảo sát động cơ bước”.
Trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức còn hạn hẹp cũng như
kỹ năng phân tích chưa cao nên còn nhiều thiếu sót, kính mong thầy cô và


các bạn đóng góp thêm ý kiến để đề tài của em thành công hơn. Em xin
chân thành cảm ơn.
2. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là tìm hiểu về cấu tạo, nguyên
tắc hoạt động của động cơ bước và phân loại động cơ bước, trên cơ sở
phân loại để tìm hiểu cấu tạo cũng như nguyên tắc hoạt động của mỗi loại.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
Trước hết cần giới thiệu khái quát về động cơ bước, tìm hiểu về cấu
tạo, nguyên tắc hoạt động của động cơ. Sau đó phân loại động cơ bước và
đi sâu nghiên cứu cấu tạo cũng như nguyên tắc hoạt động của từng loại
động cơ bước.
4. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và
phân loại động cơ bước.
5. Phạm vi nghiên cứu

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của
đông cơ bước và tìm hiểu một số loại động cơ bước.
6. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài được nghiên cứu bằng phương pháp nghiên cứu lí thuyết: thu
thập, xử lí thông tin trên mạng internet, các tài liệu trong sách báo,…có
liên quan đến động cơ bước.


PHẦN NỘI DUNG

I. Giới thiệu động cơ bước
Các hệ truyền động rời rạc thường được thực hiện nhờ động cơ chấp
hành đặc biệt gọi là động cơ bước. Động cơ bước là một loại động cơ điện
có nguyên tắc 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.
Động cơ bước là động cơ điện một chiều không chổi than chia một
vòng quay đầy đủ vào một số bước bằng nhau. Cụ thể, các mấu trong động
cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của
động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính.
Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và
đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ
nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào.
Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép
chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể
khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ mà không cần cảm biến
thông tin phản hồi (một bộ điều khiển vòng hở ).

Hình 1: Cấu tạo của một động cơ bước đơn giản (đơn cực)
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 hoặc
vật liệu dẫn từ 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).


Khung 1: Nam châm điện đầu (1) được bật, hút răng gần nhất của

bánh răng rotor. Với các răng thẳng hàng với nam châm điện 1, chúng sẽ
được giảm tối thiểu từ trở từ nam châm điện bên phải (2).


Khung 2: Nam châm điện đầu (1) bị tắt, và nam châm điện bên

phải (2) được kích hoạt, kéo răng vào liên kết với nó. Điều này dẫn đến
rotor quay 3,6 ° trong ví dụ này.


Khung 3: Các nam châm điện dưới (3) đươc kích hoạt, rotor quay

3,6 ° tiếp theo.


Khung 4: Các nam châm điện bên trái (4) được kích hoạt, rotor lại

quay 3,6°. Khi nam châm điện đầu (1) một lần nữa được kích hoạt, rotor sẽ


quay bằng một vị trí răng, khi có 25 răng, nó sẽ mất 100 bước để quay đủ
một vòng trong ví dụ này.
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).
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.
Động cơ bước có vai trò rất quan trọng trong điều khiển chuyển
động kỹ thuật số, tự động hóa,…vì nó là cơ cấu chấp hành trung thành với
những lệnh đưa ra dưới dạng số, nó chấp hành chính xác. Ta có thể điều
khiển nó quay một góc bất kỳ, chính xác, dừng lại ở một vị trí nào đó ta
muốn. Vì vậy nó được ứng dụng nhiều trong tự động hóa và điều khiển số.
Máy tính điều khiển động cơ bước là một loại hệ thống định vị điều
khiển chuyển động. Nó thường được điều khiển bằng kỹ thuật số như là

một phần của một hệ thống vòng lặp mở để sử dụng trong cơ cấu hoặc ứng
dụng định vị.


Trong lĩnh vực laser và quang học động cơ bước thường được sử
dụng trong các thiết bị định vị chính xác như thiết bị truyền động tuyến
tính, giai đoạn tuyến tính, giai đoạn quay, giác kế, điều khiển robot, điều
khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan
trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát. Sử dụng trong
các lĩnh vực khác là máy móc đóng gói, vị trí của van điều khiển giai đoạn
cho các hệ thống kiểm soát chất lỏng, điều khiển lập trình trong các thiết bị
gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy
bay...
Thương mại, động cơ bước được sử dụng trong ổ đĩa mềm, máy quét
phẳng, máy in máy tính, máy vẽ, khe máy, máy quét hình ảnh, đĩa CD, ánh
sáng thông minh, và ống kính máy ảnh.
Rất nhiều ứng dụng đòi hỏi cơ cấu chuyển động có độ chính xác cao,
chuyển động êm cho thấy vai trò của động cơ bước rất quan trọng.
II.

Cấu tạo của động cơ bước
Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại

động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc
công suất nhỏ.
Cấu tạo của động cơ bước gồm 2 bộ phận chính: phần tĩnh (stator)
và phần quay (rotor).

Hình 2: Cấu tạo động cơ bước

1. Phần tĩnh (stator)
Gồm các bộ phận chính là lõi thép và dây quấn
 Lõi thép stator do nhiều lá thép kỹ thuật điện đã rập sẵn rồi ghép
cách điện với nhau tạo thành khối hình trụ rỗng. Bề dày mỗi lá thép thường
từ 0,35 mm đến 0,5 mm. Phía trong lõi thép có các rãnh để đặt dây quấn.
 Dây quấn stator là loại dây điện từ, có thể làm bằng đồng hoặc
bằng nhôm được bọc cách điện. Dây quấn stator được chia thành nhiều pha
dây quấn, trên mỗi pha lại được chia thành nhiều cuộn dây, mỗi cuộn dây
có W số vòng dây. Dây quấn stator tùy theo loại động cơ mà có cấu tạo
khác nhau. Ở loại động cơ bước lưỡng cực, mỗi pha chứa một cuộn dây
duy nhất; bằng cách đảo chiều dòng điện trong các cuộn dây thì cực từ
cũng bị đảo. Ở loại động cơ bước đơn cực, nó gồm hai cuộn dây trên mỗi
cực, khi mỗi cuộn dây được cung cấp năng lượng nó sẽ tạo thành cực bắc
nam tương ứng và dòng điện trong cuộn dây không cần đổi chiều.
Ngoài ra còn có vỏ máy dùng để bảo vệ và giữ chặt lõi thép stator,
vỏ máy thường làm bằng nhôm hoặc hợp kim của nhôm; hai đầu có nắp
máy để đỡ trục rotor và bảo vệ dây quấn.
2. Phần quay (rotor)
Rotor của động cơ bước tùy theo tưng lại mà có cấu tạo khác nhau
a) Rotor của động cơ bước nam châm vĩnh cữu có cấu tạo thường
không có răng cực từ, được từ hoá vĩnh cửu vuông góc với trục (ngang
trục) và được lồng vào phía trong của stator. Cực từ của rotor thường là 2
hoặc 6 cực từ (N - S) xen kẽ nhau.
b) Rotor của động cơ bước từ trở biến thiên có răng cực từ. Rotor
được làm bằng vật liệu dẫn từ (sắt non) có từ trở thay đổi theo góc quay.


c) Rotor của động cơ bước lai là sự kết hợp các đặc điểm rotor của
động cơ bước nam châm vĩnh cữu và động cơ bước từ trở biến thiên. Rotor

được làm bằng nam châm vĩnh cữu nhỏ bọc xung quanh trục, các răng cực
từ được làm bằng vật liệu dẫn từ gắn trên mỗi đầu nam châm vĩnh cữu.
III. Nguyên tắc hoạt động của động cơ bước

Hình 3: Một động cơ bước
1) Nguyên tắc hoạt động
Động cơ điện một chiều có chổi than quay liên tục khi đặt điện áp
vào hai đầu của nó. Động cơ bước được biết đến bởi tính chất quan trọng
của nó là để chuyển đổi một chuỗi các xung điện vào thành các xung
vuông tức là các dịch chuyển trục. Mỗi xung di chuyển trục thông qua một
góc cố định. Động cơ bước có hiệu quả khi các nam châm điện bố trí xung
quanh một thiết bị hình bánh răng ở trung tâm. Các nam châm điện được
cấp điện bởi một mạch điều khiển bên ngoài, chẳng hạn như một vi điều
khiển . Để trục động cơ quay, đầu tiên, một nam châm điện được cung cấp
điện năng, tạo từ tính hút răng của bánh răng. Khi răng của bánh răng được
liên kết với các nam châm điện đầu tiên, nó được giảm tối thiểu từ trở từ
các nam châm điện tiếp theo. Vì vậy, khi các nam châm điện tiếp theo
được bật và nam châm đầu tiên bị tắt, bánh răng quay nhẹ đến vị trí kế tiếp,
và từ đó quá trình này được lặp đi lặp lại. Mỗi góc quay được gọi là một


"bước", với một số nguyên các bước tạo thành một vòng quay đầy
đủ. Bằng cách đó, động cơ có thể được quay bằng một góc chính xác.
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).
2) Mạch điều khiển động cơ bước

Hình 4: Sử dụng động cơ bước với truyền động theo kiểu Adafruit

Hiệu suất động cơ bước phụ thuộc rất nhiều vào các mạch truyền
động. Đường cong momen xoắn có thể được mở rộng với tốc độ lớn hơn
nếu các cực stator có thể được đảo ngược nhanh chóng hơn, yếu tố hạn chế
là độ tự cảm cuộn dây. Để khắc phục cảm kháng và chuyển đổi các cuộn
dây một cách nhanh chóng, người ta phải tăng điện áp điều khiển. Điều này
cho thấy sự cần thiết phải hạn chế dòng điện là các điện áp cao có thể tạo
ra.
a) Mạch truyền động
Mạch truyền động cũng được coi là điện áp điều khiển không đổi vì
một điện áp dương hay âm liên tục được đặt cho mỗi cuộn dây để thiết lập
vị trí bước. Tuy nhiên, nó là dòng điện dây quấn, không phải điện áp áp


dụng momen xoắn cho các trục động cơ bước. Dòng điện I trong mỗi cuộn
dây có liên quan đến điện áp V bằng cuộn dây cảm kháng L và điện trở
cuộn dây R. Các điện trở R xác định dòng điện tối đa theo định luật
Ohm

. Cảm kháng L xác định tỷ lệ tối đa của sự thay đổi của dòng

điện trong cuộn dây theo công thức cho một điện cảm

. Vì vậy, khi

điều chỉnh bởi một truyền động, tốc độ tối đa của một động cơ bước được
giới hạn bởi điện cảm của nó kể từ lúc tăng tốc, điện áp U sẽ được thay đổi
nhanh hơn so với dòng điện I có thể duy trì. Trong thuật ngữ đơn giản tốc
độ thay đổi dòng điện là L / R (ví dụ như một cảm kháng 10 mH với điện
trở 2 Ω sẽ mất 5 ms đạt xấp xỉ 2/3 momen xoắn tối đa hoặc khoảng 24 ms
để đạt được 99% momen xoắn tối đa). Để có được momen xoắn cao ở tốc

độ cao đòi hỏi một điện áp điều khiển rộng với điện trở thấp và cảm kháng
thấp.
Với một truyền động có thể kiểm soát một điện trở động cơ điện áp
thấp với một điều khiển điện áp cao hơn chỉ đơn giản bằng cách thêm một
điện trở nối tiếp bên ngoài với mỗi cuộn dây. Điều này sẽ lãng phí năng
lượng trong các điện trở, và tạo ra nhiệt. Do đó, nó được coi là một lựa
chọn hiệu suất thấp, mặc dù đơn giản và rẻ tiền.
b) Bộ tạo xung để chuyển mạch
Bộ tạo xung để chuyển mạch được gọi là điều khiển dòng điện liên
tục bởi vì nó tạo ra một phần dòng điện không đổi trong mỗi cuộn dây chứ
không phải là áp dụng một điện áp không đổi.Trên mỗi bước tiến mới, một
điện áp rất cao được áp dụng cho cuộn dây ban đầu. Điều này làm cho
dòng điện trong cuộn dây tăng nhanh chóng kể từ khi

trong đó V

là rất lớn. Dòng điện trong mỗi cuộn dây được giám sát bởi bộ điều khiển,
thông thường bằng cách đo điện áp trên một điện trở nhỏ nối tiếp với mỗi
cuộn dây. Khi dòng điện vượt quá giới hạn dòng điện quy định, điện áp bị


tắt hoặc "ngắt quãng", thường sử dụng bóng bán dẫn điện. Khi dòng điện
giảm xuống dưới giới hạn quy định, điện áp được bật trở lại. Bằng cách
này, dòng điện được giữ tương đối ổn định cho một vị trí bước cụ thể. Điều
này đòi hỏi bổ sung thiết bị điện tử dòng điện trong cuộn dây, và kiểm soát
các chuyển mạch, nhưng nó cho phép động cơ bước được truyền động với
momen xoắn cao hơn ở tốc độ cao hơn so với các mạch truyền động. Điện
tử tích hợp cho mục đích này là phổ biến rộng rãi.
3) Dạng sóng dòng điện pha
Một động cơ bước là động cơ đồng bộ AC nhiều pha, và truyền động

lý tưởng của nó bởi dòng điện hình sin. Một bước sóng đầy đủ là gần giống
với toàn phần của một hình sin, và là lý do tại sao động cơ thực hiện rất
nhiều dao động. Kỹ thuật điều khiển khác nhau đã được phát triển để gần
giống hơn dạng sóng hình sin: đây là nửa bước và động cơ bước cỡ nhỏ.

Hình 5: Chế độ điều khiển khác nhau cho thấy dòng điện trên cuộn
dây 4 pha động cơ bước đơn cực


a) Truyền động sóng hoặc truyền động toàn bước (một pha trên)
Trong phương pháp truyền động này chỉ là một pha duy nhất được
kích hoạt tại một thời điểm. Nó có cùng một số bước như điều khiển cả
bước, nhưng động cơ sẽ có tốc độ momen xoắn nhỏ hơn đáng kể. Nó ít khi
được sử dụng. Hình hiển thị ở trên là một động cơ truyền động sóng. Trong
hình hiển thị ở trên (hình 1), rotor có 25 răng và phải mất 4 bước để xoay
bởi một vị trí răng. Vì vậy, sẽ có 25 * 4 = 100 bước mỗi vòng quay đầy đủ
và từng bước sẽ là 360/100 = 3,6 0.
b) Truyền động toàn bước (hai pha trên)
Đây là phương pháp thông thường để điều khiển đầy đủ bước động
cơ. Hai pha động cơ sẽ luôn cung cấp tốc độ momen xoắn của nó tối
đa. Ngay sau khi một pha bị tắt, một số khác được bật. Truyền động sóng
và một pha đầy đủ bước là một và giống nhau, với cùng một số bước
nhưng sự khác biệt trong momen xoắn.
c) Nửa bước
Khi một nửa bước, các truyền động giữa hai pha trên đan xen nhau
trong một pha duy nhất. Điều này làm tăng độ phân giải góc. Động cơ cũng
có ít momen xoắn (khoảng 70%) tại vị trí bước đầy đủ (trong đó chỉ có một
pha duy nhất ở trên). Điều này có thể được giảm nhẹ bằng cách tăng dòng
điện trong hoạt động cuộn dây để bù đắp. Ưu điểm của nửa bước là thiết bị
điều khiển điện tử không cần phải thay đổi để hỗ trợ nó. Trong hình hiển

thị ở trên (hình 1), nếu chúng ta thay đổi nó để nửa bước, sau đó nó sẽ mất
8 bước để xoay 1 vị trí răng. Vì vậy, sẽ có 25 * 8 = 200 bước mỗi vòng
quay đầy đủ và từng bước sẽ là 360/200 = 1,80. Góc của mỗi bước là một
nửa của bước đầy đủ.


d) Động cơ bước cỡ nhỏ
Những gì thường được gọi là động cơ bước cỡ nhỏ thường là "sin
cos động cơ bước cỡ nhỏ", trong đó dòng điện trong cuộn dây gần giống
một dạng sóng AC hình sin. Sin cos động cơ bước cỡ nhỏ là hình thức phổ
biến nhất, nhưng những dạng sóng khác có thể được sử dụng. Bất kể các
dạng sóng nào được sử dụng, như các bước nhỏ trở nên nhỏ hơn, hoạt động
động cơ trở nên nhẹ nhàng hơn, do đó làm giảm đáng kể cộng hưởng trong
bất kỳ bộ phận động cơ có thể được kết nối, cũng như bản thân động
cơ. Độ phân giải sẽ được giới hạn bởi các ma sát cơ học, khoảng trống, và
các nguồn khác của sai số giữa động cơ và các thiết bị đầu cuối. Thiết bị
biến đổi có thể được sử dụng để tăng độ phân giải của định vị.
Kích thước bước lặp lại là một đặc tính quan trọng của động cơ bước
và một lý do cơ bản để sử dụng trong định vị.
Ví dụ: nhiều động cơ bước lai hiện đại đạt tốc độ như vậy mà việc
dịch chuyển của tất cả các bước đầy đủ (ví dụ 1,80 mỗi bước đầy đủ hoặc
200 bước quay đầy đủ) sẽ nằm trong 3% hoặc 5% việc dịch chuyển của tất
cả các bước đầy đủ khác, miễn là động cơ được hoạt động trong phạm vi
hoạt động quy định của nó. Một số nhà sản xuất cho thấy động cơ của họ
có thể dễ dàng duy trì 3% hoặc 5% kích thước bước dịch chuyển như kích
thước bước giảm từ đầy đủ bước xuống đến 1/10 bước. Sau đó, số bước
chia nhỏ nhất được tăng lên, làm giảm kích thước bước lặp lại. Giảm kích
thước bước lớn có thể dẫn đến nhiều truyền động bước nhỏ trước khi bất
kỳ chuyển động xảy ra ở tất cả và sau đó là chuyển động có thể là một
"bước nhảy" đến một vị trí mới.

4) Momen xoắn của động cơ bước
a) Momen xoắn kéo trong
Đây là số đo của momen xoắn được tạo ra bởi một động cơ bước khi
nó được hoạt động ở chế độ mà không có gia tốc. Ở tốc độ thấp động cơ


bước có thể đồng bộ hóa chính nó với một tần số bước áp dụng, và momen
xoắn kéo trong này phải vượt qua ma sát và quán tính. Điều quan trọng là
tải trên động cơ có ma sát lớn hơn momen quán tính để giảm dao động
không mong muốn. Đường cong kéo trong xác định một khu vực được gọi
là miền khởi động/dừng. Vào miền này, động cơ có thể được bắt đầu/dừng
lại ngay lập tức với một tải áp dụng và không mất tính đồng bộ.
b) Momen xoắn kéo ra
Momen xoắn kéo ra động cơ bước được đo bằng tốc động cơ với tốc
độ mong muốn và sau đó tăng momen xoắn cho đến khi tải động cơ sụt tốc
hoặc bỏ qua bước này. Sự đo lường này được thực hiện qua một phạm vi
tốc độ và kết quả được sử dụng để tạo thành đặc tính đường cong động cơ
bước động lực. Như đã đề cập bên dưới đường cong này bị ảnh hưởng bởi
điện áp điều khiển, dòng điện điều khiển và kỹ thuật chuyển mạch. Một bộ
thiết kế phải bao gồm một hệ số an toàn giữa tốc độ momen xoắn và ước
tính đầy đủ momen xoắn cần thiết cho các ứng dụng.
c) Momen hãm
Động cơ điện đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu có một vị trí giữ
momen xoắn cố định (gọi là momen hãm hoặc vấu, và đôi khi bao gồm
trong thông số kỹ thuật) khi không điều khiển bằng điện. Từ trở lõi sắt non
không thể hiện tính chất này.
d) Dao động ringing và cộng hưởng
Khi động cơ di chuyển một bước duy nhất nó vượt qua điểm dừng
cuối cùng và dao động quanh điểm này khi nó đến khoảng dừng. Dao động
ringing không mong muốn này được xem như là dao động cơ và được gọi

là động cơ không tải. Một động cơ không tải hoặc dưới tải có lẽ, và thường
sẽ, dừng nếu dao động được xem như là đủ để làm mất đồng bộ hóa.


Động cơ bước có một tần số hoạt động riêng. Khi tần số kích thích
phù hợp cộng hưởng này có dao động ringing rõ rệt hơn, bước này có thể
được bỏ qua, và có nhiều khả năng dừng lại. Tần số cộng hưởng động cơ
có thể được tính theo công thức:
√
Trong đó:
Mh : Giữ momen xoắn cN·m
p : Số cặp cực
Jr :Rotor quán tính kg·cm ²
5) Xếp hạng động cơ bước và thông số kỹ thuật
Nhãn hiệu trên động cơ bước thường chỉ cung cấp dòng điện cuộn
dây và đôi khi điện áp và từ trở cuộn dây. Điện áp định mức sẽ tạo ra dòng
điện định mức trong cuộn dây ở DC: nhưng điều này chủ yếu là một đánh
giá vô nghĩa, trong tất cả các quá trình điều khiển hiện đại khi dòng điện bị
hạn chế thì điện áp điều khiển rất lớn và vượt quá điện áp định mức của
động cơ.
Tốc độ momen xoắn thấp của một bước sẽ thay đổi trực tiếp với
dòng điện. Làm thế nào một cách nhanh chóng các momen xoắn rơi xuống
với tốc độ nhanh hơn phụ thuộc vào độ tự cảm của cuộn dây và các mạch
điều khiển được gắn vào nó, đặc biệt là điện áp điều khiển.
Động cơ bước nên được có kích thước phù hợp với đường cong
momen xoắn được tạo ra, được quy định bởi nhà sản xuất ở điện áp điều
khiển cụ thể hoặc sử dụng mạch truyền động của nó.

IV.

Một số loại động cơ bước


1. Cơ sở phân loại động cơ bước
Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc rotor hoặc
cách quấn các cuộn dây trên stator.
a) Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước chia thành ba loại:
 Động cơ bước nam châm vĩnh cữu
 Động cơ bước từ trở biến thiên
 Động cơ bước lai
Ngoài ra còn có động cơ bước Lavet
b) Dựa theo cách quấn dây trên staror, động cơ bước chia thành hai
loại:
 Động cơ bước đơn cực
 Động cơ bước lưỡng cực
2. Theo cấu trúc rotor
2.1. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
2.1.1. Cấu tạo
Gồm có hai phần chính: phần quay (rotor) và được bao xung quanh
là phần tĩnh (stator).
a) Stator:
Các bộ phận chính của stator là lõi thép (mạch từ), dây quấn và vỏ
máy :
 Lõi thép stator làm bằng các lá thép kỹ thuật điện đã rập sẵn rồi
ghép cách điện với nhau tạo thành một khối hình trụ rỗng, mặt trong có
phân rãnh. Trong rãnh là dây quấn máy điện có thể là dây quấn 2 pha, 3
pha, 4 pha hoặc 5 pha.


 Dây quấn stator của động cơ bước nam châm vĩnh cửu là loại dây

điện từ, có tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhật. Dây quấn stator được
chia thành nhiều pha dây quấn, mỗi pha có một tổ bối dây, mỗi tổ bối dây
có W số vòng dây và được lồng vào cực từ của stator.
 Vỏ máy: phía ngoài stator có vỏ bằng nhôm hoặc hợp kim của
nhôm, hai đầu stator có hai nắp làm bằng cùng vật liệu với vỏ và bắt chặt
vào vỏ. Trên nắp máy có lắp ổ trục (ổ trượt hoặc vòng bi) để đỡ trục quay
của rotor.
b) Rotor:
Rotor của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có cấu tạo thường
không có răng cực từ, được từ hoá vĩnh cửu vuông góc với trục (ngang
trục) và được lồng vào phía trong của stator. Cực từ của Rotor thường là 2
hoặc 6 cực từ (N - S) xen kẽ nhau.
2.1.2. Nguyên tắc làm việc của động cơ bước nam châm vĩnh
cửu
Nguyên tắc làm việc của loại động cơ này là dựa vào tác động của
một trường điện từ trên một momen điện từ, cụ thể là tác động của một
trường điện từ lên một hoặc nhiều nam châm vĩnh cửu. Rotor của động cơ
tạo thành một hoặc nhiều cặp từ và momen điện từ của nam châm được đặt
thẳng hàng trên từ trường quay do các cuộn dây tạo nên.
Các cuộn dây của stator gọi là các pha. Động cơ bước có thể có
nhiều pha 2, 3, 4, 5 pha; nó được cấp điện cuộn này sang cuộn khác với
việc đảo chiều dòng điện sau mỗi bước quay. Chiều quay của động cơ phụ
thuộc vào thứ tự cấp điện cho các cuộn dây và hướng của từ trường.
Động cơ loại này có đặc tính chống rung tốt, tốc độ chậm nhưng có
momen khá lớn. Các góc bước có thể được tìm thấy trên toàn phạm vi các
góc chuẩn, bao gồm 1,80; 7,50; 300; 450 và 900.


Trên phương diện dòng điện điều khiển, động cơ bước nam châm
vĩnh cửu có thể phân làm hai loại: động cơ đơn cực (điều khiển bằng dòng

điện đơn cực) và động cơ lưỡng cực (điều khiển bằng dòng điện lưỡng
cực).

Hình 6: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2 pha kiểu đơn cực
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu kiểu đơn cực có 5, 6 hoặc 8 dây
ra thường được quấn như sơ đồ hình 6, với một đầu nối trung tâm trên các
cuộn. Khi sử dụng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương
nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ
trường tạo bởi cuộn đó.
Động cơ nam châm vĩnh cửu lưỡng cực có cấu trúc cơ khí giống như
động cơ đơn cực nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn,
không có đầu nối trung tâm như hình vẽ 7.


Hình 7: Động cơ nam châm vĩnh cửu 2 pha kiểu lưỡng cực
2.2. Động cơ bước từ trở biến thiên
2.2.1. Cấu tạo
Động cơ bước từ trở có hai phần cấu tạo chính là stator (phần tĩnh)
và rotor (phần quay)
a) Stator:
Gồm có hai phần chính là lõi thép và dây quấn stator.
 Lõi thép stator do nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau tạo
thành một khối hình trụ rỗng, mặt trong có phân các rãnh cực từ, trên mặt
cực từ có răng. Bề dày của mỗi lá thép vào khoảng 0,35 mm đến 0,5 mm, ở
hai mặt của mỗi lá thép được sơn cách điện.
 Dây quấn stator là dây điện từ có thể là dây nhôm hoặc đồng được
bọc cách điện, tiết diện dây quấn có dạng hình tròn. Mỗi pha trên stator
được quấn thành hai cuộn dây nối tiếp nhau ở vị trí xuyên tâm đối, thậm
chí thành 4 cuộn đôi một trực giao, mỗi cuộn dây cuốn có W số vòng dây.

b) Rotor:
Cũng giống như stator, rotor cũng có răng. Rotor được làm bằng vật
liệu dẫn từ (sắt non) có từ trở thay đổi theo góc quay. Mỗi răng của rotor là
một cực. (hình 8)

Hình 8: Động cơ bước ba pha có từ trở biến thiên
2.2.2. Nguyên tắc làm việc của động cơ bước từ trở biến thiên
Nguyên tắc làm việc của động cơ bước có từ trở biến thiên dựa trên
cơ sở hiện tượng từ trở cực tiểu. Trong động cơ bước loại này stator và
rotor đều được làm cùng một vật liệu từ và rotor luôn quay về trạng thái
sao cho từ trở là nhỏ nhất. Nghĩa là hệ thống mạch luôn có xu hướng giảm
thiểu từ trở. Dựa trên sự tác động giữa một trường điện từ và một rotor có
từ trở biến thiên theo góc quay. Cấu trúc tiêu biểu cho động cơ bước có từ
trở thay đổi như hình vẽ

Hình 9: Cấu trúc động cơ bước từ trở


Rotor được chế tạo bằng vật liệu dẫn từ, trên bề mặt rotor thường có
nhiều răng. Mỗi răng của rotor hoặc stator gọi là một cực. Trên hai cực đối
diện nhau mắc nối tiếp hai cuộn dây tạo thành một phần của động cơ.
Động cơ như hình 9 có 3 pha (các pha 1, 2, 3) từ trở thay đổi theo góc quay
của răng. Khi các răng của rotor đứng thẳng hàng với các cực của stator, từ
trở ở đó sẽ nhỏ nhất.
Hướng quay của rotor không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ
thuộc vào thứ tự cấp điện cho cuộn dây. Nhiệm vụ này do các mạch logic
trong bộ truyền động thực hiện. Với cách thay đổi cách kích thích các cuộn
dây, ta cũng làm thay đổi các vị trí góc quay.
Động cơ bước từ trở thay đổi chuyển động êm, số bước lớn, nhưng

momen đồng bộ nhỏ. Thông thường, các góc bước của các động cơ bước
từ trở biến thiên là 7,50 hoặc 150.
2.3. Động cơ bước lai (Hybird)

Hình 10: Một động cơ bước lai lưỡng cực
Loại động cơ này có những ưu điểm sau:
Về cấu tạo nó kết hợp cả hai loại động cơ trên: Động cơ nam châm
vĩnh cửu và động cơ từ trở biến thiên.


Về tính chất, nó phát huy được các ưu điểm của cả động cơ bước
nam châm vĩnh cửu và động cơ bước từ trở biến thiên: có momen hãm khi
ngắt điện lớn, có momen giữ và momen quay lớn, họat động với tốc độ cao
và có số bước lớn.

Hình 11: Động cơ bước kiểu hỗn hợp với m = 2, p = 3
2.3.1. Cấu tạo của động cơ bước lai
Cấu tạo của động cơ bước lai là sự kết hợp giữa động cơ bước nam
châm vĩnh cửu và động cơ bước từ trở biến thiên.
a) Stator có cấu tạo hoàn toàn giống cấu tạo của động cơ có từ trở
thay đổi. Trên các cực của stator được đặt các cuộn dây pha, mỗi cuộn dây
pha được cuốn thành bốn cuộn dây, hoặc được cuốn thành hai cuộn dây đặt
xen kẽ nhau để hình thành nên các cực N và S đồng thời đối diện với mỗi
cực của các bối dây là răng của rotor.
b) Rotor là sự kết hợp các đặc điểm của rotor động cơ bước từ trở
biến thiên và động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Trục động cơ được bọc
một bởi một nam châm vĩnh cữu nhỏ hơn. Nó khác với động cơ bước nam
châm vĩnh cửu ở chổ có một đầu rotor là cực bắc còn đầu rotor đối diện là
cực nam. Răng rotor làm bằng lõi thép được chia thành hai phần gắn chặt
trên mỗi đầu.

Hình 12: Cấu tạo động cơ bước lai
2.3.2. Nguyên tắc làm việc của động cơ bước lai
Động cơ bước lai là sự kết hợp giữa nguyên tắc làm việc của động
cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước từ trở do đó có được đặc tính
tốt nhất của hai loại động cơ kể trên là momen lớn và số bước lớn. Động cơ
bước gồm hai nửa rotor như hình 12. Động cơ loại này có số bước đạt đến
400 bước, nhưng giá thành đắt. Các góc bước tiêu biểu là 0,90 và 1,80.
Trong tất cả các loại động cơ bước kể trên thì động cơ bước lai được
dùng nhiều hơn cả.
3. Theo cách quấn dây trên staror
3.1. Động cơ bước đơn cực


Hình 13: Động cơ bước đơn cực
Một động cơ bước đơn cực có một cách quấn dây với một đầu nối
trung tâm cho mỗi pha. Mỗi tiết diện của cuộn dây được chuyển mạch cho
mỗi hướng của từ trường. Vì trong sự sắp xếp này là một cực từ có thể
được đảo ngược mà không cần chuyển đổi theo hướng dòng điện, các
mạch chỉnh lưu có thể được thực hiện rất đơn giản (ví dụ, một bóng bán
dẫn duy nhất) cho mỗi cuộn dây. Thông thường, với một pha, đầu nối trung
tâm của mỗi cuộn dây được chế tạo phổ biến: cho ba dây dẫn mỗi pha và
sáu dây dẫn cho hai pha động cơ điển hình. Thông thường, hai cuộn dây
bên trong sẽ được nối với nhau, do đó động cơ có chỉ có năm dây dẫn.
Mộ bộ vi điều khiển hoặc điều khiển động cơ bước có thể được sử
dụng để kích hoạt các bóng bán dẫn theo thứ tự đúng, và hoạt động dễ
dàng này làm cho động cơ đơn cực phổ biến; nó có thể là cách rẻ nhất để
có được sự chuyển động góc chính xác.

Hình 14: Cuộn dây động cơ bước đơn cực
(Đối với các thí nghiệm, các cuộn dây có thể được xác định bằng
cách chạm vào dây thiết bị đầu cuối trong động cơ PM. Nếu thiết bị đầu
cuối của một cuộn dây được nối, trục trở nên quay khó khăn hơn. Một cách
để phân biệt các điểm nối dây trung tâm (dây chung) từ một cuộn dây dẫn
cuối cùng là bằng cách đo điện trở. Điện trở giữa dây chung và cuộn dây
dẫn cuối luôn luôn bằng một nửa của điện trở giữa cuộn dây cuối và cuộn