TÌM HIỂU VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC

KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LÊ THỊ HỒNG ÁNH

ĐỒ ÁN 1

TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ ỨNG DỤNG

GVHD:
SVTH:
Lớp:
MSSV:

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019
KHOA CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ
(Phiếu này phải đóng vào trang đầu tiên của báo cáo)


2

1. Họ và tên sinh viên được giao đề tài (Số lượng sinh viên: 1)
MSSV:

Lớp:

2. Tên đề tài: Tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng
3. Nhiệm vụ của đề tài:
Giới thiệu chung về động cơ bước, và khả năng ứng dụng của nó trong công
nghiệp, ưu nhược điểm của nó so với các loại động cơ khác.
Trình bày được các loại động cơ bước, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng
loại.
Trình bày được 2 ứng dụng của động cơ bước.
4. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 11/9/2019
5. Ngày hoàn thành và nộp về khoa: ..............……………………………………….

TP.Hồ Chí Minh, ngày .… tháng ..… năm 20
Trưởng khoa

2

Trưởng bộ môn

2

Giảng viên hướng dẫn


3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
3

3


4

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em muốn nói là em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc
tới cô.

Trong suốt thời gian thực hiện Đồ án 1, mặc dù rất bận rộn trong công việc
nhưng cô vẫn dành nhiều thời gian và tâm huyết trong việc hướng dẫn em. Cô đã cung
cấp cho em rất nhiều kiến thức về một lĩnh vực mới khi em mới bắt đầu bước vào thực
hiện Đồ án.
Cho đến hôm nay, Đồ án 1 của em đã được hoàn thành cũng chính là nhờ sự
nhắc nhỡ, đôn đốc và sự giúp đỡ nhiệt tình của cô. Tuy nhiên, do chưa có kinh nghiệm
thực tiễn, Đồ án tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng của em sẽ không tránh được
những sai sót và khuyết điểm .Vì vậy em rất mong được sự quan tâm xem xét, hướng
dẫn thêm của các Cô…
Em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô khoa Điện – Điện Tử. Những
người đã trực tiếp hướng dẫn, giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức quý báu
trong những năm học vừa qua.
Cuối cùng, em xin kính chúc Cô cùng các Thầy, Cô trong khoa Điện – Điện Tử
luôn có nhiều sức khoẻ, may mắn.

4

4


5

MỤC LỤC

5

5


6

DANH MỤC HÌNH ẢNH

6

6


7

DANH MỤC BẢNG BIỂU

7

7



LỜI MỞ ĐẦU
Trong điều khiển chuyền động kĩ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp
hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng
số. Đức, Nhật, Trung quốc, Mỹ,… là những nước chế tạo nhiều động cơ bước, trong
đó chủ yếu là loại 2 cuộn, 4 cuộn, và 5 cuộn dây pha. Chúng được sử dụng ngày càng
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 khiền tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển vị trí
trong các hệ quang khắc phức tạp, điều khiển bắt, điều khiển lập trình trong các thiết
bị gia công, cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay,…
Nội dung đồ án nghiên cứu những vấn đề và khái niệm cơ bản như cấu tạo,
phân loại, nguyên tắc điều khiển động cơ, ứng dụng của động cơ bước. Nội dung đồ án

chỉ đề cập tới những khái niệm và vấn đề cơ bản của động cơ bước và ứng dụng của
động cơ bước, mặc dù có sự hướng dẫn tận tình của giảng viên nhưng do trình độ có
hạn nên trong bài viết của em còn nhiều thiều sót, em rất mong nhận được sự giúp đỡ
góp ý của cô để em có thể hiểu thêm về nội dung liên quan đề tài của mình.


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC
1.1.

Giới thiệu chung về động cơ bước
Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không đồng bộ

chuyển mạch. 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 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 có 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 vị trí bất kỳ nào đó.
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với
đa số các động cơ điện thông thường. Thực chất nó là một động cơ đồng bộ dùng đề
biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các
chuyển động góc quay hoặc chuyền động của rotor có khả năng cố định rôto ở những
vị trí cần thiết.
Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản,
những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng
khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển
vòng kín với động cơ bước.
1.2.

Ứng dụng của động cơ bước trong công nghiệp
Trong điều khiển chuyền động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp

hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng
số.
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng
dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển
tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, 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 và chiều trong máy bay...Ứng dụng
trong máy CNC, dây chuyền băng tải vận chuyển hàng hóa trong nhà máy, dây chuyền
đóng nắp chai, sử dụng để làm các khớp chuyển động của robot,…
1.3.

Nội dung tìm hiểu của đề tài
Giới thiệu chung về động cơ bước, và khả năng ứng dụng của nó trong công

nghiệp, ưu nhược điểm của nó so với các loại động cơ khác.
Trình bày được các loại động cơ bước, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng
loại.
Trình bày được 2 ứng dụng của động cơ bước.


CHƯƠNG 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA
ĐỘNG CƠ BƯỚC
2.1.

Cấu tạo

Động cơ bước là 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 có khả năng cố định rotor vào các vị trí cần thiết. 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.
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng
bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ
chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự 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.
+ Xét về cấu tạo động cơ bước có 3 loại chính:
+ Động cơ bước nam châm vĩnh cữu
+ Động cơ bước biến trở từ
+ Động cơ bước biến lai (động cơ bước hỗn hợp)
Về cấu tạo động cơ bước lai không khác biệt gì với động cơ nam châm vĩnh
cữu.
Nếu mất đi nhãn trên động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến trở từ, các
bạn vẫn có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện
cho chúng. Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay
nhẹ rotor của chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù
cảm thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Bạn cũng có
thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế. Động cơ biến từ trở thường có 3 mấu,
với một dây về chung trong khi đó động cơ nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu


phân biệt có hoặc không có nút trung tâm. Nút trung tâm được dùng trong động cơ
nam châm vĩnh cửu đơn cực.

Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi
bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8° đến
0.72° mỗi bước. Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam châm vĩnh cửu
và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển có thể điều
khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước.
Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một
mấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và sau đó
giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ
(hold torque) của động cơ.
2.1.1. Động cơ nam châm vĩnh cửu
Động cơ nam châm vĩnh cửu lại được chia làm 3 loại: Kiểu đơn cực, kiểu lưỡng
cực, kiểu nhiều pha.
2.1.1.1.

Kiểu đơn cực

Hình 2. 1 Cấu tạo động cơ đơn cực

Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp với 5, 6
hoặc 8 dây ra thường được quần như sơ đồ Hình 2.1, với một đầu nối trung tâm trên
các cuộn. Khi dùng, 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.


Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và
bên trái động cơ. Rotor là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và 3 Bắc, xếp xen
kẽ trên vòng tròn. Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối
xứng hơn. Động cơ 300 mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ nam
châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 0 và 7.50 là khá lớn. Người

ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1.8 0 và với động
cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.6 0 đến 1.80, còn tốt hơn nữa, có thể
đạt đến 0.720.
Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra
cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở mấu 1
bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay động cơ một cách liên
tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy:
Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110017001
Mấu 1b 0010001000100010007000100 Mấu 1b 0011001100110017001100110
Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 01100110011001 10011001100
Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011
thời gian -->

thời gian -->

Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai
dãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm. Dãy
bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên. Vì vậy,
nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho cả hai mấu một lúc và
nói chung sẽ tạo ra một moment xoắn lớn hơn dãy bên trái 1.4 lần trong khi phải cấp
điện gấp 2 lần.
Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả, kết hợp 2
chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một cách lần lượt tại
những vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên. Chuỗi kết hợp như sau:
Mấu 1a 11000001110000011100000111


Mấu 1b 00011100000111000001110000
Mấu 2a 01110000011 100000111000001
Mấu 2b 00000111000001110000011100

Thời gian -->

Hình 2. 2 Hình minh họa cấp xung điều khiển động cơ kiểu đơn cực

2.1.1.2.

Kiểu lưỡng cực

Động cơ lưỡng cực hoặc nam châm vĩnh cửu có cấu trúc cơ khí giống y như
động cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn, không có đầu
trung tâm. Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng mạch điều khiển đề đảo
cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn.
Minh hoạ ở Hình 2.3 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở đây
giống y như ở Hình 2.1. Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển
cầu H cho mỗi mấu. Tóm lại, một cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của
mấu được điều khiển một cách độc lập. Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loại
động cơ này được nêu bên dưới, dùng + và - để đại diện cho các cực của ng uồn áp
được áp vào mỗi đầu của động cơ:


Đầu 1a +---+---+---+---

++--++--++--++--

Đầu 1b --+---+---+---+-

--++--++--++--++

Đấu 2a -+---+---+---+--

-++--++--++--++-

Đầu 2b ---+---+---+---+

+--++--++--++--+

thời gian 

Hình 2. 3 Cấu tạo động cơ kiểu lưỡng cực

Chú ý rằng những dãy này giống như trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn
cực, ở mức độ lý thuyết, và răng ở mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điều khiển
cho hai loại động cơ này là giống nhau.
Để phân biệt một động cơ nam châm vĩnh cửu hai cực với những động cơ 4 dây
biến từ trở ta đo điện trở giữa các cặp dây. Chú ý là một vài động cơ nam châm vĩnh
cửu có 4 mấu độc lập, được xếp thành 2 bộ. Trong mỗi bộ, nếu hai mấu được nối tiếp
với nhau, thì đó là động cơ hai cực điện thế cao. Nếu chúng được nối song song, thì đó
là động cơ hai cực dùng điện thế thấp. Nếu chúng được nối tiếp với một đầu trung tâm
thì dùng như với động cơ đơn cực điện thế thấp.


2.1.1.3.

Kiểu nhiều pha

Hình 2. 4 Các pha và cách nối dây của động cơ bước 5 pha thành 5 đầu ra

Hình 2. 5 Cấu tạo động cơ kiểu nhiều pha

Một bộ phận các động cơ không được phố biến như những loại trên đó là động

cơ nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quần nối tiếp thành một vòng kín như
Hình 2.5. Thiết kế phố biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha. Bộ
điều khiển cần 1⁄2 cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động cơ này có
thề cung cấp moment xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước khác cùng kích
thước. Một vài động cơ 5 pha có thể xử lý cấp cao đề có được bước 0.72° (500 bước
mỗi vòng). Với một động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước mỗi vòng bước, như
trình bày dưới đây:
Đầu 1 +++-----+++++-----++


Đầu 2 --+++++-----+++++--Đầu 3 +-----+++++-----++++
Đầu 4 +++++-----+++++----Đầu 5 ----+++++-----+++++Thời gian
Giống như trong trường hợp động cơ hai cực, mỗi đầu hoặc được nối vào cực
dương hoặc cực âm của hệ thống cấp điện động cơ. Chú ý rằng, tại mỗi bước, chỉ có
một đầu thay đổi cực. Sư thay đổi này làm ngắt điện ở một mấu nối vào đầu đó (bởi vì
cả hai đầu của mấu có cùng điện cực) và áp điện vào một mấu đang trong trạng thái
nghỉ trước đó. Hình dạng của động cơ được đề nghị như Hình 2.4, dãy điều khiển sẽ
điều khiển động cơ quay 2 vòng để phân biệt động cơ 5 pha với các loại động cơ có 5
dây dẫn chính, cần nhớ rằng nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếp của một động cơ 5 pha là
R, thì điện trở giữa hai đầu không liên tiếp sẽ là 1.5R.
Và cũng cần ghi nhận rằng một vài động cơ 5 pha có 5 mấu chia, với 10 đầu
dây dẫn chính. Những dây này có thể nổi thành hình sao sử dụng mạch điều khiển gồm
5 nửa cầu H, nói cách khác mỗi mấu có thể được điều khiển bởi một vòng cầu H đầy
đủ của nó.
2.1.2. Động cơ bước biến trở từ

Hình 2. 6 Cấu tạo động cơ bước biến trở từ


Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong sơ đồ Hình 2.5, với một

đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hắn là một động cơ biến từ trở. Khi sử
dụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn được
kích theo thứ tự liên tục. Dấu thập trong Hình 2.6 là rotor của động cơ biến từ trở quay
300 mỗi bước. Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn
quanh hai cực đối diện. Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1.
Nếu dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 30 0 theo chiều
kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2. Để quay động cơ này một cách liên tục,
chúng ta chỉ cần cắp điện liên tục luân phiên cho 3 cuộn. Theo quy ước 1 có nghĩa là
có dòng điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim
đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng:
Cuộn 1 1001001001001001001001001
Cuộn 2 0100100100100100100100100
Cuộn 3 0010010010010010010010010
thời gian -->

Hình dạng động cơ được mô tả trong Hình 2.6, quay 300 mỗi bước, dùng số
răng rotor và số cực stator tối thiểu. Sử dụng nhiều cực và nhiều răng hơn cho phép
động cơ quay với góc nhỏ hơn. Tạo mặt răng trên bề mặt các cực và các răng trên rotor
một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ đến vài độ.
2.1.3. Động cơ bước lai (động cơ bước hỗn hợp)

Hình 2. 7 Cấu tạo động cơ bước lai (động cơ bước hỗn hợp)


Về cấu tạo kết hợp cả 2 loại trên, phát huy được ưu điểm của 2 loại. Rotor cho
động cơ bước lai có nhiều răng , giống như loại từ thông thay đổi, chứa lõi từ hóa tròn
đồng tâm xoay quanh trục của nó.
Có momen hãm khi ngắt điện,có mômen giữ và momen quay lớn, hoạt động với
tốc độ cao và có số bước lớn.
2.1.4. Đặc điểm của hệ truyền động điện động cơ bước

Hệ truyền động động cơ bước có 5 đặc điểm cơ bản:
- Không chối than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chồi than làm tổn hao
năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hằm lò...) có thể gây nguy hiểm.
- Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động cơ
ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn. Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt
trong vùng tốc độ nhỏ. Nó có thể giữ được momen thậm chí cả vị trí nhờ vào tác dụng
hãm lại của từ trường rotor.
- Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thể rất lớn của động cơ bước là ta có
thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như
các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo).
- Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới
chất lượng điều khiển. Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào
tải (khi vẫn năm trong vùng momen có thể kéo được). Khi momen tải quá lớn gây ra
hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay.
- Đáp ứng tốt: Động cơ bước có thể đáp ứng tốt khi khởi động, dừng và đảo
chiều quay một cách dễ dàng.
2.1.5. So sánh ưu nhược điểm giữa Step motor (động cơ bước) và Servo motor
(động cơ servo)
-

Step motor
+ Ưu điểm:
• Có thể điều khiển chính xác góc quay, giữ và đảo chiều dễ dàng.


• Giá thành thấp.
+

Nhược điểm:
• Về cơ bản dòng từ Driver tới cuộn dây động cơ không tăng hoặc giảm

trong lúc hoạt động. Do đó, nếu bị quá tải động cơ sẽ bị trượt bước
gây sai lệch trong điều khiển.
• Động cơ bước gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động cơ servo.
• Động cơ bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao.

-

Servo motor
+

Ưu điểm:
• Nếu tải đặt vào động cơ tăng, bộ điều khiển sẽ tăng dòng tới cuộn dây
động cơ giúp tiếp tục quay. Tránh hiện tượng trượt bước như trong
động cơ bước.
• Có thể hoạt động ở tốc độ cao.

+ Nhược điểm:
• Động cơ servo hoạt động không trùng khớp với lệnh điều khiển bằng
động cơ bước.
• Giá thành cao.
• Khi dừng lại, động cơ servo thường dao động tại vị trí dừng gây rung
lắc.
2.2.
2.2.1.

Nguyên lý hoạt động và điều khiển
Nguyên lý hoạt động

Khác với động cơ đồng bộ bình thường, rôto của động cơ bước không có cuộn
dây khởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số. Rôto của động cơ

bước có thể được kích thích (rôto tích cực) hoặc không được kích thích (rôto thụ
động).


Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto có 2 cực (2p=2) và không được kích
thích.

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng
bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ
chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số
nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như
chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyên đổi và tần số chuyển
đổi.

Hình 2. 9 Hình minh họa thứ tự cấp điện các cuộn dây và các bước quay

2.2.2.

Điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ bước
Động cơ bước thường quay theo các bước xác định vì vậy mà nó thường sử
dụng chủ yếu để điều khiển thích nghi nghĩa là tốc độ quay biến đổi liên tục,thậm chí
động cơ bước phải dừng và đứng yên ở vị trí bám sát. Với lẽ đó, vận tốc quay của
động cơ bước thường luôn được hiểu là vận tốc trung bình Vtb.

Vtb = = f.(vòng/giây)


- f: tần số dịch bước (f = , trong t giây ta thực hiện n lần dịch bước mỗi lần dịch
1 bước)
- : là góc của 1 bước của động cơ

Từ công thức ta thấy việc điều khiển tốc độ động cơ bước được thực hiện bằng
cách thay đổi tần số dịch bước f. Lưu ý rằng tần số dịch bước f trong trường hợp tổng
quát không đồng nhất với tần số các xung điều khiển, mà nó là tổ hợp của sự biến đôi
các trạng thái của các xung điều khiển đó và việc điều khiển này được thực hiện bởi bộ
vi xử lý. Vận tốc tức thời và vận tốc trung bình trên đồ thị mô men - vận tốc phải nhỏ
hơn vận tốc cực đại Vmax thì mômen động cơ mới giữ mức cực đại.
Chiều quay của động cơ bước phụ thuộc vào thứ tự chuyến dịch các bước(thứ
tự chuyển dịch các trạng thái cấp điện của các cuộn dây). Chẳng hạn, rôto đang ở vị trí
bước thứ n; nếu ta cấp điện sao cho nó chuyển sang vị trí bước thứ (n+1) thì động cơ
quay phải; nếu ta cấp điện sao cho rôto chuyền sang vị trí bước thứ(n-1) thì động cơ
quay trái. Việc phát xung để cấp điện do bộ xử lý điều khiển.
Với động cơ 2 pha, điều khiển cả bước có 4 trạng thái cấp điện, nếu điều khiển
nửa bước sẽ có 8 trạng thái cấp điện. Với động cơ 4 pha được cấp xung 1 cực thì cũng
có 4 và 8 trạng thái như trên cho 2 trường hợp điều khiển cả bước và nửa bước.

Step
Cuộn
1
Cuộn
2
Cuộn
3
Cuộn
4

1

2

3

4

5

6

7

8

1

1

0

0

0

0

0

1

0

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

Bảng 2. 1 Bảng trạng thái cấp điện các pha của động cơ 4 pha đơn cực

2.2.3.

Các chế độ hoạt động của động cơ bước

2.2.3.1. Chế độ full step
-

Một pha:


Tại mỗi thời điểm chỉ có 1 mấu được cấp điện.

-

Step
1
2
3
4
Hai pha:

1a
1
0
0
0

1b
0
1
0
0

2a
0
0
1
0

2b
0
0
0

1

2a
0
0
1
1

2b
1
0
0
1

Tại mỗi thời điểm sẽ có 2 mấu được cấp điện.
Step
1
2
3
4
2.2.3.2.

1a
1
1
0
0

1b
0

1
1
0

Chế độ half step

Half step đơn giản chỉ có nghĩa là động cơ quay 400 bước mỗi vòng (đối với
loại động cơ 200 bước mỗi vòng). Trong chế độ này, một trong những cuộn dây được
tiếp điện và sau đó hai cuộn dây được tiếp điện thay phiên (cấp điện theo thứ tự số lẻ
cuộn dây rồi tới số chẵn cuộn dây hoặc ngược lại), làm các răng xoay ở nửa bước hoặc
0,90). Chế độ nữa bước là một giải pháp thực tế hơn trong các ứng dụng công nghiệp.
Mặc dù nó cung cấp mômen xoắn hơi ít hơn. Chế độ nửa bước giảm số lượng "sự tăng
vọt" vốn có trong vận hành chế độ full step.
2.2.3.3.

Chế độ micro step

Công nghệ vi bước điều khiển dòng điện tại các cuộn dây đến một mức độ mà
số vị trí giữa các cực được chia nhỏ hơn nữa. Bộ điều khiển vi bước AMS có khả năng
luân phiên tại 1/256 của một bước (mỗi bước) tương ứng với 51.200 bước mỗi vòng
xoay (đối với dòng động cơ 1,8 độ). Vi bước thường được sử dụng trong các ứng dụng
đòi hỏi phải định vị chính xác và sự chuyển hóa tốt hơn nhiều tốc độ.


CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC
3.1.

Sơ đồ điều khiển chuyển động của rôbốt bằng động cơ bước

+ Các chức năng của hệ thống:

+Chuyển động thẳng: tiến, lùi.
+ Chuyển động quay trái, phải.
+ Điều khiển được tốc độ chuyển động của động cơ.
+ Điều khiển theo đường đi bất kì ( bằng cảm ứng quang).
+ Sơ đồ khối của hệ thống:
3.1.1.
KHỐI ĐIỀU KHIỂN

Khối

KHỐI CƠ HỌC

điều khiển
Để điều khiển chuyển động của động cơ theo ý muốn cần phải có trình dịch
chính xác với chuyển động của động cơ, và một nguồn dòng phù hợp đảm bảo cho
động cơ hoạt động. Có rất nhiều cách làm phục vụ mục đích này. Với việc điều khiển
động cơ chỉ cần dòng qua cuộn dây cỡ 500mA, có thể dùng dãy IC loại dãy Darlington
collector hở như:
-

ULN2003, ULN2803
DS2003( national semiconductor 2003) ,MC1413(motorola).

3.1.1.1.

Thiết kế mạch tạo chuyển động dùng ULN2003

+ Nối hai IC ULN2003 với nhau:
+ Đầu vào các chân từ 1-4 của 2 IC lần lượt với đầu ra tương ứng 4 bit

thấp và cao của 89C51.
+ Đầu ra nối với các chân A, B, C, D của 2 động cơ bước.
Sơ đồ nối chân cụ thể giống như hình vẽ tổng quan của mạch điều khiển động
cơ sẽ nói tới sau.
3.1.1.2.

Giới thiệu sơ lược về IC 89C51

+ IC điều khiển 89C51 tương thích với họ MSC51 có đặc điểm sau:

+ 4K Bytes Flash rom
+ 128 Bytes Ram