Động cơ bước là gì? Cấu tạo, phân loại, nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế

Động cơ bước là một loại động cơ điện đặc biệt được ứng dụng phổ biến, đặc biệt trong ngành công nghiệp cơ khí CNC, tự động hóa, in 3D, robot nhờ khả năng làm việc chính xác. Nhờ khả năng hoạt động ổn định, động cơ đóng vai trò quan trọng và dần trở thành lựa chọn phổ biến cho các hệ thống cần độ chính xác cao. Vậy động cơ bước là gì? Cấu tạp, nguyên lý hoạt động và ứng dụng như thế nào? Hãy cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây nhé.

Động cơ bước là gì?

Động cơ bước (tiếng Anh: stepper motor, Step motor) là loại động cơ điện đồng bộ, hoạt động không giống các động cơ điện thông thường, có khả năng biến đổi các tín hiệu điều khiển của máy móc dưới dạng các xung rời rạc, kế tiếp nhanh thành các chuyển động quay của rotor hoặc các trạng thái của roto có khả năng cố định tại những vị trí cần thiết.

Nhìn chung, hiểu một cách đơn giản thì động cơ bước (Step Motor) là một loại động cơ mà bạn có thể quy định được tần số góc quay của nó. Nếu góc bước của động cơ càng nhỏ thì số bước trong mỗi vòng quay càng nhiều, từ đó giúp đạt được độ chính xác vị trí cao hơn. 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 bước góc là 0,9°/bước, khi trục rotor quay đủ một vòng 360° sẽ cần đến 400 bước (Full Step). Nhờ số bước nhiều hơn, động cơ cho độ chính xác vị trí cao hơn và hoạt động êm ái hơn. Trong thực tế tại Việt Nam, ngoài loại 200 step (1,8°/bước) phổ biến, thì loại 400 step (0,9°/bước) cũng được sử dụng trong các thiết bị yêu cầu độ chính xác cao như máy CNC mini, máy in 3D, robot công nghiệp.

Cấu tạo của động cơ bước

Cấu tạo của động cơ bước bao gồm nhiều thành phần khác nhau mỗi thành phần đóng vai trò cụ thể trong việc điều khiển và tạo ra chuyển động. Tùy vào ứng dụng, chủng loại của động cơ bước mà các bộ phận này có thể được tùy chỉnh và thay đổi tương ứng, dưới đây là các bộ phận cơ bản của động cơ bước:

• Stator (lõi từ): Phần tĩnh, làm từ vật liệu từ tính, chứa các cuộn dây để tạo ra từ trường.

• Cuộn dây: Gồm 2–5 cuộn (tùy loại một pha hay hai pha), tạo từ trường để quay rotor theo từng bước.

• Rotor (lõi quay): Phần quay, làm từ vật liệu từ tính, có nhiều cặp cực từ, quyết định số bước của động cơ.

• Trục (Shaft): Nối rotor với hệ truyền động ngoài, truyền chuyển động quay ra ngoài.

• Mạch điều khiển: Cung cấp tín hiệu điện cho cuộn dây theo thứ tự, điều khiển chuyển động động cơ (còn gọi là driver động cơ bước).

• Vỏ động cơ: Lớp bảo vệ, chống bụi và tác động môi trường.

• Bánh răng/Hộp số (tùy chọn): Gắn thêm để điều chỉnh tốc độ, mô-men xoắn, tăng khả năng kiểm soát lực kéo.

Nếu nắm rõ được cấu tạo của Step motor thì nó sẽ giúp kỹ sư và người sử dụng có thể lựa chọn loại động cơ phù hợp với nhu cầu sử dụng. Từ đó giúp tối ưu hóa hiệu suất, giảm chi phí bảo trì, vận hành. Đồng thời nếu có kiến thức chuyên sâu sẽ giúp dễ dàng phát hiện và sửa chữa các lỗi kỹ thuật trong quá trình sử dụng.

Nguyên lý hoạt động của động cơ bước

Động cơ bước hoạt động dựa trên hiện tượng tương tác từ trường: các cực khác nhau sẽ hút nhau, còn các cực giống nhau thì đẩy nhau. Trong cấu tạo của động cơ bước, rotor thường là nam châm vĩnh cửu, còn stator gồm nhiều cuộn dây được bố trí xung quanh.

Khi mạch điều khiển (driver động cơ bước) cấp dòng điện một chiều vào các cuộn dây theo một trình tự nhất định, từ trường trong stator thay đổi liên tục. Sự thay đổi này tạo ra lực hút – đẩy luân phiên giữa rotor và stator, khiến rotor quay từng bước một.

Driver động cơ bước đóng vai trò quan trọng, vì nó chứa các công tắc điện tử có khả năng bật/tắt và đảo chiều dòng điện nhanh chóng. Bằng cách điều chỉnh trình tự và tốc độ cấp xung điện, driver sẽ quyết định được góc quay, số bước và tốc độ của động cơ.

Nguyên lý này cho phép động cơ bước quay chính xác từng bước mà không cần cảm biến phản hồi, nhờ đó được ứng dụng rộng rãi trong máy CNC, robot, máy in 3D, thiết bị y tế và nhiều hệ thống tự động hóa khác.

Động cơ bước có mấy loại?

Động cơ bước (Step motor) được phân loại theo nhiều cách khác nhau:

Cách 1: Phân loại động cơ Step theo số pha động cơ

Ở cách này, chúng ta sẽ có 3 loại động cơ với các số pha khác nhau

– Động cơ Step 2 pha tương ứng với góc bước 1.8 độ.

– Động cơ Step 3 pha tương ứng với góc bước là 1.2 độ.

– Và cuối cùng là động cơ Step 5 pha với góc bước là 0.72 độ.

Cách 2: Phân loại động cơ bước theo rotor

– Động cơ có rotor được tác dụng bằng dây quấn hoặc nam châm vĩnh cữu.

– Động cơ thay đổi từ trở. Đây là loại động cơ có rotor không được tác động nhưng có phần tử cảm ứng.

Cách 3: Phân loại theo cực của động cơ

– Động cơ đơn cực.

– Động cơ lưỡng cực.

Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng thực tế của động cơ bước (Step motor)

Động cơ bước sở hữu nhiều ưu điểm cũng như tồn tại một số nhược điểm mà bạn cần lưu ý khi ứng dụng thực tế. Hãy cùng tìm hiểu dưới đây nhé:

Ưu điểm động cơ bước:

Động cơ bước (Step motor) có khả năng cung cấp moment xoặc cực lớn ở dải vận tốc thấp và vận tốc trung bình. Động cơ bước có độ bền khá cao cùng với giá thành sản phẩm tương đối thấp, điều này giúp dễ dàng mua bán, trao đổi hay thay thế khi hỏng hóc cũng vô cùng thuận tiện.

Nhược điểm:

Bên cạnh những ưu điểm kể trên thì động cơ bước còn tồn tại 1 số những nhược điểm có thể kể đến như: Có thể xảy ra hiện tượng bị trượt bước, nguyên nhân là do lực từ yếu hoặc nguồn điện cấp vào không đủ. Bên cạnh đó là tiếng ồn khó chịu được tạo ra khi Step motor hoạt động, tuy nhiên ở các thế hệ mới thì nhược điểm này sẽ được giảm đi đáng kể, chúng ta cũng không nên sử dụng động cơ bước cho các thiết bị, máy móc đòi hòi tốc độ cao.

Ứng dụng thực tế của động cơ bước

Động cơ bước hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển chuyển động kỹ thuật số, nơi mà tín hiệu lệnh được mã hóa dưới dạng số để điều khiển vị trí và tốc độ chính xác.

• Trong tự động hóa công nghiệp: Động cơ bước đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị yêu cầu độ chính xác cao, đặc biệt là máy gia công cơ khí như máy cắt plasma CNC, máy cắt CNC laser, máy khắc, máy in 3D...

• Trong công nghệ máy tính và thiết bị văn phòng: Chúng được ứng dụng trong ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in, máy photocopy để điều khiển đầu đọc hoặc cơ cấu dịch chuyển giấy.

• Trong các lĩnh vực khác: Có mặt trong robot công nghiệp, hệ thống điều khiển camera, thiết bị y tế, máy dệt và nhiều hệ thống tự động hóa yêu cầu điều khiển vị trí chính xác.

Trên đây là toàn bộ thông tin về động cơ bước (Step motor) mà Đức Phong muốn gửi tới cho bạn. Hy vọng rằng những thông tin trên sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về loại động cơ này cũng như ứng dụng hiệu quả cho dây truyền sản xuất của mình.