Lượt xem: 0 Tác giả: Site Editor Thời gian xuất bản: 18-04-2025 Nguồn gốc: Địa điểm
MỘT Động cơ bước là loại động cơ điện chuyển động theo các bước chính xác, cố định chứ không quay liên tục như động cơ thông thường. Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển vị trí chính xác, chẳng hạn như máy in 3D, máy CNC, robot và nền tảng máy ảnh.
Động cơ bước là một loại động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động quay với độ chính xác vượt trội. Không giống như động cơ điện thông thường cung cấp vòng quay liên tục, động cơ bước quay theo các bước riêng biệt, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu định vị chính xác.
Mỗi xung điện được gửi đến động cơ bước từ bộ điều khiển của nó sẽ tạo ra một chuyển động chính xác—mỗi xung tương ứng với một bước cụ thể. Tốc độ quay của động cơ tương quan trực tiếp với tần số của các xung này: các xung được gửi càng nhanh thì tốc độ quay càng nhanh.
Một trong những ưu điểm chính của động cơ bước là điều khiển dễ dàng của họ. Hầu hết các trình điều khiển hoạt động với xung 5 volt, tương thích với các mạch tích hợp thông thường. Bạn có thể thiết kế mạch để tạo ra các xung này hoặc sử dụng máy tạo xung của các công ty như BesFoc.
Mặc dù đôi khi chúng không chính xác—động cơ bước tiêu chuẩn có độ chính xác khoảng ± 3 phút cung (0,05°)—những lỗi này không tích lũy theo nhiều bước. Ví dụ, nếu một động cơ bước tiêu chuẩn thực hiện một bước, nó sẽ quay 1,8° ± 0,05°. Ngay cả sau một triệu bước, tổng độ lệch vẫn chỉ là ± 0,05°, khiến chúng trở nên đáng tin cậy đối với các chuyển động chính xác trên khoảng cách xa.
Ngoài ra, động cơ bước được biết đến với khả năng phản hồi và tăng tốc nhanh do quán tính rôto thấp, cho phép chúng đạt được tốc độ cao một cách nhanh chóng. Điều này làm cho chúng đặc biệt phù hợp với các ứng dụng yêu cầu chuyển động ngắn và nhanh.
MỘT Động cơ bước hoạt động bằng cách chia một vòng quay đầy đủ thành nhiều bước bằng nhau. Nó sử dụng nam châm điện để tạo ra chuyển động theo từng bước nhỏ, có kiểm soát.
Động cơ bước có hai phần chính:
Stator - bộ phận đứng yên có cuộn dây (nam châm điện).
Rôto – bộ phận quay, thường là nam châm hoặc làm bằng sắt.
Khi dòng điện chạy qua cuộn dây stato sẽ tạo ra từ trường.
Những trường này thu hút rôto.
Bằng cách bật và tắt các cuộn dây theo một trình tự cụ thể, rôto được kéo từng bước theo chuyển động tròn.
Mỗi khi cuộn dây được cấp điện, rôto sẽ di chuyển một góc nhỏ (gọi là một bước).
Ví dụ, nếu một động cơ có 200 bước trên mỗi vòng quay, mỗi bước sẽ làm rôto quay 1,8°.
Động cơ có thể quay tiến hoặc lùi tùy theo thứ tự xung gửi đến cuộn dây.
MỘT trình điều khiển động cơ bước gửi xung điện đến cuộn dây động cơ.
Càng nhiều xung thì động cơ càng quay nhiều.
Bộ vi điều khiển (như Arduino hoặc Raspberry Pi) có thể điều khiển các trình điều khiển này để di chuyển động cơ một cách chính xác.
Hình minh họa dưới đây mô tả một hệ thống động cơ bước tiêu chuẩn, bao gồm một số thành phần thiết yếu hoạt động cùng nhau. Hiệu suất của từng phần tử ảnh hưởng đến chức năng tổng thể của hệ thống.
Trung tâm của hệ thống là máy tính hoặc bộ điều khiển logic khả trình (PLC). Thành phần này đóng vai trò như bộ não, điều khiển không chỉ động cơ bước mà còn toàn bộ máy. Nó có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau, chẳng hạn như nâng thang máy hoặc di chuyển băng chuyền. Tùy thuộc vào độ phức tạp cần thiết, bộ điều khiển này có thể bao gồm từ PC hoặc PLC phức tạp đến nút nhấn vận hành đơn giản.
Tiếp theo là bộ chỉ mục hoặc thẻ PLC, truyền đạt các hướng dẫn cụ thể tới động cơ bước . Nó tạo ra số xung cần thiết cho chuyển động và điều chỉnh tần số xung để kiểm soát khả năng tăng tốc, tốc độ và giảm tốc của động cơ. Bộ chỉ mục có thể là một thiết bị độc lập, như BesFoc, hoặc thẻ tạo xung cắm vào PLC. Dù ở dạng nào thì bộ phận này cũng rất quan trọng đối với hoạt động của động cơ.
Bộ điều khiển động cơ bao gồm bốn phần chính:
Logic để điều khiển pha: Đơn vị logic này nhận các xung từ bộ chỉ mục và xác định pha nào của động cơ sẽ được kích hoạt. Việc cấp điện cho các pha phải tuân theo một trình tự cụ thể để đảm bảo động cơ hoạt động tốt.
Nguồn điện logic: Đây là nguồn điện áp thấp cấp nguồn cho các mạch tích hợp (IC) bên trong trình điều khiển, thường hoạt động ở khoảng 5 volt, dựa trên bộ chip hoặc thiết kế.
Nguồn điện động cơ: Nguồn cung cấp này cung cấp điện áp cần thiết để cấp nguồn cho động cơ, thường khoảng 24 VDC, mặc dù nó có thể cao hơn tùy thuộc vào ứng dụng.
Bộ khuếch đại công suất: Thành phần này bao gồm các bóng bán dẫn cho phép dòng điện chạy qua các pha động cơ. Các bóng bán dẫn này được bật và tắt theo đúng trình tự để tạo điều kiện cho động cơ chuyển động.
Cuối cùng, tất cả các bộ phận này phối hợp với nhau để di chuyển tải, có thể là vít me, đĩa hoặc băng tải, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể.
Có ba loại động cơ bước chính:
Những động cơ này có răng trên rôto và stato nhưng không có nam châm vĩnh cửu. Kết quả là chúng thiếu mô-men xoắn hãm, nghĩa là chúng không giữ được vị trí khi không được cấp điện.
Động cơ bước PM có nam châm vĩnh cửu trên rôto nhưng không có răng. Mặc dù chúng thường thể hiện độ chính xác kém hơn ở các góc bước, nhưng chúng cung cấp mô-men xoắn hãm, cho phép chúng duy trì vị trí khi tắt nguồn.
BesFoc chuyên độc quyền về Hybrid động cơ bước S. Những động cơ này kết hợp các đặc tính từ của nam châm vĩnh cửu với thiết kế răng của động cơ từ trở thay đổi. Rôto được từ hóa theo trục, nghĩa là trong cấu hình điển hình, nửa trên là cực bắc và nửa dưới là cực nam.
Rôto bao gồm hai cốc có răng, mỗi cốc có 50 răng. Những chiếc cốc này được dịch chuyển một góc 3,6°, cho phép định vị chính xác. Khi nhìn từ trên xuống, bạn có thể thấy một răng ở cốc cực bắc thẳng hàng với một răng ở cốc cực nam, tạo nên một hệ thống bánh răng hiệu quả.
Động cơ bước hybrid hoạt động theo cấu trúc hai pha, mỗi pha có bốn cực cách nhau 90°. Mỗi cực trong một pha được quấn sao cho các cực cách nhau 180° có cùng cực tính, trong khi các cực đối diện nhau đối với những cực cách nhau 90°. Bằng cách đảo ngược dòng điện ở bất kỳ pha nào, cực tính của cực stato tương ứng cũng có thể được đảo ngược, cho phép động cơ chuyển đổi bất kỳ cực stato nào thành cực bắc hoặc cực nam.
Rôto của động cơ bước có 50 răng, với khoảng cách giữa mỗi răng là 7,2°. Khi động cơ hoạt động, độ thẳng hàng của các răng rôto với các răng stato có thể khác nhau—cụ thể là nó có thể được bù bằng 3/4 bước răng, nửa bước răng hoặc 1/4 bước răng. Khi động cơ bước, nó sẽ tự nhiên đi theo con đường ngắn nhất để tự căn chỉnh lại, nghĩa là chuyển động 1,8° mỗi bước (vì 1/4 của 7,2° bằng 1,8°).
Mô-men xoắn và độ chính xác trong động cơ bước bị ảnh hưởng bởi số cực (răng). Nói chung, số cực cao hơn dẫn đến mô-men xoắn và độ chính xác được cải thiện. BesFoc cung cấp động cơ bước 'Độ phân giải cao', có bước răng bằng một nửa so với các mẫu tiêu chuẩn của họ. Những rôto có độ phân giải cao này có 100 răng, tạo ra góc giữa mỗi răng là 3,6°. Với thiết lập này, chuyển động 1/4 bước răng tương ứng với bước nhỏ hơn 0,9°.
Kết quả là, các mô hình 'Độ phân giải cao' cung cấp độ phân giải gấp đôi so với động cơ tiêu chuẩn, đạt được 400 bước mỗi vòng quay so với 200 bước mỗi vòng quay ở các mô hình tiêu chuẩn. Góc bước nhỏ hơn cũng dẫn đến độ rung thấp hơn, vì mỗi bước ít rõ ràng hơn và từ từ hơn.
Sơ đồ dưới đây minh họa mặt cắt ngang của động cơ bước 5 pha. Động cơ này chủ yếu bao gồm hai phần chính: stato và rôto. Bản thân rôto được tạo thành từ ba thành phần: cốc rôto 1, cốc rôto 2 và nam châm vĩnh cửu. Rôto được từ hóa theo hướng trục; ví dụ: nếu cốc rôto 1 được chỉ định là cực bắc thì cốc rôto 2 sẽ là cực nam.
Stator có 10 cực từ, mỗi cực được trang bị các răng nhỏ và cuộn dây tương ứng. Những cuộn dây này được thiết kế sao cho mỗi cuộn dây được nối với cuộn dây của cực đối diện của nó. Khi dòng điện chạy qua một cặp cuộn dây, các cực mà chúng kết nối sẽ từ hóa theo cùng một hướng – hướng bắc hoặc hướng nam.
Mỗi cặp cực đối diện tạo thành một pha của động cơ. Cho rằng có tổng cộng 10 cực từ, điều này dẫn đến năm pha riêng biệt trong 5 pha này động cơ bước.
Điều quan trọng là mỗi cốc rôto có 50 răng dọc theo chu vi bên ngoài của chúng. Các răng trên cốc rôto 1 và cốc rôto 2 được dịch chuyển lệch nhau về mặt cơ học một nửa bước răng, cho phép căn chỉnh và chuyển động chính xác trong quá trình vận hành.
Hiểu cách đọc đường cong tốc độ-mô-men xoắn là rất quan trọng vì nó cung cấp cái nhìn sâu sắc về những gì động cơ có thể đạt được. Những đường cong này thể hiện đặc tính hiệu suất của một động cơ cụ thể khi kết hợp với một bộ điều khiển cụ thể. Khi động cơ hoạt động, công suất mô-men xoắn của nó bị ảnh hưởng bởi loại truyền động và điện áp áp dụng. Kết quả là, cùng một động cơ có thể biểu hiện các đường cong tốc độ-mô-men xoắn khác nhau đáng kể tùy thuộc vào bộ truyền động được sử dụng.
BesFoc cung cấp các đường cong tốc độ-mô-men xoắn này làm tài liệu tham khảo. Nếu bạn sử dụng động cơ có trình điều khiển có xếp hạng điện áp và dòng điện tương tự, bạn có thể mong đợi hiệu suất tương đương. Để có trải nghiệm tương tác, vui lòng tham khảo đường cong tốc độ-mô-men xoắn được cung cấp bên dưới:
Giữ mô-men xoắn
Đây là lượng mô-men xoắn được tạo ra bởi động cơ khi nó đứng yên, với dòng điện định mức chạy qua cuộn dây của nó.
Vùng khởi động/dừng
Phần này cho biết các giá trị mô-men xoắn và tốc độ mà tại đó động cơ có thể khởi động, dừng hoặc đảo chiều ngay lập tức.
Mô-men xoắn kéo vào
Đây là các giá trị mô-men xoắn và tốc độ cho phép động cơ khởi động, dừng hoặc đảo chiều trong khi vẫn đồng bộ với các xung đầu vào.
Mô-men xoắn kéo ra
Điều này đề cập đến các giá trị mô-men xoắn và tốc độ mà tại đó động cơ có thể hoạt động mà không bị đình trệ, duy trì sự đồng bộ hóa với các pha đầu vào. Nó đại diện cho mô-men xoắn cực đại mà động cơ có thể cung cấp trong quá trình hoạt động.
Tốc độ khởi động tối đa
Đây là tốc độ cao nhất mà động cơ có thể bắt đầu chạy khi không có tải.
Tốc độ chạy tối đa Giá trị
này cho biết tốc độ nhanh nhất mà động cơ có thể đạt được khi chạy không tải.
Để vận hành trong vùng giữa mô-men xoắn kéo vào và kéo ra, ban đầu động cơ phải khởi động ở vùng khởi động/dừng. Khi động cơ bắt đầu chạy, tốc độ xung sẽ tăng dần cho đến khi đạt được tốc độ mong muốn. Để dừng động cơ, tốc độ sẽ giảm xuống cho đến khi nó giảm xuống dưới đường cong mô men xoắn kéo vào.
Mô-men xoắn tỷ lệ thuận với dòng điện và số vòng dây trong động cơ. Để tăng mô-men xoắn thêm 20% thì dòng điện cũng phải tăng khoảng 20%. Ngược lại, để giảm mô-men xoắn đi 50% thì dòng điện phải giảm 50%.
Tuy nhiên, do bão hòa từ tính, việc tăng dòng điện vượt quá gấp đôi dòng định mức sẽ không có lợi ích gì, vì vượt quá điểm này, việc tăng thêm sẽ không tăng cường mô-men xoắn. Hoạt động ở tốc độ gấp khoảng mười lần dòng điện định mức có nguy cơ khử từ rôto.
Tất cả các động cơ của chúng tôi đều được trang bị lớp cách nhiệt Loại B, có thể chịu được nhiệt độ lên tới 130°C trước khi lớp cách nhiệt bắt đầu xuống cấp. Để đảm bảo tuổi thọ, chúng tôi khuyên bạn nên duy trì chênh lệch nhiệt độ ở mức 30°C từ trong ra ngoài, nghĩa là nhiệt độ bên ngoài vỏ máy không được vượt quá 100°C.
Độ tự cảm đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất mô-men xoắn tốc độ cao. Nó giải thích tại sao động cơ không thể hiện mức mô-men xoắn cao vô tận. Mỗi cuộn dây của động cơ có giá trị điện cảm và điện trở riêng biệt. Độ tự cảm đo bằng henry, chia cho điện trở tính bằng ohm, sẽ tạo ra hằng số thời gian (tính bằng giây). Hằng số thời gian này cho biết phải mất bao lâu để cuộn dây đạt được 63% dòng điện định mức. Ví dụ: nếu động cơ được định mức là 1 amp, sau một thời gian không đổi, cuộn dây sẽ đạt xấp xỉ 0,63 amps. Thông thường, phải mất khoảng bốn đến năm hằng số thời gian để cuộn dây đạt được dòng điện tối đa (1 amp). Vì mô-men xoắn tỷ lệ với dòng điện nên nếu dòng điện chỉ đạt 63%, động cơ sẽ tạo ra khoảng 63% mô-men xoắn cực đại sau một thời gian không đổi.
Ở tốc độ thấp, độ trễ trong việc tích tụ dòng điện này không phải là vấn đề vì dòng điện có thể đi vào và thoát ra khỏi cuộn dây một cách hiệu quả một cách nhanh chóng, cho phép động cơ cung cấp mô-men xoắn định mức. Tuy nhiên, ở tốc độ cao, dòng điện không thể tăng đủ nhanh trước khi chuyển pha tiếp theo, dẫn đến mô-men xoắn giảm.
Điện áp trình điều khiển ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tốc độ cao của động cơ bước . Tỷ lệ điện áp truyền động và điện áp động cơ cao hơn dẫn đến khả năng tốc độ cao được cải thiện. Điều này là do điện áp tăng cao cho phép dòng điện chạy vào cuộn dây nhanh hơn ngưỡng 63% đã thảo luận trước đó.
Khi động cơ bước chuyển từ bước này sang bước tiếp theo, rôto không dừng ngay lập tức ở vị trí mục tiêu. Thay vào đó, nó di chuyển qua vị trí cuối cùng, sau đó bị kéo lùi lại, vượt quá hướng ngược lại và tiếp tục dao động tới lui cho đến khi cuối cùng nó dừng lại. Hiện tượng này, được gọi là 'đổ chuông' xảy ra với mỗi bước mà động cơ thực hiện (xem sơ đồ tương tác bên dưới). Giống như một sợi dây bungee, động lượng của rôto mang nó vượt quá điểm dừng, khiến nó 'nảy lên' trước khi dừng lại ở trạng thái đứng yên. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, động cơ được hướng dẫn chuyển sang bước tiếp theo trước khi dừng hẳn.
Các biểu đồ dưới đây minh họa hành vi đổ chuông của động cơ bước trong các điều kiện tải khác nhau. Khi động cơ không tải, nó có tiếng kêu đáng kể, dẫn đến độ rung tăng lên. Sự rung động quá mức này có thể dẫn đến động cơ bị chết máy khi không tải hoặc tải nhẹ, vì nó có thể mất đồng bộ. Vì vậy, điều cần thiết là luôn luôn kiểm tra động cơ bước với tải thích hợp.
Hai biểu đồ còn lại mô tả hiệu suất của động cơ khi có tải. Tải động cơ đúng cách giúp động cơ hoạt động ổn định và giảm độ rung. Lý tưởng nhất là tải cần từ 30% đến 70% công suất mô-men xoắn cực đại của động cơ. Ngoài ra, tỷ lệ quán tính của tải tới rôto phải nằm trong khoảng từ 1:1 đến 10:1. Đối với những chuyển động ngắn hơn và nhanh hơn, tỷ lệ này nên gần hơn với 1:1 đến 3:1.
Các chuyên gia và kỹ sư ứng dụng của BesFoc sẵn sàng trợ giúp xác định kích thước động cơ phù hợp.
MỘT động cơ bước sẽ có độ rung tăng lên đáng kể khi tần số xung đầu vào trùng với tần số tự nhiên của nó, hiện tượng này được gọi là cộng hưởng. Điều này thường xảy ra ở khoảng 200 Hz. Khi cộng hưởng, độ vọt lố và độ vọt lố của rôto được khuếch đại rất nhiều, làm tăng khả năng bị thiếu bước. Mặc dù tần số cộng hưởng cụ thể có thể thay đổi theo quán tính tải nhưng nó thường dao động trong khoảng 200 Hz.
Động cơ bước 2 pha chỉ có thể bỏ lỡ các bước trong nhóm bốn bước. Nếu bạn nhận thấy hiện tượng mất bước xảy ra theo bội số của bốn, điều đó cho thấy rằng các rung động đang khiến động cơ mất đồng bộ hóa hoặc tải có thể quá mức. Ngược lại, nếu các bước bị bỏ lỡ không phải là bội số của bốn thì có dấu hiệu rõ ràng rằng số xung không chính xác hoặc nhiễu điện đang ảnh hưởng đến hiệu suất.
Một số chiến lược có thể giúp giảm thiểu hiệu ứng cộng hưởng. Cách tiếp cận đơn giản nhất là tránh vận hành hoàn toàn ở tốc độ cộng hưởng. Vì 200 Hz tương ứng với khoảng 60 vòng/phút đối với động cơ 2 pha nên đây không phải là tốc độ cực cao. Hầu hết động cơ bước có tốc độ khởi động tối đa khoảng 1000 xung mỗi giây (pps). Do đó, trong nhiều trường hợp, bạn có thể bắt đầu vận hành động cơ ở tốc độ cao hơn tần số cộng hưởng.
Nếu bạn cần khởi động động cơ ở tốc độ thấp hơn tần số cộng hưởng, điều quan trọng là phải tăng tốc nhanh qua dải cộng hưởng để giảm thiểu tác động của rung động.
Một giải pháp hiệu quả khác là sử dụng góc bước nhỏ hơn. Góc bước lớn hơn có xu hướng dẫn đến độ vọt lố và độ vọt lố lớn hơn. Nếu động cơ có quãng đường di chuyển ngắn, nó sẽ không tạo ra đủ lực (mô-men xoắn) để vượt quá đáng kể. Bằng cách giảm góc bước, động cơ sẽ ít rung hơn. Đây là lý do tại sao kỹ thuật nửa bước và vi bước lại có hiệu quả trong việc giảm rung động.
Hãy chắc chắn chọn động cơ dựa trên yêu cầu tải. Kích thước động cơ phù hợp có thể dẫn đến hiệu suất tổng thể tốt hơn.
Bộ giảm chấn là một lựa chọn khác để xem xét. Các thiết bị này có thể được lắp vào trục sau của động cơ để hấp thụ một phần năng lượng rung, giúp vận hành trơn tru động cơ rung một cách tiết kiệm chi phí.
Một tiến bộ tương đối mới trong Công nghệ động cơ bước là động cơ bước 5 pha. Sự khác biệt dễ nhận thấy nhất giữa động cơ 2 pha và 5 pha (xem sơ đồ tương tác bên dưới) là số cực của stato: Động cơ 2 pha có 8 cực (4 cực mỗi pha), trong khi động cơ 5 pha có 10 cực (2 cực mỗi pha). Thiết kế cánh quạt tương tự như động cơ 2 pha.
Trong động cơ 2 pha, mỗi pha di chuyển rôto bằng 1/4 bước răng, trong khi ở động cơ 5 pha, rôto di chuyển 1/10 bước răng do thiết kế của nó. Với bước răng 7,2°, góc bước của động cơ 5 pha trở thành 0,72°. Cấu trúc này cho phép động cơ 5 pha đạt được 500 bước trên mỗi vòng quay, so với 200 bước trên mỗi vòng quay của động cơ 2 pha, mang lại độ phân giải cao hơn 2,5 lần so với động cơ 2 pha.
Độ phân giải cao hơn dẫn đến góc bước nhỏ hơn, giúp giảm đáng kể độ rung. Vì góc bước của động cơ 5 pha nhỏ hơn 2,5 lần so với góc bước của động cơ 2 pha nên nó có độ rung và tiếng chuông thấp hơn nhiều. Ở cả hai loại động cơ, rôto phải vượt quá hoặc quá thấp hơn 3,6° để bỏ lỡ các bước. Với góc bước của động cơ 5 pha chỉ 0,72°, động cơ gần như không thể vượt quá hoặc quá thấp ở một biên độ như vậy, dẫn đến khả năng mất đồng bộ là rất thấp.
Có bốn phương pháp truyền động chính cho động cơ bước S:
Truyền động sóng (Toàn bước)
Bật 2 giai đoạn (Bước đầy đủ)
Bật 1-2 pha (Nửa bước)
vi bước
Trong sơ đồ bên dưới, phương pháp truyền động sóng được đơn giản hóa để minh họa các nguyên tắc của nó. Mỗi vòng quay 90° được mô tả trong hình minh họa thể hiện 1,8° vòng quay rôto trong động cơ thực.
Trong phương pháp truyền động sóng, còn được gọi là phương pháp BẬT 1 pha, mỗi lần chỉ có một pha được cấp điện. Khi pha A được kích hoạt, nó sẽ tạo ra một cực nam hút cực bắc của rôto. Sau đó, pha A bị tắt và pha B được bật, làm cho rôto quay 90° (1,8°) và quá trình này tiếp tục với mỗi pha được cấp điện riêng lẻ.
Bộ truyền động sóng hoạt động theo trình tự điện bốn bước để quay động cơ.
Trong phương pháp truyền động 'Bật 2 pha', cả hai pha của động cơ đều được cấp điện liên tục.
Như minh họa bên dưới, mỗi vòng quay 90° tương ứng với một vòng quay rôto 1,8°. Khi cả hai pha A và B được cấp điện ở cực nam, cực bắc của rôto bị hút bằng nhau vào cả hai cực, khiến nó thẳng hàng ở giữa. Khi trình tự tiến triển và các pha được kích hoạt, rôto sẽ quay để duy trì sự thẳng hàng giữa hai cực được cấp điện.
Phương pháp 'Bật 2 pha' hoạt động bằng cách sử dụng trình tự điện bốn bước để quay động cơ.
Động cơ loại M 2 pha và 2 pha tiêu chuẩn của BesFoc sử dụng phương pháp truyền động 'Bật 2 pha' này.
Ưu điểm chính của phương pháp 'Bật 2 pha' so với phương pháp 'Bật 1 pha' là mô-men xoắn. Trong phương pháp 'Bật 1 pha', mỗi lần chỉ có một pha được kích hoạt, dẫn đến một đơn vị mô-men xoắn tác động lên rôto. Ngược lại, phương pháp 'Bật 2 pha' cung cấp năng lượng đồng thời cho cả hai pha, tạo ra hai đơn vị mô-men xoắn. Một vectơ mô-men xoắn hoạt động ở vị trí 12 giờ và vectơ kia ở vị trí 3 giờ. Khi hai vectơ mômen này kết hợp với nhau, chúng tạo ra một vectơ tổng hợp ở góc 45° với độ lớn lớn hơn 41,4% so với vectơ đơn lẻ. Điều này có nghĩa là việc sử dụng phương pháp 'Bật 2 pha' cho phép chúng tôi đạt được góc bước tương tự như phương pháp 'Bật 1 pha' đồng thời cung cấp thêm 41% mô-men xoắn.
Tuy nhiên, động cơ năm pha hoạt động hơi khác một chút. Thay vì sử dụng phương pháp 'Bật 2 pha', họ sử dụng phương pháp 'Bật 4 pha'. Trong phương pháp này, bốn pha được kích hoạt đồng thời mỗi khi động cơ thực hiện một bước.
Kết quả là động cơ năm pha tuân theo trình tự điện 10 bước trong quá trình vận hành.
Phương pháp 'Bật 1-2 pha', còn được gọi là nửa bước, kết hợp các nguyên tắc của hai phương pháp trước đó. Theo phương pháp này, trước tiên chúng tôi cấp điện cho pha A, làm cho rôto căn chỉnh. Trong khi giữ cho pha A luôn tràn đầy năng lượng, chúng tôi sẽ kích hoạt pha B. Tại thời điểm này, rôto bị thu hút như nhau về cả hai cực và thẳng hàng ở giữa, tạo ra một góc quay 45° (hoặc 0,9°). Tiếp theo, chúng tôi tắt pha A trong khi tiếp tục cấp điện cho pha B, cho phép động cơ thực hiện thêm một bước nữa. Quá trình này tiếp tục, xen kẽ giữa cấp điện một pha và hai pha. Bằng cách đó, chúng tôi đã giảm góc bước xuống một nửa một cách hiệu quả, giúp giảm độ rung.
Đối với động cơ 5 pha, chúng tôi sử dụng chiến lược tương tự bằng cách bật xen kẽ giữa 4 pha bật và 5 pha bật.
Chế độ nửa bước bao gồm một chuỗi điện tám bước. Trong trường hợp động cơ năm pha sử dụng phương pháp 'Bật 4-5 pha', động cơ sẽ trải qua trình tự điện gồm 20 bước.
(Có thể thêm thông tin về vi bước nếu cần.)
Vi bước là một kỹ thuật được sử dụng để làm cho các bước nhỏ trở nên tốt hơn. Các bước càng nhỏ thì độ phân giải càng cao và đặc tính rung của động cơ càng tốt. Trong vi bước, một pha không bật hoàn toàn cũng không tắt hoàn toàn; thay vào đó, nó được cung cấp năng lượng một phần. Sóng hình sin được áp dụng cho cả Pha A và Pha B, với độ lệch pha là 90° (hoặc 0,9° trong pha năm pha). động cơ bước ).
Khi cấp công suất tối đa cho Pha A, Pha B ở mức 0, khiến rôto thẳng hàng với Pha A. Khi dòng điện đến Pha A giảm, dòng điện đến Pha B tăng lên, cho phép rôto thực hiện các bước nhỏ về phía Pha B. Quá trình này tiếp tục khi dòng điện xoay vòng giữa hai pha, dẫn đến chuyển động vi bước mượt mà.
Tuy nhiên, vi bước có một số thách thức, chủ yếu liên quan đến độ chính xác và mô-men xoắn. Vì các pha chỉ được cấp điện một phần nên động cơ thường bị giảm mô-men xoắn khoảng 30%. Ngoài ra, do chênh lệch mô-men xoắn giữa các bước là rất nhỏ nên động cơ có thể gặp khó khăn để vượt qua tải, điều này có thể dẫn đến tình huống động cơ được lệnh di chuyển vài bước trước khi nó thực sự bắt đầu di chuyển. Trong nhiều trường hợp, việc kết hợp các bộ mã hóa là cần thiết để tạo ra một hệ thống vòng kín, mặc dù điều này sẽ làm tăng thêm chi phí tổng thể.
Hệ thống vòng hở
Hệ thống vòng kín
Hệ thống servo
động cơ bước thường được thiết kế dưới dạng hệ thống vòng hở. Trong cấu hình này, bộ tạo xung sẽ gửi xung đến mạch sắp xếp pha. Trình sắp xếp thứ tự pha xác định pha nào sẽ được bật hoặc tắt, như được mô tả trước đây trong phương pháp toàn bước và nửa bước. Bộ tuần tự điều khiển các FET công suất cao để kích hoạt động cơ.
Tuy nhiên, trong hệ thống vòng hở, không có xác minh vị trí, nghĩa là không có cách nào để xác nhận liệu động cơ có thực hiện chuyển động theo lệnh hay không.
Một trong những phương pháp phổ biến nhất để triển khai hệ thống vòng kín là thêm bộ mã hóa vào trục sau của động cơ trục kép. Bộ mã hóa bao gồm một đĩa mỏng được đánh dấu bằng các đường quay giữa máy phát và máy thu. Mỗi khi một đường truyền đi qua giữa hai thành phần này, nó sẽ tạo ra một xung trên các đường tín hiệu.
Các xung đầu ra này sau đó được đưa trở lại bộ điều khiển để đếm số lượng của chúng. Thông thường, khi kết thúc một chuyển động, bộ điều khiển sẽ so sánh số xung nó gửi tới trình điều khiển với số xung nhận được từ bộ mã hóa. Một quy trình cụ thể được thực thi, theo đó, nếu hai số đếm khác nhau, hệ thống sẽ điều chỉnh để khắc phục sự khác biệt. Nếu số đếm khớp nhau, điều đó cho biết không có lỗi nào xảy ra và chuyển động có thể tiếp tục suôn sẻ.
Hệ thống vòng kín có hai nhược điểm chính: chi phí (và độ phức tạp) và thời gian đáp ứng. Việc bao gồm bộ mã hóa sẽ làm tăng thêm chi phí chung của hệ thống, cùng với sự phức tạp ngày càng tăng của bộ điều khiển, góp phần vào tổng chi phí. Ngoài ra, do việc điều chỉnh chỉ được thực hiện khi kết thúc chuyển động nên điều này có thể gây ra độ trễ cho hệ thống, có khả năng làm chậm thời gian phản hồi.
Một giải pháp thay thế cho hệ thống bước vòng kín là hệ thống servo. Hệ thống servo thường sử dụng động cơ có số cực thấp, cho phép thực hiện tốc độ cao nhưng thiếu khả năng định vị vốn có. Để chuyển đổi servo thành thiết bị định vị, cần có cơ chế phản hồi, thường sử dụng bộ mã hóa hoặc bộ phân giải cùng với các vòng điều khiển.
Trong hệ thống servo, động cơ được kích hoạt và hủy kích hoạt cho đến khi bộ phân giải chỉ ra rằng đã đạt đến vị trí xác định. Ví dụ: nếu servo được hướng dẫn di chuyển 100 vòng quay, nó sẽ bắt đầu với số lượng bộ phân giải ở mức 0. Động cơ chạy cho đến khi số lượng bộ phân giải đạt 100 vòng quay, lúc đó nó sẽ tắt. Nếu có bất kỳ sự thay đổi vị trí nào, động cơ sẽ được kích hoạt lại để điều chỉnh vị trí.
Phản ứng của servo đối với các lỗi vị trí bị ảnh hưởng bởi cài đặt khuếch đại. Cài đặt mức tăng cao cho phép động cơ phản ứng nhanh với những thay đổi do lỗi, trong khi cài đặt mức tăng thấp dẫn đến phản hồi chậm hơn. Tuy nhiên, việc điều chỉnh cài đặt khuếch đại có thể gây ra độ trễ thời gian cho hệ thống điều khiển chuyển động, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể.
AlphaStep là sản phẩm sáng tạo của BesFoc giải pháp động cơ bước , có bộ phân giải tích hợp cung cấp phản hồi vị trí theo thời gian thực. Thiết kế này đảm bảo rằng vị trí chính xác của rôto luôn được biết, nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống.
Trình điều khiển AlphaStep có bộ đếm đầu vào theo dõi tất cả các xung được gửi tới ổ đĩa. Đồng thời, phản hồi từ bộ phân giải được dẫn đến bộ đếm vị trí rôto, cho phép giám sát liên tục vị trí của rôto. Bất kỳ sự khác biệt nào đều được ghi lại trong bộ đếm độ lệch.
Thông thường, động cơ hoạt động ở chế độ vòng hở, tạo ra vectơ mômen xoắn cho động cơ tuân theo. Tuy nhiên, nếu bộ đếm độ lệch chỉ ra sự chênh lệch lớn hơn ±1,8°, thì trình sắp xếp pha sẽ kích hoạt vectơ mô-men xoắn ở phần trên của đường cong dịch chuyển mô-men xoắn. Điều này tạo ra mô-men xoắn cực đại để căn chỉnh lại rôto và đưa nó trở lại trạng thái đồng bộ. Nếu động cơ bị tắt vài bước, bộ tuần tự sẽ cấp điện cho nhiều vectơ mô-men xoắn ở đầu cao của đường cong dịch chuyển mô-men xoắn. Người lái xe có thể xử lý tình trạng quá tải trong tối đa 5 giây; nếu không khôi phục được tính đồng bộ trong khung thời gian này, lỗi sẽ được kích hoạt và cảnh báo sẽ được đưa ra.
Một tính năng đáng chú ý của hệ thống AlphaStep là khả năng thực hiện các chỉnh sửa theo thời gian thực cho bất kỳ bước nào bị bỏ sót. Không giống như các hệ thống truyền thống đợi cho đến khi kết thúc một chuyển động để sửa bất kỳ lỗi nào, trình điều khiển AlphaStep sẽ thực hiện hành động khắc phục ngay khi rôto rơi ra ngoài phạm vi 1,8°. Khi rôto quay trở lại giới hạn này, trình điều khiển sẽ trở lại chế độ vòng lặp mở và tiếp tục cấp điện cho pha thích hợp.
Biểu đồ kèm theo minh họa đường cong dịch chuyển mô-men xoắn, nêu bật các chế độ hoạt động của hệ thống—vòng hở và vòng kín. Đường cong dịch chuyển mô-men xoắn biểu thị mô-men xoắn được tạo ra bởi một pha, đạt được mô-men xoắn cực đại khi vị trí rôto lệch 1,8°. Một bước chỉ có thể bị bỏ lỡ nếu rôto vượt quá 3,6°. Bởi vì người lái sẽ kiểm soát vectơ mô-men xoắn bất cứ khi nào độ lệch vượt quá 1,8°, động cơ khó có thể bỏ lỡ các bước trừ khi nó gặp tình trạng quá tải kéo dài hơn 5 giây.
Nhiều người lầm tưởng rằng độ chính xác bước của động cơ AlphaStep là ±1,8°. Trên thực tế, AlphaStep có độ chính xác từng bước là 5 phút cung (0,083°). Bộ điều khiển quản lý các vectơ mô-men xoắn khi rôto nằm ngoài phạm vi 1,8°. Khi rôto nằm trong phạm vi này, các răng rôto sẽ căn chỉnh chính xác với vectơ mômen xoắn được tạo ra. AlphaStep đảm bảo rằng răng chính xác thẳng hàng với vectơ mô-men xoắn hoạt động.
Dòng AlphaStep có nhiều phiên bản khác nhau. BesFoc cung cấp cả mô hình trục tròn và mô hình bánh răng với nhiều tỷ số truyền để nâng cao độ phân giải và mô-men xoắn hoặc để giảm thiểu quán tính phản xạ. Hầu hết các phiên bản đều có thể được trang bị phanh từ an toàn. Ngoài ra, BesFoc còn cung cấp phiên bản 24 VDC được gọi là dòng ASC.
Tóm lại, động cơ bước rất phù hợp cho các ứng dụng định vị. Chúng cho phép kiểm soát chính xác cả khoảng cách và tốc độ chỉ bằng cách thay đổi số lượng xung và tần số. Số cực cao của chúng mang lại độ chính xác, ngay cả khi hoạt động ở chế độ vòng lặp mở. Khi có kích thước phù hợp cho một ứng dụng cụ thể, động cơ bước sẽ không bỏ lỡ bước. Hơn nữa, vì không yêu cầu phản hồi vị trí nên động cơ bước là một giải pháp tiết kiệm chi phí.
