Hiện nay, động cơ bước được sử dụng nhiều trong việc điều khiển robot bắt, bám các mục tiêu trong các khí tài quan sát hay điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt,… Vậy, điều khiển động cơ bước có khó không? Làm thế nào cho hiệu quả?

1. Khái niệm motor bước

Trước khi tìm hiểu cách điều khiển động cơ bước hiệu quả, bạn cần nắm được động cơ bước là gì? Đây là một động cơ đồng bộ dùng có khả năng biến đổi các tín hiệu điều khiển động cơ dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau để trở thành các chuyển động của góc quay hoặc các chuyển động của roto và đem lại khả năng cố định roto vào trong những vị trí cần thiết.

Đang xem: Cách điều khiển vận hành động cơ bước (step motor) hiệu quả nhất hiện nay

*

Động cơ bước là một loại động cơ đồng bộ

Động cơ bước là 1 loại động cơ điện có nguyên lý hoạt động và ứng dụng khác biệt với đại đa số các loại động cơ điện còn lại. Chúng thực chất chính là một động cơ đồng bộ, được dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển động cơ dưới dạng các xung điện.

2. Nguyên tắc điều khiển động cơ bước

Khác với các động cơ đồng bộ thông thường, trong việc điều khiển vi bước step motor Rotor, động cơ bước được khởi động bằng phương pháp đo tần số do nó không có cuộn dây để khởi động. Rotor của động cơ bước sẽ có loại Rotor tích cực hoặc là Rotor thụ động.

Động cơ bước sẽ làm việc dựa vào bộ chuyển mạch điện tử nhằm mục đích đưa các tín hiệu vào trong Stator theo một thứ tự và 1 tần số nhất định. Số lần chuyển mạch của động cơ sẽ được tính bằng tổng số góc quay của Rotor. Khi đó, chiều quay cũng như tốc độ quay của roto sẽ phụ thuộc vào thứ tự và tần số chuyển đổi.

*

Động cơ bước làm việc nhờ vào bộ chuyển mạch điện tử

Xung điện áp được cấp cho cuộn dây Stator lúc này có thể là xung 1 cực hoặc 2 cực:

Chuyển mạch điện tử trong điều khiển step motor có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stator có thể theo từng cuộn riêng lẻ hoặc là theo từng nhóm của các cuộn dây.Trị số của động cơ cũng như chiều của lực điện từ chính là tổng F phụ thuộc vào vị trí của các lực điện từ có trong nó. Do đó, vị trí Rotor của động cơ bước lúc này sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây dưới đây:

*

Sơ đồ chi tiết nguyên lý hoạt động của động cơ bước

Hình trên thể hiện nguyên lý hoạt động của động cơ bước m pha với Rotor có 2 cực 2p = 2 và khi chúng không được kích thích. Nếu các cuộn dây bên trong của động cơ bước được cung cấp điện riêng lẻbởi xung 1 cực thì Rotor của động cơ bước lúc này sẽ có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây giống như ở hình a.

Để mạch điều khiển động cơ bước 6 dây tăng cường lực điện từ tổng của Stato, từ đó sẽ tăng từ thông và mô men đồng bộ, chúng ta phải cấp điện đồng thời cho 2, 3, cũng có khi là nhiều cuộn dây. Lúc đó phần Rotor của động cơ bước sẽ có vị trí ổn định và trùng với vectơ của lực điện từ tổng F. Đồng thời, lực điện từ tổng F của nó cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ phát ra từ các cuộn dây Stator.

3. Sơ đồ và cách điều khiển động cơ bước

Động cơ bước khi được điều khiển dưới dạng nhiều xung điện rời rạc kế tiếp nhau thì sẽ tạo thành các chuyển động góc quay cũng như các chuyển động của Rotor. Động cơ bước sẽ không còn quay theo cơ chế thông thường mà sẽ quay theo từng bước nên cũng có chế độ chính xác rất cao xét về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ vào các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển động cơ bước 5 dây vào Stato theo thứ tự và những tần số nhất định.

Vì mỗi một loại động cơ bước sẽ có những đặc tuyến khác nhau, nên cách điều khiển cũng sẽ khác nhau. Tùy thuộc vào lực kéo (mô men) và tốc độ quay mà động cơ yêu cầu, chúng ta có thể dùng các cách điều khiển dưới đây:

Với những động cơ bước chỉ cần chạy ở tốc độ thấp: Người ta sẽ sử dụng phương pháp điều khiển để cung cấp điện áp trực tiếp. Lúc này, chính nội trở cuộn dây của động cơ sẽ hoạt động để tạo ra một dòng điện, do đó, giới hạn dòng điện này sẽ phụ thuộc vào điện áp cung cấp trực tiếp cho nó.Với những động cơ bước yêu cầu chạy ở tốc độ cao: Người ta không thể tiếp tục sử dụng phương pháp cấp điện áp trực tiếp nữa vì lực kéo lúc này sẽ bị giảm nghiêm trọng. Bởi lẽ, đặc tuyến cảm của cuộn dây trong động cơ sẽ kìm hãm khả năng hoạt động của dòng điện.Với những động cơ bước cần cải thiện và nâng cao hiệu suất của motor bước và bộ điều khiển ở tốc độ thấp và cần tăng tốc độ cao thì chúng ta nên sử dụng phương pháp điều khiển bằng băm xung. Cách điều khiển động cơ bước này sẽ giúp bạn duy trì tần số không đổi, tùy theo nguyên tắc duy trì dòng điện thì các cuộn dây của động cơ cũng sẽ không đổi so với mọi cấp độ. Cách điều khiển này còn được gọi là điều khiển tùy theo dòng điện.

4. Phương pháp điều khiển động cơ bước

4.1. Điều khiển động cơ bước dạng sóng (Wave Drive)

Đây là phương pháp cơ bản nhất để điều khiển 1 động cơ bước, dù cho nó không được sử dụng nhiều nhưng vẫn đáng để giúp cho chúng ta hiểu về cách điều khiển động cơ bước. Trong phương pháp này, nếu mỗi pha hoặc stato ở cạnh nhau sẽ được động cơ kích hoạt lần lượt bằng cách sử dụng 1 mạch đặc biệt giúp từ hóa và khử từ hóa stato, điều này sẽ dẫn đến chuyển động nhanh chóng của rôto một bước.

4.2. Điều khiển động cơ chạy đủ bước (Full Step Drive)

Trong mạch điều khiển động cơ bước 4 dây, thay vì kích hoạt tất cả các stator một lần, 2 stator sẽ được kích hoạt chỉ cách nhau 1 khoảng thời gian ngắn. Điều này có nghĩa là nếu stator thứ 1 bật ON thì stator thứ 2 sẽ ON ngay sau đó một khoảng thời gian ngắn, trong khi đó thì stator thứ nhất vẫn ON. Phương pháp này dẫn đến mô men xoắn đạt mức cao và cho phép chúng ta điều khiển động cơ tải cao.

4.3. Điều khiển động cơ chạy nửa bước (Half-Stepping Drive)

Phương pháp này cũng tương tự như ổ đĩa Full bước. Ở step motor và mạch điều khiển, 2 stator được đặt cạnh nhau sẽ được tiến hành kích hoạt trước và stator thứ 3 sẽ được kích hoạt ngay sau đó, nhưng 2 stator này lại bị vô hiệu hóa. Chu kỳ này sẽ kích hoạt 2 stator trước và sau đó 1 stator lặp lại để giúp điều khiển động cơ bước. Phương pháp này sẽ dẫn đến tăng cường độ phân giải của động cơ trong khi đó mô men xoắn sẽ giảm xuống.

4.4. Điều khiển động cơ chạy bước nhỏ (Micro
Stepping Drive)

Đây là phương pháp điều khiển động cơ bước được sử dụng phổ biến nhất vì nó có tính chính xác rất cao. Mạch điều khiển cung cấp ngay 1 dòng bước biến đổi cho cuộn dây stato đang tồn tại ở dạng sóng hình sin. Những bước đi nhỏ xíu này hiện nay dùng để tăng cường độ chính xác tuyệt đối của từng bước một. Phương pháp này cũng được sử dụng rộng rãi do nó có thể giảm tiếng ồn của hoạt động ở mức độ lớn.

*

Có nhiều phương pháp để điều khiển động cơ bước

5. Điều khiển động cơ bước dùng Code Arduino như thế nào?

Module Driver A4988 là 1 con IC có trong máy in 3d, 1 điều khá ngạc nhiên là hầu hết các máy in 3d đều sử dụng con IC này để điều khiển, vì máy in 3d có tải trọng nhỏ và kích thước của con IC này lại khá tương thích, nó nhỏ hơn 10 lần so với tb6560 hoặc 20 lần so với MA860H. Thậm chí, nó chỉ to hơn móng tay người một chút.

Quá trình điều khiển động cơ bước Arduino có tính năng:

Điều khiển rất đơn giản.Điều khiển được cả những động cơ hoạt động với điện áp vừa, thậm chí lên tới 35V và có dòng lên tới 2A.Có 5 chế độ: full bước, 1/ 2 bước, 1/ 4 bước, 1/ 8 bước, 1/ 16 bước.Điều chỉnh dòng ra bằng cách sử dụng chiết áp (siêu nhỏ) nằm bên trên Current Limit = VREF × 2.5Tự động bật Shutdown thì quá nóng,…​

Khi bạn lựa chọn chế độ full hay 1/2 hoặc 1/4 thì sẽ được thông qua 3 pin là MS1, MS2, MS3. Có thể nối thẳng 3 pin này vào công tắc bit 3p để dễ dàng thiết lập từ trên phần cứng. Lưu ý thêm, nếu thả nổi 3 pin này thì tức là mode full step.

*

Bảng thông số điều khiển động cơ bước Arduino

Nếu muốn bật/ tắt động cơ thì các bạn phải thông qua pin ENABLE, bật mức LOW tức là bật module, mức HIGH tức là đang tắt module. Điều khiển chiều quay cho động cơ có thể thông qua pin DIR.

Thực hiện cách điều khiển step motor thông qua pin STEP, chú ý mỗi xung sẽ tương ứng với 1 bước (hoặc 1 vi bước). Hai chân Sleep cùng với Reset sẽ nối với nhau luôn. Dưới đây là chi tiết cách điều khiển động cơ bước source code:

#include:

Accel
Stepper stepper (1,5,4); // pin 5 step, pin 4 dir void setup () {Serial.begin (9600); pin
Mode (6,OUTPUT); // Enable; digital Write(6, LOW); // Đặt Enable xuống LOW để khởi động động cơ} void loop() {if (stepper.distance
To
Go() == 0)// kiểm tra thử động cơ bước có còn đang hoạt động hay không, nếu không còn chạy thì chọn:

{delay(1000); stepper.move
To(rand() % 400); //chuyển đến tọa độ 0 399 (Random) stepper.set
Max
Speed((rand () % 400) 200); //chỉnh tốc độ. stepper. Đặt set
Acceleration((rand() % 200) 100); // chỉnh gia tốc}

Serial.println(stepper.distance
To
Go());

stepper.run (); //

Chú ý phải có hàm này ở hàm loop vì với mỗi biến stepper thì phải làm như vậy mới chạy được.

Kết luận

Trong quá trình điều khiển chuyển động kỹ thuật, điều khiển động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu cho máy móc, bởi nó có thể thực hiện trung thành được các lệnh mà chúng ta đưa ra dưới dạng số. Cùng với sự phát triển của ngành khoa học chế tạo, động cơ bước hiện nay được ứng dụng nhiều trong các ngành tự động hóa, đặc biệt là trong các thiết bị điều khiển từ xa cần có độ chính xác cao.

Động cơ bước chính làcác máy điện, hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp có dùng điều khiển vị trí. Vậy, điều khiển động cơ bước có khó không, làm thế nào mới đúng chuẩn? Dưới đây, mời các bạn cùng tìm hiểu về khái niệm, nguyên lý hoạt động, các đặc tính cũng như cách điều khiển động cơ bước sao cho hiệu quả nhất.

Xem thêm: Vận Khăn Xám Là Gì

1. Tìm hiểu khái niệm motor bước

Trước khi tìm hiểu về cách điều khiển động cơ bước, chúng ta cần nắm rõ khái niệm động cơ bước là gì? Đâylà 1 loại động cơ có khả năng biến đổi các tín hiệu điều khiển ở dưới dạng các xung điện rời rạc biến thiên kế tiếp nhau trở thành các chuyển động ở góc quay hoặc các chuyển động của roto. Loại động cơ này có khả năng cố định roto của máy vào đúng các vị trí cần thiết.

*

Động cơ bước giúp cố định roto của máy vào đúng các vị trí cần thiết

Các thông số cơ bản để chọn được một mạch điều khiển động cơ bước 4 dây thích hợp gồm có:

Loại motor bao gồm: loại trục, loại lỗ,..Momen xoắn dùng để giữ max.Dòng điện định mức có các thông số: 0.75A/ pha, 1.4A/ pha, 2.8A/ pha
Số lượng pha: 2p, 5p
Kích thước của khung motor bước: 2 (24mm), 4 (42mm), 6 (60mm) và 9 (85mm).Chiều dài của motor bước: 3 (33mm), 5 (46.5 – 47mm), 6 (59.5mm) và 9 (98mm).

2. Các đặc tính cơ bản cần nhớ của động cơ bước

a) Đặc tính động của động cơ bước

Đặc tính tốc độ – mô men: Đặc tính này được xác định bởi động cơ cùng với bộ điều khiển, và nó cũng bị ảnh hưởng rất nhiều bởi loại thiết bị điều khiển mà bạn sử dụng.

Đặc tính tải theo quán tính và tần số bắt đầu: Điều này cho thấy tần số khởi động cho phép của động cơ sẽ giảm khi tải quán tính của nó tăng lên. Các giá trị này còn được thay đổi theo tốc độ xung, nhưng động cơ bước vẫn không thể tuân theo tốc độ xung nếu nó vượt quá một điểm nhất định, vì như vậy sẽ dẫn đến việc đi sai bước.

Đặc tính có độ rung: Khi điều khiển vi bước step motor, động cơ bước quay nhưng trên thực tế là thực hiện rất nhiều bước có phản hồi, mỗi bước còn được mô tả bởi các giai đoạn cụ thể, chi tiết.

b) Đặc tính tĩnh của động cơ bước

Đặc tính mômen và góc: Khi điều khiển step motor, mối quan hệ giữa mức độ dịch chuyển góc của rôto và mômen sẽ tạo ra lực tác dụng lên trục động cơ, trong khi đó, động cơ còn được kích thích bởi một dòng điện định mức.

Độ chính xác của góc: Trong điều kiện động cơ chạy không tải, nó sẽ có độ chính xác của góc trong vào khoảng 0,05˚. Độ chính xác góc của động cơ bước thông thường được biểu thị bằng độ chính xác của vị trí dừng.

Độ chính xác của vị trí dừng: điều này thể hiện sự khác biệt giữa vị trí dừng động cơ theo mong muốn và vị trí dừng theo thực tế.

Trong điều kiện thực tế của mạch điều khiển động cơ bước 6 dây, động cơ bước luôn tồn tại ma sát. Nếu tải trọng của ma sát không đổi thì góc dịch chuyển sẽ không đổi đối với tất cả mọi hoạt động một chiều. Tuy nhiên, trong khi hoạt động hai chiều, sai số góc có thể tăng lên gấp đôi.

3. Nguyên tắc điều khiển động cơ bước hoạt động như thế nào

Có thể áp dụng quy tắc bàn tay phải để điều khiển động cơ bước như sau: Nắm bàn tay phải, rồi đặt bàn tay sao cho bốn ngón tay hướng theo chiều của dòng điện chạy qua các vòng dây. Khi đó, ngón tay cái choãi ra sẽ chỉ chiều của đường sức từ bên trong lòng ống dây.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của motor bước: Khi bạn cấp điện vào trong cuộn dây của stato, cuộn dây này sẽ đóng vai trò chính là một nam châm điện. Nó sẽ gây ra lực tác động, từ đó làm quay roto.

Khi điều khiển động cơ bước 5 dây, quá trình thay đổi thứ tự cung cấp điện cho các cuộn dây của stato sẽ khiến cho trình tự quay của roto bị thay đổi. Việc thay đổi thứ tự của quá trình chuyển mạch sẽ căn cứ vào mạch điện tử.

*

Có thể áp dụng quy tắc bàn tay phải để điều khiển động cơ bước

4. Sơ đồ và cách điều khiển động cơ bước

Khi nói đến cách điều khiển động cơ bước, các bạn sẽ thường nhắc đến cách mạch điều khiển động cơ bước 6 dây, 4 dây hoặc 5 dây,… Tuy nhiên, ở đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu chi tiết hơn về gốc rễ của quá trình điều khiển động cơ bước ra sao, làm như thế nào, sử dụng phương pháp điều khiển gì hiệu quả nhất?

Cần biết rằng, mỗi một loại động cơ bước thông thường sẽ có các đặc tuyến khác nhau, vì vậy cách điều khiển của từng loại cũng sẽ khác nhau. Tùy thuộc vào lực kéo (mô men lực) và tốc độ quay yêu cầu của motor bước mà chúng ta có thể thiết lập chương trình điều khiển động cơ bước sau đây:

Trường hợp đối với những động cơ bước chỉ cần chạy ở tốc độ thấp thì chúng ta sử dụng phương pháp điều khiển bằng cách cấp điện áp trực tiếp. Chính nội trở trong cuộn dây của động cơ sẽ sản sinh ra một dòng điện mà ở đó giới hạn dòng điện này sẽ phụ thuộc vào điện áp được cấp trực tiếp vào động cơ bước.Trường hợp step motor và mạch điều khiển chạy ở tốc độ cao: Nếu các bạn muốn tiếp tục sử dụng phương pháp cung cấp điện áp trực tiếp vào động cơ bước thì lực kéo (mô men lực) sẽ bị giảm sút nghiêm trọng. Bởi vì đặc tuyến cảm của cuộn dây sẽ tạo ra một lực để kìm hãm khả năng, tác dụng của dòng điện.Một thực tế cho thấy là trong cách điều khiển động cơ bước bằng cách cấp điện trực tiếp sẽ khiến cho động cơ và mạch điều khiển động cơ bước rất nóng.Trường hợp chúng ta cần cải thiện và nâng cao hiệu suất làm việc của mạch điều khiển motor bước ở tốc độ thấp, đồng thời cần tăng tốc độ cao lên thì nên sử dụng phương pháp điều khiển bằng cách băm xung. Khi điều khiển động cơ bước dựa vào băm xung nhằm duy trì được tần số không đổi. Tùy theo nguyên tắc duy trì dòng điện chạy qua các cuộn dây của động cơ cũng sẽ không đổi cho dù ở mọi cấp độ. Cách điều khiển này còn gọi là phương pháp điều khiển theo dòng điện.Thực tế còn cho thấy, cách điều khiển động cơ bước bằng cách băm xung sẽ giúp cho động cơ bước hoạt động mạnh mẽ hơn, êm hơn và đặc biệt là ít nóng hơn.

*

Sơ đồ và cách điều khiển động cơ bước

5. Điều khiển động cơ bước dùng Code Arduino và A4988

Để điều khiển động cơ bước Arduino, bạn cần chuẩn bị:

Động cơ Arduino UNOĐộng cơ NEMA17 Stepper Motor
A4988 Driver Module
Tụ điện 47µf (giúp bảo vệ board điều khiển, tránh khỏi các xung điện áp)Biến trở
Động cơ bước NEMA17 có 6 dây
Động cơ hoạt động ở 12V (Góc bước vào khoảng 1.8 độ và 10 – 40 °C.

Sơ đồ chân của động cơ bước NEMA 17:

Module điều khiển động cơ bước A4988A4988 chính là driver điều khiển động cơ bước có kích thước cực kỳ nhỏ gọn, hỗ trợ được nhiều chế độ làm việc, đồng thời nó còn điều chỉnh được dòng điện ra cho động cơ, đặc biệt tự động ngắt điện khi động cơ quá nóng.Công suất điện của ngõ ra: 8 – 35V, 2ACó 5 chế độ bao gồm: 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 bước
Điều chỉnh dòng điện đi ra bằng chiết áp
Tự động ngắt điện khi động cơ bị quá nhiệt

Cách điều khiển động cơ bước:

Có 5 chế độ cho bạn lựa chọn, nếu bạn không muốn mạch điều khiển động cơ bước chạy đầy đủ 200 bước/ vòng. Tốt nhất, chúng ta nên chạy cho đầy đủ mà không cần quan tâm đến 3 chân này, sau đó sẽ điều chỉnh bước của chính động cơ trong hệ thống code.

MS1

MS2

MS3

Microstep Resolution

Low

Low

Low

Full Step

High

Low

Low

½ Step (Half Step)

Low

High

Low

¼ Step (Quarter Step)

High

High

Low

1/8 Step (Eighth Step)

High

High

High

1/16 Step (Sixteenth Step)

Lựa chọn chế độ full, chế độ 1/ 2 hay 1/ 4 thì sẽ được thông qua 3 pin đó là MS1, MS2, MS3. Lưu ý là nếu các bạn thả nổi 3 pin này tức là bạn chọn chạy theo chế độ full step.Bật – tắt động cơ thì bạn chỉ cần thông qua pin ENABLE, nếu chọn mức LOW là bật module, còn mức HIGH tức là tắt module.Điều khiển chiều quay của động cơ bước thông qua pin DIR.Điều khiển bước của động cơ bằng pin STEP, mỗi xung lại tương ứng với 1 bước hoặc 1 vi bước.Chú ý, hai chân Sleep với Reset luôn phải nối với nhau.Cụ thể hơn, cách điều khiển step motor chính là kết nối giữa động cơ Nema 17 và A4988, khi đó chúng ta sẽ tiến hành kết nối theo cặp pha của động cơ bước đến 2 cặp 1A – 1B và cặp 2A – 2B.Giữa Arduino và A4988 thì các bạn cần kết nối chúng lại theo đúng sơ đồ chân.

*

Kết nối theo cặp pha của động cơ bước đến 2 cặp 1A – 1B và cặp 2A – 2B

Code:Các bạn hãy tiến hành nạp code này vào Arduino IDE để thử nghiệm (nhưng hãy nhớ cài đặt cho thư viện động cơ bước nhé)Tiếp theo, trong vòng loop, chúng ta hãy tiến hành đọc chân của biến trở để chuyển đổi sao cho mức vặn của biến trở rơi vào trong khoảng từ 0 – 500 là được. So sánh giá trị của chúng khi chỉnh biến trở, trường hợp nếu nó lớn hơn giá trị trước đó (vặn theo chiều kim đồng hồ) thì động cơ sẽ nhanh chóng di chuyển 10 bước, quay theo chiều kim đồng hồ. Nếu giá trị nhận được nhỏ hơn giá trị trước đó (vặn quay ngược kim đồng hồ) thì động cơ sẽ lập tức di chuyển 10 bước theo hướng ngược chiều kim đồng hồ.

Xem thêm: Các Loại Thuốc Bổ Cho Gà Chọi Bạn Nên Biết, Thuốc Bổ Nội Tạng Cho Gà Chọi

Kết luận

Thông qua bài viết trên đây, chúng tôi đã giới thiệu đến các bạn nguyên lý cũng như cách điều khiển động cơ bước dùng Arduino và A4988 driver. Các bạn cần chọn mua sản phẩm tại địa chỉ uy tín cũng như chú ý đọc thật kỹ các thông số của chúng trước khi sử dụng nhé.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *