Hướng Dẫn Điều Khiển Động Cơ Bước

20 thg 4 2024 20:39

Bạn đang tìm kiếm một hướng dẫn dễ hiểu để điều khiển những cỗ máy tí hon nhưng mạnh mẽ này? Hướng Dẫn Điều Khiển Động Cơ Bước chính là dành cho bạn!

Dù bạn là:

Chuyên gia dày dặn kinh nghiệm hay người mới bắt đầu tò mò về động cơ bước,
Muốn chế tạo một robot ấn tượng hay nâng cấp máy móc hiện có,

Bài này sẽ cung cấp cho bạn mọi thứ cần thiết để vận hành những cỗ máy này một cách hiệu quả.

Nội dung

1. Tìm hiểu khái niệm motor bước
2. Các đặc tính cơ bản cần nhớ của động cơ bước
- a) Đặc tính động của động cơ bước
- b) Đặc tính tĩnh của động cơ bước
3. Nguyên tắc điều khiển động cơ bước hoạt động như thế nào
4. Sơ đồ và cách điều khiển động cơ bước
5. Điều khiển động cơ bước dùng Code Arduino và A4988
6. Các loại động cơ bước phổ biến:
7. Ví dụ thực tế về ứng dụng của động cơ bước:
8. Cách chọn mua động cơ bước phù hợp:
9. Lưu ý khi sử dụng động cơ bước:
Kết luận:

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? Đây là 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 UNO
Động 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 (<12V thì mô men xoắn của động cơ sẽ giảm)
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 A4988
A4988 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, 2A
Có 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.

6. Các loại động cơ bước phổ biến:

Bài viết nên giới thiệu chi tiết về các loại động cơ bước phổ biến trên thị trường, bao gồm:

Động cơ bước 2 pha:
- Loại phổ biến nhất, giá thành rẻ
- Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng
- Mô-men xoắn nhỏ, độ chính xác thấp
- Thích hợp cho các ứng dụng đơn giản như máy in 3D, máy CNC mini
Động cơ bước 3 pha:
- Mô-men xoắn lớn hơn động cơ bước 2 pha
- Độ chính xác cao hơn
- Cấu tạo phức tạp hơn, giá thành cao hơn
- Thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như robot, máy móc tự động hóa
Động cơ bước 5 pha:
- Mô-men xoắn lớn nhất
- Độ chính xác cao nhất
- Cấu tạo phức tạp nhất, giá thành cao nhất
- Thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và mô-men xoắn cao như máy móc y tế, thiết bị đo lường

7. Ví dụ thực tế về ứng dụng của động cơ bước:

Bài viết nên đưa ra ví dụ thực tế về ứng dụng của động cơ bước trong các thiết bị như:

Máy in 3D:
- Sử dụng động cơ bước để di chuyển trục X, Y, Z
- Đảm bảo độ chính xác khi in ấn
Máy CNC:
- Sử dụng động cơ bước để điều khiển chuyển động của dao cắt
- Gia công các chi tiết với độ chính xác cao
Robot:
- Sử dụng động cơ bước để điều khiển chuyển động của các khớp
- Giúp robot thực hiện các thao tác phức tạp
Các thiết bị tự động hóa khác:
- Máy đóng gói
- Máy dệt
- Máy móc in ấn

8. Cách chọn mua động cơ bước phù hợp:

Xác định nhu cầu sử dụng:

-Mục đích sử dụng động cơ bước

-Yêu cầu về mô-men xoắn, độ chính xác, tốc độ

Lựa chọn thông số kỹ thuật phù hợp:

-Điện áp

-Dòng điện

-Số pha

-Kích thước

Chọn mua sản phẩm tại địa chỉ uy tín:

-Cung cấp sản phẩm chính hãng

-Có chế độ bảo hành tốt

9. Lưu ý khi sử dụng động cơ bước:

An toàn điện:
- Sử dụng nguồn điện phù hợp
- Chú ý cách kết nối dây điện
Bảo trì động cơ:
- Vệ sinh động cơ thường xuyên
- Tra dầu mỡ định kỳ
Khắc phục sự cố:
- Xác định nguyên nhân gây ra sự cố
- Tìm kiếm giải pháp khắc phục

Kết luận:

Chà chà, thế là chúng ta đã cùng nhau khám phá thế giới của động cơ bước rồi đấy! Hy vọng qua bài hướng dẫn này, bạn đã nắm được những điều cơ bản về cách điều khiển chúng, từ lý thuyết đến thực hành. Đừng ngại thử nghiệm và sáng tạo thêm nhé, biết đâu bạn sẽ tạo ra được những điều tuyệt vời với những chiếc động cơ nhỏ bé này! Nếu còn gặp khó khăn hay thắc mắc gì, cứ thoải mái hỏi nha, mình luôn sẵn sàng hỗ trợ bạn trên hành trình chinh phục động cơ bước. Chúc bạn thành công!

Nội Dung Có Thể Bạn Quan Tâm:

7.878 reviews