Không nên chọn động cơ bước ở tốc độ cao

Động cơ bước là một trong những loại động cơ đơn giản được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống tự động, điều khiển vị trí. Ở đó công việc lặp đi lặp lại nhiều và chính xác của hệ thống. Nhưng có một hạn chế, việc sử dụng động cơ bước chỉ đạt được tốc độ thấp so với bộ điều khiển có thể đạt được. Khi ta cần một chuyển động ở tốc độ cao và chính xác thì động cơ bước rất khó thực hiện. Nếu tăng quá cao nó sẽ xảy ra hiện tượng trượt bước dẫn tới hệ thống hoạt động sai hoàn toàn. Đó là lý do không nên chọn động cơ bước ở tốc độ cao.

Các yếu tố ảnh hưởng tới tốc đông của động cơ bước:

Trong một số ứng dụng điều khiển vị trí hoặc dẫn hướng cần tốc độ cao, động cơ bước lúc này sẽ bộc lộ các yếu điểm của nó. Thông số tốc độ mà nhà sản xuất đưa ra trong môi trường lý tưởng nó có thể đạt được tốc độ tối đa là 2000-3000 RPM. Nhưng trên thực tế khó có thể đạt được tốc độ này. Các yếu tố chính ảnh hưởng tới động cơ bước ở tốc độ cao gồm:

• Quán Tính: Bất kỳ đối tượng chuyển động nào cũng có quán tính chống lại sự thay đổi tốc động của đối tượng đó. Trong các ứng dụng ở tốc độ thấp, có thể điều khiển động cơ bước chuyển động mà không bị trượt bước. Tuy nhiên, khi ta tăng tốc động cơ lên cao thì ngay lập tức động cơ sẽ bị mất bước và sai vị trí điều khiển. Trong trường hợp động cơ có tải trọng nhẹ và hiệu ứng quán tính nhỏ cần phải có thời gian tương đối dài để đạt tốc độ cao. Hay nói cách khác để chạy được tốc độ cao thì gia tốc đặt cho động cơ phải nhỏ thì không trượt bước. Điều đó lại ảnh hưởng tới hiệu suất làm việc của hệ thống.

• Mô-men xắn: Ở tốc độ khác nhau động cơ bước lại có một mô-men xoắn khác nhau và chúng tỷ lệ nghịch với nhau. Khi tốc độ tăng lên thì mô-men xoắn của động cơ giảm. Khi động cơ quay, bộ điều khiển cấp cho các cuộn dây của động cơ một điện áp với một dòng điện nhất định. Các tín hiệu này sẽ sinh ra lực từ trường làm động cơ quay theo từng bước. Đến bước tiếp theo thì bộ điều khiển phải đảo chiều của cường độ trên các cuộn dây để động cơ tiếp tục quay theo chiều ở bước trước. Thời gian để từ tường tăng đủ mạnh để làm quay động cơ phụ thuộc vào độ tự cảm của cuộn dây, điệu áp đầu ra bộ điều khiển, và cường độ dòng điện. Các yếu tố này lại phục thuộc vào thời gian để đạt được giá trị giới hạn. Khi điều khiển tăng tốc lên thì thời gian cho một bước phải rút ngắn xuống lực từ sinh ra ở cuộn dây chưa đủ lớn dùng để thực hiện bước tiếp theo. Do đó mô-men xoắn của động cơ giảm đi.

• Tín hiệu điều khiển: Để tối đa hóa lực chuyển động của động cơ bước, dòng điện và điện áp của tín hiệu điều khiển trong một bước phải đạt đến điểm cao nhất trong thời gian ngắn nhất. Nhưng cũng ở thời điểm đó dòng xả ngược của động cơ cũng tăng lên sẽ tạo ra một lực cản làm giảm mô-men xoắn của động cơ.

• Vùng chết: trong bất kỳ một động cơ bước nào cũng tồn tại một vùng chết dù công nghệ chế tạo động cơ của các nhà sản xuất có khác nhau như nguyên lý hoạt động của nó thì không đổi. Vùng đó là vùng chuyển trạng thái giữa các bước, ở đó mô-men xoắn của động cơ hầu như bị triệt tiêu do đó nó ảnh hưởng tới khả năng tăng tốc của động cơ do không được tiếp lực từ liên tục.

• Cộng hưởng: Các bước chuyển động của động cơ và hệ thống cơ khí của hệ thống có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng. Cộng hưởng sản ra khi tần số các bước của động cơ trùng với tần số tự nhiên của hệ thống. Lúc đó tần số dao động của hệ thống sẽ lớn dẫn tới hệ thống hoạt động không ổn định đồng thời tuổi thọ hệ thống cơ khí sẽ giảm.

• Vi bước: Hiện nay tất cả các bộ điều khiển (Stepper drive) động cơ bước cho phép điều khiển những vi bước rất lớn, những vi bước này sẽ tạo nên một bước của động cơ. Nhưng vi bước này không phải để làm tăng độ chính xác của động cơ mà làm cho động cơ hoạt động êm ái hơn ở tốc độ thấp. Nếu ở tốc độ cao khi ta thực hiện điều khiển vi bước để được một bước động cơ hoặc thực hiện điều khiển một bước luôn ta sẽ không thấy sự khác biệt nhiều giữa hai cách điều khiển. Tuy nhiên sử dụng vi bước sẽ giảm đáng kể được độ ồn và độ rung của hệ thống khi ta cần tăng tốc, giảm tốc hoặc chạy ở tốc độ thấp.