Báo Cáo Trang bị điện ngành cơ điện tử

1. Báo cáo trang bị điện trong máy công nghiệp
Lý Gia Hải Trang 1
Stepper motor
Động cơ bước
Basic Structuce
Cấu tạo cơ bản
1. Vỏ trước
2. Gối đỡ
3. Trục
4. Các cực từ rotor
5. Nam châm
6. Các cực từ stator
7. Lớp cách điện
8. Vòng đệm
9. Vỏ sau
10. Vít

2. Báo cáo trang bị điện trong máy công nghiệp
Lý Gia Hải Trang 2
Working Principle
Nguyên tắc hoạt động
Stepper motor is a brushless DC motor that rotates in steps. This is very useful because it
can be precisely positioned without any feedback sensor, which represents an open-loop
controller. The stepper motor consists of a rotor that is generally a permanent magnet and
it is surrounded by the windings of the stator. As we activate the windings step by step in
a particular order and let a current flow through them they will magnetize the stator and
make electromagnetic poles respectively that will cause propulsion to the motor. So that’
the basic working principle of the stepper motors.
Động cơ bước là một động cơ DC không chổi than quay theo các bước. Điều này rất hữu
ích vì nó có thể được định vị chính xác mà không cần bất kỳ cảm biến phản hồi nào, động
cơ bước đại diện cho bộ điều khiển vòng hở. Động cơ bước bao gồm một rôto thường là
một nam châm vĩnh cửu và nó được bao quanh bởi các cuộn dây của stato. Khi chúng ta
kích hoạt các cuộn dây từng bước theo một thứ tự cụ thể và để dòng điện chạy qua chúng,
chúng sẽ từ hóa stato và tạo ra các cực điện từ tương ứng gây ra lực đẩy cho động cơ. Và
đây là Nguyên tắc hoạt động cơ bản của các động cơ bước.
Driving Modes
Các chế độ vận hành
There are several different
ways of driving the stepper
motor. The first one is the
Wave Drive or Single-Coil
Excitation. In this mode we
active just one coil at a time
which means that for this
example of motor with 4 coils,
the rotor will make full cycle in 4 steps.
Có nhiều cách khác nhau để điều khiển động cơ bước. Đầu tiên là điều khiển sóng kích
thích hoặc một cuộn dây kích thích. Trong chế độ này, chúng ta chỉ kích hoạt một cuộn
dây tại một thời điểm, điều đó có nghĩa là với ví dụ này về động cơ có 4 cuộn dây, rôto sẽ
thực hiện chu kỳ đầy đủ trong 4 bước.

3. Báo cáo trang bị điện trong máy công nghiệp
Lý Gia Hải Trang 3
Next is the Full step drive
mode which provides much
higher torque output because
we always have 2 active coils
at a given time. However this
doesn’t improve the
resolution of the stepper and
again the rotor will make a
full cycle in 4 steps.
Tiếp theo là chế độ hoạt động toàn bước cho công suất mô-men xoắn cao hơn nhiều vì
chúng ta luôn có 2 cuộn dây hoạt động tại một thời điểm nhất định. Tuy nhiên, điều này
không cải thiện độ phân giải của bước và một lần nữa rôto sẽ thực hiện một chu kỳ đầy
đủ trong 4 bước.
The stepper motor uses a four-step switching sequence, which is called a full-step
switching sequence. Figure shows a switching diagram and a table that indicates the
sequence for the four switches used to control the stepper motor. The diagram shows four
switches with four separate amplifiers. The diagram for the motor shows the same four
windings that were discussed in the theory of operation the previous section. Each of the
windings is tapped at one end and they are connected through a resistor to the negative
terminal of the power supply.
Động cơ bước sử dụng trình tự chuyển đổi bốn bước, được gọi là trình tự chuyển đổi toàn
bước. Hình hiển thị sơ đồ chuyển mạch và bảng biểu thị trình tự cho bốn công tắc được
sử dụng để điều khiển động cơ bước. Sơ đồ cho thấy bốn công tắc với bốn bộ khuếch đại
riêng biệt. Sơ đồ cho động cơ cho thấy bốn cuộn dây tương tự đã được thảo luận trong lý
thuyết vận hành phần trước. Mỗi cuộn dây được gõ ở một đầu và chúng được kết nối
thông qua một điện trở đến cực âm của nguồn điện.

4. Báo cáo trang bị điện trong máy công nghiệp
Lý Gia Hải Trang 4
For increasing the resolution of the stepper we use the Half Step Drive mode. This mode
is actually a combination of the previous two modes.
Để tăng độ phân giải của bước, chúng ta sử dụng chế độ nửa bước. Chế độ này thực sự là
sự kết hợp của hai chế độ trước đó.
Here we have one active
coil followed by 2 active
coils and then again one
active coil followed by 2
active coils and so on. So
with this mode we get
double the resolution with
the same construction.
Now the rotor will make full cycle in 8 steps.
Ở đây chúng ta có một cuộn dây hoạt động theo sau là 2 cuộn dây hoạt động và sau đó
một cuộn dây hoạt động tiếp theo là 2 cuộn dây hoạt động, v.v. Vì vậy, với chế độ này,
chúng ta có được gấp đôi độ phân giải với cùng một cấu trúc. Bây giờ các cánh quạt sẽ
thực hiện đầy đủ chu kỳ trong 8 bước.
The switching diagram
for the half-step sequence
is shown in Fig. The
main feature of this
switching sequence is
that you can double the
resolution of the stepper
motor by causing the
rotor to move half the
distance it does when the
full-step switching
sequence is used. This means that a 200-step motor, which has a resolution of 1.8°, will
have a resolution of 400 steps and 0.9°. The half-step switching sequence requires a
special stepper motor controller, but it can be used with a standard hybrid motor. The way
the controller gets the motor to reach the half-step is to energize both phases at the same
time with equal current.
Sơ đồ chuyển mạch cho chuỗi nửa bước được hiển thị trong hình . Tính năng chính của
chuỗi chuyển đổi này là bạn có thể tăng gấp đôi độ phân giải của động cơ bước bằng
cách làm cho rôto di chuyển một nửa khoảng cách khi trình tự chuyển đổi toàn bước được

5. Báo cáo trang bị điện trong máy công nghiệp
Lý Gia Hải Trang 5
sử dụng. Điều này có nghĩa là một động cơ 200 bước, có độ phân giải 1,8 °, sẽ có độ
phân giải 400 bước và 0,9 °. Trình tự chuyển đổi nửa bước đòi hỏi một bộ điều khiển
động cơ bước đặc biệt, nhưng nó có thể được sử dụng với một động cơ lai tiêu chuẩn.
Cách bộ điều khiển đưa động cơ đạt được nửa bước là cung cấp năng lượng cho cả hai
pha cùng một lúc với dòng điện bằng nhau.
However the most common method of controlling stepper motors nowadays is the
Microstepping. In this mode we provide variable controlled current to the coils in form of
sin wave. This will provide smooth motion of the rotor, decrease the stress of the parts
and increase the accuracy of the stepper motor.
Tuy nhiên, phương pháp phổ
biến nhất để điều khiển động
cơ bước hiện nay là Vi bước.
Trong chế độ này, chúng ta
cung cấp dòng điều khiển
biến đổi cho các cuộn dây
dưới dạng sóng sin. Điều
này sẽ cung cấp chuyển động
trơn tru của rôto, giảm ứng
suất của các bộ phận và tăng độ chính xác của động cơ bước.
Another way of increasing the resolution of the stepper
motor is by increasing the numbers of the poles of the rotor
and the numbers of the pole of the stator.
Một cách khác để tăng độ phân giải của động cơ bước là
tăng số cực của rôto và số cực của stato.
The full-step and half-step motors tend to be slightly jerky in their operation as the motor
moves from step to step. The amount of resolution is also limited by the number of
physical poles that the rotor can have. The amount of resolution (number of steps) can be
increased by manipulating the current that the controller sends to the motor during each
step. The current can be adjusted so that it looks similar to a sine wave.
Các động cơ toàn bước và nửa bước có xu hướng hơi giật khi vận hành khi động cơ
chuyển từ bước này sang bước khác. Lượng phân giải cũng bị giới hạn bởi số cực vật lý

6. Báo cáo trang bị điện trong máy công nghiệp
Lý Gia Hải Trang 6
mà rôto có thể có. Số lượng độ phân giải (số bước) có thể được tăng lên bằng cách thao
tác dòng điện mà bộ điều khiển gửi đến động cơ trong mỗi bước. Dòng điện có thể được
điều chỉnh để nó trông giống như sóng hình sin.
The voltage sent to the motor is now a sine wave. The motor for this type of application is
generally a permanent magnet brushless DC motor. When the sine wave is sent to the
motor at 60 Hz, it will cause the motor shaft to rotate at 72 rpm. The motor windings will
require a capacitor to be wired in series for this type of application.
Điện áp gửi đến động cơ bây giờ là một sóng hình sin. Động cơ cho loại ứng dụng này
thường là động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu. Khi sóng hình sin được gửi
đến động cơ ở tần số 60 Hz, nó sẽ khiến trục động cơ quay với tốc độ 72 vòng / phút. Các
cuộn dây động cơ sẽ yêu cầu một tụ điện được nối tiếp cho loại thiết bị này.
Stepper Motor Types by Construction
Phân loại động cơ bước bằng cấu tạo
By construction there are 3 different types of stepper motors: permanent magnet stepper,
variable reluctance stepper and hybrid synchronous stepper motor.
Bằng cấu tạo có 3 loại động cơ bước khác nhau: động cơ bước nam châm vĩnh cửu, động
cơ bước biến trở từ và động cơ bước đồng bộ lai.

7. Báo cáo trang bị điện trong máy công nghiệp
Lý Gia Hải Trang 7
1/The Permanent Magnet stepper has a permanent magnet
rotor which is driven by the stators windings. They create
opposite polarity poles compared to the poles of the rotor
which propels the rotor.
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có một rôto nam châm
vĩnh cửu được điều khiển bởi các cuộn dây stato. Chúng tạo
ra các cực phân cực ngược lại so với các cực của rôto đẩy
rôto.
The rotor and stator poles of a permanent magnet stepper are not teethed. Instead the rotor
have alternative north and south poles parallel to the axis of the rotor shaft.
Các rôto và cực stato của một bước nam châm vĩnh cửu không có răng. Thay vào đó, rôto
có các cực bắc và nam thay thế song song với trục của trục rôto.
1. AA’ và BB’ là 2 pha
2. Vỏ động cơ
3. Các cuộn dây
4. Rotor nam châm vĩnh cửu
When a stator is energized, it
develops electromagnetic poles. The
magnetic rotor aligns along the
magnetic field of the stator. The
other stator is then energized in the sequence so that the rotor moves and aligns itself to
the new magnetic field. This way energizing the stators in a fixed sequence rotates the
stepper motor by fixed angles.
Khi stato được cấp năng lượng, nó sẽ tạo thành các cực điện từ. Rôto từ tính thẳng hàng
dọc theo từ trường của stato. Stator khác sau đó được cấp năng lượng theo trình tự để
rôto di chuyển và tự sắp xếp theo từ trường mới. Cách này tạo năng lượng cho các stator
theo một trình tự cố định làm quay động cơ bước theo các góc cố định.

8. Báo cáo trang bị điện trong máy công nghiệp
Lý Gia Hải Trang 8
1. Cực bắc
2. Cực nam
The resolution of a permanent magnet stepper can be increased by increasing number of
poles in the rotor or increasing the number of phases.
Độ phân giải của động cơ bước bước nam châm vĩnh cửu có thể được tăng lên bằng cách
tăng số cực trong rôto hoặc tăng số lượng pha.
2/The next type, the Variable Reluctant stepper motor uses a non-magnetizes soft iron
rotor.The rotor has teeth that are offset from the stator and
as we active the windings in aparticular order the rotor
moves respectively so that it has minimum gab between the
stator and the teeth of the rotor
Loại tiếp theo, động cơ bước biến trở từ sử dụng một rôto
sắt mềm không từ hóa. Rôto có răng được bù từ stato và khi
chúng ta kích hoạt các cuộn dây theo thứ tự cách nhau, rôto
di chuyển tương ứng để nó có đầu nối tối thiểu giữa stato và
răng của rôto
The variable reluctance stepper has a toothed non-magnetic soft iron rotor. When the
stator coil is energized the rotor moves to have a minimum gap between the stator and its
teeth.
Động cơ bước biến trở từ có một rôto sắt mềm không từ tính có răng. Khi cuộn dây stato
được cấp năng lượng, rôto di chuyển để có một khoảng cách tối thiểu giữa stato và răng
của nó.

9. Báo cáo trang bị điện trong máy công nghiệp
Lý Gia Hải Trang 9
1. AA’ và BB’ là 2 pha
2. Lõi sắt non rotor
3. Vỏ motor
4. Các cuộn dây
The variable reluctance stepper
has a toothed non-magnetic soft
iron rotor. When the stator coil
is energized the rotor moves to
have a minimum gap between
the stator and its teeth.
Động cơ bước biến trở từ có
rôto sắt mềm không từ tính có
răng. Khi cuộn dây stato được
cấp năng lượng, rôto di chuyển để có một khoảng cách tối thiểu giữa stato và răng của
nó.
The teeth of the rotor are designed so that when they are aligned with one stator they get
misaligned with the next stator. Now when the next stator is energized, the rotor moves to
align its teeth with the next stator. This way energizing stators in a fixed sequence
completes the rotation of the step motor.
Răng của rôto được thiết kế sao cho khi chúng thẳng hàng với một stato, chúng sẽ bị lệch
với stato tiếp theo. Bây giờ khi stato tiếp theo được cấp năng lượng, rôto di chuyển để căn
chỉnh răng của nó với stato tiếp theo. Cách này cung cấp năng lượng cho các stator trong
một chuỗi cố định hoàn thành việc quay động cơ bước.

10. Báo cáo trang bị điện trong máy công nghiệp
Lý Gia Hải Trang 10
The resolution of a variable reluctance stepper can be increased by increasing the number
of teeth in the rotor and by increasing the number of phases.
Độ phân giải của động cơ bước biến trở từ có thể được tăng lên bằng cách tăng số lượng
răng trong rôto và bằng cách tăng số lượng pha.
3/The Hybrid Synchronous motor is combinations of the
previous two steppers. It has permanent magnet toothed rotor
and also a toothed stator. The rotor has two sections, which
are opposite in polarity and their teeth are offset as shown
here
Động cơ đồng bộ lai là sự kết hợp của hai loại trước đó. Nó
có rôto răng vĩnh cửu và cũng là một stato có răng. Rôto có
hai phần, đối diện nhau ở hai cực và răng của chúng được bù
trừ như thể hiện như hình
This is a front view of a commonly used hybrid stepper motor
which has 8 poles on the stator that are activated by 2
windings, A and B. So if we activate the winding A, we will
magnetize 4 poles of which two of them will have South
polarity and two of them North polarity.
Đây là hình ảnh phía trước của động cơ bước lai thường
được sử dụng có 8 cực trên stato được kích hoạt bởi 2 cuộn

11. Báo cáo trang bị điện trong máy công nghiệp
Lý Gia Hải Trang 11
dây A và B. Vì vậy, nếu chúng ta kích hoạt cuộn dây A, chúng ta sẽ từ hóa 4 cực trong đó
hai cực sẽ có Nam cực và hai trong số chúng là Bắc cực.
We can see that in such a way the rotors teeth are aligned with the teeth of poles A and
unaligned with the teeth of the poles B. That means that in the next step when we turn off
the A poles and activate the B poles, the rotor will move counter clock wise and its teeth
will align with the teeth of the B poles.
Chúng ta có thể thấy rằng theo cách như vậy, các răng của rôto được xếp thẳng hàng với
răng của cực A và không khớp với răng của các cực B. Điều đó có nghĩa là trong bước
tiếp theo khi chúng ta tắt cực A và kích hoạt các cực B, Rôto sẽ di chuyển ngược chiều
kim đồng hồ và răng của nó sẽ thẳng hàng với răng của các cực B.
If we keep activating the poles in a particular order the rotor will move continuously.
Here we can also use different driving modes like the wave drive, full step drive, half step
drive and microstepping for even further increasing the resolution of the stepper motor.
Nếu chúng ta tiếp tục kích hoạt các cực theo một thứ tự cụ thể, rôto sẽ di chuyển liên tục.
Ở đây, chúng ta cũng có thể sử dụng các chế độ điều khiển khác nhau như điều khiển
sóng, điều khiển toàn bước, điều khiển nửa bước và vi bước để tăng thêm độ phân giải
của động cơ bước.

12. Báo cáo trang bị điện trong máy công nghiệp
Lý Gia Hải Trang 12
How to select stepper motors
Chọn động cơ bước như thế nào
First, define the motion profile. This includes such parameters as required positioning
time and acceleration/deceleration time. Related factors include the required positioning
increments as well as the application’s necessary accuracy and resolution.
Đầu tiên, xác định hồ sơ chuyển động. Điều này bao gồm các tham số như thời gian định
vị cần thiết và thời gian tăng tốc / giảm tốc. Các yếu tố liên quan bao gồm các mức tăng
định vị cần thiết cũng như độ chính xác và độ phân giải cần thiết của ứng dụng.
Second, calculate the speed, load inertia, acceleration torque, and load torque
requirements with a safety factor. The acceleration torque calculation sometimes tends to
be omitted. However, it is a critical factor to consider
Thứ hai, tính toán tốc độ, quán tính tải, mô men gia tốc và yêu cầu mô men tải với hệ số
an toàn. Việc tính toán mô men gia tốc đôi khi có xu hướng bị bỏ qua. Tuy nhiên, đây là
một yếu tố quan trọng để xem xét
Third, select a motor based on the torque and speed requirements by referring to the
motor’s torque-speed curve. Unlike other motors, stepper motors are not rated in wattage.
Motor windings can have different current ratings even with the same dimensional size,
and the output torque and power varies depending on the winding and speed.
Thứ ba, chọn một động cơ dựa trên các yêu cầu về mô-men xoắn và tốc độ bằng cách
tham khảo đường cong tốc độ mô-men xoắn của mô-tơ. Không giống như các động cơ
khác, động cơ bước không được đánh giá theo công suất. Cuộn dây động cơ có thể có các
xếp hạng hiện tại khác nhau ngay cả với cùng kích thước, và mô-men xoắn đầu ra và
công suất thay đổi tùy thuộc vào cuộn dây và tốc độ.
Applications
Ứng dụng
Industrial Machines – Stepper motors are used in automotive gauges and machine tooling
automated production equipments.
Máy công nghiệp - Động cơ bước được sử dụng trong máy đo ô tô và máy công cụ thiết bị
sản xuất tự động

13. Báo cáo trang bị điện trong máy công nghiệp
Lý Gia Hải Trang 13
Security – new surveillance products for the security industry.
Bảo mật - sản phẩm giám sát mới cho ngành an ninh.
Medical – Stepper motors are used inside medical scanners, samplers, and also found
inside digital dental photography, fluid pumps, respirators and blood analysis machinery.
Y tế - Động cơ bước được sử dụng bên trong máy quét y tế, máy lấy mẫu và cũng được
tìm thấy bên trong chụp ảnh nha khoa kỹ thuật số, bơm chất lỏng, mặt nạ phòng độc và
máy phân tích máu.
Consumer Electronics – Stepper motors in cameras for automatic digital camera focus and
zoom functions.
Điện tử tiêu dùng - Động cơ bước trong máy ảnh cho chức năng lấy nét và thu phóng
camera kỹ thuật số tự động.
Tài liệu tham khảo:
https://howtomechatronics.com/how-it-works/electrical-engineering/stepper-motor/
https://www.moonsindustries.com/article/basic-structure-and-operating-principle-of-
stepper-motor
https://www.engineersgarage.com/articles/stepper-motors
https://www.circuitspecialists.com/blog/stepper-motor-modes-of-operation-stepper-
motor-controller-overview-and-information-regarding-multi-axis-motion-control/
http://www.ni.com/white-paper/14876/en/
https://www.motioncontroltips.com/key-tips-for-specifying-stepper-motors/
https://www.elprocus.com/stepper-motor-types-advantages-applications/