Nếu là một người thích sự hoàn hảo thì khi bạn nhìn vào code trên thì sẽ thấy cần rất nhiều dòng code chỉ để làm 1 động cơ bước hoạt động, và với những dòng delay như vậy thì chắc hẳn, bạn sẽ hiểu rằng, chả có cách nào chạy những tiến trình khác khi động cơ bước đang chạy. Show
Arduino có hỗ trợ sẵn bộ thư viện stepper trong file example. Nhưng nếu bạn đã từng thử thì hẳn biết một điều là, thư viện đó cũng delay như code kia. Nghĩa là trong quá trình động cơ bước hoạt động thì cả chương trình sẽ phải dừng đợi nó hoạt động theo (cơ chế này gọi là cơ chế đồng bộ - sync). Để điều khiển được nhiều động cơ bước thì chúng ta phải biết ngõ xử lý bất đồng bộ, nghĩa là sao? Nghĩa là phải biết thay hàm delay bằng cách khác, và đó chính là dùng timer, chính là dùng hàm millis(). Và ý tưởng đó đã được thể hiện trong thư viện AccelStepper, thư viện này đã ứng dụng nguyên lý xử lý bất đồng bộ (async) để làm nên nó - một thư viện cực kì hữu ích! Động cơ bước là động cơ điện với chức năng chính là quay trục theo bước, nó quay trục theo các góc bước cố định. Đặc điểm này nhờ vào cấu tạo bên trong của động cơ và cho phép biết chính xác vị trí bằng cách đếm số bước động cơ đã quay mà không cần sử dụng đến cảm biến. Nhờ vào tính năng này nên nó được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng. Mỗi pha sẽ được cấp điện liên tục để động cơ quay theo từng bước tại một thời gian. Chúng có thể định vị rất chính xác và điều khiển tốc độ của động cơ bước. Điều này đã làm cho động cơ bước được sử dụng cho các ứng dụng điều khiển yêu cầu độ chính xác cao. Tín hiệu xung được driver cung cấp giúp cho động cơ di chuyển một góc bước. Driver điều khiển step motor được xem như một thiết bị chuyển đổi từ tín hiệu analog thành tín hiệu số 1.1/ Góc bước là gì?Góc bước được xác định là góc quay của động cơ khi được cấp 1 xung. Vị trí của động cơ được quyết định bởi hóc bước. Độ mịn hay góc bước là số bước trên mỗi vòng quay của rotor (động cơ có góc bước cảng nhỏ thì nó càng mịn) Độ chính xác về vị trí phụ thuộc vào độ mịn hay góc bước. Một số loại động cơ siêu chính xác có thể lên đến 1000 bước trong mỗi vòng quay (góc bước: 0.36 độ). Tiêu chuẩn của step motor là 1.8 độ (hay 200 bươc) trên mỗi vòng quay. 2/ Nguyên lý hoạt động của động cơ bướcGiống như tất cả các loại động cơ điện khác, động cơ bước cũng có 2 thành phần chính: thành phần đứng yên (stator) và thành phần quay (rotor). Trên thành phần stator có răng và trên đó gồm nhiều cuộn dây đồng, trong khi đó thành phần rorot có thể là nam châm vĩnh cữu hoặc một lõi thép từ trở biến thiên. Hình bên dưới thể hiện cấu tạo của động cơ bước với phần rorot là lõi thép từ trở biến thiên.  Nguyên lý hoạt động của động cơ bước: Bằng cách cung cấp điện (dạng xung) vào một hoặc nhiều pha của stator, một vùng từ trường được tạo ra bởi dòng điện đi qua cuộn dây và rotor hướng thẳng vào vùng từ trường này. Cứ như vậy, nếu ta cung cấp điện vào các pha khác nhau theo thứ tự sẽ giúp rotor quay liên tục để đạt được vị trí cuối cùng như mong muốn. Hình bên dưới mô tả rất rõ nguyên lý hoạt động. Thời điểm bắt đầu, cuộn dây A được cung cấp điện và rotor sẽ quay hướng vào vùng từ trường mà cuộn dây A tạo ra. Khi cuộn dây B được cung cấp điện, rorot quay cùng chiều kim đồng hồ một góc 60 độ để hướng vào vùng từ trường mới do cuộc dây B tạo ra. Khi cuộn dây C được cấp điện thì nó cũng sẽ hoạt động tương tự như vậy. 3/ Các loại động cơ bướcThông số đặc trưng của động cơ bước gồm: Góc bước, tốc độ, momen xoắn cực đại. Không phải tất cả các động cơ bước đều có cấu tạo bên trong giống nhau, vì các kiểu cấu tạo của rotor và stato khác nhau. Cấu tạo khác nhau quyết định đến cách điều khiển và giá thành của từng loại. 3.1/ Rotor3.1.1/ Rotor là nam châm vĩnh cửuRotor là một nam châm vĩnh cửu hướng thẳng vào vùng từ trường được tạo ra bởi cuộn dây stator. Loại rotor này đảm bảo một momen xoắn rất tốt và có thêm momen giữ (hãm lại). Điều này có nghĩa là, động cơ bước sẽ có một momen hãm lại ngay cả khi không có điện trong cuộn dây stator. Nhược điểm của loại này là tốc độ quay chậm và đô phân giải nhỏ hơn các loại khác. 3.1.2/ Rotor là từ trở biến thiênRotor được làm từ lõi thép nhiễm từ và có hình dạng đặc biệt, cho phép nó hướng thẳng vào vùng từ trường. Loại rotor này dễ dàng đạt được tốc độ cao và độ phân giải cao, nhưng momen xoắn của nó sinh ra thấp và không có momen hãm lại. Không cần đến nam châm vĩnh cữu trên cả rotor và stator 3.1.3/ Rotor lai (Hybrid)Đây là một dạng rotor có cấu trúc đặc biệt, nó lai giữa loại nam châm vĩnh cửu và từ trở biến thiện. Rotor bao gồm nhiều nam châm vĩnh cửu, nhưng nó không giống như loại đã nêu (Nam châm không được sắp xếp hướng tâm và sẽ là hướng trục, từ trường sinh ra không hướng tâm mà hướng theo trục động cơ). Cụ thể, rotor bao gồm 2 vòng nam châm đặt đối hiện trên trục động cơ, trên các vòng này có các rãnh để tạo thành răng cho rotor. Với cấu tạo này giúp nó có nhiều ưu điểm hơn so với 2 loại rotor nam châm vĩnh cửu và từ trở biến thên về độ phân giải, tốc độ quay, momen xoắn. Vì cấu tạo phức tạp nên nó có giá thành tương đối cao so với các loại khác Hình bên dưới mô tả như sau: Khi cuộn dây A có điện, răng của vòng N sẽ hướng vào vùng từ trường được tạo ra cùng với răng của vòng S. Tại cùng một thời điểm, có đồng thời răng của vòng N và vòng S cùng hướng vào vùng từ trường. Trong thực tế, motor loại có cấu tạo phức tạp hơn rất nhiều, số lượng răng nhiều hơn so với hình ví dụ bên dưới, nguyên lý hoạt động đều giống nhau, nhưng số răng nhiều cho phép động cơ đạt được góc bước thấp, đến 0.9 độ. 3.2/ StatorStator là thành phần của động cơ bước giúp tạo ra từ trường để rotor quay. Thuộc tính kỹ thuật của cuộn dây stator bao gồm số pha và số cặp cực và cấu hình dây. Số pha là số cuộn dây độc lập, số cặp cực cho ta biết có bao nhiêu cặp răng được hình thành trên mỗi pha. Động cơ bước 2 pha là loại được sử dụng phổ biến nhất, các loại 3 pha và 5 pha ít phổ biến hơn. 4/ Điều khiển động cơ bước Ở phần trên đã chỉ ra các cuộn dây của động cơ cần được cung cấp điện theo một trình tự cụ thể và liên tục để tạo ra vùng từ trường giúp rotor quay được. Nhiều thiết bị được sử dụng để cung cấp điện (năng lương) cho các cuộn dây vì thế động cơ có thể hoạt động được. Một số thiết bị rất quen thuộc đối với những ai làm trong lĩnh vực tự động hoá cũng biết:
5/ Phân loại driver động cơ bước Trên thị trường có rất nhiều loại driver cho động cơ bước, nhưng tất cả đều có những chức năng giống nhau. Ngoài ra, một số loại còn có thể các chức năng phụ: mở rộng cổng kết nối, hiển thị lỗi,.... Những thuộc tính quan trọng của driver cần phải có để điều khiển động cơ bước là:
Chức năng khác rất quan trọng của driver là điều khiển điện áp và dòng điện qua các cuộn dây:
6/ Động cơ bước đơn cực (unipolar) và lưỡng cực (bipolar)Một vấn để nữa của động cơ bước là các cuộn dây phải sắp xếp như thế nào để xác định được chiều đi của dòng điện, việc này quyết định đến điều khiển. Để một động cơ bước chạy được, không phải chỉ đơn giản là cấp điện cho các cuộn dây mà còn phải điều khển chiều đi của dòng điện qua cuộn dây, vì nó sẽ quyết định đến chiều của vùng từ trường được tạo ra bởi cuộn dây. Giải quyết vấn đề điều khiển hướng của dòng điện, có 2 cách khác nhau để xử lý: 6.1/ Động cơ bước đơn cực (unipolar)Có một dây điện được kết nối ở điểm trung tâm của cuộn dây. Nó cho phép điều khiển hướng của dòng điện bằng cách sử dụng các linh kiện và mạch đơn giản. Dây dẫn điện Am được kết nối với dòng điện Vin. Nếu MOSFET 1 được kích hoạt, chiều của dòng điện sẽ đi từ Am đến A+. Nếu MOSFET 2 được kích hoạt, dòng điện sẽ đi từ Am đến A-. Cách này chỉ cần sử dụng một mạch điều khiển đơn giản. Nhưng nhược điểm lớn của cách này là trong tại một thời điểm chỉ sử dụng được một nữa cuộn dây, nên từ trường sinh ra chỉ bằng một nữa. Ngoài ra, loại động cơ được chế tạo theo cách này cần phải có thêm dây dẫn. 6.2/ Động cơ bước lưỡng cực (pipolar)Mỗi cuộn dây có sẵn 2 dây dẫn, để điều khiển hướng cần sử dụng mạch cầu H. Nếu MOSFETs 1 và 4 được kích hoạt, dòng điện sẽ đi từ A+ đến A-. Nếu MOSFETs 2 và 3 được kích hoạt, dòng điện sẽ đi từ A- đến A+. Với cách này mạch điều điều sẽ phức tạp hơn, nhưng nó giúp đạt được tối đa momen xoắn. 7/ Nguyên lý kỹ thuật để điều khiển động cơ bướcDựa trên cấu tạo của động cơ bước, có 4 phương pháp để điều khiển động cơ bước: Sóng xung, full step, half step và microstep. 7.1/ Điều khiển theo sóng xungTrong phương pháp điều khiển này, chỉ có một pha được cấp điện tại một thời điểm. Hiểu một cách đơn giản là dòng điện sẽ đi theo chiều dương nếu nó đi từ + sang từ - của cuộn dây (ví dụ: A+ sang A-), ngược lại là chiều âm. Xem hình bên dưới để hiểu hơn: Đầu tiên dòng điện chỉ được cấp cho pha A theo chiều dương, lúc này rotor sẽ quay hướng thẳng vào vùng từ trường được tạo ra bởi cuộn dây A. Tiếp theo, dòng điện chỉ được cấp cho pha B theo chiều dương, lúc này rotor quay góc 90° để hướng vào vùng từ trường mà pha B tạo ra. Sau đó, pha A lại được cấp điện, nhưng dòng điện sẽ đi theo chiều âm và rotor quay góc 90°. Cuối cùng dòng điện cấp vào pha B theo chiều âm và rotor tiếp tục quay góc 90°. Như vậy là hoàn thành 1 vòng quay của động cơ bước. 7.2/ Điều khiển đủ bước (full step)Phương pháp này cả 2 pha của động cơ bước đều được cấp điện trong cùng một thời điểm. Hình bên dưới mô tả chi tiết cách điều khiển theo phương pháp này: Để quay 1 vòng nó cũng thực hiện 4 bước giống như phương pháp điều khiển theo sóng xung, nhưng khác là động cơ tạo ra momen lớn hơn vì có nhiều dòng điện cùng đi qua các cuộn dây và từ trường mạnh hơn được tạo ra. 7.3/ Điều khiển nữa bước (half step)Đây là phương pháp điều khiển kết hợp giữa phương pháp sóng xung và đủ bước (full step). Khi kết hợp 2 phương pháp này lại cho phép điều khiển góc bước chỉ bằng 1/2 (Trong trường hợp này là 45°thay vì 90°). Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là momen xoắn không phải là hằng số, momen lớn nhất khi cả 2 cuộn dây được cấp điện và nhỏ nhất khi 1 cuộn dây được cấp điện. 7.4/ Điều khiển theo vi bước (microstepping)Phương pháp này có thể xem như là phương pháp điều khiển nữa bước (half step) được cải tiến, bởi vì nó cho phép giảm góc bước xuống mà không làm thay đổi momen xoắn (momen sinh ra là hằng số). Làm được điều này nhờ vào việc kiểm soát cường độ dòng điện đi qua mỗi pha. Phương pháp điều khiển này yêu cầu phải có driver điều khiển động cơ bước phức tạp hơn các loại khác. Hình bên dưới mô tả cách điều khiển theo vi bước: Imax là dòng điện cực đại đi qua mỗi pha, Đầu tiên Ia = Imax và Ib = 0. Tiếp theo, dòng điện được điều khiển để đạt đến Ia = 0.92xImax và Ib = 0.38xImax, từ trường được tạo ra làm quay rotor theo 1 góc 22.5 độ. Cứ như vậy, dòng điện được điều khiển để rotor quay với các góc 45°, 67,5°, 90°. Phương pháp điều khiển này giúp động cơ giảm 1/2 góc bước, tăng độ phân giải vị trí. Nhưng nhược điểm của nó là bộ driver điều khiển có giá thành cao hơn và momen tạo ra trên mỗi bước là nhỏ. Momen xoắn tỉ lệ thuận với hàm sin của góc tạo bởi vùng từ trường stator và vùng từ trường rotor. Vì thế, khi góc bước nhỏ thì momen cũng sẽ nhỏ. Nó có thể dẫn đến hiện tượng mất bước (có nghĩa là động cơ sẽ không quay ngay cả khi được cấp điện) 8/ Ưu và nhược điểm của động cơ bước Khi đã hiểu hết về nguyên lý hoạt động của động cơ bước, chúng ta sẽ thấy rất rõ những ưu và nhược điểm so với các loại động cơ khác: |
