Động cơ bước quay từng bước góc cố định mỗi khi nhận một xung điều khiển, không cần cảm biến vị trí, giữ chắc khi đứng yên, nhưng nếu quá tải nó sẽ mất bước mà bộ điều khiển không hề biết. Động cơ servo có cảm biến báo vị trí về, bộ điều khiển liên tục sửa sai, nên chạy nhanh, mạnh và tin cậy hơn, đổi lại phức tạp và đắt hơn.
Chào bạn, đây là Nhà Chế Tạo. Khi bạn muốn cái máy của mình không chỉ quay mà quay đúng tới một vị trí, bạn gặp hai cái tên này. Máy in 3D, máy khắc nhỏ dùng động cơ bước. Máy CNC công nghiệp, cánh tay robot dùng servo. Tập này mình giải thích vì sao, và đâu là cái bẫy của mỗi loại.
Động cơ bước: đếm bước thay vì đo
Bên trong động cơ bước có nhiều cuộn dây xếp quanh trục. Bộ điều khiển cấp điện lần lượt cho từng cuộn theo thứ tự, trục bị hút xoay đi từng nấc nhỏ. Loại phổ biến có hai trăm bước mỗi vòng, tức mỗi bước là một độ tám.
Vì mỗi xung điều khiển là một bước, bộ điều khiển chỉ cần đếm số xung đã gửi để biết trục đang ở đâu. Không cần cảm biến. Đó là điều khiển vòng hở: ra lệnh mà không kiểm tra lại.
Nhờ vậy hệ thống rẻ và đơn giản. Máy in 3D, máy CNC mini, máy cắt laser nhỏ, bàn trượt camera, đều dùng động cơ bước.
Các mạch điều khiển hiện nay còn chia nhỏ mỗi bước thành nhiều vi bước bằng cách cấp dòng xen kẽ giữa các cuộn. Chuyển động mượt hơn, êm hơn. Nhưng vi bước không làm tăng độ chính xác thật nhiều như con số gợi ý, vì dưới tải trục có thể không nằm đúng vi bước.
Mất bước: cái bẫy âm thầm
Vì là vòng hở, nếu tải quá nặng, tăng tốc quá gắt, hoặc chạy quá nhanh, động cơ không theo kịp và bỏ lỡ vài bước. Bộ điều khiển không biết, vẫn tưởng trục đã tới vị trí. Từ lúc đó mọi vị trí đều lệch.
Trên máy in 3D, mất bước làm các lớp bị lệch ngang như bậc thang. Trên máy CNC, mất bước làm chi tiết sai kích thước, dao cắt sai chỗ.
Mô men của động cơ bước giảm mạnh khi tốc độ tăng. Ở tốc độ thấp nó khoẻ, lên cao nó yếu dần. Đây là lý do máy dùng động cơ bước có giới hạn tốc độ thực tế thấp hơn nhiều so với con số lý thuyết.
Chống mất bước bằng cách chọn động cơ dư mô men, tăng tốc từ từ, cấp điện áp đủ cao cho mạch điều khiển, và giữ cơ khí trơn, không bó kẹt. Một trục bị bó làm mất bước nhiều hơn mọi thứ khác.
Servo đồ chơi và servo công nghiệp: hai thứ rất khác
Chữ servo được dùng cho hai thứ khác nhau, và người mới hay nhầm. Servo đồ chơi là hộp nhỏ có động cơ, hộp số, chiết áp đo vị trí, và mạch điều khiển bên trong. Bạn gửi một xung có độ rộng nhất định, nó quay tới góc tương ứng, thường trong khoảng nửa vòng. Rẻ, dễ dùng, hợp mô hình, cánh tay robot nhỏ, cơ cấu gạt.
Servo công nghiệp là động cơ có bộ mã hoá vị trí gắn trên trục, đi với một bộ điều khiển riêng. Nó quay liên tục bao nhiêu vòng cũng được, rất nhanh, rất chính xác, và giữ mô men cao ở tốc độ cao.
Điểm chung là vòng kín: có cảm biến đo vị trí thật, so với vị trí mong muốn, và điều chỉnh liên tục. Nếu tải tăng làm trục chậm lại, bộ điều khiển tăng dòng để kéo về. Nếu không kéo được, nó báo lỗi, thay vì lẳng lặng sai như động cơ bước.
Có cả động cơ bước gắn bộ mã hoá, gọi là động cơ bước vòng kín, nằm giữa hai loại: giá vừa phải, không lo mất bước âm thầm.
Nóng, ồn và những điều người mới lo lắng
Động cơ bước nóng ngay cả khi đứng yên, vì mạch điều khiển vẫn cấp dòng để giữ trục. Nóng tới mức chạm tay thấy rất ấm là bình thường với nhiều loại. Nhưng nếu nóng tới mức không chạm được, dòng cài đặt có thể quá cao.
Dòng điều khiển được chỉnh trên mạch điều khiển, theo thông số dòng định mức của động cơ. Cài quá thấp thì yếu, mất bước. Cài quá cao thì nóng, có thể hỏng cuộn dây hoặc làm mềm chi tiết nhựa gắn vào.
Động cơ bước kêu rè rè đặc trưng, nhất là ở tốc độ nhất định gây cộng hưởng. Mạch điều khiển loại êm và vi bước giúp giảm nhiều.
Không rút dây động cơ bước khi mạch điều khiển đang có điện. Xung điện áp sinh ra có thể phá hỏng mạch điều khiển ngay lập tức.
Chọn loại nào cho máy của bạn?
Máy nhỏ, tải nhẹ và ổn định, tốc độ vừa phải, ngân sách hạn chế: động cơ bước. Đó là lý do nó thống trị máy in 3D và máy CNC mini.
Cơ cấu góc nhỏ, như mở cửa van, gạt cần, xoay cảm biến: servo đồ chơi, đơn giản và đủ dùng.
Máy cần tốc độ cao, tải thay đổi, không chấp nhận sai âm thầm, như máy CNC khung nặng, máy đóng gói: servo công nghiệp hoặc động cơ bước vòng kín.
Và nhớ rằng động cơ chỉ là một mắt xích. Một động cơ tốt gắn với trục vít cong, ray lỏng, khớp nối rơ, vẫn ra một cái máy kém chính xác.
Câu hỏi thường gặp
Động cơ bước có quay liên tục như động cơ thường được không?
Được, nếu bộ điều khiển gửi xung liên tục. Nhưng mô men giảm ở tốc độ cao và hiệu suất thấp hơn động cơ thường. Với việc chỉ cần quay liên tục, động cơ một chiều có hộp số thường hợp hơn.
Servo đồ chơi có quay được nhiều vòng không?
Loại thông thường chỉ quay trong một góc giới hạn. Có loại servo quay liên tục, nhưng khi đó nó mất khả năng định vị góc. Muốn quay nhiều vòng có định vị, dùng động cơ bước hoặc servo công nghiệp.
Vì sao động cơ bước nóng khi đứng yên?
Mạch điều khiển vẫn cấp dòng để giữ trục đúng vị trí. Nhiều mạch có chế độ giảm dòng khi đứng yên để bớt nóng. Kiểm tra dòng cài đặt có đúng với thông số động cơ không.
Mạch điều khiển động cơ bước chọn thế nào?
Chọn mạch chịu được dòng định mức của động cơ, hỗ trợ điện áp nguồn bạn dùng, và có vi bước nếu cần êm. Mạch loại êm giảm tiếng ồn đáng kể. Đọc kỹ cách chỉnh dòng của mạch.
Dùng động cơ bước tháo từ máy in cũ được không?
Được, đây là nguồn động cơ bước nhỏ phổ biến. Cần tìm hoặc đo thông số cuộn dây và xác định cặp dây. Mô men thường nhỏ, hợp cơ cấu nhẹ.
