Sự tiên hóa của điều khiển chuyển động động cơ bước (P.1)
Diendan8X
THANH THẢO
Đây là phương pháp điều khiển chuyển động duy nhất có khả năng hoạt
động trong vòng hở mà không cần đến phản hồi vị trí. Điều này khiến
cho các hệ thống chuyển động dùng động cơ bước trở nên đơn giản hơn
các hệ thống chuyển động servo. Ngoài ra, một yếu tố hấp dẫn nữa là so
với động cơ servo, động cơ bước có giá thành thấp hơn. Cùng với những
cải tiến khác về thiết kế - như phần cứng nhỏ hơn và độ tập trung mô-
men cao hơn – các hệ thống chuyển động dùng động cơ bước vẫn duy trì
được tính cạnh tranh trong nhiều ứng dụng chuyển động có yêu cầu không
cao về độ chính xác vị trí và tốc độ.
Kích cỡ, đơn giản chính là ưu điểm nổi bật
Hãng Parker Hannifin coi kích cỡ và sự đơn giản là ưu điểm nổi bật của
các hệ thống sử dụng động cơ bước trong cuộc cạnh tranh với chuyển
động servo, mà giá thành của nó lại cũng đang giảm dần. Ông Marc Feyh,
giám đốc sản phẩm của hãng, cho biết: “Nhìn chung, các hệ thống động
cơ bước hiện nay xuất hiện với kích cỡ nhỏ gọn mà giá thành lại không
hề cao hơn chút nào. Mặc dù cũng có một số hệ thống servo với kích
thước thu nhỏ, nhưng so với các hệ thống động cơ bước, thì chúng không
nhỏ bằng và có xu hướng đắt hơn, thậm chí có nhiều bộ phần cần được
thu nhỏ hơn”. Sự đơn giản của điều khiển vòng hở chính là lợi ích thứ
hai mà hệ thống dùng động cơ bước đem lại. Tuy nhiên, cuộc cạnh tranh
trên phương diện giá cả/hiệu quả hoạt động ngày càng khốc liệt hơn.
Những phát minh, cải tiến tiếp tục diễn ra trên phương diện giảm kích
cỡ và duy trì hiệu quả hoạt động với “chi phí hợp lý”. Hãng Parker đã
nhận thấy xu hướng này từ trường hợp những hệ thống động cơ bước cao
cấp, với giá thành cao, không thể cạnh tranh tốt với các hệ thống
servo giá thấp. Để đáp ứng những yêu cầu về kích cỡ và giá cả, Ban Tự
động hóa cơ điện tử của Parker đang giới thiệu ra thị trường bộ điều
khiển/truyền động Prostep, một thiết bị động cơ bước nhỏ gọn với bộ
điều khiển hoàn toàn khả trình và các tính năng I/O được tích hợp sẵn
trên bo mạch chủ.
Gói sản phẩm có kcíh cỡ trong lòng bàn tay (1.1 x 1.5 x 1.4) lắp cùng
với cơ cấu chấp hành tuyến tính Promech Series của Parker để hình
thành nên một hệ chuyển động động cơ bước thu nhỏ. Động cơ bước kiểu
quay của Parker có kích cỡ giảm xuống kích cỡ tiêu chuẩn NEMA
(National Manufacturers Association) 11, 14 và 17, nghĩa là tương ứng
với 1.1, 1.4, 1.7 inch kích thước mỗi bên cạnh, trên bình phương mặt
cắt của động cơ.
Theo hãng Shinano Kenshi (SKC), kích cỡ động cơ nhỏ hơn, độ tập trung
mô-men cao hơn và tiếng ồn/rung thấp hơn là một số những cải biến
khiến điều khiển chuyển động bước trở nên thuận lợi. SKC tuyên bố có
những cải biến trong tất cả các lĩnh vực này, trong khi vẫn giữ (hoặc
giảm) giá thành các động cơ của hãng. Theo báo cáo, các lá thép cán
mỏng kiểu mới, được thiết kế lại của rotor và stator đã tối ưu hóa
không gian bên trong và kết cấu của các động cơ bước cỡ 17 và 23 theo
tiêu chuẩn NEMA.
Các động cơ bước được thiết kế lại tạo ra thêm 20 – 30% mô-men quay so
với mô hình trước đó của SKC, nhờ sử dụng cùng một công suất đầu vào
và các vật liệu từ tính tiêu chuẩn có hiệu quả kinh tế, Rex Bergsma –
chủ tịch hãng SKC (Mỹ) giải thích. Cải biến có được là nhờ cho thêm
vật liệu từ tính vào rotor. Với không gian không đổi, yêu cầu phải
loại bỏ một số không gian stator tại các cuộn dây pha. Việc thiết kế
lại các lá thép cũng cải tiến hình dạng của từng bánh răng của rotor
và stator của động cơ bước STP-43D kiểu mới của SKC. Kết quả là, từ
trường gây ra bởi từ thông sẽ mạnh hơn và tập trung hơn, đồng nghĩa
với ít tiếng ồn hơn (xem sơ đồ) và “thời gian xác lập” nhanh gần gấp 2
lần so với các mô hình trước đó”, Bergsma cho biết.
Ngoài khả năng tạo ra mô-men làm việc nhiều hơn do có mật độ từ thông
cao hơn, các lá thép được thiết kế lại trong động cơ bước loại mới của
hãng Shinano Kenshi còn có độ rung tạo ra bởi từ trường thấp hơn và
giảm tiếng ồn từ 3-6 bd, tùy theo tần số hoạt động.
Không chỉ dừng lại ở động cơ bước kiểu quay truyền thống
Ngoài các động cơ bước kiểu quay truyến thống còn tồn tại một nhóm
đáng kể các động cơ bước tuyến tính. Hãng Baldor Electric nhấn mạnh
các kỹ sư ứng dụng và kỹ sư thiết kế ngày càng quan tâm nhiều hơn đến
các sản phẩm chuyển động tuyến tính này. So với gói sản phẩm động cơ
bước quay (và động cơ servo), động cơ bước tuyến tính có những ưu điểm
vượt trội như: giảm số lượng các chi tiết, gần như không bị ăn mòn
hoặc không cần bảo trì, và dễ dàng tích hợp vào máy móc. Jonh
Mazurkiewicz – giám đốc sản phẩm của Baldor cho biết: “Động cơ bước
kiểu tuyến tính khá phù hợp cho các ứng dụng truyền động với tải nhẹ
và đem lại tính năng điều khiển vòng hở rất tốt trong các ứng dụng
khác, đồng thời đem lại gia tốc cao hơn và tốc độ nhanh hơn so với
động cơ bước kiểu quay”.
Sản phẩm động cơ bước kiểu tuyến tính của hãng Baldor rất đa dạng, bao
gồm: kiểu một trục và hai trục (x và y), kiểu nhiều trục và các thiết
kế đặc thù cho từng yêu cầu của khách hàng. Các bộ điều khiển khả
trình dòng NextMove của công ty này có đầu ra phù hợp để chạy các động
cơ bước kiểu tuyến tính và kiểu quay (cũng như động cơ servo). Sản
phẩm mới nhất của dòng NextMove là bộ điều khiển chuyển động thời gian
thực (xem hình).
Hãng Oriental Motor Co. (MO) mô tả sự phát triển của động cơ bước và
các hệ truyền động mới là một quá trình “tinh lọc các thuộc tính về
hiệu quả hoạt động và tích hợp các chi tiết”. Dưới đây là một số xu
hướng góp phần vào quá trình này:
Mật độ mô-men cao hơn: Việc định kỳ thiết kế lại, bao gồm: sử dụng các
nam châm với thành phần hóa học là các nguyên tốt hiếm Nd-Fe-B, cho
mức năng lượng cao hơn; và thay đổi về mặt cấu trúc như bán kính rotor
lớn hơn, đã cải thiện tính năng mô-men của động cơ. Các sản phẩm của
OM thừa hưởng sự cải tiến này bao gồm: Các động cơ bước PV mô-men cao,
động cơ bước hỗ hơn dòng PK-HT (2 pha), và động cơ 5 pha dòng CRK.
Độ chính xác góc bước được cải thiện và truyền động êm hơn: Một phương
pháp bước nhỏ tiên tiến được sử dụng để đạt được độ chính xác góc bước
cao hơn bằng cách điều khiển dòng điện sát hơn. Ví dụ, bộ truyền động
bước nhỉ, 5 pha dòng RK của hãng Oriental kết hợp một mạch ASIC đặc
biệt (mạch tích hợp đã cài các ứng dụng cụ thể), phần mềm riêng, và
cảm biến dòng điện để điều khiển dòng điện trên một dải tốc độ. Theo
ông Nick Johantgen – giám đốc kỹ thuật của Oriental Motor USA, thì cảm
biến dòng điện và phần mềm điều khiển còn đem đến “chức năng truyền
động êm”. Đây là chức năng hạn chế rung và tiếng ồn trong suốt quá
trình vận hành, không phụ thuộc vào tần số đầu vào của bộ truyền động.
Đặc tính rung ít hơn của động cơ bước 5 pha so với động cơ bước 2 pha
cũng là một yêu tố nữa góp phần cải thiện “chức năng truyền động êm”
này. Ví dụ về sản phẩm có chức năng “truyền động êm” là các bộ điều
khiển động cơ bước 5 pha dòng EK và CRK.
Kích cỡ nhỏ: Ông Johantgen cho biết: “Một xu hướng bao trùm cho các
động cớ bước vòng hở và hệ truyền động liên quan là hướng tới kích cỡ
nhỏ hơn”. “Nhiều ứng dụng mới trong những thiết bị đo xách tay của
ngành y tế và công nghiệp yêu cầu sử dụng các động cơ có kích cỡ nhỏ
hơn”. Nhằm đáp ứng thách thức này, hãng OM đã phát triển các động cơ 5
pha CRK cỡ 11 và cỡ 8 cũng như động cơ bước 2 pha cỡ 11 và động cơ
bước 2 pha PK cỡ 14 (1.4 inch/35mm). Bộ truyền động bước nhỏ CRK loại
mới, nhỏ gọn chỉ có kích thước 0.98 x 1.77 x 2.56 và có khả năng điều
khiển động cơ CRK có kích cỡ lên đến 1.4A mỗi pha.
(Còn tiếp