Cách điều khiển động cơ bước bằng PLC chi tiết và hiệu quả

Tác giả: ChungTu

Cập nhật lúc: 26/09/2025

Điều khiển chuyển động chính xác là yêu cầu cốt lõi trong tự động hóa công nghiệp. Trong đó, việc sử dụng PLC để điều khiển động cơ bước (Stepper Motor) là một giải pháp phổ biến và hiệu quả. Bài viết này sẽ cung cấp hướng dẫn toàn diện về cách điều khiển động cơ bước bằng PLC, từ kết nối phần cứng, lập trình đến các lỗi thường gặp, giúp bạn làm chủ công nghệ này một cách dễ dàng.

Để hiểu rõ phương pháp điều khiển, trước tiên chúng ta cần nắm vững các thành phần cơ bản của hệ thống, bao gồm động cơ bước và bộ điều khiển PLC.

Động cơ bước là một loại động cơ điện (motor điện) đồng bộ hoạt động bằng cách chuyển đổi các tín hiệu xung điện thành chuyển động quay theo từng bước góc rời rạc. Nhờ cấu trúc đặc biệt, nó có khả năng quay đến một vị trí chính xác mà không cần cảm biến phản hồi, rất lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu định vị chính xác. Đây là một loại motor điện được ưa chuộng trong máy CNC, máy in 3D và robot công nghiệp.

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển logic lập trình được, cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp thông qua ngôn ngữ lập trình. Trong hệ thống này, PLC đóng vai trò là “bộ não”, tạo ra các chuỗi xung điện (pulse) để ra lệnh cho driver, từ đó điều khiển tốc độ, hướng quay và vị trí của động cơ bước plc.

Độ chính xác và lặp lại cao: PLC có khả năng phát xung tốc độ cao, đảm bảo động cơ di chuyển đến đúng vị trí mong muốn với sai số cực nhỏ.
Linh hoạt và dễ lập trình: Người dùng có thể dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển để đáp ứng các yêu cầu khác nhau của ứng dụng.
Hoạt động ổn định: PLC được thiết kế để làm việc trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, có khả năng chống nhiễu tốt.
Tích hợp hệ thống: Dễ dàng kết nối với các thiết bị khác như cảm biến, HMI, biến tần (inverter) để tạo thành một hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh.

PLC đóng vai trò bộ não trong hệ thống điều khiển động cơ bước công nghiệp

Một hệ thống hoàn chỉnh cần có sự phối hợp của ba thành phần chính: PLC, Driver và Động cơ bước. Việc lựa chọn đúng loại mô tơ điện và thiết bị đi kèm sẽ quyết định hiệu suất của toàn hệ thống.

Hai dòng PLC được sử dụng rộng rãi nhất cho ứng dụng này là:

PLC Mitsubishi: Các dòng FX3U, FX5U rất mạnh mẽ với các lệnh phát xung chuyên dụng như PLSY, DPLSY, dễ dàng cho việc lập trình PLC điều khiển step motor.
PLC Siemens S7-1200: Việc điều khiển động cơ bước bằng plc s7-1200 cũng rất phổ biến nhờ vào các khối chức năng (Function Block) điều khiển chuyển động (Motion Control) và ngõ ra phát xung tốc độ cao (PTO).

Driver là thiết bị trung gian, nhận tín hiệu xung logic từ PLC và chuyển đổi thành dòng điện đủ lớn để cấp cho các cuộn dây của động cơ điện. Một số loại driver thông dụng trên thị trường là DM542, TB6600. Chức năng chính của driver là khuếch đại tín hiệu và chia nhỏ các bước (micro-stepping) để động cơ chạy mượt hơn.

Động cơ bước có nhiều loại và kích thước khác nhau (ví dụ: size 42, 57, 86) tùy thuộc vào yêu cầu về mô-men xoắn. Đây là một loại motor điện 220v hoặc 24VDC phổ biến trong các máy móc nhỏ. Khi mua motor, cần chú ý đến các thông số như góc bước, dòng định mức và mô-men giữ.

Driver điều khiển động cơ bước – thiết bị trung gian giữa PLC và động cơ

Nguyên lý cơ bản của cách điều khiển động cơ bước bằng PLC là PLC tạo ra một chuỗi xung vuông. Mỗi xung tương ứng với một bước quay của động cơ. Tần số của chuỗi xung quyết định tốc độ quay, và tổng số xung quyết định quãng đường di chuyển.

PLC sử dụng các ngõ ra (output) tốc độ cao (Transistor Output) để tạo xung. Các lệnh thường dùng:

Lệnh PLSY, DPLSY (PLC Mitsubishi): Cho phép phát ra một số lượng xung nhất định tại một tần số xác định.
PTO (Pulse Train Output): Chức năng có sẵn trên nhiều dòng PLC, bao gồm cả điều khiển động cơ bước bằng plc s7-1200, để tạo ra chuỗi xung liên tục.
PWM (Pulse Width Modulation): Cũng có thể được dùng nhưng ít phổ biến hơn PTO cho việc điều khiển vị trí.

Có hai chế độ điều khiển chính:

PULSE/DIRECTION (PUL/DIR): Sử dụng 2 chân tín hiệu. Một chân nhận xung (PUL) để quay, và một chân xác định chiều quay (DIR). Khi chân DIR ở mức logic cao, động cơ quay theo một chiều; khi ở mức thấp, nó quay ngược lại.
CW/CCW: Sử dụng 2 chân tín hiệu. Một chân (CW – Clockwise) nhận xung để quay thuận, và chân còn lại (CCW – Counter-Clockwise) nhận xung để quay ngược.

Chế độ PUL/DIR là phổ biến nhất hiện nay.

Trong chương trình PLC, bạn sẽ định nghĩa: số xung cần phát (quyết định vị trí), tần số xung (quyết định tốc độ) và trạng thái của chân DIR (quyết định chiều quay). Việc này giúp tạo ra các chuyển động chính xác theo yêu cầu.

Kết nối đúng cách là bước đầu tiên và quan trọng nhất để hệ thống hoạt động ổn định. Khi mua động cơ điện và các thiết bị, bạn cần đọc kỹ tài liệu kỹ thuật.

Sơ đồ đấu nối cơ bản như sau:

PLC tới Driver: Nối các ngõ ra phát xung của PLC (ví dụ Y0, Y1 trên PLC Mitsubishi) tới các ngõ vào tín hiệu của driver (PUL+, PUL-, DIR+, DIR-). Cần chú ý đấu nối đúng cực và có thể cần điện trở nối tiếp tùy loại PLC và driver.
Driver tới Động cơ bước: Nối các ngõ ra của driver (A+, A-, B+, B-) tới các dây tương ứng của mô tơ điện. Đấu sai dây pha có thể khiến động cơ không chạy hoặc rung mạnh.
Nguồn cấp: Cấp nguồn 24VDC cho PLC và nguồn phù hợp (ví dụ 24-48VDC) cho driver.

Khi chọn driver, đảm bảo dòng điện của driver lớn hơn hoặc bằng dòng định mức của motor điện. PLC phải có ngõ ra Transistor tốc độ cao. Nếu bạn cần tư vấn để mua motor điện hoặc driver, các đơn vị cung cấp uy tín sẽ hỗ trợ bạn.

Trước khi kết nối với động cơ, bạn có thể dùng đồng hồ VOM hoặc oscilloscope để kiểm tra xem PLC có phát xung đúng như lập trình hay không. Đây là cách kiểm tra hiệu quả để xác định lỗi do phần cứng hay phần mềm.

Minh họa cách đấu nối dây từ PLC sang driver và từ driver sang động cơ bước

Lập trình là bước hiện thực hóa ý tưởng điều khiển. Dù bạn dùng PLC Mitsubishi hay Siemens, các bước cơ bản đều tương tự nhau.

Bước 1: Khai báo cấu hình phần cứng, chọn ngõ ra phát xung tốc độ cao (PTO).
Bước 2: Viết code sử dụng các lệnh phát xung (PLSY, Motion Control FB) để điều khiển.
Bước 3: Lập trình các nút nhấn hoặc HMI để nhập giá trị tốc độ, vị trí mong muốn.
Bước 4: Nạp chương trình và tiến hành chạy thử.

Cách lập trình phát xung PLC Mitsubishi thường trực quan hơn cho người mới bắt đầu.

Ví dụ với PLC Mitsubishi: Để động cơ quay 5 vòng (với động cơ 200 bước/vòng), ta cần phát 5 200 = 1000 xung. Lệnh sẽ là `[DPLSY K10000 K1000 Y0]`, trong đó K10000 là tần số (tốc độ), K1000 là số xung (vị trí), Y0 là ngõ ra phát xung.

Để động cơ điện công nghiệp hoạt động mượt mà, tránh mất bước khi khởi động hoặc dừng đột ngột, cần lập trình quá trình tăng tốc và giảm tốc (acceleration/deceleration). Hầu hết các lệnh phát xung chuyên dụng đều hỗ trợ tính năng này.

PLC Mitsubishi: GX Works2, GX Works3.
PLC Siemens: TIA Portal.

Thiết lập đúng thông số cho driver là yếu tố quyết định độ bền và hiệu suất của mô tơ điện.

Trên driver thường có các công tắc gạt (DIP switch) để cài đặt dòng điện ra (Output Current) và chế độ vi bước (Micro-step). Dòng điện phải được đặt phù hợp với thông số của động cơ điện để tối ưu mô-men xoắn.

Không nên đặt dòng điện trên driver cao hơn dòng định mức của động cơ. Nếu động cơ và driver quá nóng, hãy giảm cài đặt dòng điện xuống một mức. Một motor điện tốt nhất là motor hoạt động ổn định trong thời gian dài.

Với động cơ có 8 dây, bạn có thể đấu nối tiếp hoặc song song. Đấu song song cho mô-men xoắn tốt hơn ở tốc độ cao, trong khi đấu nối tiếp cho mô-men tốt hơn ở tốc độ thấp.

Cách điều chỉnh dòng điện driver giúp động cơ bước hoạt động ổn định, tránh quá nhiệt

Trong quá trình triển khai điều khiển động cơ bước plc, bạn có thể gặp một số sự cố. Dưới đây là các lỗi phổ biến và cách xử lý.

Nguyên nhân: Sai kết nối dây pha A+, A-, B+, B-; nguồn cấp cho driver yếu; lỗi lập trình phát xung; tải quá nặng gây mất bước.
Khắc phục: Kiểm tra lại toàn bộ kết nối dây, đảm bảo nguồn đủ công suất, xem lại code và giảm tải cho động cơ.

Nguyên nhân: Dây tín hiệu đi gần dây động lực, không dùng dây chống nhiễu.
Khắc phục: Sử dụng cáp xoắn có vỏ bọc chống nhiễu và đi dây tín hiệu tách biệt với dây nguồn động lực.

Nguyên nhân: Cài đặt dòng điện trên driver quá cao so với định mức của motor điện.
Khắc phục: Giảm dòng điện trên DIP switch của driver, lắp thêm quạt tản nhiệt nếu cần.

Nguyên nhân: Sai địa chỉ ngõ ra, sai cú pháp lệnh, logic chương trình không đúng.
Khắc phục: Sử dụng chức năng Monitor của phần mềm lập trình để theo dõi trạng thái các biến và ngõ ra, kiểm tra lại từng dòng lệnh.

Cách điều khiển động cơ bước bằng plc được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

Xác định yêu cầu: Tải trọng, tốc độ, độ chính xác cần thiết để chọn động cơ điện và PLC phù hợp.
Lựa chọn thiết bị: Chọn PLC, driver và động cơ đáp ứng yêu cầu. Bạn có thể tìm các đơn vị bán motor điện uy tín để được tư vấn.
Kết nối phần cứng: Đấu nối các thiết bị theo sơ đồ.
Lập trình và nạp code: Viết chương trình điều khiển và nạp vào PLC.
Chạy thử và hiệu chỉnh: Vận hành hệ thống, theo dõi và tinh chỉnh các thông số để đạt hiệu suất tối ưu.

Máy CNC, máy cắt laser: Điều khiển dịch chuyển các trục X, Y, Z.
Băng tải phân loại sản phẩm: Đưa sản phẩm đến đúng vị trí.
Robot gắp và đặt: Định vị cánh tay robot chính xác.
Máy dán nhãn tự động: Quay cuộn nhãn và dừng đúng vị trí.

Sử dụng chế độ vi bước (micro-stepping) trên driver để động cơ chạy êm và chính xác hơn. Thường xuyên kiểm tra các đầu nối dây và làm sạch bụi bẩn trên mô tơ điện và driver để đảm bảo tản nhiệt tốt.

PLC nào phù hợp nhất để điều khiển động cơ bước?

PLC Mitsubishi dòng FX và Siemens S7-1200 là hai lựa chọn hàng đầu nhờ khả năng phát xung tốc độ cao và có các tập lệnh hỗ trợ mạnh mẽ cho ứng dụng điều khiển vị trí.

Tại sao cần driver, PLC không thể điều khiển động cơ bước trực tiếp?

Ngõ ra của PLC chỉ cung cấp tín hiệu logic với dòng điện rất nhỏ (vài mA), không đủ để làm quay động cơ điện vốn yêu cầu dòng lớn (vài Ampe). Driver có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu này thành dòng điện đủ lớn.

Làm sao để chọn driver phù hợp cho loại động cơ bước?

Bạn cần chọn driver có điện áp hoạt động và dòng điện định mức cao hơn hoặc bằng thông số của động cơ. Ví dụ, nếu động cơ có dòng 2A, bạn nên chọn driver có thể cấp dòng từ 2A trở lên.

Cách lập trình phát xung đơn giản nhất cho người mới bắt đầu?

Sử dụng các lệnh phát xung cơ bản như PLSY của PLC Mitsubishi là cách dễ nhất. Bạn chỉ cần xác định tần số (tốc độ) và tổng số xung (vị trí) là có thể điều khiển được động cơ.

Làm thế nào để tăng độ chính xác khi điều khiển?

Sử dụng chế độ vi bước trên driver (ví dụ 1/8, 1/16 bước) sẽ giúp động cơ chạy mượt hơn và đạt độ phân giải vị trí cao hơn. Đồng thời, đảm bảo cơ cấu cơ khí vững chắc, không bị rơ lỏng.

Việc sử dụng và điều khiển động cơ bước bằng PLC là một kỹ năng quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa. Bằng cách nắm vững nguyên lý, cách kết nối và lập trình, bạn có thể xây dựng các hệ thống điều khiển chuyển động chính xác, ổn định và hiệu quả. Việc lựa chọn các thiết bị chất lượng như động cơ điện nhập khẩu hay motor điện công nghiệp từ các nhà cung cấp uy tín sẽ đảm bảo sự thành công cho dự án của bạn. Nếu bạn có nhu cầu mua mô tơ điện hoặc cần tư vấn kỹ thuật, hãy liên hệ với chúng tôi để nhận được hỗ trợ tốt nhất.