Dong Co Buoc

Điều khiển động cơ bước Biên dịch Đoàn Hiệp  Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh ‐ Chương trình PFIEV  Đây là bản dịch từ Tài liệu hướng dẫn điều khiển động cơ bước của  giáo sư Douglas W. Jones,  Đại học IOWA. Tài liệu tiếng Anh nguyên bản của giáo sư đã được đăng ký bản quyền và chống mọi  hình thức in ấn thương mại. Được sự cho phép của giáo sư, tôi đã dịch tài liệu này ra tiếng Việt và cung  cấp miễn phí tại một số địa chỉ cố định. Đề nghị bạn đọc không sao chép, in ấn vì mục đích thương mại,  và không đưa lên các trang web khác, mà chỉ download và in ấn sử dụng cho mục đích cá nhân.  Thanks to Prof. Douglas W. Jones, this tutorial was translated with more ease. Xin gửi lời cảm  ơn chân thành đến các bạn tôi, đã ủng hộ và giúp đỡ rất nhiều trong quá trình biên dịch cũng như phổ  biến tài liệu này đến mọi người. Trong tài liệu dịch có nhiều điểm sai sót do yêu cầu về thời gian dịch  cũng như những hạn chế về mặt ngôn ngữ, mong các bạn thông cảm. Nếu phát hiện các lỗi dù nhỏ, hoặc  có ý kiến bổ sung, mong bạn đọc thông tin cho tác giả qua email: [email protected].  

Nội dung  Tóm tắt  Giới thiệu  1. Các loại động cơ bước  2. Vật lý học động cơ bước  3. Các mạch điều khiển cơ bản  4. Hạn dòng  5. Điều khiển vi bước  6. Điều khiển bậc trung bình  7. Điều khiển thời gian thực bậc cao  8. Phần mềm điều khiển động cơ bước  9. Ví dụ  Các nguồn tư liệu khác 

Tóm tắt  Tài liệu hướng dẫn này gói gọn các đặc tính cơ bản của động cơ bước và các hệ  thống điều khiển động cơ bước, bao gồm cả phần vật lý học động cơ, điện học  các hệ điều khiển cơ bản, và phần mềm điều khiển động cơ tương ứng. Để phù  hợp với thực tế Việt Nam, cuối mỗi chương tôi bổ sung thêm phần tóm tắt để  bạn đọc dễ nhớ các ý chính của chương và cung cấp một số thủ thuật mà giáo sư  không tiện đề cập trong một tài liệu hướng dẫn tổng quát.  1

Giới thiệu  Động  cơ  bước  có  thể  được  mô  tả  như  là  một  động  cơ  điện  không  dùng  bộ  chuyển  mạch.  Cụ  thể,  các  mấu  trong  động  cơ  là  stator,  và  rotor  là  nam  châm  vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng  làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên  ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế  để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất  kỳ vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số  âm thanh,  cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có  thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ.  Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước. Cả  hai  loại  động  cơ  này  đều  như  nhau  vì  có  thể  xác  định  được  vị  trí  chính  xác,  nhưng chúng cũng khác nhau ở một số điểm. Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi  tiếp  analog.  Đặc  biệt,  điều  này  đòi  hỏi  một  bộ  tắc‐cô  để  cung  cấp  tín  hiệu  hồi  tiếp về vị trí của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị  trí mong muốn và vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần. Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xét một số vấn đề,  và nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế. Ví dụ, khả năng trở về một vị trí đã  vượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả năng  lặp lại vị trí của động cơ servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô  và các linh kiện analog khác trong mạch hồi tiếp.  Động cơ bước có  thể được dùng trong  hệ  thống điều khiển  vòng hở đơn  giản;  những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh,  nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ  điều  khiển  vòng  kín  với  động  cơ  bước.  Nếu  một  động  cơ  bước  trong  hệ  điều  khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ  thống phải nhận diện lại; servo motor thì không xảy ra vấn đề này. Động  cơ  bước  trong  tiếng  Đức  là  SCHRITTMOTOREN,  trong  tiếng  Pháp  là  MOTEURS PAS À PAS,  và trong  tiếng  Tây  Ban  Nha  là  MOTOR  PASO  PASO.  Từ step‐motor và stepper motor cũng được dùng khá phổ biến. 

2

Các nguồn tư liệu khác  Các trang web Một số trang web khác về điều khiển động cơ • • • •

http://www.ams2000.com/stepping101.html  một tài liệu hướng dẫn tóm gọn rất hay http://motioncontrol.com/  trang web thương mại về điều khiển chuyển động http://www.doc.ic.ac.uk/~ih/doc/stepper/  http://www.euclidres.com/apps/stepper_motor/stepper.html 

Một số nhà cung cấp động cơ • • • • • • • •

http://www.ams2000.com/  http://www.dmicrotek.com/ (động cơ rất bé) http://www.eadmotors.com/ (động cơ cỡ trung bình) http://www.gunda‐gmbh.de/ (German)  http://www.hsi‐inc.com/  http://www.linengineering.com/ (100 to 800 steps per revolution)  http://www.micromo.com/ (động cơ siêu nhỏ)  http://www.mitsumi.co.jp/cgi‐bin/agree.cgi?lang=1 (Japan) 

Các nhà cung cấp đồ cũ • • • • • • •

ALL Electronics (new and surplus)  DIY Electronics (kits, Hong Kong)  EIOʹs Stepper Motor Page (surplus)  PC Gadgets (the Gadgetmaster interface)  Hi‐Tech Surplus;  Vorlac (Surplus, australia)  Wirz Electronics (Hobbyist oriented, controllers)  

3

Dịch vụ thiết kế, lựa chọn và tạo mô hình động cơ •

Yeadon Engineering Services, [email protected] (Michigan)  

Dịch vụ tư vấn •

Simon Bridger Design (New Zealand) 

Những trang web khác •

The Art of Motion Control;  

•

EIOʹs Stepper Motor Page;  

Sách Handbook of Small Electric Motors  William H. Yeadon and Alan W, Yeadon, eds.   McGraw‐Hill, c2001.   LC number: TK2537 .H34 2001  Stepping motors: a guide to modern theory and practice  Acarnley, P. P.   P. Peregrinus on behalf of the IEE, 1984, c1982.   LC number: TK2537 .A28 1984   A third edition has recently been released.  Stepping motors and their microprocessor controls  Kenjo, Takashi   Oxford University Press, c1984.   LC number: TK2785 .K4 1984 

4

Các loại động cơ bước

 

Phần 1:  Động cơ bước dịch bởi Đoàn Hiệp  • • • • •

  Giới thiệu  Động cơ biến từ trở  Động cơ đơn cực  Động cơ hai cực  Động cơ nhiều pha   

Giới thiệu  Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (cũng có  loại động cơ hỗn hợp nữa, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam châm  vĩnh cửu). Nếu mất đi nhãn trên động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại  động  cơ  này  bằng  cảm  giác  mà  không  cần  cấp  điện  cho  chúng.  Động  cơ  nam  châm  vĩnh  cửu  dường  như  có  các  nấc  khi  bạn  dùng  tay  xoay  nhẹ  rotor  của  chúng,  trong  khi  động  cơ  biến  từ  trở  thì  dường  như  xoay  tự  do  (mặc  dù  cảm  thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Bạn cũng có  thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế. Động cơ biến từ trở thường có 3  mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường  có  hai  mấu  phân  biệt,  có  hoặc  không  có  nút  trung  tâm.  Nút  trung  tâm  được  dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực.  Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi  bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8  độ đến 0.72 độ mỗi bước. Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam  châm  vĩnh cửu và  hỗn  hợp đều có  thể  chạy  ở  chế  độ nửa  bước,  và  một  vài  bộ  điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước.  Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một  mấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và  sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment  xoắn giữ (hold torque) của động cơ. 

1

Động cơ biến từ trở 

Hình 1.1 

 

Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình 1.1, với một  đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hẳn là một động cơ biến từ trở.  Khi sử dụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và  các cuộn được kích theo thứ tự liên tục.  Dấu thập trong hình 1.1 là rotor của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước.  Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai  cực đối diện. Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1. Nếu  dòng  qua  cuộn  1  bị  ngắt  và  đóng  dòng  qua  cuộn  2,  rotor  sẽ  quay  30  độ  theo  chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2.   Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân  phiên cho 3 cuộn. Theo logic đặt ra, trong bảng dưới đây 1 có nghĩa là có dòng  điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim  đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng:  Cuộn 1   1001001001001001001001001  Cuộn 2   0100100100100100100100100  Cuộn 3   0010010010010010010010010      thời gian ‐‐>  Phần Điều khiển mức trung bình cung cấp chi tiết về phương pháp tạo ra các  dãy  tín  hiệu  điều  khiển  như  vậy,  và  phần  Các  mạch  điều  khiển  bàn  về  việc  đóng ngắt dòng điện qua các cuộn để điều khiển động cơ từ các chuỗi như thế.  Hình dạng động cơ được mô tả trong hình  1.1, quay 30 độ mỗi bước, dùng số  răng rotor và số cực stator tối thiểu. Sử dụng nhiều cực và nhiều răng hơn cho  phép  động  cơ  quay  với  góc  nhỏ  hơn.  Tạo  mặt  răng  trên  bề  mặt  các  cực  và  các  răng trên rotor một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ đến vài độ.  2

Động cơ đơn cực 

Hình 1.2   

 

Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc  8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 1.2, với một đầu nối trung tâm trên  các  cuộn.  Khi  dùng,  các  đầu  nối  trung  tâm  thường  được  nối  vào  cực  dương  nguồn  cấp,  và  hai  đầu  còn  lại  của  mỗi  mấu  lần  lượt  nối  đất  để  đảo  chiều  từ  trường tạo bởi cuộn đó.  Sự khác nhau giữa hai loại động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực và động cơ hỗn  hợp đơn cực không thể nói rõ trong nội dung tóm tắt của tài liệu này. Từ đây,  khi khảo sát động cơ đơn cực, chúng ta chỉ khảo sát động cơ nam châm vĩnh cửu,  việc điều khiển động cơ hỗn hợp đơn cực hoàn toàn tương tự.  Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và  bên trái động cơ. Rotor là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và  3 Bắc,  xếp xen kẽ trên vòng tròn.  Để  xử  lý  góc  bước  ở  mức  độ  cao  hơn,  rotor  phải  có  nhiều  cực  đối  xứng  hơn.  Động cơ 30 độ  mỗi bước trong hình  là  một  trong  những thiết kế động  cơ  nam  châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5 độ là khá  lớn. Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là  1.8 độ và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.6 độ đến  1.8 độ, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.72 độ.  Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra  cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở  mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay động cơ  một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy. 

3

Mấu 1a  1000100010001000100010001   

Mấu 1a  1100110011001100110011001 

Mấu 1b  0010001000100010001000100   

Mấu 1b  0011001100110011001100110 

Mấu 2a  0100010001000100010001000   

Mấu 2a  0110011001100110011001100 

Mấu 2b  0001000100010001000100010   

Mấu 2b  1001100110011001100110011 

    thời gian ‐‐>  

 

 

 

 

 

thời gian ‐‐> 

  Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai  dãy  nêu  trên  sẽ  quay  một  động  cơ  nam  châm  vĩnh  cửu  một  bước  ở  mỗi  thời  điểm. Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong  hình trên; vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho  cả  hai  mấu  một  lúc  và  nói chung sẽ tạo  ra  một  moment xoắy lớn hơn dãy  bên  trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần.  Phần  Điều  khiển  mức  trung  bình  trong  tài  liệu  này  sẽ  cung  cấp  chi  tiết  về  phương pháp tạo ra những dãy tín hiệu điều khiển như vậy, còn phần Các mạch  điều  khiển  nói  về  mạch  đóng  ngắt  các  mạch  điện  cần  thiết  để  điều  khiển  các  mấu động cơ từ các dãy điều khiển trên.  Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả, kết hợp 2  chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một cách lần  lượt tại những vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên. Chuỗi kết hợp như sau:  Mấu 1a  11000001110000011100000111  Mấu 1b  00011100000111000001110000  Mấu 2a  01110000011100000111000001  Mấu 2b  00000111000001110000011100      Thời gian ‐‐>     

4

Động cơ hai cực 

Hình 1.3   

 

Động cơ nam  châm vĩnh  cửu  hoặc  hỗn hợp hai cực  có  cấu trúc cơ  khí  giống  y  như  động  cơ  đơn  cực,  nhưng  hai  mấu  của  động  cơ  được  nối  đơn  giản  hơn,  không  có  đầu  trung  tâm.  Vì  vậy,  bản  thân  động  cơ  thì  đơn  giản  hơn,  nhưng  mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn. Minh  hoạ ở hình  1.3 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi  đó phần rotor ở đây giống  y  như ở hình 1.2.  Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi mấu;  điều này sẽ được bàn chi tiết trong phần Các mạch điều khiển. Tóm lại, một cầu  H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mấu được điều khiển một cách  độc lập. Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loại động cơ này được nêu  bên  dưới,  dùng  +  và  ‐  để  đại  diện  cho  các  cực  của  nguồn  áp  được  áp  vào  mỗi  đầu của động cơ:  Đầu 1a  + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐       + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐  Đầu 1b  ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐       ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + +  Đầu 2a  ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐       ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐   Đầu 2b  ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ +       + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ +      thời gian ‐‐>  Chú ý rằng những dãy này  giống như trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn  cực, ở mức độ lý thuyết, và rằng ở mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điều  khiển cho hai loại động cơ này là giống nhau.  Chú ý khác là có rất nhiều chip điều khiển cầu H có một đầu vào điều khiển đầu  ra và một đầu khác để điều khiển hướng. Có loại chip cầu H kể trên, dãy điều  khiển dưới đây sẽ quay động cơ giống như dãy điều khiển nêu phía trên:  5

Enable  1   1010101010101010   1111111111111111  Hướng 1   1x0x1x0x1x0x1x0x   1100110011001100  Enable  2   0101010101010101   1111111111111111  Hướng 2   x1x0x1x0x1x0x1x0   0110011001100110      thời gian ‐‐>  Để phân biệt một động cơ nam châm vĩnh cửu hai cực với những động cơ 4 dây  biến từ trở, đo điện trở giữa các cặp dây. Chú ý là một vài động cơ nam châm  vĩnh  cửu  có  4  mấu  độc  lập,  được  xếp  thành  2  bộ.  Trong  mỗi  bộ,  nếu  hai  mấu  được nối tiếp với nhau, thì đó là động cơ hai cực điện thế cao. Nếu chúng được  nối song song, thì đó là động cơ hai cực dùng điện thế thấp. Nếu chúng được nối  tiếp với một đầu trung tâm, thì dùng như với động cơ đơn cực điên thế thấp.   

Động cơ nhiều pha 

Hình 1.4 

 

Một bộ phận các động không được phổ biến như những loại trên đó là động cơ  nam  châm  vĩnh  cửu  mà  các  cuộn  được  quấn  nối  tiếp  thành  một  vòng  kín  như  hình 1.4. Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha.  Bộ điều khiển cần ½ cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động  cơ này có thể cung cấp moment xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước khác  cùng  kích thước.  Một  vài  động cơ 5  pha  có thể xử  lý cấp cao  để có được bước  0.72 độ (500 bước mỗi vòng).Với một động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước  mỗi vòng bước, như trình bày dưới đây: 

6

Đầu 1  + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + +  Đầu 2  ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐  Đầu 3  + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + +   Đầu 4  + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐   Đầu 5  ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐      thời gian ‐‐>  Ở đây, giống như trong trường hợp động cơ hai cực, mỗi đầu hoặc được nối vào  cực dương hoặc cực âm của hệ thống cấp điện động cơ. Chú ý rằng, tại mỗi bước,  chỉ có một đầu thay đổi cực. Sự thay đổi này làm ngắt điện ở một mấu nối vào  đầu  đó (bởi vì  cả hai đầu  của mấu có cùng  điện cực)  và áp  điện vào một mấu  đang trong trạng thái nghỉ trước đó. Hình dạng của động cơ được đề nghị như  hình 1.4, dãy điều khiển sẽ điều khiển động cơ quay 2 vòng.  Để  phân  biệt  động  cơ  5  pha  với  các  loại  động  cơ  có  5  dây  dẫn  chính,  cần  nhớ  rằng, nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếp của một động cơ 5 pha là R, thì điện trở  giữa hai đầu không liên tiếp sẽ là 1.5R.  Và cũng cần ghi nhận rằng một vài động cơ 5 pha có 5 mấu chia, với 10 đầu dây  dẫn chính. Những dây này có thể nối thành hình sao như hình minh hoạ trên, sử  dụng  mạch  điều  khiển  gồm  5  nửa  cầu  H,  nói  cách  khác  mỗi  mấu  có  thể  được  điều khiển bởi một vòng cầu H đầy đủ của nó. Để tránh việc tính toán lý thuyết  với  các  linh  kiện  điện  tử,  có  thể  dùng  chip  mạch  cầu  tích  hợp  đầy  đủ  để  tính  toán gần đúng. 

7

Tóm tắt chương  Qua chương này, các bạn đã có thể phân biệt các loại động cơ như động cơ biến  từ  trở,  động  cơ  đơn  cực,  động  cơ  hai  cực,  và  động  cơ  nhiều  pha  dựa  vào  cảm  nhận bằng tay khi quay rotor và dùng Ohm kế.  Việc phân biệt các cặp đầu ra của các cuộn dây cũng có thể suy ra từ việc dùng  Ohm kế để đo các đầu dây. Tuy nhiên, việc xác định cặp dây ra của từng cuộn  dây trong động cơ đơn cực hơi khó khăn hơn một chút.  Để phân biệt hai cặp dây của động cơ đơn cực 5 dây, trước tiên chúng ta dùng  Ohm  kế  để  xác  định  dây  nối  trung  tâm.  Áp  điện  áp  xoay  chiều  vào  dây  trung  tâm và một trong 4 dây còn lại. Dùng Volt kế xoay chiều đo điện áp giữa dây nối  trung tâm và 3 dây còn lại. Chúng ta sẽ thấy rằng điện áp giữa dây trung tâm  với 2 trong 3 dây còn lại đó gần như bằng không, và với dây thứ ba thì gần như  bằng điện áp xoay chiều áp vào động cơ. Như vậy, hai dây cho điện áp gần bằng  0 là một cặp, hai dây còn lại sẽ là cặp thứ hai.  Lời khuyên:  ‐ ‐ ‐

‐

Khi  dùng  Ohm  kế  để  đo,  nhớ  ghi  chú  và  vẽ  ngay  lại  cách  nối  dây  trong  động cơ để tránh nhầm lẫn về sau  Các dây nối trung tâm luôn được nối với nguồn dương trong mạch điều  khiển (kể cả động cơ biến từ trở và động cơ đơn cực)  Điện áp xoay chiều dùng để phân biệt các cặp dây trong động cơ đơn cực  phải đủ nhỏ để không làm hư động cơ. Điện áp đỉnh của dòng xoay chiều  phải  nhỏ  hơn  điện  áp  ngưỡng  của  động  cơ.  Thông  thường,  với  động  cơ  24VDC, và 12VDC tôi thường dùng 9VAC và 6VAC để thí nghiệm.  Luôn ghi nhớ rằng động cơ bước là động cơ điện một chiều 

  Bài tập:  Tự viết ra (hoặc làm thí nghiệm thực tế) tất cả các trường hợp để phân biệt tất cả  các loại động cơ kể trên và phân biệt các dây nối động cơ của từng loại khi chỉ có  Ohm kế và Volt kế.  Làm thế nào để biết điện áp ngưỡng của động cơ mình đang có? 

8

Trang này bỏ trống để ghi chú 

9

Vật lý học động cơ bước Phần 2: Động cơ bước dịch bởi Đoàn Hiệp  • • • • • • • • •

Giới thiệu  Tĩnh học  Điều khiển nửa bước và vi bước  Lực ma sát và vùng chết  Động lực học  Cộng hưởng  Sống chung với cộng hưởng  Vận tốc moment xoắn cản  Vấn đề về điện từ 

Giới thiệu  Khi nói về các đại lượng vật lý, việc chú ý đến đơn vị đo được dùng là rất quan  trọng! Trong phần trình bày này về động cơ bước cũng vậy, chúng ta sẽ nhắc lại  các đơn vị vật lý tiêu chuẩn: English  CGS 

MKS 

KHỐI LƯỢNG 

slug 

kilogram

LỰC

pound  dyne 

KHOẢNG CÁCH foot 

gram 

newton 

centimeter meter 

THỜI GIAN

second  second 

second 

GÓC

radian  radian 

radian 

Theo  bảng  trên,  lực  một  pound  sẽ  gia  tốc  cho  một  khối  lượng  một  slug  là một  foot  trên  một  giây  bình  phương.  Mối  quan  hệ  này  giữa  đơn  vị  của  lực,  khối  lượng và thời gian và khoảng cách trong các hệ đơn vị đo khác cũng giống như  vậy.  Người  ta  thường  lẫn  lộn  góc  thì  đo  bằng  độ  và  khối  lượng  lại  đo  bằng  pound rồi lực lại tính bằng kilograms sẽ làm thay đổi kết quả đúng của các công  thức dưới đây! Cẩn thận khi biến đổi những đơn vị không chính quy thành các  đơn  vị  tiêu  chuẩn  được  liệt  kê  trên  đây  trước  khi  áp  dụng  các  công  thức  tính  toán!  

1

Tĩnh học  Cho một động cơ quay S radian mỗi bước, biểu đồ moment xoắn theo vị trí góc  của  rotor  so  với  vị  trí  cân  bằng  ban  đầu  sẽ  có  dạng  gần  đúng  hình  sin.  Hình  dạng thực tế của biểu đồ phụ thuộc vào hình dạng các cực của rotor và stator,  nhưng trong bảng thông số (datasheet) của động cơ lại không có biểu đồ này, và  cũng không trình bày hình dạng các cực! Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và  động cơ hỗn hợp, biểu đồ moment theo vị trí góc rotor thường giống như hình  sin, nhưng cũng không hẳn vậy. Đối với động cơ biến từ trở, đường này giống  hình sin một chút, hình thang một chút nhưng cũng không hẳn là hình răng cưa. Đối với động cơ 3 mấu biến từ trở hoặc nam châm vĩnh cửu có góc bước S, chu  kỳ của moment so với vị trí sẽ là 3S; hay một động cơ 5 pha, chu kỳ sẽ là 5S. Đối  với động cơ 2 mấu nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp, loại phổ biến nhất, chu kỳ  sẽ là 4S, như được mô tả trong Hình 2.1

Hình 2.1   

 

Nhắc lại, đối với một động cơ nam châm vĩnh cửu 2 mấu lý tưởng, đường cong  này có thể mô tả toán học như sau:       T = ‐h sin( (( /2) / S)  )  trong đó   T ‐‐ moment xoắn (torque)    h ‐‐ moment xoắn giữ (holding torque)    S ‐‐góc bước, tính bằng radian (step angle)    = góc trục (shaft angle)  Nhưng  nhớ  rằng,  thường  thì  đường  biểu  đồ  thực  không  bao  giờ  có  dạng  hình  sin lý tưởng như trên.  Moment xoắn giữ (holding torque) trên một mấu (winding) của động cơ bước là  giá trị đỉnh của moment xoắn trên biểu đồ khi dòng qua một mấu đạt giá trị lớn  nhất. Nếu cố  tăng giá trị moment xoắn lên cao hơn giá trị đỉnh trong khi vẫn giữ  nguyên điện áp kích ở một mấu, rotor sẽ quay tự do.

2

Đôi khi việc phân biệt giữa góc trục điện và góc trục cơ là việc làm cần thiết. Về  mặt cơ, một vòng quay của rotor sẽ là 2  rad. Về phương diện điện, một vòng  được định nghĩa là một chu kỳ của đường cong moment xoắn đối với góc trục.  Trong  tài  liệu  này,    sẽ  dùng  để  chỉ  góc  trục  cơ,  và  (( /2)/S)   để  chỉ  góc  trục  điện của một động cơ 4 bước/vòng.  Cho rằng đường cong moment xoắn so với vị trí góc gần đúng hình sin. Chừng  nào mà moment xoắn còn bằng moment xoắn giữ, rotor sẽ vẫn nằm trong ¼ chu  kỳ so với vị trí cân bằng. Đối với một động cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp  hai  mấu,  điều  này  có  nghĩa  là  rotor  sẽ  giữ  nguyên  vị  trí  so  với  vị  trí  cân  bằng  trong phạm vi một bước.  Nếu không có nguồn cấp vào các mấu động cơ, moment xoắn sẽ không bao giờ  giảm xuống 0! Trong các động cơ bước biến từ trở, từ trường dư trong mạch từ  của động cơ có thể tạo ra một moment xoắn dư nhỏ, và trong các động cơ nam  châm vĩnh cửu và hỗn hợp, lực hút giữa các cực và từ trường vĩnh cửu của rotor  có thể tạo ra một moment xoắn đáng kể mà không cần nguồn áp.  Moment xoắn dư trong một động cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp thường  được gọi là moment xoắn trên răng của động cơ, bởi vì một người khờ khạo sẽ  nghĩ  rằng  có  một  kết  cấu  cơ  khí  dạng  mấu  răng  nằm  ở  bên  trong  động  cơ  giữ  rotor lại. Thông thường, moment xoắn trên răng biễu diễn theo góc rotor không  có  dạng  hình  sin,  ở  một  vị  trí  cân  bằng  tại  mỗi  bước  và  một  biên  độ  lớn  hơn  khoảng 10% moment xoắn giữ của động cơ, nhưng nhìn chung các động cơ từ  các nhà sản xuất cho ra giá trị cao đến 23% đối với động cơ nhỏ và dưới 26% đối  với động cơ cỡ trung bình. 

Điều khiển nửa bước và vi bước Miễn là không có phần nào của mạch từ bão hòa, thì việc cấp điện đồng thời cho  hai mấu động cơ sẽ sinh ra một moment xoắn theo vị trí là tổng của các moment  xoắn đối với hai mấu động cơ riêng lẻ. Đối với động cơ hai mấu nam châm vĩnh  cửu  hoặc  hỗn  hợp,  hai  đường  cong  này  sẽ  là  S  radians  khác  pha,  và  nếu  dòng  qua hai mấu bằng nhau, đỉnh của tổng sẽ nằm ở vị trí S/2 radians kể tử đỉnh của  đường cong gốc, như ở Hình 2.2 

3

Hình 2.2 

 

  Đấy  là  cơ  bản  của  điều  khiển  nửa  bước.  Moment  xoắn  giữ  là  đỉnh  của  đường  cong moment xoắn kết hợp khi hai mấu có cùng dòng lớn nhất đi qua. Đối với  động  cơ  nam  châm  vĩnh  cửu  và  hỗn  hợp  thông  thường,  moment  xoắn  giữ  hai  mấu sẽ là:    h2 = 20.5 h1  trong đó:    h1 – moment xoắn giữ trên một mấu     h2 – moment xoắn giữ hai mấu   Điều này cho thấy rằng không có phần nào trong  mạch từ bão hoà và moment  xoắn theo đường cong vị trí đối với mỗi mấu là hình sin lý tưởng.  Hầu hết các bảng hướng dẫn động cơ nam châm vĩnh cửu và biến từ trở đều chỉ  ra  moment  xoắn  giữ  hai  mấu  mà  không  có  đưa  ra  moment  xoắn  giữ  trên  một  mấu; phần nào, có lẽ vì nó sẽ chiếm nhiều giấy hơn, và phần nào cũng vì hầu hết  các bộ điều khiển đủ bước thông thường luôn áp điện áp vào cả hai mấu cùng  lúc.  Nếu  bất  kỳ  phần  nào  trong  mạch  từ  của  động  cơ  bị  bão  hoà,  hai  đường  cong  moment xoắn sẽ không thể cộng tuyến tính với nhau. Kết qủa là moment tổng  hợp có thể không nằm chính xác tại vị trí S/2 kể từ vị trí cân bằng ban đầu.  Điều khiển vi bước cho phép các bước nhỏ hơn bằng việc dùng các dòng khác  nhau qua hai mấu động cơ, như vẽ trên Hình 2.3: 

Hình 2.3 

 

  4

Đối với một động cơ hai mấu biến từ trở hoặc nam châm vĩnh cửu, cho rằng các  mạch từ không bão hoà và các đường cong moment xoắn trên mỗi mấu theo vị  trí là một hình sin hoàn hảo, công thức dưới đây đưa ra những đặc tính chủ chốt  của đường cong moment xoắn tổng hợp:    h = ( a2 + b2 )0.5     x = ( S / ( /2) ) arctan( b / a )  trong đó:    a – moment xoắn áp trên mấu với vị trí cân bằng tại 0 radians     b – moment xoắn áp trên mấu với vị trí cân bằng tại S radians     h – moment xoắn giữ tổng hợp     x ‐‐ vị trí cân bằng tính theo radians     S – góc bước, tính theo radians.   Khi  không  có  bão  hoà,  các  moment  xoắn  a  và  b  tỉ  lệ  với  dòng  đi  qua  các  mấu  tương ứng. Điều này rất thông dụng khi làm việc với các dòng và moment xoắn  bình thường, để moment xoắn giữ mấu đơn hoặc dòng cực đại được chấp nhận  trong một mấu động cơ là 1.0.  

Ma sát và vùng chết Đường  cong  moment  xoắn  so  với  vị  trí  được  chỉ  ra  trong  Hình  2.1  không  tính  đến moment xoắn động cơ để thắng lực ma sát! Chú ý rằng các lực ma sát có thể  được chia thành hai loại lớn, lực ma sát nghỉ là lực ma sát trượt, cần phải có một  moment xoắn đủ lớn để thắng lại nó, không kể đến vận tốc và ma sát động học  hay lực nhớt, hoặc các cản trở khác không phụ thuộc vận tốc. Ở đây, chúng ta  quan tâm đến lực ma sát nghỉ. Cho rằng moment xoắn cần thiết để thắng lực ma  sát nghỉ trong hệ là ½ giá trị đỉnh moment xoắn của motor, như miêu tả trong  Hình 2.4. 

Hình 2.4 

 

  Đường gạch  đứt trong  hình  2.4  chỉ  ra moment  xoắn  cần thiết  để  thắng  ma  sát,  chỉ có một phần đường cong moment xoắn bên ngoài đường gạch đứt là làm cho  rotor chuyển động. Đường cong chỉ ra moment xoắn hiệu quả khi có ma sát trục  không giống những đường cong này, Hình 2.5: 

5

Hình 2.5 

 

  Chú ý rằng tác dụng của lực ma sát gồm hai phần. Đầu tiên, tổng moment xoắn  hiệu  quả  để  quay  tải  bị  giảm,  thứ  hai,  có  một  vùng  chết  nằm  ở  mỗi  vị  trí  cân  bằng  của  động  cơ  lý  tưởng.  Nếu  rotor  động  cơ  được  đặt  tại  bất  cứ  đâu  trong  vùng  chết  đối  với  vị  trí  cân  bằng  tức  thời,  moment  xoắn  ma  sát  sẽ  vượt  quá  moment xoắn tác dụng bởi các mấu động cơ, rotor sẽ không di chuyển. Cho rằng  một đường cong hình sin lý tưởng giữa moment xoắn và vị trí khi không có ma  sát, độ rộng góc của những vùng chết sẽ là:    d = 2 ( S / ( /2) ) arcsin( f / h ) = ( S / ( /4) ) arcsin( f / h )  trong đó:    d ‐‐ độ rộng vùng chết tính bằng radians     S – góc bước tính bằng radians     f – moment xoắn cần thiết để thắng lực ma sát     h – moment xoắn giữ  Điều quan trọng phải ghi chú về vùng chết là nó giới hạn độ chính xác vị trí sau  cùng! Một ví dụ, khi lực ma sát nghỉ là 1/2 giá trị đỉnh moment xoắn, một động  cơ bước mỗi bước 90° sẽ có vùng chết là 60°! Điều đó có nghĩa là các bước hiệu  quả  sẽ  dao  động  trong  khoảng  30°  đến  150°,  tuỳ  thuộc  vào  rotor  dừng  ở  đâu  trong vùng chết sau mỗi bước!  Sự  xuất  hiện  của  vùng  chết  có  một  ảnh  hưởng  rất  lớn  đến  việc  điều  khiển  vi  bước thực tế! Nếu vùng chết rộng x°, thì việc điều khiển vi bước với độ rộng một  bước nhỏ hơn x° có thể sẽ không làm cho rotor quay được một chút nào. Vì vậy,  đối  với  các  hệ  thống  định  dùng  điều  khiển  vi  bước  có  độ  phân  giải  cao,  việc  giảm thiểu ma sát nghỉ là rất quan trọng.  

Động lực học  Mỗi lần bạn quay động cơ một bước, bạn di chuyển rotor khỏi vị trí cân bằng S  radians.  Điều  này  di  chuyển  toàn  bộ  đường  cong  được  miêu  tả  trong  hình  2.1  một khoảng cách S radians, như Hình 2.6: 

6

Hình 2.6   

  

Điều đầu tiên ghi nhận về quá trình quay một bước là giá trị ngẫu lực hiệu dụng  lớn nhất đạt tại giá trị nhỏ nhất khi roto đang quay nửa đường từ bước này sang  bước kế tiếp. Giá trị nhỏ nhất này xác định moment xoắn động (running torque),  giá trị moment xoắn lớn nhất của động cơ có thể  đạt được khi nó bước tới trước  rất chậm. Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu hai mấu thông thường với những  đường  cong  hình  sin  lý  tưởng  của  moment  xoắn  so  với  vị  trí  và  moment  xoắn  giữ h, giá trị moment xoắn động sẽ là h/(20.5). Nếu động cơ được quay bằng cách  cấp điện cho hai mấu cùng lúc, moment xoắn động của một động cơ nam châm  vĩnh cửu hai mấu lý tưởng sẽ bằng moment xoắn giữ loại một mấu.  Cũng  nên  ghi  nhận  rằng  ở  một  tốc  độ  bước  cao,  moment  xoắn  động  đôi  khi  được định nghĩa như là moment kéo ra (pull‐out torque). Nghĩa là, nó là moment  xoắn lớn nhất mà động cơ có thể vượt qua để quay tải từ bước này sang bước  tiếp  trước  khi  tải  bị  kéo  ra  khỏi  vị  trí  bước  bởi  lực  ma  sát.  Một  vài  hướng  dẫn  động  cơ  định  nghĩa  một  moment  xoắn  thứ  hai  là  moment  xoắn  kéo  vào  (pull‐in  torque). Nó là moment xoắn ma sát cực đại mà động cơ có thể vượt qua để gia tốc  một  tải  đang  đứng  yên  đến  một  tốc  độ  đồng  bộ  (vận  tốc  điều  khiển  mong  muốn).  Moment xoắn kéo vào được nêu trong các tài liệu sử dụng động cơ bước  là giá trị không chính xác, bởi vì moment xoắn kéo vào phụ thuộc vào moment  ban đầu của tải được sử dụng khi chúng được đo, và một vài bảng hướng dẫn  động cơ chỉ ra giá trị này.  Trong thực tế,  luôn có lực ma sát, vì thế, sau khi vị trí cân bằng quay một bước,  rotor giống như dao động nhỏ xung quanh vị trí cân bằng mới. Quỹ đạo kết qủa  có thể tương tự như trong Hình 2.7: 

Hình 2.7   

 

Ở đây, quỹ đạo của vị trí cân bằng được biểu diễn bằng đường gạch đứt, trong  khi đó, đường cong trên hình là quỹ đạo của rotor động cơ.  7

Cộng hưởng Tần  số  cộng  hưởng  của  rotor  động  cơ  phụ  thuộc  vào  biên  độ  của  dao  động;  nhưng khi biên độ giảm, tần số dao động sẽ tăng đến một tần số mà biên độ nhỏ  còn  xác  định  được.  Tần  số  này  phụ  thuộc  vào  góc  bước  và  tỉ  số  giữa  moment  xoắn  giữ  và  moment  quán  tính  của  rotor.  Ngay  cả  khi  moment  xoắn  lớn  hơn  hoặc nhỏ hơn cũng sẽ làm tăng tần số này!  Một cách hình thức, cộng hưởng tần số nhỏ có thể được tính như sau:  Đầu tiên, nhắc lại phương trình gia tốc góc theo định luật Newton:    T = μ A  trong đó:    T – moment xoắn áp trên rotor     μ ‐‐ moment quán tính của rotor và tải     A – gia tốc góc tính theo radians/giây bình phương   Chúng  ta  cho  rằng,  với  một  biên  độ  nhỏ,  moment  xoắn  trên  rotor  có  thể  được  gần đúng bằng một hàm tuyến tính của độ dịch chuyển so với vị trí cân bằng. Vì  vậy, áp dụng định luật Hooke:    T = ‐k    trong đó:    k ‐‐ hằng số dao động riêng của hệ, tính bằng đơn vị moment trên radian     ‐‐ vị trí góc của rotor, tính bằng radians   Chúng ta có thể cân bằng hai công thức moment xoắn để có:    μ A = ‐k    Chú ý rằng gia tốc là đạo hàm bậc hai của vị trí theo thời gian:    A = d2 /dt2   Nên ta có thể viết lại phương trình trên thành dạng phương trình vi phân:    d2 /dt2 = ‐(k/μ)    Để giải bài toán này, nhắc lại rằng, cho:    f( t ) = a sin bt  

8

Các dạo hàm của nó là:    df( t )/dt = ab cos bt     d2f( t )/dt2 = ‐ab2 sin bt = ‐b2 f(t)   Ghi chú rằng, xuyên suốt phần này, chúng ta cho rằng rotor đang cộng hưởng.  Vì vậy, nó có phương trình chuyển động có dạng:    = a sin (2  f t)     a = biên độ góc cộng hưởng     f = tần số cộng hưởng   Đây là một cách giải có thể chấp nhận được đối với phương trình vi phân ở trên  nếu ta lấy:    b = 2  f     b2 = k/μ   Giải ra tần số cộng hưởng f là một hàm của k and μ, ta có:    f = ( k/μ )0.5 / 2    Điều  cốt  yếu  nó  là  moment  quán  tính  của  rotor  cộng  thêm  bất  kỳ  tải  ngẫu  lực  kèm  theo  nào.  Moment  của  rotor,  trong  sự  cô  lập,  là  không  thích  hợp!  Một  số  hướng dẫn động cơ có kèm theo thông tin về cộng hưởng, nhưng nếu động cơ  mang tải, tần số cộng hưởng sẽ thay đổi!  Trong thực nghiệm, sự dao động này có thể là nguyên nhân của những bài toán  quan trọng khi tỉ lệ bước ở bất kỳ đâu cũng gần với tần số cộng hưởng của hệ;  kết  quả  thường  xuất  hiện  những  chuyển  động  ngẫu  nhiên  không  điều  khiển  được.  

9

Cộng hưởng và động cơ lý tưởng  Đến  điểm  này,  chúng  ta  chỉ  chia  với  hằng  số  đàn  hồi  góc  nhỏ  k  cho  hệ  thống.  Điều này được đo bằng thực nghiệm, nhưng nếu đường cong moment xoắn so  với vị trí là hình sin, nó cũng là một hàm đơn giản của moment xoắn giữ. Nhắc  lại rằng:    T = ‐h sin( (( /2)/S)  )  Hệ  số đàn hồi góc nhỏ k là trừ của đạo hàm T tại gốc.    k = ‐dT / d  = ‐ (‐ h (( /2)/S) cos( 0 ) ) = ( /2)(h / S)   Thay vào công thức tần số, ta có:    f = ( ( /2)(h / S) / μ )0.5 / 2  = ( h / ( 8  μ S ) )0.5   Nếu  biết  moment  xoắn  giữ  và  tần  số  cộng  hưởng,  cách  dễ  nhất  để  xác  đinh  moment  quán  tính  của  các  phần  di  chuyển  trong  một  hệ  được  điều  khiển  bởi  một động cơ bước là tính gián tiếp từ mối quan hệ trên!    μ = h / ( 8  f2 S )   Vì mục đích thực nghiệm, vấn đề không phải là moment xoắn hay moment quán  tính, mà là gia tốc chịu được lớn nhất! Tiện thể, đây là một hàm đơn giản của tần  số cộng hưởng! Bắt đầu với định luật Newton cho  gia tốc góc:    A = T / μ   Chúng ta có thể  thay thế công thức trên cho moment quán tính như là một hàm  của  tần  số  cộng  hưởng,  và  sau  đó  thay  thế  moment  xoắn  động  chịu  được  lớn  nhất thành hàm của moment xoắn giữ để có:    A = ( h / ( 20.5 ) ) / ( h / ( 8  f2 S ) ) = 8  S f2 / (20.5)   Đo gia tốc tính theo bước trên giây bình phương thay vì dùng radians trên giây  bình phương, ta được:    Asteps = A / S = 8  f2 / (20.5)   Vì vậy, đối với một động cơ lý tưởng có một hàm moment xoắn theo vị trí dạng  sin,  gia  tốc  lớn  nhất  tính  theo  bước  trên  giây  bình  phương  là  một  hàm  thông  thường của tần số cộng hưởng của động cơ và tải gắn cứng!  Trong động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc biến từ trở hai mấu, với một đường đặc  tính moment xoắn theo vị trí có dạng sin lý tưởng, moment xoắn giữ hai mấu là  một hàm đơn giản theo moment xoắn giữ mấu đơn: 

10

  h2 = 20.5 h1  trong đó:    h1 – moment xoắn giữ mấu đơn     h2 – moment xoắn giữ hai mấu   Thay vào công thức tần số cộng hưởng, chúng ta có thể tìm tỉ lệ giữa các tần số  cộng hưởng trong hai trường hợp điều khiển này:    f1 = ( h1 / ... )0.5     f2 = ( h2 / ... )0.5 = ( 20.5 h1 / ... )0.5 = 20.25 ( h1 / ... )0.5 = 20.25 f1 = 1.189... f1   Mối  quan  hệ  này  chỉ  duy  trì  nếu  moment  xoắn  được  cung  cấp  bởi  động  cơ  không thay đổi đáng kể khi tốc độ bước khác nhau giữa hai tần số này.  Nói  chung,  như  sẽ  thảo  luận  ở  phần  sau,  moment  xoắn  hiệu  dụng  sẽ  gần  như  không đổi đến khi một bước tiếp theo xảy ra, nó sẽ bị cắt đi. Vì vậy, mối quan hệ  này chỉ giữ nguyên nếu tần số cộng hưởng thấp dưới tốc độ bước này. Tại các  tốc độ bước trên tốc độ cắt, hai tần số sẽ gần nhau hơn!   

11

Tóm tắt chương    Trong chương này, chúng ta tìm hiểu hai phần chính là tĩnh học và động học của  động cơ bước. Tuy có sự khác nhau đôi chút về cấu tạo và nguyên lý tạo ra từ  trường,  nhưng  về  bản  chất  mối  quan  hệ  giữa  moment  và  vị  trí  góc  của  rotor  dường như là không khác biệt mấy. Chính vì thế, những lý thuyết của động cơ  bước nam châm vĩnh cửu đều có thể áp dụng gần đúng cho động cơ biến từ trở,  và hỗn hợp.    Điều  khiển  nửa  bước  và vi  bước  thực  chất  là tạo  ra một  moment  tổng  hợp  mà  chúng ta vẫn thường làm với phép cộng hai dao động hình sinh lệch pha nhau.  Khi điều khiển nửa bước, điện áp cấp cho động cơ không thay đổi trên các mấu.  Nếu điện áp này thay đổi, vị trí đỉnh của moment tổng không nằm chính giữa vị  trí cân bằng của rotor như điều khiển thông thường. Khi điện áp này được thay  đổi một cách hợp lý, chúng ta có thể tạo ra những góc bước rất nhỏ cho động cơ,  gọi là điều khiển vi bước.    Một điều quan trọng nữa trong phần tĩnh học, đó là lực ma sát bên trong động  cơ  sẽ  gây  nên  các  vùng  chết,  và  thường  thì  với  điều  khiển  đủ  bước  hoặc  nửa  bước, chung ta không quan tâm đến các vùng chết này. Trong khi đó, vùng chết  lại ảnh hưởng lớn đến khả năng điều khiển vi bước, mà chúng ta sẽ xem xét ở  các phần sau.    Bài toán động lực học được quan tâm là khi trục động cơ quay từ bước này sang  bước khác, và dừng lại, trục động cơ không thể đứng yên hoàn toàn, mà nó còn  bị dao động. Chính những dao động này sẽ bị khuếch đại khi có cộng hưởng cơ.     Bài toán được đặt ra là làm sao để xác định được khoảng vận tốc bước hợp lý mà  không xảy ra hiện tượng cộng hưởng, hoặc giả làm sao để điều khiển chống lại  việc cộng hưởng.    Phần này chưa được hoàn chỉnh, tôi sẽ còn bổ sung và sửa chữa. Tuy nhiên, vẫn  cung cấp cho các bạn để các bạn tham khảo. Tôi sẽ tiếp tục sửa chữa và bổ sung  sau. 

12

Các mạch điều khiển động cơ bước cơ bản  Phần 3 Động cơ bước dịch bởi Đoàn Hiệp   • • • • • •

  Giới thiệu  Động cơ biến thiên từ trở  Động cơ hỗn hợp và nam châm vĩnh cửu đơn cực  Dẫn động từ trở và đơn cực trong thực tế  Động cơ lưỡng cực và cầu H  Mạch dẫn động lưỡng cực trong thực tế    

   

Giới thiệu  Phần này của giáo trình trình bày về mạch dẫn động khâu cuối của động cơ  bước. Mạch này tập trung vào một mạch phát đơn, đóng ngắt dòng điện trong  cuộn dây của động cơ, đồng thời điều khiển chiều dòng điện. Mạch điện được  nối trực tiếp với cuộn dây và cấp nguồn của động cơ, mạch được điều khiển bởi  một hệ thống số quyết định khi nào công tắc đóng hay ngắt.   Phần này cũng nói đến các loại động cơ, từ mạch điện cơ bản điều khiển động cơ  biến  thiên  từ  trở  đến  mạch  cầu  H  để  điều  khiển  động  cơ  nam  châm  vĩnh  cửu  lưỡng cực. Mỗi loại mạch dẫn động được minh họa bằng ví dụ cụ thể, tuy nhiên  những ví dụ này không phải là một catalog đầy đủ các mạch điều khiển có sẵn  trên thị trường, những thông tin này cũng không phải để thay thế bảng dữ liệu  về chi tiết của nhà sản xuất.    Phần này chỉ đưa ra mạch điều khiển đơn giản nhất của từng loại động cơ. Tất  cả  các  mạch  đều  được  giả  thiết  rằng  nguồn  cung  cấp  một  điện  áp  không  vượt  quá điện áp ngưỡng của động cơ, điều này giới hạn hiệu suất của động cơ. Phần  kế  tiếp  ‐  mạch  dẫn  động  có  dòng  giới  hạn  ‐  sẽ  đề  cập  đến  các  mạch  dẫn  động  hiệu suất cao trong thực tế.   

Động cơ biến từ trở  Bộ điều khiển điển hình của động cơ bước biến từ trở dựa theo nguyên tắc như  trên Hình 3.1:  

1

Hình 3.1 

 

  Trên  Hình  3.1,  các  hộp  ký  hiệu  cho  công  tắc,  bộ  điều  khiển  (controller  ‐  không  thể hiện trên hình) chịu trách nhiệm cung cấp tín hiệu điều khiển đóng mở công  tắc  tại  từng  thời  điểm  thích  hợp  để  quay  động  cơ.  Trong  nhiều  trường  hợp,  chúng ta phải thiết kế bộ điều khiển, có thể là một máy tính hoặc một mạch điều  khiển giao tiếp lập trình được, với phần mềm trực tiếp phát tín hiệu điều khiển  đóng mở, nhưng trong một số trường hợp khác mạch điều khiển được thiết kế  kèm theo động cơ, và đôi khi được cho miễn phí.      Cuộn dây, lõi solenoid của động cơ hoặc các chi tiết tương tự đều là các tải cảm  ứng. Như vậy, dòng điện qua cuộn dây không thể đóng ngắt tức thời mà không  làm áp tăng vọt đột ngột. Khi công tắc điều khiển cuộn dây đóng, cho dòng điện  đi qua, làm dòng điện tăng chậm. Khi công tắc mở, sự tăng mạnh điện áp có thể  làm hư công tắc trừ khi ta biết cách giải quyết thích hợp.    Có hai cách cơ bản để xử lý sự tăng điện áp này, đó là mắc song song với cuộn  dây một diod hoặc một tụ điện. Hình 3.2 minh họa hai cách này:   

Hình 3.2   

 

Diod  trên  Hình  3.2  phải  có  khả  năng  dẫn  toàn  bộ  dòng  điện  qua  cuộn  dây,  nhưng nó chỉ dẫn mỗi khi công tắc mở, khi dòng điện không còn qua cuộn dây. 

2

Nếu  ta  sử  dụng  diod  tác  dụng  tương  đối  chậm  như  họ  1N400X  chung  với  các  mạch chuyển tác dụng nhanh thì cần phải mắc song song với diod một tụ điện.  Tụ điện trên Hình 3.2 dẫn đến vấn đề thiết kế phức tạp hơn. Khi công tắc đóng,  tụ điện sẽ xả điện qua công tắc xuống đất, do đó công tắc phải chịu được dòng  điện  xả  này.  Một điện  trở mắc  nối  tiếp  với  tụ điện  hoặc  với  nguồn  sẽ  giới  hạn  dòng điện này. Khi công tắc mở, năng lượng tích trữ trong cuộn dây sẽ nạp vào  tụ điện cho đến khi điện áp vượt quá áp cung cấp, và công tắc cũng phải chịu  được điện áp này. Để tính điện dung tụ, ta đồng nhất hai công thức tính năng  lượng tích trữ trong mạch cộng hưởng:  P = C V2 / 2   P = L I2 / 2   trong đó:     P ‐‐ năng lượng tích trữ [Ws] hay [CV]    C ‐‐ điện dung [F]    V ‐‐ điện áp hai đầu tụ    L ‐‐ độ tự cảm của cuộn dây [H]    I ‐‐ dòng điện qua cuộn dây     Ta tính kích thước nhỏ nhất của tụ điện để tránh quá áp trên công tắc theo công  thức:    C > L I2 / (Vb ‐ Vs)2   trong đó:     Vb ‐‐ điện áp đánh thủng mạch chuyển     Vs ‐‐ điện áp cung cấp     Động cơ từ trở biến thiên có độ tự cảm thay đổi tùy thuộc vào góc của trục. Do  đó,  trường  hợp  xấu  nhất  được  dùng  để  lựa  chọn  tụ  điện. Hơn  nữa,  độ  tự  cảm  của động cơ thường ít được ghi rõ, nên chúng ta phải làm vậy.    Tụ điện và cuộn dây kết hợp với nhau tạo thành một mạch cộng hưởng. Nếu hệ  điều khiển cho động cơ quay ở tần số gần với tần số cộng hưởng này, dòng điện  qua  cuộn  dây,  kéo  theo  moment  xoắn  do  động  cơ  sinh  ra,  sẽ  rất  khác  so  với  moment xoắn ở điều kiện ổn định với điện áp vận hành danh nghĩa. Tần số cộng  hưởng là:  f = 1 / ( 2  (L C)0.5 )     Một lần nữa tần số cộng hưởng điện của động cơ từ trở biến thiên lại phụ thuộc  vào  góc  của  trục.  Khi  động  cơ  này  hoạt  động  với  xung  kích  gần  cộng  hưởng 

3

dòng điện dao động trong cuộn dây sẽ tạo ra một từ trường bằng không tại hai  lần tần số cộng hưởng, điều này có thể làm giảm moment xoắn đi rất nhiều. 

Động cơ hỗn hợp và nam châm vĩnh cửu đơn cực  Bộ điều khiển điển hình động cơ bước đơn cực thay đổi theo sơ đồ trên Hình 3.3: 

Hình 3.3   

 

Trên Hình 3.3, cũng như Hình 3.1, hộp biểu diễn các công tắc và một bộ điều  khiển (không thể hiện trên hình) chịu trách nhiệm cung cấp tín hiệu điều khiển  đóng mở công tắc vào thời điểm thích hợp để quay động cơ. Bộ điều khiển  thường là máy tính hay một mạch điều khiển lập trình được, với phần mềm trực  tiếp phát ra tín hiệu cần thiết để điều khiển công tắc.     Cũng  như  đối  với  mạch  dẫn  động  của  động  cơ  biến  từ  trở,  chúng  ta  phải  giải  quyết  sự  thay  đổi  độ  tự  cảm  bất  ngờ  khi  công  tắc  hở.  Một  lần  nữa,  ta  có  thể  chuyển  sự  thay  đổi  này  bằng  cách  dùng  diod,  nhưng  bây  giờ  ta  phải  dùng  4  diod như trên Hình 3.4:   

Hình 3.4   

 

Ta cần thêm vào các diod vì cuộn dây của động cơ không phải là hai cuộn dây  độc lập mà là một cuộn center‐tapped đơn giản với tap giữa có điện áp cố định.  Chúng hoạt động như một bộ tự chuyển đổi. Khi một đầu của cuộn dây bị kéo  xuống  đầu  kia  sẽ  bị  đẩy  lên  và  ngược  lại.  Khi  một  công  tắc  hở,  độ  tự  cảm  4

kickback sẽ làm đầu bên đó của động cơ nối với nguồn dương và bị kẹp bởi các  diod. Đầu bên kia bị đẩy lên và nếu nó không đạt được điện áp cung cấp cùng  lúc thì sẽ xuống dưới mức 0, đảo chiều điện áp qua công tắc ở đầu đó. Một vài  công tắc có thể chịu được sự đảo chiều như vậy nhưng những công tắc khác sẽ  bị hư.     Một tụ điện có thể được dùng để giới hạn điện áp kickback như trên hình 3.5: 

Hình 3.5   

 

Các quy tắc để tính kích thước tụ điện trên Hình 3.5 giống như các quy tắc tính  kích thước tụ điện trên Hình 3.2 nhưng hiệu ứng cộng hưởng rất khác. Với một  động cơ nam châm vĩnh cửu nếu tụ điện hoạt động ở gần hay bằng tần số cộng  hưởng,  moment  xon  sẽ  tăng  gấp  hai  lần  moment  xoắn  ở  vận  tốc  thấp.  Đường  cong moment xoắn theo vận tốc sẽ rất phức tạp như trên Hình 3.6:   

Hình 3.6   

 

Hình 3.6 cho thấy tại tần số cộng hưởng điện, moment xoắn sẽ vọt lên và tại tần  số cộng hưởng cơ, moment lại sụt nhanh. Nếu tần số cộng hưởng điện lớn hơn  vận tốc tới hạn của động cơ sử dụng mạch dẫn động dùng diod ở một mức nào  đó thì hiệu ứng này sẽ làm vận tốc tới hạn gia tăng đáng kể.    Tần số cộng hưởng cơ học phụ thuộc vào moment xoắn, vì vậy nếu tần số này  gần với tần số cộng hưởng điện, tần số cộng hưởng điện sẽ làm nó thay đổi. Hơn  nữa, độ rộng của sự cộng hưởng cơ học phụ thuộc vào độ dốc cục bộ của đường  5

cong  moment  xoắn  theo  vận  tốc.  Nếu  moment  xoắn  giảm  theo  vận  tốc,  cộng  hưởng sẽ rất dốc, còn nếu moment xoắn tăng theo vận tốc, cộng hưởng sẽ rộng  ra thậm chí có thể tách ra thành nhiều tầng số cộng hưởng khác nhau.   

Driver động cơ đơn cực và biến từ trở  Trong các mạch điện ở phần trên, chúng ta không quan tâm đến các công tắc và  các tín hiệu điều khiển. Bất kỳ kỹ thuật đóng ngắt nào từ cầu dao đến MOSFETS  cũng đều dùng được hết! Hình 3.7 là một vài cách mắc cho mỗi loại công tắc, bao  gồm cả cuộn dây của động cơ và diod bảo vệ phục vụ cho mục đích đóng ngắt  kể trên: 

Hình 3.7   

 

Mỗi công tắc trên Hình 3.7 đều tương thích với đầu vào TTL. Nguồn 5V sử dụng  cho mạch logic, bao gồm open‐collector driver 7407 như trên hình. Nguồn điện  cho động cơ, thường từ 5V – 24V, không cần độ chính xác cao. Ta cần chú ý rằng  các mạch đóng ngắt các nguồn này phải thích hợp cho việc dẫn động các cuộn  dây, động cơ DC, các tải cảm ứng khác và cả các động cơ bước.    Transistor SK3180 trên Hình 3.7 là một mạch darlington công suất có độ lợi dòng  hơn 1000, do đó dòng 10mA qua điện trở hiệu chỉnh 470 Ohm sẽ đủ lớn để qua  transistor  điều  chỉnh  dòng  vài  Ampe  qua  cuộn  dây  của  động  cơ.  Bộ  đệm  7407  dùng  điều  khiển  darlington  được  thay  thế  bởi  bất  kỳ  con  chip  open‐collector  điện thế cao nào mà nó có thể điều khiển ở mức tối thiểu 10mA. Ngay cả trong  trường  hợp  transistor  hư,  open  collector  này  sẽ  giúp  bảo  vệ  phần  còn  lại  của  mạch logic khỏi nguồn của động cơ.    IRC IRL540 trên Hình 3.7 là một power field effect transistor. Nó có thể chịu  được dòng điện lên tới 20A và nó bị đánh thủng ở 100V, do đó con chip này có  thể hấp thu đỉnh nhọn của độ tự cảm mà không cần diod bảo vệ nếu nó được  gắn với một bộ tản nhiệt đủ lớn. Transistor này có thời gian đóng ngắt rất nhanh  6

nên các diod bảo vệ cũng phải nhanh tương ứng hoặc được chia nhỏ bới các tụ  điện. Điều này đặc biệt cần thiết cho các diod bảo vệ transistor chống lại phân  cực ngược. Trong trường hợp transistor bị hư, diod zener và điện trở 100 Ohm  sẽ bảo vệ mạch TTL. Điện trở 100 Ohm còn đóng vai trò làm chậm thời gian  đóng mở của transistor.   Đối  với  những  ứng  dụng  mà  mỗi  cuộn  dây  của  động  cơ  dẫn  dòng  nhỏ  hơn  500mA,  mạch  darlington  họ  ULN200x  của  Allegro  Microsystems  hoặc  họ  DS200x của National Semiconductor hay MC1413 của Motorola sẽ dẫn động cho  cuộn dây hoặc các tải cảm ứng khác trực tiếp từ tín hiệu vào logic. Hình 3.8 là  các ngõ vào và ngõ ra của chip ULN2003, dãy 7 transistor darlington: 

Hình 3.8   

 

Điện  trở  nền  trên  mỗi  transistor  darlington  phải  thích  hợp  với  tín  hiệu  ra  TTL  lưỡng cực chuẩn. Cực phát của mỗi darlington NPN được nối với chân 8, là chân  nối đất. Mỗi transistor được bảo vệ bằng hai diod, một nối giữa cực phát và cực  thu  để  bảo  vệ  transistor  khỏi  điện  áp  ngược,  một  nối  cực  thu  với  chân  9,  nếu  chân  9  nối  với  nguồn  của  động  cơ  thì  diod  này  sẽ  bảo  vệ  transistor  khỏi  đỉnh  nhọn của độ tự cảm.    Chip ULN2803 cũng giống như chip ULN2003 mô tả ở trên nhưng nó có 18 chân  và 8 darlington cho phép một chip có thể dẫn động cho một cặp động cơ từ trở  biến thiên hoặc nam châm vĩnh cửu đơn cực.    Đối  với  động  cơ  mà  mỗi  cuộn  dây dẫn  dòng  nhỏ  hơn  600mA,  mạch  dẫn  động  quad  UDN2547B  của  Allegro  Microsystems  sẽ  điều  khiển  cả  4  cuộn  dây  của  động cơ bước đơn cực chung. Nếu dẫn dòng nhỏ hơn 300mA, ta nên chọn mạch  dẫn động kép SN7451, 7452 và 7453 của Texas Instruments, cả 3 loại này đều bao  gồm một vài mạch logic cùng với mạch dẫn động. 

7

Động cơ hai cực và mạch cầu H    Mọi thứ trở nên phức tạp hơn với động cơ bước nam châm vĩnh cửu lưỡng cực  vì không có đầu nối chung trên các cuộn dây. Vì thế để đảo chiều của từ trường  sinh ra bởi cuộn dây ta phải đảo chiều dòng điện qua cuộn dây. Ta có thể dùng  một công tắc kép hai cực để làm cộng việc này, mạch điện tương đương của một  công tắc như vậy được gọi là cầu H và được mô tả trên Hình 3.9: 

Hình 3.9   

 

Cũng như với mạch dẫn động đơn cực đã đề cập ở trên, các công tắc sử dụng  trong cầu H phải được bảo vệ khỏi sự vọt điện áp khi ngắt dòng điện trong cuộn  dây. Ta luôn sử dụng diod cho việc này, như Hình 3.9.    Cần  chú  ý  rằng  cầu  H  có  thể  áp  dụng  không  chỉ  để  điều  khiển  động  cơ  bước  lưỡng  cực  mà  còn  điều  khiển  động  cơ  DC,  hút  nhả  lõi  solenoid  (trong  pittông  nam châm vĩnh cửu) và nhiều ứng dụng khác.    Với 4 công tắc cầu H cho ta tổ hợp 16 mode hoạt động, trong đó có 7 mode làm  ngắn mạch nguồn. Các mode sau đây thường được sử dụng:    mode thuận: các công tắc A và D đóng  mode ngược: các công tắc B và C đóng    Các  mode  này  cho  phép  dòng  điện  đi từ  nguồn  qua  cuộn  dây  động cơ  về  đất.  Hình 3.10 minh họa mode thuận:    

8

Hình 3.10   

 

mode suy giảm nhanh hay mode trượt: tất cả các công tắc đều mở    Bất kỳ dòng điện nào qua cuộn dây sẽ chống lại điện áp nguồn, gây sụt áp trên  diod nên dòng điện sẽ bị suy giảm nhanh. Mode này không tạo ra hoặc tạo ra rất  ít hiệu ứng hãm động lên rotor của động cơ, do đó rotor sẽ quay tự do (trượt)  nếu tất cả cuộn dây được cấp nguồn theo mode này. Hình 3.11 minh họa dòng  điện ngay sau khi chuyển từ mode thuận sang mode suy giảm nhanh  

Hình 3.11   

 

mode suy giảm chậm hay mode hãm động lực:     Trong mode này dòng điện có thể chạy vòng lại qua cuộn dây của động cơ với  điện trở nhỏ nhất. Nhờ đó dòng điện chạy trong cuộn dây ở một trong hai mode  này sẽ suy giảm chậm, và nếu rotor đang quay, nó sẽ sinh ra một dòng điện cảm  ứng có vai trò như một cái hãm rotor. Hình 3.12 minh họa một trong nhiều mode  suy giảm chậm có ích, với công tắc D đóng, nếu cuộn dây mới vừa ở mode thuận  thì công tắc B có thể đóng hoặc mở:   

Hình 3.12 

 

9

  Hấu hết các cầu H được thiết kế sao cho bao gồm cả mạch logic dùng để phòng  ngừa  ngắn  mạch  nhưng  ở  mức  độ  rất  thấp  trong  thiết  kế.  Hình  3.13  minh  họa  một thiết kế được cho là tốt nhất: 

Hình 3.13   

 

Với thiết kế này ta có các mode điều khiển sau:    XY    ABCD     

 

Mode    

00    0000   fast decay   01    1001   forward   10    0110  

reverse  

11    0101   slow decay    Lợi  ích  của  thiết  kế  này  là  tất  cả  các  mode  điều  khiển  có  ích  được  giữ  lại  và  chúng  được  mã  hóa  với  một  số  bit  tối  thiểu  ‐  điều  này  rất  quan  trọng  khi  sử  dụng vi xử lý hay máy tính để điều khiển cầu H vì các hệ thống như vậy chỉ có  sẵn một số bit hữu  hạn ở cổng song song. Tuy nhiên chỉ vài con chip tích hợp  cầu H có sẵn trên thị trường là có sơ đồ điều khiển đơn giản. 

    Mạch điều khiển động cơ hai cực thực tế    Có một số driver tích hợp cầu H trên thị trường nhưng vẫn cần xem sự thực thi  từng  thành  phần  rời  rạc  để  hiểu  một  cầu  H  làm  việc  như  thế  nào.  Antonio  Raposo ([email protected]) đã đề nghị mạch cầu H như trên Hình 3.14: 

10

Hình 3.14   

 

Ngõ vào X, Y của mạch này có thể được điều khiển bởi ngõ ra của  bộ góp điện  mở TTL như trong mạch điều khiển đơn cực dựa trên darlington trên Hình 3.7.  Cuộn dây của động cơ sẽ được cung cấp năng lượng nếu trong hai tín hiệu vào  X, Y có một tín hiệu on và một tín hiệu off. Nếu cả hai đều off, cả hai transistor  kéo xuống (pull‐down) sẽ tắt. Nếu cả hai đều cao, cả hai transistor kéo lên (pull‐ up)  sẽ  tắt.  Như  vậy,  mạch  điện  đơn  giản  này  đặt  động  cơ  vào  tình  trạng  hãm  động lực ở cả trạng thái 11 và 00, không thể hiện mode trượt.    Mạch điện trên Hình 3.14 bao gồm hai nửa xác định, mỗi nửa được mô tả chính  xác như một mạch kéo đẩy. Thuật ngữ nửa cầu H thỉnh thoảng được áp dụng  cho  những  mạch  này!  Cần  lưu  ý  rằng  một  nửa  cầu  H  có  mạch  rất  giống  với  mạch điều nghiển ngõ ra dùng trong mạch logic TTL. Trong thực tế, các mạch  điều khiển ba trạng thái TTL như 74LS125A và 74LS244 có thể được dùng như  một nửa cầu H đối với các tải nhỏ, như minh họa trên Hình 3.15: 

Hình 3.15   

 

Mạch điện này có hiệu quả đối với động cơ có điện trở tối đa 50 Ohm trên mỗi  cuộn  và  điện  áp  tối  đa  4.5V  khi  dùng  nguồn  5V.  Mỗi  mạch  đệm  ba  trạng  thái  trong LS244 có thể dùng nếu điện trở nội của bộ đệm đủ lớn, và dòng sẽ được  chia  đều  trên  các  ngõ  điều  khiển  (mắc  song  song).  Điều  này  cho  phép  thiết  kế 

11

mạch điều khiển giống như Hình 3.15, và khi chưa mã hoá điều khiển, thì chúng  ta có bảng chân trị như dưới đây:    XYE   

Mode  

 

 

 

‐‐1     fast decay   000     slower decay  010    

forward  

100    

reverse  

110     slow decay     Mode  hãm  thứ  hai,  XYE  =  110,  hãm  hơi  yếu  hơn  mode  đầu  tiên  XYE  =  000  vì  LS244 hút dòng nhiều hơn.    Chip  TC4467  ‐  4  cầu  ‐  của  hãng  Microchip  là  một  thí  dụ  khác  của  các  driver  4  nửa cầu H. Không giống như các driver được sản xuất trước đó, datasheet của  nó cung cấp đầy đủ cả những ứng dụng điều khiển, và nguồn cấp lên tới 18V, và  dòng trên mỗi mấu có thể đạt đến 250mA.    Một trong những vấn đề của các chip điều khiển động cơ bước bán sẵn là đa số  chúng có tuổi thọ trên thị trường khá ngắn. Ví dụ, họ Seagate IpxMxx, mạch cầu  đôi (từ IP1M10 đến IP3M12) được thiết kế rất tốt nhưng chỉ dùng cho các động  cơ  bước  để  định  vị  điểm  đầu  của  đĩa  cứng  Seagate.  Mạch  dẫn  động  cầu  H  Toshiba TA7279 tốt cho động cơ dưới 1A nhưng cũng chỉ được dùng trong nội  hãng mà thôi.    Cầu H đôi L293 của SGS‐Thompson (và các hiệu khác) đang cạnh tranh với các  chip  trên  nhưng  nó  không  tích  hợp  các  diod  bảo vệ.  Chip  L293D,  sẽ  giới  thiệu  sau, có chân tương thích và có cả các diod bảo vệ này. Nếu dùng các L293 gần  đây, mỗi cuộn dây của động cơ phải đặt qua một cầu chỉnh lưu (1N4001 chẳng  hạn).  Việc  sử  dụng  các  diod  bên  ngoài  cho  phép  ta  đặt  một  dãy  điện  trở  trên  đường về của dòng để đẩy  nhanh  sự  suy  giảm dòng  trong  cuộn  dây  khi  nó  bị  ngắt,  có  thể  trong một  số  ứng  dụng  người  ta  không  mong  muốn  điều  này. Họ  L293 có thể dùng để điều khiển các động cơ bước lưỡng cực nhỏ, tối đa 1A/cuộn   và điện áp cấp lên tới 36V. Hình 3.16 cho ta sơ đồ chân của chip L293B và L293D:    

12

Hình 3.16   

 

Chip này có thể xem như 4 nửa cầu H độc lập, được kích hoạt từng cặp, hoặc hai  cầu H đầy đủ. Đây là dạng đóng gói DIP, với chân 4, 5, 12, và 13 được thiết kế để  truyền nhiệt cho bo mạch in hoặc để tản nhiệt ra ngoài.    Cầu H đôi L298 của SGS‐Thompson (và các hiệu khác) cũng giống với loại trên  nhưng có thể chịu được tối đa 2A/kênh. Như với LS244, ta có thể nối hai cầu H  trong L298 tạo thành một cầu chịu được 4A (xem datasheet để biết cách nối này).  Một điều cần lưu ý là chip L298 chuyển mạch rất nhanh, nhanh đến nỗi các diod  bảo vệ (1N400X) không làm việc được. Vậy chúng ta phải dùng diod BYV27 để  thay  thế.  Cầu  đơn  LMD18200  của  National  Semiconductor  cũng  rất  tốt,  có  thể  chịu được dòng 3A và đã có sẵn các diod bảo vệ tích hợp.    Trong khi cầu H tích hợp không sử dụng được cho dòng hay áp quá cao thì trên  thị trường lại có những linh kiện được thiết kế tốt để đơn giản hóa việc tạo cầu  H từ các công tắc rời rạc. Ví dụ, International Rectifier bán một loạt nửa cầu H,  hai trong số đó có thêm 4 transistor đóng ngắt MOSFET đủ để làm một cầu H  hoàn  chỉnh.  Con  IR2101,  IR2102,  IR2103  là  các  mạch  dẫn  động  cơ  bản  của  nửa  cầu H.  Con IR2104 và IR2111 có mạch logic bên ngoài tương tự để điều khiển  các công tắc của cầu H, chúng cũng có mạch logic bên trong mà trong một vài  ứng dụng có thể làm giảm thiểu độ phức tạp phải thiết kế mạch logic bên ngoài.  Cụ thể, con 2104 bao gồm một ngõ vào enable nhờ đó 4 con chip 2104 cộng với 8  transistor  đóng  ngắt  có  thể  thay  thế  một  con  L293  mà  không  cần  thêm  mạch  logic nào.    Một số nhà sản xuất cho ra đời những con chip cầu H phức tạp bao gồm cả mạch  hạn dòng. Ta cũng cần chú ý rằng trên thị trường có một số mạch cầu 3 pha, dẫn  động tốt cho động cơ bước nam châm vĩnh cửu 3 pha cấu hình Y hay delta. Tuy  nhiên, Toshiba TA7288P, GL7438, TA8405 là những thiết kế tốt, hai trong số này,  nếu bỏ qua một trong 6 nửa cầu H thì chúng ta có thể điều khiển được một động  cơ 5 pha, 10 bước/vòng.   13