Các mạch điều khiển động cơ bước cơ bản docx

1 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c ơ,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đư a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: 2 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 th ời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lậ p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t ức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m ạnh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. 3 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 lượ ngtíchtrữtrongmạchcộnghưởng: P=CV 2 /2 P=LI 2 /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th ướcnhỏnhấtcủatụđiệnđểtránhquááptrêncôngtắctheocông thức:  C>LI 2 /(Vb‐Vs) 2  trongđó:  V b‐‐điệnápđánhthủngmạchchuyển  V s‐‐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xoắ n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 v ới xung kíchgầnc ộng hưởng 4 dòngđiệndaođộngtrongcuộndâysẽtạoram ột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 ng ờ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hoạ t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 5 kickbacksẽlàmđầubênđócủađộngcơnốivớinguồnd ương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t ụ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t ầnsốcộng hưởng,momentxonsẽtănggấphailầnmomentxoắnởvậntốcthấp.Đường congmomentxoắntheov ận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đi ện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t ăng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 6 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m ỗi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ng ắt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thiể u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đượ c gắnvớimộtbộtảnnhiệtđủlớn.Transistornàycóthờigianđóngngắtrấtnhanh 7 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ngượ c.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.Mỗ i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m ột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,mạ ch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. 8 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tắ c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:  9 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cu ộn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nhi ều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  10  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thiế t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( ajr@cybill.inesc.pt)đãđềnghịmạchcầuHnhưtrênHình3.14: