mạch điều khiển động cơ

mạch điều khiển động Các mạch điều khiển động bước Phần Động bước dịch vuong8999 • Giới thiệu • Động biến thiên từ trở • Động hỗn hợp nam châm vĩnh cửu đơn cực • Dẫn động từ trở đơn cực thực tế • Động lưỡng cực cầu H • Mạch dẫn động lưỡng cực thực tế Giới thiệu Phần giáo trình trình bày mạch dẫn động khâu cuối động bước Mạch tập trung vào mạch phát đơn, đóng ngắt dòng điện cuộn dây động cơ, đồng thời điều khiển chiều dòng điện Mạch điện nối trực tiếp với cuộn dây cấp nguồn động cơ, mạch điều khiển hệ thống số định cơng tắc đóng hay ngắt Phần nói đến loại động cơ, từ mạch điện điều khiển động biến thiên từ trở đến mạch cầu H để điều khiển động nam châm vĩnh cửu lưỡng cực Mỗi loại mạch dẫn động minh họa ví dụ cụ thể, nhiên ví dụ khơng phải catalog đầy đủ mạch điều khiển có sẵn thị trường, thông tin để thay bảng liệu chi tiết nhà sản xuất Phần đưa mạch điều khiển đơn giản loại động Tất mạch giả thiết nguồn cung cấp điện áp không vượt điện áp ngưỡng động cơ, điều giới hạn hiệu suất động Phần ‐ mạch dẫn động có dòng giới hạn ‐ đề cập đến mạch dẫn động hiệu suất cao thực tế Động biến từ trở Bộ điều khiển điển hình động bước biến từ trở dựa theo nguyên tắc Hình 3.1: Hình 3.1 Trên Hình 3.1, hộp ký hiệu cho công tắc, điều khiển (controller ‐ khơng thể hình) chịu trách nhiệm cung cấp tín hiệu điều khiển đóng mở cơng tắc thời điểm thích hợp để quay động Trong nhiều trường hợp, phải thiết kế điều khiển, máy tính mạch điều khiển giao tiếp lập trình được, với phần mềm trực tiếp phát tín hiệu điều khiển đóng mở, số trường hợp khác mạch điều khiển thiết kế kèm theo động cơ, cho miễn phí Cuộn dây, lõi solenoid động chi tiết tương tự tải cảm ứng Như vậy, dòng điện qua cuộn dây khơng thể đóng ngắt tức thời mà khơng làm áp tăng vọt đột ngột Khi công tắc điều khiển cuộn dây đóng, cho dòng điện qua, làm dòng điện tăng chậm Khi công tắc mở, tăng mạnh điện áp làm hư cơng tắc trừ ta biết cách giải thích hợp Có hai cách để xử lý tăng điện áp này, mắc song song với cuộn dây diod tụ điện Hình 3.2 minh họa hai cách này: Hình 3.2 Diod Hình 3.2 phải có khả dẫn tồn dòng điện qua cuộn dây, dẫn cơng tắc mở, dòng điện khơng qua cuộn dây Nếu ta sử dụng diod tác dụng tương đối chậm họ 1N400X chung với mạch chuyển tác dụng nhanh cần phải mắc song song với diod tụ điện Tụ điện Hình 3.2 dẫn đến vấn đề thiết kế phức tạp Khi cơng tắc đóng, tụ điện xả điện qua cơng tắc xuống đất, cơng tắc phải chịu dòng điện xả Một điện trở mắc nối tiếp với tụ điện với nguồn giới hạn dòng điện Khi cơng tắc mở, lượng tích trữ cuộn dây nạp vào tụ điện điện áp vượt áp cung cấp, công tắc phải chịu điện áp Để tính điện dung tụ, ta đồng hai cơng thức tính lượng tích trữ mạch cộng hưởng: P = C V2 / P = L I2 / đó: P ‐‐ lượng tích trữ [Ws] hay [CV] C ‐‐ điện dung [F] V ‐‐ điện áp hai đầu tụ L ‐‐ độ tự cảm cuộn dây [H] I ‐‐ dòng điện qua cuộn dây Ta tính kích thước nhỏ tụ điện để tránh áp công tắc theo công thức: C > L I2 / (Vb ‐ Vs)2 đó: Vb ‐‐ điện áp đánh thủng mạch chuyển Vs ‐‐ điện áp cung cấp Động từ trở biến thiên có độ tự cảm thay đổi tùy thuộc vào góc trục Do đó, trường hợp xấu dùng để lựa chọn tụ điện Hơn nữa, độ tự cảm động thường ghi rõ, nên phải làm Tụ điện cuộn dây kết hợp với tạo thành mạch cộng hưởng Nếu hệ điều khiển cho động quay tần số gần với tần số cộng hưởng này, dòng điện qua cuộn dây, kéo theo moment xoắn động sinh ra, khác so với moment xoắn điều kiện ổn định với điện áp vận hành danh nghĩa Tần số cộng hưởng là: f = / ( (L C)0.5 ) Một lần tần số cộng hưởng điện động từ trở biến thiên lại phụ thuộc vào góc trục Khi động hoạt động với xung kích gần cộng hưởng dòng điện dao động cuộn dây tạo từ trường không hai lần tần số cộng hưởng, điều làm giảm moment xoắn nhiều Động hỗn hợp nam châm vĩnh cửu đơn cực Bộ điều khiển điển hình động bước đơn cực thay đổi theo sơ đồ Hình 3.3: Hình 3.3 Trên Hình 3.3, Hình 3.1, hộp biểu diễn công tắc điều khiển (khơng thể hình) chịu trách nhiệm cung cấp tín hiệu điều khiển đóng mở cơng tắc vào thời điểm thích hợp để quay động Bộ điều khiển thường máy tính hay mạch điều khiển lập trình được, với phần mềm trực tiếp phát tín hiệu cần thiết để điều khiển cơng tắc Cũng mạch dẫn động động biến từ trở, phải giải thay đổi độ tự cảm bất ngờ công tắc hở Một lần nữa, ta chuyển thay đổi cách dùng diod, ta phải dùng diod Hình 3.4: Hình 3.4 Ta cần thêm vào diod cuộn dây động hai cuộn dây độc lập mà cuộn center‐tapped đơn giản với tap có điện áp cố định Chúng hoạt động tự chuyển đổi Khi đầu cuộn dây bị kéo xuống đầu bị đẩy lên ngược lại Khi công tắc hở, độ tự cảm kickback làm đầu bên động nối với nguồn dương bị kẹp diod Đầu bên bị đẩy lên khơng đạt điện áp cung cấp lúc xuống mức 0, đảo chiều điện áp qua công tắc đầu Một vài cơng tắc chịu đảo chiều công tắc khác bị hư Một tụ điện dùng để giới hạn điện áp kickback hình 3.5: Hình 3.5 Các quy tắc để tính kích thước tụ điện Hình 3.5 giống quy tắc tính kích thước tụ điện Hình 3.2 hiệu ứng cộng hưởng khác Với động nam châm vĩnh cửu tụ điện hoạt động gần hay tần số cộng hưởng, moment xon tăng gấp hai lần moment xoắn vận tốc thấp Đường cong moment xoắn theo vận tốc phức tạp Hình 3.6: Hình 3.6 Hình 3.6 cho thấy tần số cộng hưởng điện, moment xoắn vọt lên tần số cộng hưởng cơ, moment lại sụt nhanh Nếu tần số cộng hưởng điện lớn vận tốc tới hạn động sử dụng mạch dẫn động dùng diod mức hiệu ứng làm vận tốc tới hạn gia tăng đáng kể Tần số cộng hưởng học phụ thuộc vào moment xoắn, tần số gần với tần số cộng hưởng điện, tần số cộng hưởng điện làm thay đổi Hơn nữa, độ rộng cộng hưởng học phụ thuộc vào độ dốc cục đường cong moment xoắn theo vận tốc Nếu moment xoắn giảm theo vận tốc, cộng hưởng dốc, moment xoắn tăng theo vận tốc, cộng hưởng rộng chí tách thành nhiều tầng số cộng hưởng khác Driver động đơn cực biến từ trở Trong mạch điện phần trên, không quan tâm đến cơng tắc tín hiệu điều khiển Bất kỳ kỹ thuật đóng ngắt từ cầu dao đến MOSFETS dùng hết! Hình 3.7 vài cách mắc cho loại công tắc, bao gồm cuộn dây động diod bảo vệ phục vụ cho mục đích đóng ngắt kể trên: Hình 3.7 Mỗi cơng tắc Hình 3.7 tương thích với đầu vào TTL Nguồn 5V sử dụng cho mạch logic, bao gồm open‐collector driver 7407 hình Nguồn điện cho động cơ, thường từ 5V – 24V, khơng cần độ xác cao Ta cần ý mạch đóng ngắt nguồn phải thích hợp cho việc dẫn động cuộn dây, động DC, tải cảm ứng khác động bước Transistor SK3180 Hình 3.7 mạch darlington cơng suất có độ lợi dòng 1000, dòng 10mA qua điện trở hiệu chỉnh 470 Ohm đủ lớn để qua transistor điều chỉnh dòng vài Ampe qua cuộn dây động Bộ đệm 7407 dùng điều khiển darlington thay chip open ‐collector điện cao mà điều khiển mức tối thiểu 10mA Ngay trường hợp transistor hư, open collector giúp bảo vệ phần lại mạch logic khỏi nguồn động IRC IRL540 Hình 3.7 power field effect transistor Nó chịu dòng điện lên tới 20A bị đánh thủng 100V, chip hấp thu đỉnh nhọn độ tự cảm mà khơng cần diod bảo vệ gắn với tản nhiệt đủ lớn Transistor có thời gian đóng ngắt nhanh nên diod bảo vệ phải nhanh tương ứng chia nhỏ bới tụ điện Điều đặc biệt cần thiết cho diod bảo vệ transistor chống lại phân cực ngược Trong trường hợp transistor bị hư, diod zener điện trở 100 Ohm bảo vệ mạch TTL Điện trở 100 Ohm đóng vai trò làm chậm thời gian đóng mở transistor Đối với ứng dụng mà cuộn dây động dẫn dòng nhỏ 500mA, mạch darlington họ ULN200x Allegro Microsystems họ DS200x National Semiconductor hay MC1413 Motorola dẫn động cho cuộn dây tải cảm ứng khác trực tiếp từ tín hiệu vào logic Hình 3.8 ngõ vào ngõ chip ULN2003, dãy transistor darlington: Hình 3.8 Điện trở transistor darlington phải thích hợp với tín hiệu TTL lưỡng cực chuẩn Cực phát darlington NPN nối với chân 8, chân nối đất Mỗi transistor bảo vệ hai diod, nối cực phát cực thu để bảo vệ transistor khỏi điện áp ngược, nối cực thu với chân 9, chân nối với nguồn động diod bảo vệ transistor khỏi đỉnh nhọn độ tự cảm Chip ULN2803 giống chip ULN2003 mơ tả có 18 chân darlington cho phép chip dẫn động cho cặp động từ trở biến thiên nam châm vĩnh cửu đơn cực Đối với động mà cuộn dây dẫn dòng nhỏ 600mA, mạch dẫn động quad UDN2547B Allegro Microsystems điều khiển cuộn dây động bước đơn cực chung Nếu dẫn dòng nhỏ 300mA, ta nên chọn mạch dẫn động kép SN7451, 7452 7453 Texas Instruments, loại bao gồm vài mạch logic với mạch dẫn động Động hai cực mạch cầu H Mọi thứ trở nên phức tạp với động bước nam châm vĩnh cửu lưỡng cực khơng có đầu nối chung cuộn dây Vì để đảo chiều từ trường sinh cuộn dây ta phải đảo chiều dòng điện qua cuộn dây Ta dùng công tắc kép hai cực để làm cộng việc này, mạch điện tương đương công tắc gọi cầu H mô tả Hình 3.9: Hình 3.9 Cũng với mạch dẫn động đơn cực đề cập trên, công tắc sử dụng cầu H phải bảo vệ khỏi vọt điện áp ngắt dòng điện cuộn dây Ta sử dụng diod cho việc này, Hình 3.9 Cần ý cầu H áp dụng không để điều khiển động bước lưỡng cực mà điều khiển động DC, hút nhả lõi solenoid (trong pittông nam châm vĩnh cửu) nhiều ứng dụng khác Với công tắc cầu H cho ta tổ hợp 16 mode hoạt động, có mode làm ngắn mạch nguồn Các mode sau thường sử dụng: mode thuận: công tắc A D đóng mode ngược: cơng tắc B C đóng Các mode cho phép dòng điện từ nguồn qua cuộn dây động đất Hình 3.10 minh họa mode thuận: Hình 3.10 mode suy giảm nhanh hay mode trượt: tất công tắc mở Bất kỳ dòng điện qua cuộn dây chống lại điện áp nguồn, gây sụt áp diod nên dòng điện bị suy giảm nhanh Mode khơng tạo tạo hiệu ứng hãm động lên rotor động cơ, rotor quay tự (trượt) tất cuộn dây cấp nguồn theo mode Hình 3.11 minh họa dòng điện sau chuyển từ mode thuận sang mode suy giảm nhanh Hình 3.11 mode suy giảm chậm hay mode hãm động lực: Trong mode dòng điện chạy vòng lại qua cuộn dây động với điện trở nhỏ Nhờ dòng điện chạy cuộn dây hai mode suy giảm chậm, rotor quay, sinh dòng điện cảm ứng có vai trò hãm rotor Hình 3.12 minh họa nhiều mode suy giảm chậm có ích, với cơng tắc D đóng, cuộn dây vừa mode thuận cơng tắc B đóng mở: Hình 3.12 10 Hấu hết cầu H thiết kế cho bao gồm mạch logic dùng để phòng ngừa ngắn mạch mức độ thấp thiết kế Hình 3.13 minh họa thiết kế cho tốt nhất: Hình 3.13 Với thiết kế ta có mode điều khiển sau: XY ABCD Mode 00 0000 fast decay 01 1001 forward 10 0110 reverse 11 0101 slow decay Lợi ích thiết kế tất mode điều khiển có ích giữ lại chúng mã hóa với số bit tối thiểu ‐ điều quan trọng sử dụng vi xử lý hay máy tính để điều khiển cầu H hệ thống có sẵn số bit hữu hạn cổng song song Tuy nhiên vài chip tích hợp cầu H có sẵn thị trường có sơ đồ điều khiển đơn giản Mạch điều khiển động hai cực thực tế Có số driver tích hợp cầu H thị trường cần xem thực thi thành phần rời rạc để hiểu cầu H làm việc Antonio Raposo (ajr@cybill.inesc.pt) đề nghị mạch cầu H Hình 3.14: 11 Hình 3.14 Ngõ vào X, Y mạch điều khiển ngõ góp điện mở TTL mạch điều khiển đơn cực dựa darlington Hình 3.7 Cuộn dây động cung cấp lượng hai tín hiệu vào X, Y có tín hiệu on tín hiệu off Nếu hai off, hai transistor kéo xuống (pull‐down) tắt Nếu hai cao, hai transistor kéo lên (pullup) tắt Như vậy, mạch điện đơn giản đặt động vào tình trạng hãm động lực trạng thái 11 00, mode trượt Mạch điện Hình 3.14 bao gồm hai nửa xác định, nửa mơ tả xác mạch kéo đẩy Thuật ngữ nửa cầu H áp dụng cho mạch này! Cần lưu ý nửa cầu H có mạch giống với mạch điều nghiển ngõ dùng mạch logic TTL Trong thực tế, mạch điều khiển ba trạng thái TTL 74LS125A 74LS244 dùng nửa cầu H tải nhỏ, minh họa Hình 3.15: Hình 3.15 Mạch điện có hiệu động có điện trở tối đa 50 Ohm cuộn điện áp tối đa 4.5V dùng nguồn 5V Mỗi mạch đệm ba trạng thái LS244 dùng điện trở nội đệm đủ lớn, dòng chia ngõ điều khiển (mắc song song) Điều cho phép thiết kế 12 mạch điều khiển giống Hình 3.15, chưa mã hố điều khiển, có bảng chân trị đây: XYE Mode ‐‐1 fast decay 000 slower decay 010 forward 100 reverse 110 slow decay Mode hãm thứ hai, XYE = 110, hãm yếu mode XYE = 000 LS244 hút dòng nhiều Chip TC4467 ‐ cầu ‐ hãng Microchip thí dụ khác driver nửa cầu H Không giống driver sản xuất trước đó, datasheet cung cấp đầy đủ ứng dụng điều khiển, nguồn cấp lên tới 18V, dòng mấu đạt đến 250mA Một vấn đề chip điều khiển động bước bán sẵn đa số chúng có tuổi thọ thị trường ngắn Ví dụ, họ Seagate IpxMxx, mạch cầu đơi (từ IP1M10 đến IP3M12) thiết kế tốt dùng cho động bước để định vị điểm đầu đĩa cứng Seagate Mạch dẫn động cầu H Toshiba TA7279 tốt cho động 1A dùng nội hãng mà Cầu H đôi L293 SGS‐Thompson (và hiệu khác) cạnh tranh với chip khơng tích hợp diod bảo vệ Chip L293D, giới thiệu sau, có chân tương thích có diod bảo vệ Nếu dùng L293 gần đây, cuộn dây động phải đặt qua cầu chỉnh lưu (1N4001 chẳng hạn) Việc sử dụng diod bên cho phép ta đặt dãy điện trở đường dòng để đẩy nhanh suy giảm dòng cuộn dây bị ngắt, số ứng dụng người ta không mong muốn điều Họ L293 dùng để điều khiển động bước lưỡng cực nhỏ, tối đa 1A/cuộn điện áp cấp lên tới 36V Hình 3.16 cho ta sơ đồ chân chip L293B L293D: 13 Hình 3.16 Chip xem nửa cầu H độc lập, kích hoạt cặp, hai cầu H đầy đủ Đây dạng đóng gói DIP, với chân 4, 5, 12, 13 thiết kế để truyền nhiệt cho bo mạch in để tản nhiệt ngồi Cầu H đơi L298 SGS‐Thompson (và hiệu khác) giống với loại chịu tối đa 2A/kênh Như với LS244, ta nối hai cầu H L298 tạo thành cầu chịu 4A (xem datasheet để biết cách nối này) Một điều cần lưu ý chip L298 chuyển mạch nhanh, nhanh diod bảo vệ (1N400X) không làm việc Vậy phải dùng diod BYV27 để thay Cầu đơn LMD18200 National Semiconductor tốt, chịu dòng 3A có sẵn diod bảo vệ tích hợp Trong cầu H tích hợp khơng sử dụng cho dòng hay áp q cao thị trường lại có linh kiện thiết kế tốt để đơn giản hóa việc tạo cầu H từ cơng tắc rời rạc Ví dụ, International Rectifier bán loạt nửa cầu H, hai số có thêm transistor đóng ngắt MOSFET đủ để làm cầu H hoàn chỉnh Con IR2101, IR2102, IR2103 mạch dẫn động nửa cầu H Con IR2104 IR2111 có mạch logic bên ngồi tương tự để điều khiển công tắc cầu H, chúng có mạch logic bên mà vài ứng dụng làm giảm thiểu độ phức tạp phải thiết kế mạch logic bên Cụ thể, 2104 bao gồm ngõ vào enable nhờ chip 2104 cộng với transistor đóng ngắt thay L293 mà không cần thêm mạch logic Một số nhà sản xuất cho đời chip cầu H phức tạp bao gồm mạch hạn dòng Ta cần ý thị trường có số mạch cầu pha, dẫn động tốt cho động bước nam châm vĩnh cửu pha cấu hình Y hay delta Tuy nhiên, Toshiba TA7288P, GL7438, TA8405 thiết kế tốt, hai số này, bỏ qua nửa cầu H điều khiển động pha, 10 bước/vòng  ... hiệu điều khiển đóng mở cơng tắc vào thời điểm thích hợp để quay động Bộ điều khiển thường máy tính hay mạch điều khiển lập trình được, với phần mềm trực tiếp phát tín hiệu cần thiết để điều khiển. .. Đối với động mà cuộn dây dẫn dòng nhỏ 600mA, mạch dẫn động quad UDN2547B Allegro Microsystems điều khiển cuộn dây động bước đơn cực chung Nếu dẫn dòng nhỏ 300mA, ta nên chọn mạch dẫn động kép... hay máy tính để điều khiển cầu H hệ thống có sẵn số bit hữu hạn cổng song song Tuy nhiên vài chip tích hợp cầu H có sẵn thị trường có sơ đồ điều khiển đơn giản Mạch điều khiển động hai cực thực