Như đã đề cập trong mục trước, các động cơ bước không thể hoạt động với cách cấp điện như các loại động cơ AC hay DC thông thường. Ta phải đưa điện áp kiểu xung vuông tuần tự đến các đầu vào của các cuộn dây trong Stator. Để làm được điều đó ta cần một driver điều khiển. Hiện Nay driver điều khiển động cơ bước khá phổ biến và dễ chế tạo với các IC chuyên dụng L298 và L297, ngồi ra các driver chính hãng sử dụng trong cơng nghiệp thì sử dụng các IC họ 74xx và cùng với các chíp vi xử lí.
Ở đây em sử dụng IC L297 và L298 để thiết kế bộ driver điều khiển cho động cơ bước vì các linh kiện này rất phổ biến, dễ tìm mua và giá thành rất rẻ, hơn nữa các IC này cịn có cơng suất lớn, độ bền cao, làm việc tin cậy, ít nhiễu.
1.3.1. IC L297.
1.3.1.1.Giới thiệu
L297 là IC điều khiển động cơ bước thường dùng trong các ứng dụng điều khiển điện tử. Nó có chức năng tạo ra 4 pha tín hiệu điều khiển tương ứng với 2 pha của động cơ bước lưỡng cực hoặc 4 pha của động cơ bước đơn cực. Sử dụng chip này, ta có thể điều khiển mơ tơ bước ở chế độ nửa bước, normal and wave drive mode và tích hợp cả mạch PWM để điều chỉnh dòng điện cuộn dây trong mô- tơ. Với IC này, để điều khiển động cơ, ta chỉ cần tín hiệu xung clock, tín hiệu logic
cho chiều quay, chế độ. IC này giúp giảm việc tạo các phase điều khiển (trước
đây được tạo bằng các chip vi xử lý) nên chương trình điều khiển động cơ rất gọn.IC được đóng gói trong vỏ hai hàng chân DIP20 hoặc SO20 thông dụng, và thường dùng kèm với các IC mạch cầu cơng suất như L298N hoặc L293E.
Hình 3.5 Bố trí các chân của ic L297
Bảng 3.1 chức năng hoạt động của các chân của IC L297
STT Ký hiệu Chức năng và ghi chú
1 SYNC Chân ngõ ra mạch dao động chopper bên trong chíp. Chân này có tác dụng đồng bộ hóa xung nhịp (trong mạch nhiềuv L297). Sử dụng chân này như sau:
- Khi cần đồng bộ hóa hai hay nhiều IC L297 trong mạch, ta nối các chân SYNC với nhau. Khi đó, ta chỉ cần 1 mạch dao động gắn ở một IC L297 bất kì.
- Chân này đồng thời là ngõ vào cho nguồn clock ngoài
Cách đồng bộ các IC L297
3 HOME Chân ngõ ra cực thu để hở báo L297 đang ở trạng thái khởi tạo(ABCD=0101)
Khi chân này xuất tín hiệu tích cực thì các transistor đang trạng thái mở
4 A Tín hiệu phase A của mơ-tơ
5 INH 1 Chân này tích cực mức thấp, điều khiển hai phase A,B để bảo vệ dòng xả ngược cuộn dây. Còn khi chân CONTROL mức thấp, chân này được sử dụng để ổn định dòng tải động cơ
6 B Tín hiệu pha B của động cơ 7 C Tín hiệu pha C của động cơ
8 INH 2 Chức năn giống INH 1. Điều khiển pha C và D 9 D Tín hiệu pha D của động cơ
10 ENABLE Chân cho phép hoạt động, khi chân này ở mức thấp, chân ngõ ra pha A, B, C, D INH1, INH2 bị kéo xuống mức thấp.
11 CONTRO L
Chân điều khiển hoạt động CHOPPER.
Khi chân này ở mức thấp, hoạt động CHOPPER thông qua 2 chân INH1, INH2. Khi chân này mức cao, hoạt động CHOPPER thông qua các phase A,B,C,D.
12 Vs Chân nguồn 5V
13 SENS 2 Chân ngõ vào cầu phân áp để hồi tiếp độ lớn dịng tải ở tần cơng suất của phase C, D
14 SENS 1 Chức năng giống chân SEN2 cho phase A, B
15 Vref Điện áp tham chiếu cho mạch chopper. Điều chỉnh áp đặt vào chân này để thay đổi dòng tải đỉnh.
17 CW/CCW Chân điều khiển chiều quay động cơ. Chiều quay còn phụ thuộc vào cách đấu dây cho động cơ
18 CLOCK Chân clock cho động cơ. Loại xung tích cực mức thấp. Moto“bước” khi có cạnh xuống ở chân này.
19 HALF/FU LL
Chân chọn lựa chế độ quay đủ bước, nửa bước
20 RESET Ngõ vào RESET. RESET là làm cho trạng thái động cơ trở về vị
trí HOME (tầng 1, ABCD=0101)
1.3.1.3.Hoạt động.
IC L297 được chế tạo để dùng với mạch cầu đơi (IC tích hợp hoặc linh kiện rời) trong các ứng dụng điều khiển động cơ bước thơng dụng. Các tín hiệu vào là: xung clock bước, tín hiệu chiều quay (quay thuận/nghịch), chế độ quay (đủ bước/nửa bước) và xuất tín hiệu ra điều khiển phần cơng suất.
Nguyên lý hoạt động của L297 thực chất là bộ chuyển tín hiệu điều khiển logic đơn giản thành chuỗi tín hiệu điều khiển các phase động cơ phù hợp. L297 có tích hợp mạch chopper PWM giúp ổn định dòng tải trong cuộn dây động cơ. IC L297 có thể tạo ra 3 loại chuổi xung điều khiển tùy theo tín hiều ở chân HALF/FULL. Nhà sản xuất gọi 3 chế độ này là “bình thường” (normal – cấp điện 2 phase mỗi lần kích) và “sóng”-wave (chỉ cấp điện cho 1 phase trong mỗi lần kích) và chế độ nửa bước (luân phiên cấp điện một phase- hai phase). Hai ngõ ra “cấm”- inhibit, thường được kết nối trực tiếp với chân enable của L298 để xả dòng ngược cuộn dây. Khi dùng L297 điều khiển động cơ lưỡng cực, hai tín hiệu này tác động lên phase điều khiển.
tín hiệu chopper xuất ra chân INHx hay xuất ra tín hiệu phase). Khi chopper trên các phase, phase khơng tích cực (của mỗi cặp AB hoặc CD) được tích cực (thay vì ngắt các phase rồi lại đóng phase). Trong ứng dụng của cặp L297+L298, kĩ thuật này giúp giảm tiêu tán công suất ở điện trở cảm biến tải.
Mạch dao động nội trong chip (on-chip) kích 2 mạch chopper. Nó tạo xung để set 2 flip-flop FF1 và FF2. Khi dòng tải trong cuộn dây bằng dòng qui định, rơi áp trên 2 điện trở cảm ứng dòng (nối với 2 chân SENS1 và SENS2) bằng với VREH và do đó mạch so sánh reset flip-flop ngắt dòng tải để chờ xung dao động tiếp theo. Dòng tải đỉnh của 2 cuộn dây được đặt thông qua điện áp ở chân VREF.
Với mạch có nhiều L297, vấn đề nhiểu mass được giải quyết bằng hoạt động đồng bộ (nối các chân SYNC với nhau, gắn mạch RC ở một L297 nào đó và nối chân OSC ở các L297 còn lại với MASS)
1.3.1.4. Chuỗi xung pha trong các chế độ điều khiển.
Bên dưới là giản đồ chuyển đổi xung điều khiển thành xung pha của 3 chế độ hoạt động của động cơ. Lưu ý, xung clock step tích cực mức thấp nghĩa là high- low-high. (tích cực bằng cạnh lên)
Trong giản đồ là chiều quay thuận. Để có chiều quay ngược, chỉ cần đảo chân.
RESET để làm cho mạch xử lý trong chip (translator) về tần 1, khi đó ABCD=0101.
a.Chế độ điều khiển nửa bước.
Để chọn chế độ điều khiển nửa bước thì chân HALF/FULL phải được đặt ở mức cao.
Hình 3.6 Sơ đồ tín hiệu điều khiển trong chế độ nửa bước
Bảng 3.2 tín hiệu logic điểu khiển ra từ các pha.
b.Chế đổ đủ bước.
Chế độ bình thường cịn gọi là chế độ 2-phase-mở được thiết lập khi chân FULL/HALF ở mức thấp. Trong chế độ này, hai chân cấm INHx ln ở trạng mức cao.
Hình 3.7 Sơ đồ xung điều khiển kiểu đủ bước
Bảng 3.3 Tín hiệu logic điểu khiển ra từ các pha.
1.3.2. L298
1.3.2.1 Giới thiệu
IC L298 là mạch tích hợp đơn chip có kiểu vỏ cơng suất 15 chân (multiwatt 15) và PowerSO20 (linh kiện dán công suất). Là IC mạch cầu đôi (dual full-bridge) có khả năng hoạt động ở điện thế cao, dịng cao. Nó được thiết kế tương thích chuẩn TTL và lái tải cảm kháng như relay, cuộn solenoid, động cơ DC và động cơ bước. Nó có 2 chân enable (cho phép) để cho phép/không cho phép IC hoạt động, độc lập với các chân tín hiệu vào. Cực phát (emitter) của transistor dưới của mỗi
Hình 3.8 Sơ đồ khối IC L298
1.3.2.3 Các giá trị chịu đựng tối đa
- Nguồn Vs tối đa : 50V - Nguồn nuôi : 7V
- Điện thế vào: -0.3V – >7V - Công suất tối tải tối đa: 25W - Nhiệt độ tối đa 130oC
1.3.2.4 Sơ đồ chân
Hình 3.9 Sơ đồ chân IC L298
1.3.2.5 Thông số về nhiệt độ:
Kí hiệu Thơng số PowerSO
20
Multiwatt15 Đơn vị
Rth-j-case Độ bền nhiệt của mối nối PN – vỏ(MAX)
- 3 oC/W
Rth-j-amp Độ bền nhiệt của mối nối PN – môi trường(MAX)
13(*) 35 oC/W
2 OUT 1 Đầu ra 1 của cầu A 3 OUT 2 Đầu ra 2 của cầu A
4 Vs Chân cấp nguồn cho tầng cơng suất. Cần có một tụ điện không cảm kháng 100nF nối giữa chân này và chân GND
5 IN 1 Ngõ vào của cầu A
6 EN A Chân cho phép cầu A hoạt động. Khi chân này ở mức điện áp cao sẽ cho phép cầu A hoạt đông.
7 IN 2 Ngõ vào 2 của cầu A
8 GND Chân lấy đất.
9 Vss Chân cấp nguồn cho khối logic 5V
10 IN 3 Đầu vào của mạch cầu B
11 EN B Chân cho phép cầu B hoạt động. Khi chân này ở mức điện áp cao sẽ cho phép cầu B hoạt đông
12 IN 4 Đầu vào của mạch cầu B
13 OUT 3 Đầu ra của mạch cầu B
1.3.2.7 Thông tin ứng dụng.
Mạch cầu H kép L298 của SGS-Thompson (và các hãng khác) có thể điều khiển dòng điện lên tới 2A trên một kênh và được đóng vỏ như một linh kiện cơng suất, ta có thể nối hai cầu H bên trong một vỏ LS298 thành một cầu H 4A .
IC L298 tích hợp 2 tầng cơng suất (A, B). Tần cơng suất chính là mạch cầu và ngõ ra của nó có thể lái các loại tải cảm thông dụng ở nhiều chế độ hoạt động khác nhau (tùy thuộc vào sự điều khiển ở ngõ vào) Dòng điện từ chân ngõ ra chảy qua tải đến chân cảm ứng dịng : điện trở ngồi RSA, RSB cho phép việc cảm ứng cường độ dòng điện này.
Mỗi cầu được điều khiển bởi 4 cổng ngõ vào In1, In2, EnA, và In3, In4, EnB. Các chân In có tác dụng khi chân En ở mức cao, khi chân En ở mức thấp, các chân ngõ vào In ở trạng thái cấm. Tất cả các chân đều tương thích với chuẩn TTL.
1.3.3. Ghép L297 với L298
Dựa vào datasheet ta có mạch ghép nối L297 với L298 như hình :
15 SENS B Nối chân này qua điện trở cảm ứng dòng xuống GND để điều khiển dòng tải
Dưới đây là sơ đồ nguyên lý driver điều khiển động cơ bước.