Thông tin tài liệu
1
Cácmạchđiềukhiểnđộngcơbướccơbản
Phần3Độngcơbước
• Giớithiệu
• Độngcơbiếnthiêntừtrở
• Độngcơhỗnhợpvànamchâmvĩnhcửuđơncực
• Dẫnđộngtừtrởvàđơncựctrongthựctế
• ĐộngcơlưỡngcựcvàcầuH
• Mạchdẫnđộnglưỡngcựctrongthựctế
Giớithiệu
Phầnnàycủagiáotrìnhtrìnhbàyvềmạchdẫnđộngkhâucuốicủađộngcơ
bước.Mạchnàytậptrungvàomộtmạchphátđơn,đóngngắtdòngđiệntrong
cuộndâycủađộngc
ơ,đồngthờiđiềukhiểnchiềudòngđiện.Mạchđiệnđược
nốitrựctiếpvớicuộndâyvàcấpnguồncủađộngcơ,mạchđượcđiềukhiểnbởi
một
hệthốngsốquyếtđịnhkhinàocôngtắcđónghayngắt.
Phầnnàycũngnóiđếncácloạiđộngcơ,từmạchđiệncơbảnđiềukhiểnđộngcơ
biếnthiêntừtrởđếnmạch
cầuHđểđiềukhiểnđộngcơnamchâmvĩnhcửu
lưỡngcực.Mỗiloạimạchdẫnđộngđượcminhhọabằngvídụcụthể,tuynhiên
nhữngvídụnàykhôngphảilà
mộtcatalogđầyđủcácmạchđiềukhiểncósẵn
trênthịtrường,nhữngthôngtinnàycũngkhôngphảiđểthaythếbảngdữliệu
vềchitiếtcủanhàsảnxuất.
Phầnnàychỉđư
aramạchđiềukhiểnđơngiảnnhấtcủat ừngloạiđộngcơ.Tất
cảcácmạchđềuđượcgiảthiếtrằngnguồncungcấpmộtđiệnápkhôngvượt
quáđiện
ápngưỡngcủađộngcơ,điềunàygiớihạnhiệusuấtcủađộngcơ.Phần
kếtiếp‐mạchdẫnđộngcódònggiớihạn‐sẽđềcậpđếncácmạchdẫnđộng
hiệusuấtcaotrongthựctế.
Độngcơbiếntừtrở
Bộđiềukhiểnđiểnhìnhcủađộngcơbướcbiếntừtrởdựatheonguyêntắcnhư
trênHình3.1:
2
Hình3.1
TrênHình3.1,cáchộpkýhiệuchocôngt ắc,bộđiềukhiển(controller‐không
thểhiệntrênhình)chịutráchnhiệmcungcấptínhiệuđiềukhiểnđóngmởcông
tắc tại từng th
ờiđiểm thích hợpđểquayđộng cơ. Trong nhiều trường hợp,
chúngtaphảithiếtkếbộđiềukhiển,cóthểlàmộtmáytínhhoặcmộtmạchđiều
khiểngiaotiếplậ
ptrìnhđược,vớiphầnmềmtrựctiếppháttínhiệuđiềukhiển
đóngmở,nhưngtrongmộtsốtrườnghợpkhácm ạchđiềukhiểnđượcthiếtkế
kèmtheođộngcơ,
vàđôikhiđượcchomiễnphí.
Cuộndây,lõisolenoidcủađộngcơhoặccácchitiếttươngtựđềulàcáctảicảm
ứng.Nhưvậy,dòngđiệnquacuộndâykhôngthểđóngngắtt
ứcthờimàkhông
làmáptăngvọtđộtngột.Khicôngt ắcđiềukhiểncuộndâyđóng,chodòngđiện
điqua,làmdòngđiệnt ăngchậm.Khicôngtắcmở,sựtăngm
ạnhđiệnápcóthể
làmhưcôngtắctrừkhitabiếtcáchgiảiquyếtthíchhợp.
Cóhaicáchcơbảnđểxửlýsựtăngđiệnápnày,đólàmắcsongsongvớicuộn
dây
mộtdiodhoặcmộttụđiện.Hình3.2minhhọahaicáchnày:
Hình3.2
Diod trên Hình 3.2 phải có khả năng dẫn toàn bộ dòngđiện qua cuộn dây,
nhưngnóchỉdẫnmỗikhicôngtắcmở,khidòngđiệnkhôngcònquacuộndây.
3
Nếutasửdụngdiodtácdụngtươngđốichậmnhưhọ1N400Xchungvớicác
mạchchuyểntácdụngnhanhthìcầnphảimắcsongsongvớidiodmộttụđiện.
Tụđiệntrên
Hình3.2dẫnđếnvấnđềthiếtkếphứctạphơn.Khicôngtắcđóng,
tụđiệnsẽxảđiệnquacôngtắcxuốngđất,dođócôngtắcphảichịuđượcdòng
điệnxảnày.
Mộtđiệntrởmắcnốitiếpvớitụđiệnhoặcvớinguồnsẽgiớihạn
dòngđiệnnày.Khicôngtắcmở,nănglượngtíchtr ữtrongcuộndâysẽnạp
vào
tụđiệnchođếnkhiđiệnápvượtquáápcungcấp,vàcôngtắccũngphảichịu
đượcđiệnápnày.Đểtínhđiệndungtụ,tađồngnhấthaicôngthứctínhnăng
lượ
ngtíchtrữtrongmạchcộnghưởng:
P=CV
2
/2
P=LI
2
/2
trongđó:
P‐‐nănglượngtíchtrữ[Ws]hay[CV]
C‐‐điệndung[F]
V‐‐điệnáphaiđầutụ
L‐‐độtựcảmcủacuộndây[H]
I‐‐dòngđiệnquacuộndây
Tatínhkíchth
ướcnhỏnhấtcủa tụđiệnđểtránhquááptrêncôngtắctheocông
thức:
C>LI
2
/(Vb‐Vs)
2
trongđó:
V
b‐‐điệnápđánhthủngmạchchuyển
V
s‐‐điệnápcungcấp
Độngcơtừtr ởbiếnthiêncóđộtựcảmthayđổitùythuộcvàogóccủatrục.Do
đó,trườnghợpxấunhấtđượcdùngđểlựachọntụđiện.Hơn
nữa,độtựcảm
củađộngcơthườngítđượcghirõ,nênchúngtaphảilàmvậy.
Tụđiệnvàcuộndâyk ết hợpvớinhautạothànhmộtmạchcộnghưởng.Nếu
hệ
điềukhiểnchođộngcơquayởtầnsốgầnvớitầnsốcộnghưởngnày,dòngđiện
qua cuộn dây,kéo theo moment xoắn dođộng cơ sinh ra, sẽ rấtkhác so với
momentxoắ
nởđiềukiệnổnđịnhvớiđiệnápvậnhànhdanhnghĩa.Tầnsốcộng
hưởnglà:
f=1/(2
(LC)
0.5
)
Mộtlầnnữatầnsốcộnghưởngđiệncủađộngcơtừtrởbiếnthiênlạiphụthuộc
vàogóc của trục. Khiđộng cơ này hoạtđộng vớixungkíchgầnc
ộng hưởng
4
dòngđiệndaođộngtrongcuộndâysẽtạoramộttừtrườngbằngkhôngtạihai
lầntầnsốcộnghưởng,điềunàycóthểlàmgiảmmomentxoắnđirấtnhiều.
Độngcơhỗnhợpvànamchâmvĩnhcửuđơncực
BộđiềukhiểnđiểnhìnhđộngcơbướcđơncựcthayđổitheosơđồtrênHình3.3:
Hình3.3
TrênHình3.3,cũngnhưHình3.1,hộpbiểudiễncáccôngtắcvàmộtbộđiều
khiển(khôngthểhiệntrênhình)chịutráchnhiệmcungcấptínhiệuđiềukhiển
đóngmở
côngtắcvàothờiđiểmthíchhợpđểquayđộngcơ.Bộđiềukhiển
thườnglàmáytínhhaymộtmạchđiềukhiểnlậptrìnhđược,vớiphầnmềmtrực
tiếpphátratín
hiệucầnthiếtđểđiềukhiểncôngtắc.
Cũngnhưđốivớimạchdẫnđộngcủađộngcơbiếntừtrở,chúngtaphảigiải
quyếtsựthayđổiđộtự cảmbấtng
ờkhi công tắc hở. Một lần nữa,tacóthể
chuyển sự thayđổi này bằngcáchdùngdiod, nhưng bây giờ ta phải dùng4
diodnhưtrênHình3.4:
Hình3.4
Tacầnthêmvàocácdiodvìcuộndâycủađộngcơkhôngphảilàhaicuộndây
độclậpmàlàmộtcuộncenter‐tappedđơngiảnvớitapgiữacóđiệnápcốđịnh.
Chúnghoạ
tđộngnhưmộtbộtựchuyểnđổi.Khimộtđầucủacuộndâybịkéo
xuốngđầu kia sẽ bị đẩy lên và ngược lại. Khi một công tắc hở,độtự cảm
5
kickbacksẽlàmđầubênđócủađộngcơnốivớinguồndươngvàbịkẹpbởicác
diod.Đầubênkiabịđẩylênvànếunókhôngđạtđượcđiệnápcungcấpcùng
lúcthìsẽxuống
dướimức0,đảochiềuđiệnápquacôngtắcởđầuđó.Mộtvài
côngtắccóthểchịuđượcsựđảochiềunhưvậynhưngnhữngcôngtắckhácsẽ
bịhư.
Mộtt
ụđiệncóthểđượcdùngđểgiớihạnđiệnápkickbacknhưtrênhình3.5:
Hình3.5
CácquytắcđểtínhkíchthướctụđiệntrênHình3.5giốngnhưcácquytắctính
kíchthướctụđiệntrênHình3.2nhưnghiệuứngcộnghưởngrấtkhác.Vớimột
độngcơnam
châmvĩnhcửunếutụđiệnhoạtđộngởgầnhaybằngtầnsốcộng
hưởng,momentxonsẽtănggấphailầnmomentxoắnởvậntốcthấp.Đường
congmomentxoắntheov
ậntốcsẽrấtphứctạpnhưtrênHình3.6:
Hình3.6
Hình3.6chothấytạitầnsốcộnghưởngđiện,momentxoắnsẽvọtlênvàtạitần
sốcộnghưởngcơ,momentlạisụtnhanh.Nếutầnsốcộnghưởngđi
ệnlớnhơn
vậnt ốctớihạncủađộngcơsửdụngmạchdẫnđộngdùngdiodởmộtmứcnào
đóthìhiệuứngnàysẽlàmvậntốctớihạngiat
ăngđángkể.
Tầnsốcộnghưởngcơhọcphụthuộcvàomomentxoắn,vìvậynếutầnsốnày
gầnvớitầnsốcộnghưởngđiện,tầnsốcộnghưởng
điệnsẽlàmnóthayđổi.Hơn
nữa,độrộngcủasựcộnghưởngcơhọcphụthuộcvàođộdốccụcbộcủađường
6
cong moment xoắn theo vận tốc. Nếu moment xoắn giảm theo vận tốc, cộng
hưởngsẽrấtdốc,cònnếumomentxoắntăngtheovậntốc,cộnghưởngsẽrộng
ra
thậmchícóthểtáchrathànhnhiềutầngsốcộnghưởngkhácnhau.
Driverđộngcơđơncựcvàbiếntừtrở
Trongcácmạchđiệnởphầntrên,chúngtakhôngquantâmđếncáccôngtắcvà
cáctínhiệuđiềukhiển.BấtkỳkỹthuậtđóngngắtnàotừcầudaođếnMOSFETS
cũngđềudùngđượchết!
Hình3.7làmộtvàicáchmắcchom ỗiloạicôngtắc,bao
gồmcảcuộndâycủađộngcơvàdiodbảovệphụcvụchomụcđíchđóngngắt
kểtrên:
Hình3.7
MỗicôngtắctrênHình3.7đềutươngthíchvớiđầuvàoTTL.Nguồn5Vsửdụng
chomạchlogic,baogồmopen‐collectordriver7407nhưtrênhình.Nguồnđiện
chođộngcơ,thườngtừ5V–24V,
khôngcầnđộchínhxáccao.Tacầnchúýrằng
cácmạchđóngng ắtcácnguồnnàyphảithíchhợpchoviệcdẫnđộngcáccuộn
dây,độngcơDC,cáctảicảmứngkhácvàcả
cácđộngcơbước.
TransistorSK3180trênHình3.7làmộtmạchdarlingtoncôngsuấtcóđộlợidòng
hơn1000,dođódòng10mAquađiệntrởhiệuchỉnh470Ohmsẽđủlớnđểqua
transistorđiềuchỉnhdòng
vàiAmpequacuộndâycủađộngcơ.Bộđệm7407
dùngđiều khiển darlingtonđược thaythế bởi bất kỳ conchip open‐collector
điệnthếcaonàomànócóthểđiềukhiểnởmứctốithiể
u10mA.Ngaycảtrong
trường hợp transistor hư, open collector này sẽ giúp bảo vệ phần còn lại của
mạchlogickhỏinguồncủađộngcơ.
IRCIRL540trênHình3.7làmộtpowerfieldeffecttransistor
.Nócóthểchịu
đượcdòngđiệnlêntới20Avànóbịđánhthủngở100V,dođóconchipnàycó
thểhấpthuđỉnhnhọncủađộtựcảmmàkhôngcầndiodbảovệnếunóđượ
c
gắnvớimộtbộtảnnhiệtđủlớn.Transistornàycóthờigianđóngngắtrấtnhanh
7
nêncácdiodbảovệcũngphảinhanhtươngứnghoặcđượcchianhỏbớicáctụ
điện.Điềunàyđặcbiệtcầnthiếtchocácdiodbảovệtransistorchốnglạiphân
cựcngượ
c.Trongtrườnghợptransistorbịhư,diodzenervàđiệntrở100Ohm
sẽbảovệmạchTTL.Điệntrở100Ohmcònđóngvaitròlàmchậmthờigian
đóngmởcủatransistor.
Đối với nhữngứng dụng mà mỗi cuộn dây củađộng cơ dẫn dòng nhỏ hơn
500mA, mạch darlington họ ULN200x của Allegro Microsystems hoặc họ
DS200xcủaNationalSemiconductorhayMC1413củaMotorolasẽdẫn
độngcho
cuộndâyhoặccáctảicảmứngkháctrựctiếptừtínhiệuvàologic.Hình3.8là
cácngõvàovàngõracủachipULN2003,dãy7transistordarlington:
Hình3.8
ĐiệntrởnềntrênmỗitransistordarlingtonphảithíchhợpvớitínhiệuraTTL
lưỡngcựcchuẩn.CựcphátcủamỗidarlingtonNPNđượcnốivớichân8,làchân
nốiđất.Mỗ
itransistorđượcbảovệbằnghaidiod,mộtnốigiữacựcphátvàcực
thuđểbảovệ transistorkhỏiđiệnápngược,mộtnốicựcthuvớichân9,nếu
chân9nối
vớinguồncủađộngcơthìdiodnàysẽbảovệtransistorkhỏiđỉnh
nhọncủađộtựcảm.
ChipULN2803cũnggiốngnhưchipULN2003môtảởtrênnhưngnócó18chân
và8darlingtonchophépm
ộtchipcóthểdẫnđộngchomộtcặpđộngcơtừtrở
biếnthiênhoặcnamchâmvĩnhcửuđơncực.
Đốivớiđộngcơmàmỗicuộndâydẫndòngnhỏhơn600mA,mạ
chdẫnđộng
quad UDN2547B của Allegro Microsystems sẽ điều khiển cả 4 cuộn dây của
độngcơbướcđơncựcchung.Nếudẫndòngnhỏhơn300mA,tanênchọnmạch
dẫnđộngképSN7451,
7452và7453củaTexasInstruments,cả3loạinàyđềubao
gồmmộtvàimạchlogiccùngvớimạchdẫnđộng.
8
ĐộngcơhaicựcvàmạchcầuH
Mọithứtrởnênphứctạphơnvớiđộngcơbướcnamchâmvĩnhcửulưỡngcực
vìkhôngcóđầunốichungtrêncáccuộndây.Vìthếđểđảochiềucủatừtr ường
sinhra
bởicuộndâytaphảiđảochiềudòng điệnquacuộndây.Tacóthểdùng
mộtcôngtắcképhaicựcđểlàmcộngviệcnày,mạchđiệntươngđươngcủamột
côngtắ
cnhưvậyđượcgọilàcầuHvàđượcmôtảtrênHình3.9:
Hình3.9
Cũngnhưvớimạchdẫnđộngđơncựcđãđềcậpởtrên,cáccôngtắcsửdụng
trongcầuHphảiđượcbảovệkhỏisựvọtđiệnápkhingắtdòngđiệntrongcuộn
dây.Taluônsửdụngdiodchoviệcnày,nhưHình3.9.
CầnchúýrằngcầuHcóthểápdụngkhôngchỉđểđiềukhiểnđộngcơbước
lưỡngcựcmàcònđiềukhiểnđộng
cơDC,hútnhảlõisolenoid(trongpittông
namchâmvĩnhcửu)vànhiềuứngdụngkhác.
Với4côngtắccầuHchotatổhợp16modehoạtđộng,trongđócó7modelàm
ngắnmạch
nguồn.Cácmodesauđâythườngđượcsửdụng:
modethuận:cáccôngtắcAvàDđóng
modengược:cáccôngtắcBvàCđóng
Cácmodenàychophépdòngđiệnđitừnguồnquacuộndây
độngcơvềđất.
Hình3.10minhhọamodethuận:
9
Hình3.10
modesuygiảmnhanhhaymodetrượt:tấtcảcáccôngtắcđềumở
Bấtkỳdòngđiệnnàoquacuộndâysẽchốnglạiđiệnápnguồn,gâysụtáptrên
diodnêndòngđiệnsẽ
bịsuygiảmnhanh.Modenàykhôngtạorahoặctạorarất
íthiệuứnghãmđộnglênrotorcủađộngcơ,dođórotorsẽquaytựdo(trượt)
nếutấtcảcuộndâyđượccấp
nguồntheomodenày.Hình3.11minhhọadòng
điệnngaysaukhichuyểntừmodethuậnsangmodesuygiảmnhanh
Hình3.11
modesuygiảmchậmhaymodehãmđộnglực:
Trongmodenàydòngđiệncóthểchạyvònglạiquacuộndâycủađộngcơvới
điệntrởnhỏnhất.Nhờđódòngđiệnchạytrongcu
ộndâyởmộttronghaimode
nàysẽsuygiảmchậm,vànếurotorđangquay,nósẽsinhramộtdòngđiệncảm
ứngcóvaitrònhưmộtcáihãmrotor.Hình3.12minhhọamộttrongnhi
ềumode
suygiảmchậmcóích,vớicôngtắcDđóng,nếucuộndâymớivừaởmodethuận
thìcôngtắcBcóthểđónghoặcmở:
Hình3.12
10
HấuhếtcáccầuHđượcthiếtkếsaochobaogồmcảmạchlogicdùngđểphòng
ngừangắnmạchnhưngởmứcđộrấtthấptrongthiếtkế.Hình3.13minhhọa
mộtthiế
tkếđượccholàtốtnhất:
Hình3.13
Vớithiếtkếnàytacócácmodeđiềukhiểnsau:
XYABCD Mode
00 0000 fastdecay
01 1001
forward
10 0110
reverse
11 0101 slowdecay
Lợi ích của thiếtkế nàylà tất cả các modeđiều khiển có íchđược giữ lại và
chúngđượcmãhóavớimột số bit tốithiểu‐điều này rấtquantrọngkhisử
dụngvixửlýhaymáytínhđểđiềukhiểncầuHvìcáchệthốngnhưvậychỉcó
sẵnmộtsốbithữuhạnởcổngsongsong.Tuynhiênchỉvàiconchiptíchhợp
cầuH
cósẵntrênthịtrườnglàcósơđồđiềukhiểnđơngiản.
Mạchđiềukhiểnđộngcơhaicựcthựctế
CómộtsốdrivertíchhợpcầuHtrênthịtrườngnhưngvẫncầnxemsựthựcthi
từng thành phần rời rạcđểhiểu một cầu H làm việc như thế nào. Antonio
Raposo(
ajr@cybill.inesc.pt)đãđềnghịmạchcầuHnhưtrênHình3.14:
. Mạchdẫnđộnglưỡngcựctrongthựctế
Giớithiệu
Phầnnàycủagiáotrìnhtrìnhbàyvềmạchdẫnđộngkhâucuốicủađộngcơ
bước.Mạchnàytậptrungvàomộtmạchphátđơn,đóngngắtdòngđiệntrong
cuộndâycủađộngc
ơ,đồngthờiđiềukhiểnchiềudòngđiện.Mạchđiệnđược
nốitrựctiếpvớicuộndâyvàcấpnguồncủađộngcơ,mạchđượcđiềukhiểnbởi
một
hệthốngsốquyếtđịnhkhinàocôngtắcđónghayngắt.
Phầnnàycũngnóiđếncácloạiđộngcơ,từmạchđiệncơbảnđiềukhiểnđộngcơ
biếnthiêntừtrởđếnmạch
cầuHđểđiềukhiểnđộngcơnamchâmvĩnhcửu
lưỡngcực.Mỗiloạimạchdẫnđộngđượcminhhọabằngvídụcụthể,tuynhiên
nhữngvídụnàykhôngphảilà
mộtcatalogđầyđủcácmạchđiềukhiểncósẵn
trênthịtrường,nhữngthôngtinnàycũngkhôngphảiđểthaythếbảngdữ liệu
vềchitiếtcủanhàsảnxuất.
Phầnnàychỉđư
aramạchđiềukhiểnđơngiảnnhấtcủat
Ngày đăng: 26/01/2014, 02:20
Xem thêm: Tài liệu Các mạch điều khiển động cơ bước cơ bản doc, Tài liệu Các mạch điều khiển động cơ bước cơ bản doc