Bài giảng Động cơ bước - Stepping motor

Động cơ bước - Stepping motor 1. Mở đầu 2. Phân loại động cơ bước 3. Mạch điều khiển động cơ bước 4. Hạn chế dòng điện By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước - Mở đầu Lợi ích sử dụng động cơ bước:  Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò...) có thể gây nguy hiểm.  Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn. Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ. Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor.  Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo).  Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển. Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được). Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay. By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Phân loại Động cơ bước với rotor là nam châm vĩnh cửu Động cơ loại đơn cực (Unipolar), thường có 6 đầu ra. Đầu 1,2 thường được nối với cực dương, hai đầu a và b có thể được nối xuống đất hoặc không sẽ quyết định chiều quay của động cơ. + Khi mất nhãn mác, khi quay trục động cơ bước có rotor là nam châm vĩnh cửu ta sẽ thấy vướng theo chu kỳ răng cưa.Trong khi đó, nếu là động cơ từ trở sẽ thấy trơn. + Cũng có thể phân biệt bằng đồng hồ vạn năng. Động cơ từ trở thường có 3-4 cuộn dây được đấu chung GND trong khi động cơ nam châm vĩnh cửu thì không. Động cơ loại lưỡng cực (Bipolar), thường có 4 đầu ra. Về cấu tạo đơn giản hơn nhưng khó cho điều khiển vì phải đảo chiều dòng điện qua cuộn dây a,b. By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Phân loại Động cơ bước kiểu từ trở Thông thường có ba hoặc bốn cuộn dây đấu chung một đầu. Đầu chung được nối với nguồn dương, các đầu còn lại lần lượt cho thông với đất để quay rotor. Trên hình vẽ, rotor có 4 răng và stator có 6 cực. Mỗi cuộn dây sẽ được quấn trên hai cực đối nhau. Vì vậy, giả sử, khi cấp điện cho cực 1 (stator), rotor sẽ quay cực gần nhất (X) để răng thẳng với cực 1. Cắt điện cuộn số 1, tiếp tục cấp điện cho cuộn 2, rotor sẽ quay răng tiếp sau (Y) cho thẳng với cực 2. Cứ như vậy điều khiển quay rotor. Nguyên lý: By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Mạch điều khiển Sơ đồ điều khiển cơ bản - động cơ từ trở Điện áp được cấp qua các khoá chuyển để nuôi các cuộn dây, tạo ra từ trường làm quay rotor. Các khoá ở đây không cụ thể, có thể là bất cứ thiết bị đóng cắt nào điều khiển được như rơle, transitor công suất... Tín hiệu điều khiển có thể được đưa ra từ bộ điều khiển như vi mạch chuyên dụng, máy tính. By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước - diode VẤN ĐỀ BẢO VỆ KHOÁ CHUYỂN Do cuộn dây động cơ có tính chất cảm nên không thể đóng cắt dòng qua cuộn dây ngay lập tức. Khi đóng, dòng trong cuộn dây tăng từ từ, trễ so với áp. Khi mở khoá, dòng này có thể gây lên một điện áp lớn đánh thủng tiếp điểm của khoá. Để tránh vấn đề này có hai phương cách giải quyết: + Mắc vào hai đầu cuộn dây một diode ngược + Mắc vào hai đầu cuộn dây một tụ điện C1: Diode đảm bảo dẫn dòng qua trong một thời gian ngắn. Nếu dùng diode thường, loại 1N400x cần mắc song song thêm một tụ nhỏ. C2: Khi mở khoá, năng lượng trong cuộn dây sẽ được nạp vào tụ. Điện áp trên bản cực tụ cao hơn điện áp nguồn và phải đảm bảo nhỏ hơn điện áp chịu đựng của khoá chuyển. Từ đó có công thức tính tụ bảo vệ như trên. Khi khoá đóng, áp từ tụ xả qua khoá và khoá cũng cần chịu được điện áp này. By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Uninpolar ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC ĐƠN CỰC By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Practical Mạch điều khiển thực tế cho động cơ bước Khoá chuyển mạch dùng là transitor SK3180 với hệ số khuếch đại khoảng 1000 lần. Với điện trở bazơ là 470 Ohm, dòng bazơ khoảng 10 mili Ampe, nghĩa là có thể cho dòng qua cuộn dây đạt vài Ampe. Có thể thay 74LS04 bằng một phần tử logic khác có cấu tạo collector hở, chịu được dòng qua khoảng 10 mili Ampe. Khi khoá chuyển có sự cố, dòng từ tải không “chảy” quay lại mạch điều khiển. By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Practical + MOSFET ( Metal Oxit Semiconductor Field Effect Transitor): Điều khiển bằng điện áp,Ron nhỏ, tự ngắt ở điện áp source-drain quá cao, có thể bật tắt với tốc độ cao, hoàn toàn tuyến tính. MOSFET IRC IRL 540 có thể dẫn dòng lên tới 20 Ampe và tự ngắt tại điện áp 100V. Điều này dẫn đến việc không cần phải có diode bảo vệ khi gắn switch với một phiến tản nhiệt phù hợp. Trên mạch còn một diode ổn áp 5.1 V, một điện trở 100 Ohm. Trong trường hợp transitor bị hỏng, áp ngược không thể vượt quá cao làm hỏng các linh kiện TTL của mạch điều khiển. Với điều khiển động cơ chỉ cần dòng qua cuộn dây cỡ 500 mili Ampe, có thể dùng IC loại dãy darlington collector hở: + ULN2003, ULN2803 ( Allegro Microsystem) + DS2003 (National Semiconductor), MC1413 ( Motorola) By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Practical IC họ ULN200x có đầu vào phù hợp TTL, các đầu emitor được nối với chân 8. Mỗi transitor darlington được bảo vệ bởi hai diode. Một mắc giữa emitor tới collector chặn điện áp ngược lớn đặt lên transitor. Diode thứ hai nối collector với chân 9. Nếu chân 9 nối với cực dương của cuộn dây, tạo thành mạch bảo vệ cho transitor. By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Bipolar ĐIỀU KHIỂN MOTOR LƯỠNG CỰC VỚI CẦU H Motor bước lưỡng cực trên cuộn dây không có điểm giữa nên khi đảo chiều quay động cơ gặp khó khăn. Để đảo được chiều từ trường sinh ra trong cuộn dây ( cũng có nghĩa đảo chiều dòng điện) phải dùng một cấu trúc gọi là cầu H Với 4 khoá A,B,C,D có thể thiết lập được 16 chế độ trong đó 7 chế độ ngắn mạch nguồn Thông thường sử dụng A,D đóng trong chế độ thuận và B,C đóng trong chế độ ngược By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Bipolar CHẾ ĐỘ HÃM Cặp khoá A,D đóng, cặp khoá B,C mở, dòng chảy qua cuộn dây theo chiều mũi tên Nếu mở nhanh hai khoá A,D dòng tiếp tục duy trì dòng cũ và đi qua hai diode. Với tác dụng của áp nguồn với đất, dòng sẽ tắt rất nhanh, khi đó rotor vẫn quay. Nếu chỉ khoá khoá A còn vẫn để D như cũ, dòng điện vẫn khép kín qua cuộn dây như hình vẽ. Do điện trở nhỏ của cuộn dây, dòng sẽ duy trì trong một thời gian giảm dần và có tác dụng tạo nên một phanh hãm động, kéo rotor dừng lại. By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Bipolar CHỐNG NGẮN MẠCH Một vấn đề rất đáng lưu tâm khi điều khiển động cơ loại lưỡng cực là vấn đề chống ngắn mạch. Giữa AB ( cũng như CD) phải có một liên động về điện. Dưới đây là một minh hoạ Giảm dòng nhanh Chạy thuận By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Practical MỘT MẠCH CẦU H THỰC TẾ Sơ đồ có đầu vào TTL, có thể điều khiển bởi một đầu collector hở như đã trình bày. Khi một trong hai tín hiệu X hoặc Y ở mức cao, đầu còn lại ở mức thấp, hai transitor chéo nhau sẽ đóng dẫn dòng qua cuộn dây. Khi cả hai ở mức thấp, hai transitor phía trên sẽ hở, khi cả hai ở mức cao, hai transitor phía dưới sẽ mở và như vậy cả hai trường hợp 00, 11 đều đặt mạch vào chế độ phanh động. By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Practical MỘT MẠCH ĐƠN GIẢN HƠN Cũng có thể điều khiển động cơ bước lưỡng cực loại nhỏ bằng IC TTL ba trạng thái ( vẫn dùng điều khiển đường bus) như 74LS125 hay 74LS244 Mạch hoạt động tốt với cuộn dây có điện trở khoảng 50 Ohm với điện áp sụt khoảng 4.5V ( nguồn nuôi 5V). Cách mắc như trên cho phép dòng tăng lên gấp đôi (qua cuộn dây) so với dòng mà IC có thể dẫn. By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Practical DÙNG IC CHUYÊN DỤNG L293: Phải mắc thêm cầu diode bên ngoài. L293D: Đã có sẵn cầu diode bên trong. SGS-Thompson - Để tản nhiệt cho IC có thể thiết kế chân GND rộng hay gắn thêm một phiến tản nhiệt - Dòng chịu được lên tới 3A By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Practical Chip L298 cũng có thể dùng điều khiển động cơ có dòng qua cuộn dây chừng 2A. Để nâng dòng lên khoảng 4A, giống như trong trường hợp dùng 74LS244 ta mắc song song hai đầu ra như sơ đồ bên phải. Một điều đáng lưu ý với chip này là tốc độ switch rất nhanh, đến mức diode loại thường như 1N4007 không kịp dẫn. Vì vậy, phải dùng diode nhanh hơn. Tương đương với L298 có LMD18200 của National Semiconductor. By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Practical Các IC dùng tạo thành cầu H Khi không có được những IC chuyên biệt cho việc cầu H, có thể ghép từ các IC nửa cầu H trong danh mục sau: IR2001, IR2002, IR 2003, IR2004, IR2111. Có thể sử dụng chip chuyên dụng cho điều khiển ba pha nhưng bỏ bớt nhánh để tạo cầu điều khiển. TA7288P, GL7438, TA 8400, TA8405 By Lê Anh Tuấn 12/2002 Động cơ bước-Vấn đề dòng điện By Lê Anh Tuấn 12/2002