Điều khiển động cơ bước

[pdf]0B6XQ-cUgiCjuR0NMc21IWmo0RWc[/pdf]
Các loại động cơ bước

Phần 1: Động cơ bước dịch bởi Đoàn Hiệp

• Giới thiệu

• Động cơ biến từ trở

• Động cơ đơn cực

• Động cơ hai cực

• Động cơ nhiều pha

Giới thiệu

Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (cũng có

loại động cơ hỗn hợp nữa, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam châm

vĩnh cửu). Nếu mất đi nhãn trên động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại

động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng. Động cơ nam

châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của

chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm

thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Bạn cũng có

thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế. Động cơ biến từ trở thường có 3

mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường

có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm. Nút trung tâm được

dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực.

Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi

bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8

độ đến 0.72 độ mỗi bước. Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam

châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ

điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước.

Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một

mấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và

sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment

xoắn giữ (hold torque) của động cơ.

2

Động cơ biến từ trở

Hình 1.1

Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình 1.1, với một

đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hẳn là một động cơ biến từ trở.

Khi sử dụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và

các cuộn được kích theo thứ tự liên tục.

Dấu thập trong hình 1.1 là rotor của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước.

Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai

cực đối diện. Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1. Nếu

dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 30 độ theo

chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2.

Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân

phiên cho 3 cuộn. Theo logic đặt ra, trong bảng dưới đây 1 có nghĩa là có dòng

điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim

đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng:

Cuộn 1 1001001001001001001001001

Cuộn 2 0100100100100100100100100

Cuộn 3 0010010010010010010010010

thời gian ‐‐>

Phần Điều khiển mức trung bình cung cấp chi tiết về phương pháp tạo ra các

dãy tín hiệu điều khiển như vậy, và phần Các mạch điều khiển bàn về việc

đóng ngắt dòng điện qua các cuộn để điều khiển động cơ từ các chuỗi như thế.

Hình dạng động cơ được mô tả trong hình 1.1, quay 30 độ mỗi bước, dùng số

răng rotor và số cực stator tối thiểu. Sử dụng nhiều cực và nhiều răng hơn cho

phép động cơ quay với góc nhỏ hơn. Tạo mặt răng trên bề mặt các cực và các

răng trên rotor một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ đến vài độ.

3

Động cơ đơn cực

Hình 1.2

Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc

8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 1.2, với một đầu nối trung tâm trên

các cuộn. Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương

nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ

trường tạo bởi cuộn đó.

Sự khác nhau giữa hai loại động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực và động cơ hỗn

hợp đơn cực không thể nói rõ trong nội dung tóm tắt của tài liệu này. Từ đây,

khi khảo sát động cơ đơn cực, chúng ta chỉ khảo sát động cơ nam châm vĩnh cửu,

việc điều khiển động cơ hỗn hợp đơn cực hoàn toàn tương tự.

Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và

bên trái động cơ. Rotor là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và 3 Bắc,

xếp xen kẽ trên vòng tròn.

Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng hơn.

Động cơ 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ nam

châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5 độ là khá

lớn. Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là

1.8 độ và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.6 độ đến

1.8 độ, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.72 độ.

Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra

cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở

mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay động cơ

một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy.

4

Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110011001

Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110

Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100

Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011

thời gian ‐‐> thời gian ‐‐>

Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai

dãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời

điểm. Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong

hình trên; vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho

cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoắy lớn hơn dãy bên

trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần.

Phần Điều khiển mức trung bình trong tài liệu này sẽ cung cấp chi tiết về

phương pháp tạo ra những dãy tín hiệu điều khiển như vậy, còn phần Các mạch

điều khiển nói về mạch đóng ngắt các mạch điện cần thiết để điều khiển các

mấu động cơ từ các dãy điều khiển trên.

Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả, kết hợp 2

chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một cách lần

lượt tại những vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên. Chuỗi kết hợp như sau:

Mấu 1a 11000001110000011100000111

Mấu 1b 00011100000111000001110000

Mấu 2a 01110000011100000111000001

Mấu 2b 00000111000001110000011100

Thời gian ‐‐>

5

Động cơ hai cực

Hình 1.3

Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí giống y

như động cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn,

không có đầu trung tâm. Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng

mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn. Minh

hoạ ở hình 1.3 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở đây giống y

như ở hình 1.2.

Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi mấu;

điều này sẽ được bàn chi tiết trong phần Các mạch điều khiển. Tóm lại, một cầu

H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mấu được điều khiển một cách

độc lập. Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loại động cơ này được nêu

bên dưới, dùng + và ‐ để đại diện cho các cực của nguồn áp được áp vào mỗi

đầu của động cơ:

Đầu 1a + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐

Đầu 1b ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + +

Đầu 2a ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐

Đầu 2b ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ +

thời gian ‐‐>

Chú ý rằng những dãy này giống như trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn

cực, ở mức độ lý thuyết, và rằng ở mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điều

khiển cho hai loại động cơ này là giống nhau.

Chú ý khác là có rất nhiều chip điều khiển cầu H có một đầu vào điều khiển đầu

ra và một đầu khác để điều khiển hướng. Có loại chip cầu H kể trên, dãy điều

khiển dưới đây sẽ quay động cơ giống như dãy điều khiển nêu phía trên:

6

Enable 1 1010101010101010 1111111111111111

Hướng 1 1x0x1x0x1x0x1x0x 1100110011001100

Enable 2 0101010101010101 1111111111111111

Hướng 2 x1x0x1x0x1x0x1x0 0110011001100110

thời gian ‐‐>

Để phân biệt một động cơ nam châm vĩnh cửu hai cực với những động cơ 4 dây

biến từ trở, đo điện trở giữa các cặp dây. Chú ý là một vài động cơ nam châm

vĩnh cửu có 4 mấu độc lập, được xếp thành 2 bộ. Trong mỗi bộ, nếu hai mấu

được nối tiếp với nhau, thì đó là động cơ hai cực điện thế cao. Nếu chúng được

nối song song, thì đó là động cơ hai cực dùng điện thế thấp. Nếu chúng được nối

tiếp với một đầu trung tâm, thì dùng như với động cơ đơn cực điên thế thấp.

Động cơ nhiều pha

Hình 1.4

Một bộ phận các động không được phổ biến như những loại trên đó là động cơ

nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vòng kín như

hình 1.4. Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha.

Bộ điều khiển cần 1⁄2 cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động

cơ này có thể cung cấp moment xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước khác

cùng kích thước. Một vài động cơ 5 pha có thể xử lý cấp cao để có được bước

0.72 độ (500 bước mỗi vòng).Với một động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước

mỗi vòng bước, như trình bày dưới đây:

7

Đầu 1 + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + +

Đầu 2 ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐

Đầu 3 + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + +

Đầu 4 + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐

Đầu 5 ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ + + + + + ‐

thời gian ‐‐>

Ở đây, giống như trong trường hợp động cơ hai cực, mỗi đầu hoặc được nối vào

cực dương hoặc cực âm của hệ thống cấp điện động cơ. Chú ý rằng, tại mỗi bước,

chỉ có một đầu thay đổi cực. Sự thay đổi này làm ngắt điện ở một mấu nối vào

đầu đó (bởi vì cả hai đầu của mấu có cùng điện cực) và áp điện vào một mấu

đang trong trạng thái nghỉ trước đó. Hình dạng của động cơ được đề nghị như

hình 1.4, dãy điều khiển sẽ điều khiển động cơ quay 2 vòng.

Để phân biệt động cơ 5 pha với các loại động cơ có 5 dây dẫn chính, cần nhớ

rằng, nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếp của một động cơ 5 pha là R, thì điện trở

giữa hai đầu không liên tiếp sẽ là 1.5R.

Và cũng cần ghi nhận rằng một vài động cơ 5 pha có 5 mấu chia, với 10 đầu dây

dẫn chính. Những dây này có thể nối thành hình sao như hình minh hoạ trên, sử

dụng mạch điều khiển gồm 5 nửa cầu H, nói cách khác mỗi mấu có thể được

điều khiển bởi một vòng cầu H đầy đủ của nó. Để tránh việc tính toán lý thuyết

với các linh kiện điện tử, có thể dùng chip mạch cầu tích hợp đầy đủ để tính

toán gần đúng.

8

Tóm tắt chương

Qua chương này, các bạn đã có thể phân biệt các loại động cơ như động cơ biến

từ trở, động cơ đơn cực, động cơ hai cực, và động cơ nhiều pha dựa vào cảm

nhận bằng tay khi quay rotor và dùng Ohm kế.

Việc phân biệt các cặp đầu ra của các cuộn dây cũng có thể suy ra từ việc dùng

Ohm kế để đo các đầu dây. Tuy nhiên, việc xác định cặp dây ra của từng cuộn

dây trong động cơ đơn cực hơi khó khăn hơn một chút.

Để phân biệt hai cặp dây của động cơ đơn cực 5 dây, trước tiên chúng ta dùng

Ohm kế để xác định dây nối trung tâm. Áp điện áp xoay chiều vào dây trung

tâm và một trong 4 dây còn lại. Dùng Volt kế xoay chiều đo điện áp giữa dây nối

trung tâm và 3 dây còn lại. Chúng ta sẽ thấy rằng điện áp giữa dây trung tâm

với 2 trong 3 dây còn lại đó gần như bằng không, và với dây thứ ba thì gần như

bằng điện áp xoay chiều áp vào động cơ. Như vậy, hai dây cho điện áp gần bằng

0 là một cặp, hai dây còn lại sẽ là cặp thứ hai.

Lời khuyên:

‐ Khi dùng Ohm kế để đo, nhớ ghi chú và vẽ ngay lại cách nối dây trong

động cơ để tránh nhầm lẫn về sau

‐ Các dây nối trung tâm luôn được nối với nguồn dương trong mạch điều

khiển (kể cả động cơ biến từ trở và động cơ đơn cực)

‐ Điện áp xoay chiều dùng để phân biệt các cặp dây trong động cơ đơn cực

phải đủ nhỏ để không làm hư động cơ. Điện áp đỉnh của dòng xoay chiều

phải nhỏ hơn điện áp ngưỡng của động cơ. Thông thường, với động cơ

24VDC, và 12VDC tôi thường dùng 9VAC và 6VAC để thí nghiệm.

‐ Luôn ghi nhớ rằng động cơ bước là động cơ điện một chiều

Bài tập:

Tự viết ra (hoặc làm thí nghiệm thực tế) tất cả các trường hợp để phân biệt tất cả

các loại động cơ kể trên và phân biệt các dây nối động cơ của từng loại khi chỉ có

Ohm kế và Volt kế.

Làm thế nào để biết điện áp ngưỡng của động cơ mình đang có?

9

Trang này bỏ trống để ghi chú

1

Vật lý học động cơ bước

Phần 2: Động cơ bước dịch bởi Đoàn Hiệp

• Giới thiệu

• Tĩnh học

• Điều khiển nửa bước và vi bước

• Lực ma sát và vùng chết

• Động lực học

• Cộng hưởng

• Sống chung với cộng hưởng

• Vận tốc moment xoắn cản

• Vấn đề về điện từ

Giới thiệu

Khi nói về các đại lượng vật lý, việc chú ý đến đơn vị đo được dùng là rất quan

trọng! Trong phần trình bày này về động cơ bước cũng vậy, chúng ta sẽ nhắc lại

các đơn vị vật lý tiêu chuẩn:

English CGS MKS

KHỐI LƯỢNG slug gram kilogram

LỰC pound dyne newton

KHOẢNG CÁCH foot centimeter meter

THỜI GIAN second second second

GÓC radian radian radian

Theo bảng trên, lực một pound sẽ gia tốc cho một khối lượng một slug là một

foot trên một giây bình phương. Mối quan hệ này giữa đơn vị của lực, khối

lượng và thời gian và khoảng cách trong các hệ đơn vị đo khác cũng giống như

vậy. Người ta thường lẫn lộn góc thì đo bằng độ và khối lượng lại đo bằng

pound rồi lực lại tính bằng kilograms sẽ làm thay đổi kết quả đúng của các công

thức dưới đây! Cẩn thận khi biến đổi những đơn vị không chính quy thành các

đơn vị tiêu chuẩn được liệt kê trên đây trước khi áp dụng các công thức tính

toán!

2

Tĩnh học

Cho một động cơ quay S radian mỗi bước, biểu đồ moment xoắn theo vị trí góc

của rotor so với vị trí cân bằng ban đầu sẽ có dạng gần đúng hình sin. Hình

dạng thực tế của biểu đồ phụ thuộc vào hình dạng các cực của rotor và stator,

nhưng trong bảng thông số (datasheet) của động cơ lại không có biểu đồ này, và

cũng không trình bày hình dạng các cực! Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và

động cơ hỗn hợp, biểu đồ moment theo vị trí góc rotor thường giống như hình

sin, nhưng cũng không hẳn vậy. Đối với động cơ biến từ trở, đường này giống

hình sin một chút, hình thang một chút nhưng cũng không hẳn là hình răng cưa.

Đối với động cơ 3 mấu biến từ trở hoặc nam châm vĩnh cửu có góc bước S, chu

kỳ của moment so với vị trí sẽ là 3S; hay một động cơ 5 pha, chu kỳ sẽ là 5S. Đối

với động cơ 2 mấu nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp, loại phổ biến nhất, chu kỳ

sẽ là 4S, như được mô tả trong Hình 2.1

Hình 2.1

Nhắc lại, đối với một động cơ nam châm vĩnh cửu 2 mấu lý tưởng, đường cong

này có thể mô tả toán học như sau:



T = ‐h sin( (( /2) / S) )

trong đó

T ‐‐ moment xoắn (torque)

h ‐‐ moment xoắn giữ (holding torque)

S ‐‐góc bước, tính bằng radian (step angle)

= góc trục (shaft angle)

Nhưng nhớ rằng, thường thì đường biểu đồ thực không bao giờ có dạng hình

sin lý tưởng như trên.

Moment xoắn giữ (holding torque) trên một mấu (winding) của động cơ bước là

giá trị đỉnh của moment xoắn trên biểu đồ khi dòng qua một mấu đạt giá trị lớn

nhất. Nếu cố tăng giá trị moment xoắn lên cao hơn giá trị đỉnh trong khi vẫn giữ

nguyên điện áp kích ở một mấu, rotor sẽ quay tự do.

3

Đôi khi việc phân biệt giữa góc trục điện và góc trục cơ là việc làm cần thiết. Về

mặt cơ, một vòng quay của rotor sẽ là 2 rad. Về phương diện điện, một vòng

được định nghĩa là một chu kỳ của đường cong moment xoắn đối với góc trục.

Trong tài liệu này, sẽ dùng để chỉ góc trục cơ, và (( /2)/S) để chỉ góc trục

điện của một động cơ 4 bước/vòng.

Cho rằng đường cong moment xoắn so với vị trí góc gần đúng hình sin. Chừng

nào mà moment xoắn còn bằng moment xoắn giữ, rotor sẽ vẫn nằm trong 1⁄4 chu

kỳ so với vị trí cân bằng. Đối với một động cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp

hai mấu, điều này có nghĩa là rotor sẽ giữ nguyên vị trí so với vị trí cân bằng

trong phạm vi một bước.

Nếu không có nguồn cấp vào các mấu động cơ, moment xoắn sẽ không bao giờ

giảm xuống 0! Trong các động cơ bước biến từ trở, từ trường dư trong mạch từ

của động cơ có thể tạo ra một moment xoắn dư nhỏ, và trong các động cơ nam

châm vĩnh cửu và hỗn hợp, lực hút giữa các cực và từ trường vĩnh cửu của rotor

có thể tạo ra một moment xoắn đáng kể mà không cần nguồn áp.

Moment xoắn dư trong một động cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp thường

được gọi là moment xoắn trên răng của động cơ, bởi vì một người khờ khạo sẽ

nghĩ rằng có một kết cấu cơ khí dạng mấu răng nằm ở bên trong động cơ giữ

rotor lại. Thông thường, moment xoắn trên răng biễu diễn theo góc rotor không

có dạng hình sin, ở một vị trí cân bằng tại mỗi bước và một biên độ lớn hơn

khoảng 10% moment xoắn giữ của động cơ, nhưng nhìn chung các động cơ từ

các nhà sản xuất cho ra giá trị cao đến 23% đối với động cơ nhỏ và dưới 26% đối

với động cơ cỡ trung bình.

Điều khiển nửa bước và vi bước

Miễn là không có phần nào của mạch từ bão hòa, thì việc cấp điện đồng thời cho

hai mấu động cơ sẽ sinh ra một moment xoắn theo vị trí là tổng của các moment

xoắn đối với hai mấu động cơ riêng lẻ. Đối với động cơ hai mấu nam châm vĩnh

cửu hoặc hỗn hợp, hai đường cong này sẽ là S radians khác pha, và nếu dòng

qua hai mấu bằng nhau, đỉnh của tổng sẽ nằm ở vị trí S/2 radians kể tử đỉnh của

đường cong gốc, như ở Hình 2.2

4

Hình 2.2

Đấy là cơ bản của điều khiển nửa bước. Moment xoắn giữ là đỉnh của đường

cong moment xoắn kết hợp khi hai mấu có cùng dòng lớn nhất đi qua. Đối với

động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp thông thường, moment xoắn giữ hai

mấu sẽ là:

h2 = 20.5 h1

trong đó:

h1 – moment xoắn giữ trên một mấu

h2 – moment xoắn giữ hai mấu

Điều này cho thấy rằng không có phần nào trong mạch từ bão hoà và moment

xoắn theo đường cong vị trí đối với mỗi mấu là hình sin lý tưởng.

Hầu hết các bảng hướng dẫn động cơ nam châm vĩnh cửu và biến từ trở đều chỉ

ra moment xoắn giữ hai mấu mà không có đưa ra moment xoắn giữ trên một

mấu; phần nào, có lẽ vì nó sẽ chiếm nhiều giấy hơn, và phần nào cũng vì hầu hết

các bộ điều khiển đủ bước thông thường luôn áp điện áp vào cả hai mấu cùng

lúc.

Nếu bất kỳ phần nào trong mạch từ của động cơ bị bão hoà, hai đường cong

moment xoắn sẽ không thể cộng tuyến tính với nhau. Kết qủa là moment tổng

hợp có thể không nằm chính xác tại vị trí S/2 kể từ vị trí cân bằng ban đầu.

Điều khiển vi bước cho phép các bước nhỏ hơn bằng việc dùng các dòng khác

nhau qua hai mấu động cơ, như vẽ trên Hình 2.3:

Hình 2.3

5

Đối với một động cơ hai mấu biến từ trở hoặc nam châm vĩnh cửu, cho rằng các

mạch từ không bão hoà và các đường cong moment xoắn trên mỗi mấu theo vị

trí là một hình sin hoàn hảo, công thức dưới đây đưa ra những đặc tính chủ chốt

của đường cong moment xoắn tổng hợp:

h = ( a2 + b2 )0.5

x = ( S / ( /2) ) arctan( b / a )

trong đó:

a – moment xoắn áp trên mấu với vị trí cân bằng tại 0 radians

b – moment xoắn áp trên mấu với vị trí cân bằng tại S radians

h – moment xoắn giữ tổng hợp

x ‐‐ vị trí cân bằng tính theo radians

S – góc bước, tính theo radians.

Khi không có bão hoà, các moment xoắn a và b tỉ lệ với dòng đi qua các mấu

tương ứng. Điều này rất thông dụng khi làm việc với các dòng và moment xoắn

bình thường, để moment xoắn giữ mấu đơn hoặc dòng cực đại được chấp nhận

trong một mấu động cơ là 1.0.

Ma sát và vùng chết

Đường cong moment xoắn so với vị trí được chỉ ra trong Hình 2.1 không tính

đến moment xoắn động cơ để thắng lực ma sát! Chú ý rằng các lực ma sát có thể

được chia thành hai loại lớn, lực ma sát nghỉ là lực ma sát trượt, cần phải có một

moment xoắn đủ lớn để thắng lại nó, không kể đến vận tốc và ma sát động học

hay lực nhớt, hoặc các cản trở khác không phụ thuộc vận tốc. Ở đây, chúng ta

quan tâm đến lực ma sát nghỉ. Cho rằng moment xoắn cần thiết để thắng lực ma

sát nghỉ trong hệ là 1⁄2 giá trị đỉnh moment xoắn của motor, như miêu tả trong

Hình 2.4.

Hình 2.4

Đường gạch đứt trong hình 2.4 chỉ ra moment xoắn cần thiết để thắng ma sát,

chỉ có một phần đường cong moment xoắn bên ngoài đường gạch đứt là làm cho

rotor chuyển động. Đường cong chỉ ra moment xoắn hiệu quả khi có ma sát trục

không giống những đường cong này, Hình 2.5:

6

Hình 2.5

Chú ý rằng tác dụng của lực ma sát gồm hai phần. Đầu tiên, tổng moment xoắn

hiệu quả để quay tải bị giảm, thứ hai, có một vùng chết nằm ở mỗi vị trí cân

bằng của động cơ lý tưởng. Nếu rotor động cơ được đặt tại bất cứ đâu trong

vùng chết đối với vị trí cân bằng tức thời, moment xoắn ma sát sẽ vượt quá

moment xoắn tác dụng bởi các mấu động cơ, rotor sẽ không di chuyển. Cho rằng

một đường cong hình sin lý tưởng giữa moment xoắn và vị trí khi không có ma

sát, độ rộng góc của những vùng chết sẽ là:

d = 2 ( S / ( /2) ) arcsin( f / h ) = ( S / ( /4) ) arcsin( f / h )

trong đó:

d ‐‐ độ rộng vùng chết tính bằng radians

S – góc bước tính bằng radians

f – moment xoắn cần thiết để thắng lực ma sát

h – moment xoắn giữ

Điều quan trọng phải ghi chú về vùng chết là nó giới hạn độ chính xác vị trí sau

cùng! Một ví dụ, khi lực ma sát nghỉ là 1/2 giá trị đỉnh moment xoắn, một động

cơ bước mỗi bước 90° sẽ có vùng chết là 60°! Điều đó có nghĩa là các bước hiệu

quả sẽ dao động trong khoảng 30° đến 150°, tuỳ thuộc vào rotor dừng ở đâu

trong vùng chết sau mỗi bước!

Sự xuất hiện của vùng chết có một ảnh hưởng rất lớn đến việc điều khiển vi

bước thực tế! Nếu vùng chết rộng x°, thì việc điều khiển vi bước với độ rộng một

bước nhỏ hơn x° có thể sẽ không làm cho rotor quay được một chút nào. Vì vậy,

đối với các hệ thống định dùng điều khiển vi bước có độ phân giải cao, việc

giảm thiểu ma sát nghỉ là rất quan trọng.

Động lực học

Mỗi lần bạn quay động cơ một bước, bạn di chuyển rotor khỏi vị trí cân bằng S

radians. Điều này di chuyển toàn bộ đường cong được miêu tả trong hình 2.1

một khoảng cách S radians, như Hình 2.6:

7

Hình 2.6

Điều đầu tiên ghi nhận về quá trình quay một bước là giá trị ngẫu lực hiệu dụng

lớn nhất đạt tại giá trị nhỏ nhất khi roto đang quay nửa đường từ bước này sang

bước kế tiếp. Giá trị nhỏ nhất này xác định moment xoắn động (running torque),

giá trị moment xoắn lớn nhất của động cơ có thể đạt được khi nó bước tới trước

rất chậm. Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu hai mấu thông thường với những

đường cong hình sin lý tưởng của moment xoắn so với vị trí và moment xoắn

giữ h, giá trị moment xoắn động sẽ là h/(20.5). Nếu động cơ được quay bằng cách

cấp điện cho hai mấu cùng lúc, moment xoắn động của một động cơ nam châm

vĩnh cửu hai mấu lý tưởng sẽ bằng moment xoắn giữ loại một mấu.

Cũng nên ghi nhận rằng ở một tốc độ bước cao, moment xoắn động đôi khi

được định nghĩa như là moment kéo ra (pull‐out torque). Nghĩa là, nó là moment

xoắn lớn nhất mà động cơ có thể vượt qua để quay tải từ bước này sang bước

tiếp trước khi tải bị kéo ra khỏi vị trí bước bởi lực ma sát. Một vài hướng dẫn

động cơ định nghĩa một moment xoắn thứ hai là moment xoắn kéo vào (pull‐in

torque). Nó là moment xoắn ma sát cực đại mà động cơ có thể vượt qua để gia tốc

một tải đang đứng yên đến một tốc độ đồng bộ (vận tốc điều khiển mong

muốn). Moment xoắn kéo vào được nêu trong các tài liệu sử dụng động cơ bước

là giá trị không chính xác, bởi vì moment xoắn kéo vào phụ thuộc vào moment

ban đầu của tải được sử dụng khi chúng được đo, và một vài bảng hướng dẫn

động cơ chỉ ra giá trị này.

Trong thực tế, luôn có lực ma sát, vì thế, sau khi vị trí cân bằng quay một bước,

rotor giống như dao động nhỏ xung quanh vị trí cân bằng mới. Quỹ đạo kết qủa

có thể tương tự như trong Hình 2.7:

Hình 2.7

Ở đây, quỹ đạo của vị trí cân bằng được biểu diễn bằng đường gạch đứt, trong

khi đó, đường cong trên hình là quỹ đạo của rotor động cơ.

8

Cộng hưởng

Tần số cộng hưởng của rotor động cơ phụ thuộc vào biên độ của dao động;

nhưng khi biên độ giảm, tần số dao động sẽ tăng đến một tần số mà biên độ nhỏ

còn xác định được. Tần số này phụ thuộc vào góc bước và tỉ số giữa moment

xoắn giữ và moment quán tính của rotor. Ngay cả khi moment xoắn lớn hơn

hoặc nhỏ hơn cũng sẽ làm tăng tần số này!

Một cách hình thức, cộng hưởng tần số nhỏ có thể được tính như sau:

Đầu tiên, nhắc lại phương trình gia tốc góc theo định luật Newton:

T = μ A

trong đó:

T – moment xoắn áp trên rotor

μ ‐‐ moment quán tính của rotor và tải

A – gia tốc góc tính theo radians/giây bình phương

Chúng ta cho rằng, với một biên độ nhỏ, moment xoắn trên rotor có thể được

gần đúng bằng một hàm tuyến tính của độ dịch chuyển so với vị trí cân bằng. Vì

vậy, áp dụng định luật Hooke:

T = ‐k

trong đó:

k ‐‐ hằng số dao động riêng của hệ, tính bằng đơn vị moment trên radian

‐‐ vị trí góc của rotor, tính bằng radians

Chúng ta có thể cân bằng hai công thức moment xoắn để có:

μ A = ‐k

Chú ý rằng gia tốc là đạo hàm bậc hai của vị trí theo thời gian:

A = d2 /dt2

Nên ta có thể viết lại phương trình trên thành dạng phương trình vi phân:

d2 /dt2 = ‐(k/μ)

Để giải bài toán này, nhắc lại rằng, cho:

f( t ) = a sin bt

9

Các dạo hàm của nó là:

df( t )/dt = ab cos bt

d2f( t )/dt2 = ‐ab2 sin bt = ‐b2 f(t)

Ghi chú rằng, xuyên suốt phần này, chúng ta cho rằng rotor đang cộng hưởng.

Vì vậy, nó có phương trình chuyển động có dạng:

= a sin (2 f t)

a = biên độ góc cộng hưởng

f = tần số cộng hưởng

Đây là một cách giải có thể chấp nhận được đối với phương trình vi phân ở trên

nếu ta lấy:

b = 2 f

b2 = k/μ

Giải ra tần số cộng hưởng f là một hàm của k and μ, ta có:

f = ( k/μ )0.5 / 2

Điều cốt yếu nó là moment quán tính của rotor cộng thêm bất kỳ tải ngẫu lực

kèm theo nào. Moment của rotor, trong sự cô lập, là không thích hợp! Một số

hướng dẫn động cơ có kèm theo thông tin về cộng hưởng, nhưng nếu động cơ

mang tải, tần số cộng hưởng sẽ thay đổi!

Trong thực nghiệm, sự dao động này có thể là nguyên nhân của những bài toán

quan trọng khi tỉ lệ bước ở bất kỳ đâu cũng gần với tần số cộng hưởng của hệ;

kết quả thường xuất hiện những chuyển động ngẫu nhiên không điều khiển

được.

10

Cộng hưởng và động cơ lý tưởng

Đến điểm này, chúng ta chỉ chia với hằng số đàn hồi góc nhỏ k cho hệ thống.

Điều này được đo bằng thực nghiệm, nhưng nếu đường cong moment xoắn so

với vị trí là hình sin, nó cũng là một hàm đơn giản của moment xoắn giữ. Nhắc

lại rằng:

T = ‐h sin( (( /2)/S) )

Hệ số đàn hồi góc nhỏ k là trừ của đạo hàm T tại gốc.

k = ‐dT / d = ‐ (‐ h (( /2)/S) cos( 0 ) ) = ( /2)(h / S)

Thay vào công thức tần số, ta có:

f = ( ( /2)(h / S) / μ )0.5 / 2 = ( h / ( 8 μ S ) )0.5

Nếu biết moment xoắn giữ và tần số cộng hưởng, cách dễ nhất để xác đinh

moment quán tính của các phần di chuyển trong một hệ được điều khiển bởi

một động cơ bước là tính gián tiếp từ mối quan hệ trên!

μ = h / ( 8 f2 S )

Vì mục đích thực nghiệm, vấn đề không phải là moment xoắn hay moment quán

tính, mà là gia tốc chịu được lớn nhất! Tiện thể, đây là một hàm đơn giản của tần

số cộng hưởng! Bắt đầu với định luật Newton cho gia tốc góc:

A = T / μ

Chúng ta có thể thay thế công thức trên cho moment quán tính như là một hàm

của tần số cộng hưởng, và sau đó thay thế moment xoắn động chịu được lớn

nhất thành hàm của moment xoắn giữ để có:

A = ( h / ( 20.5 ) ) / ( h / ( 8 f2 S ) ) = 8 S f2 / (20.5)

Đo gia tốc tính theo bước trên giây bình phương thay vì dùng radians trên giây

bình phương, ta được:

Asteps = A / S = 8 f2 / (20.5)

Vì vậy, đối với một động cơ lý tưởng có một hàm moment xoắn theo vị trí dạng

sin, gia tốc lớn nhất tính theo bước trên giây bình phương là một hàm thông

thường của tần số cộng hưởng của động cơ và tải gắn cứng!

Trong động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc biến từ trở hai mấu, với một đường đặc

tính moment xoắn theo vị trí có dạng sin lý tưởng, moment xoắn giữ hai mấu là

một hàm đơn giản theo moment xoắn giữ mấu đơn:

11

h2 = 20.5 h1

trong đó:

h1 – moment xoắn giữ mấu đơn

h2 – moment xoắn giữ hai mấu

Thay vào công thức tần số cộng hưởng, chúng ta có thể tìm tỉ lệ giữa các tần số

cộng hưởng trong hai trường hợp điều khiển này:

f1 = ( h1 / ... )0.5

f2 = ( h2 / ... )0.5 = ( 20.5 h1 / ... )0.5 = 20.25 ( h1 / ... )0.5 = 20.25 f1 = 1.189... f1

Mối quan hệ này chỉ duy trì nếu moment xoắn được cung cấp bởi động cơ

không thay đổi đáng kể khi tốc độ bước khác nhau giữa hai tần số này.

Nói chung, như sẽ thảo luận ở phần sau, moment xoắn hiệu dụng sẽ gần như

không đổi đến khi một bước tiếp theo xảy ra, nó sẽ bị cắt đi. Vì vậy, mối quan hệ

này chỉ giữ nguyên nếu tần số cộng hưởng thấp dưới tốc độ bước này. Tại các

tốc độ bước trên tốc độ cắt, hai tần số sẽ gần nhau hơn!

12

Tóm tắt chương

Trong chương này, chúng ta tìm hiểu hai phần chính là tĩnh học và động học của

động cơ bước. Tuy có sự khác nhau đôi chút về cấu tạo và nguyên lý tạo ra từ

trường, nhưng về bản chất mối quan hệ giữa moment và vị trí góc của rotor

dường như là không khác biệt mấy. Chính vì thế, những lý thuyết của động cơ

bước nam châm vĩnh cửu đều có thể áp dụng gần đúng cho động cơ biến từ trở,

và hỗn hợp.

Điều khiển nửa bước và vi bước thực chất là tạo ra một moment tổng hợp mà

chúng ta vẫn thường làm với phép cộng hai dao động hình sinh lệch pha nhau.

Khi điều khiển nửa bước, điện áp cấp cho động cơ không thay đổi trên các mấu.

Nếu điện áp này thay đổi, vị trí đỉnh của moment tổng không nằm chính giữa vị

trí cân bằng của rotor như điều khiển thông thường. Khi điện áp này được thay

đổi một cách hợp lý, chúng ta có thể tạo ra những góc bước rất nhỏ cho động cơ,

gọi là điều khiển vi bước.

Một điều quan trọng nữa trong phần tĩnh học, đó là lực ma sát bên trong động

cơ sẽ gây nên các vùng chết, và thường thì với điều khiển đủ bước hoặc nửa

bước, chung ta không quan tâm đến các vùng chết này. Trong khi đó, vùng chết

lại ảnh hưởng lớn đến khả năng điều khiển vi bước, mà chúng ta sẽ xem xét ở

các phần sau.

Bài toán động lực học được quan tâm là khi trục động cơ quay từ bước này sang

bước khác, và dừng lại, trục động cơ không thể đứng yên hoàn toàn, mà nó còn

bị dao động. Chính những dao động này sẽ bị khuếch đại khi có cộng hưởng cơ.

Bài toán được đặt ra là làm sao để xác định được khoảng vận tốc bước hợp lý mà

không xảy ra hiện tượng cộng hưởng, hoặc giả làm sao để điều khiển chống lại

việc cộng hưởng.

Phần này chưa được hoàn chỉnh, tôi sẽ còn bổ sung và sửa chữa. Tuy nhiên, vẫn

cung cấp cho các bạn để các bạn tham khảo. Tôi sẽ tiếp tục sửa chữa và bổ sung

sau.

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 cơ, 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 đưa 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 thời 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 lập 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 tức 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 mạnh 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

lượng tích trữ trong mạch cộng hưởng:

P = C V2 / 2

P = L I2 / 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 thước nhỏ nhất của tụ điện để tránh quá áp trên công tắc theo công

thức:

C > L I2 / (Vb ‐ Vs)2

trong đó:

Vb ‐‐ điện áp đánh thủng mạch chuyển

Vs ‐‐ 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 xoắn 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 với xung kích gần cộng hưởng

4

dòng điện dao động trong cuộn dây sẽ tạo ra một 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 ngờ 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 hoạt 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 dương 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 tụ 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 tần số cộng

hưởng, moment xon sẽ tăng gấp hai lần moment xoắn ở vận tốc thấp. Đường

cong moment xoắn theo vận 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 điện 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 tăng 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 mỗi 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 ngắt 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 thiểu 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 được

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 ngược. 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. Mỗi 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 một 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, mạch 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 tắc 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 cuộn 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 nhiều 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 thiết 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:

11

Hình 3.14

Ngõ vào X, Y của mạch này có thể được điều khiển bởi ngõ ra của bộ góp điện

mở TTL như trong mạch điều khiển đơn cực dựa trên darlington trên Hình 3.7.

Cuộn dây của động cơ sẽ được cung cấp năng lượng nếu trong hai tín hiệu vào

X, Y có một tín hiệu on và một tín hiệu off. Nếu cả hai đều off, cả hai transistor

kéo xuống (pull‐down) sẽ tắt. Nếu cả hai đều cao, cả hai transistor kéo lên (pull‐

up) sẽ tắt. Như vậy, mạch điện đơn giản này đặt động cơ vào tình trạng hãm

động lực ở cả trạng thái 11 và 00, không thể hiện mode trượt.

Mạch điện trên Hình 3.14 bao gồm hai nửa xác định, mỗi nửa được mô tả chính

xác như một mạch kéo đẩy. Thuật ngữ nửa cầu H thỉnh thoảng được áp dụng

cho những mạch này! Cần lưu ý rằng một nửa cầu H có mạch rất giống với

mạch điều nghiển ngõ ra dùng trong mạch logic TTL. Trong thực tế, các mạch

điều khiển ba trạng thái TTL như 74LS125A và 74LS244 có thể được dùng như

một nửa cầu H đối với các tải nhỏ, như minh họa trên Hình 3.15:

Hình 3.15

Mạch điện này có hiệu quả đối với động cơ có điện trở tối đa 50 Ohm trên mỗi

cuộn và điện áp tối đa 4.5V khi dùng nguồn 5V. Mỗi mạch đệm ba trạng thái

trong LS244 có thể dùng nếu điện trở nội của bộ đệm đủ lớn, và dòng sẽ được

chia đều trên các ngõ điều khiển (mắc song song). Điều này cho phép thiết kế

12

mạch điều khiển giống như Hình 3.15, và khi chưa mã hoá điều khiển, thì chúng

ta có bảng chân trị như dưới đây:

XYE Mode



‐‐1 fast decay

000 slower decay

010 forward

100 reverse

110 slow decay

Mode hãm thứ hai, XYE = 110, hãm hơi yếu hơn mode đầu tiên XYE = 000 vì

LS244 hút dòng nhiều hơn.

Chip TC4467 ‐ 4 cầu ‐ của hãng Microchip là một thí dụ khác của các driver 4

nửa cầu H. Không giống như các driver được sản xuất trước đó, datasheet của

nó cung cấp đầy đủ cả những ứng dụng điều khiển, và nguồn cấp lên tới 18V, và

dòng trên mỗi mấu có thể đạt đến 250mA.

Một trong những vấn đề của các chip điều khiển động cơ bước bán sẵn là đa số

chúng có tuổi thọ trên thị trường khá ngắn. Ví dụ, họ Seagate IpxMxx, mạch cầu

đôi (từ IP1M10 đến IP3M12) được thiết kế rất tốt nhưng chỉ dùng cho các động

cơ bước để định vị điểm đầu của đĩa cứng Seagate. Mạch dẫn động cầu H

Toshiba TA7279 tốt cho động cơ dưới 1A nhưng cũng chỉ được dùng trong nội

hãng mà thôi.

Cầu H đôi L293 của SGS‐Thompson (và các hiệu khác) đang cạnh tranh với các

chip trên nhưng nó không tích hợp các diod bảo vệ. Chip L293D, sẽ giới thiệu

sau, có chân tương thích và có cả các diod bảo vệ này. Nếu dùng các L293 gần

đây, mỗi cuộn dây của động cơ phải đặt qua một cầu chỉnh lưu (1N4001 chẳng

hạn). Việc sử dụng các diod bên ngoài cho phép ta đặt một dãy điện trở trên

đường về của dòng để đẩy nhanh sự suy giảm dòng trong cuộn dây khi nó bị

ngắt, có thể trong một số ứng dụng người ta không mong muốn điều này. Họ

L293 có thể dùng để điều khiển các động cơ bước lưỡng cực nhỏ, tối đa 1A/cuộn

và điện áp cấp lên tới 36V. Hình 3.16 cho ta sơ đồ chân của chip L293B và L293D:



13

Hình 3.16

Chip này có thể xem như 4 nửa cầu H độc lập, được kích hoạt từng cặp, hoặc hai

cầu H đầy đủ. Đây là dạng đóng gói DIP, với chân 4, 5, 12, và 13 được thiết kế để

truyền nhiệt cho bo mạch in hoặc để tản nhiệt ra ngoài.

Cầu H đôi L298 của SGS‐Thompson (và các hiệu khác) cũng giống với loại trên

nhưng có thể chịu được tối đa 2A/kênh. Như với LS244, ta có thể nối hai cầu H

trong L298 tạo thành một cầu chịu được 4A (xem datasheet để biết cách nối này).

Một điều cần lưu ý là chip L298 chuyển mạch rất nhanh, nhanh đến nỗi các diod

bảo vệ (1N400X) không làm việc được. Vậy chúng ta phải dùng diod BYV27 để

thay thế. Cầu đơn LMD18200 của National Semiconductor cũng rất tốt, có thể

chịu được dòng 3A và đã có sẵn các diod bảo vệ tích hợp.

Trong khi cầu H tích hợp không sử dụng được cho dòng hay áp quá cao thì trên

thị trường lại có những linh kiện được thiết kế tốt để đơn giản hóa việc tạo cầu

H từ các công tắc rời rạc. Ví dụ, International Rectifier bán một loạt nửa cầu H,

hai trong số đó có thêm 4 transistor đóng ngắt MOSFET đủ để làm một cầu H

hoàn chỉnh. Con IR2101, IR2102, IR2103 là các mạch dẫn động cơ bản của nửa

cầu H. Con IR2104 và IR2111 có mạch logic bên ngoài tương tự để điều khiển

các công tắc của cầu H, chúng cũng có mạch logic bên trong mà trong một vài

ứng dụng có thể làm giảm thiểu độ phức tạp phải thiết kế mạch logic bên ngoài.

Cụ thể, con 2104 bao gồm một ngõ vào enable nhờ đó 4 con chip 2104 cộng với 8

transistor đóng ngắt có thể thay thế một con L293 mà không cần thêm mạch

logic nào.

Một số nhà sản xuất cho ra đời những con chip cầu H phức tạp bao gồm cả mạch

hạn dòng. Ta cũng cần chú ý rằng trên thị trường có một số mạch cầu 3 pha, dẫn

động tốt cho động cơ bước nam châm vĩnh cửu 3 pha cấu hình Y hay delta. Tuy

nhiên, Toshiba TA7288P, GL7438, TA8405 là những thiết kế tốt, hai trong số này,

nếu bỏ qua một trong 6 nửa cầu H thì chúng ta có thể điều khiển được một động

cơ 5 pha, 10 bước/vòng.