Các mạch điều khiển động cơ bước cơ bản

 
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.