Mạch điều khiển động cơ bước là một mạch hoặc thiết bị cung cấp dòng điện và điện áp cần thiết cho Động cơ bước để nó hoạt động trơn tru. Động cơ bước là một loại Động cơ điện một chiều quay theo các bước.
Sự khác biệt chính giữa Động cơ DC đơn giản và Động cơ bước là thông qua Động cơ bước, mình có thể đạt được vị trí chính xác với sự trợ giúp của điều khiển kỹ thuật số.
Động cơ bước quay chính xác bằng cách đồng bộ hóa các tín hiệu xung từ bộ điều khiển, được đưa ra thông qua Bộ điều khiển. Mạch điều khiển động cơ bước là một mạch lấy tín hiệu xung từ bộ điều khiển và chuyển đổi chúng thành Chuyển động động cơ bước.
Trong Project này, mình đã thiết kế một mạch điều khiển động cơ bước 12V đơn giản sử dụng IC định thời 555 (hoạt động như một bộ điều khiển), một bộ đếm thập kỷ CD4017 (đóng vai trò là Bộ điều khiển) cùng với một số linh kiện khác.
Sơ đồ mạch
linh kiện bắt buộc
- 555 IC
- Bộ đếm CD4017 Johnson (10 đầu ra được giải mã)
- 4 x transistor NPN 2N2222
- Điốt nối 4 x 1N4007 PN
- Điện trở 4 x 1 KΩ (1/4 Watt)
- Điện trở 2,2 KΩ (1/4 Watt)
- Điện trở 470 Ω (1/4 Watt)
- Chiết áp 100 KΩ (Loại núm)
- Tụ điện gốm 100 pF (Mã – 101) (Còn được đọc là 0,1 nF)
- Tụ điện phân cực 1µF 16V
- Động cơ bước 12V (Đơn cực – 5 dây)
- Kết nối dây
- Breadboard (Ban tạo mẫu)
- Nguồn điện 12V
- 74hc595 là gì ? hướng dẫn sử dụng IC 74hc595
- LM2576 ADJ là gì ? Nguyên Lý LM2576
- Thông số transistor D718 lưng đồng tháo máy và Nguyên lý làm việc của D718
- TL431 là gì ? Nguyên Lý IC TL431
- IRF3205 lưng đồng tháo máy lấy ở đâu
Mô tả linh kiện
555 IC hẹn giờ
IC 555 là IC hẹn giờ rất nổi tiếng thường được sử dụng cho các ứng dụng trễ thời gian, tạo xung và nhiều ứng dụng tạo dao động. IC 555 có ba chế độ hoạt động là dao động khôn ổn định (Pulse Generator), ổn định (Time Delays) và lưỡng ổn (Flip – Flop). Trong Project này, mình đã sử dụng IC 555 này để tạo ra một xung tức là trong Chế độ hoạt động có thể linh hoạt.
IC đếm CD4017
CD4017 là một IC Bộ đếm tạo ra 10 đầu ra được Giải mã và do đó là Bộ đếm Thập kỷ. Các bộ đếm này thường được sử dụng trong hiển thị, hoạt động phân chia tần số, bộ đếm nhị phân, v.v.
Nhưng trong Project này, mình đang sử dụng IC bộ đếm CD4017 làm Mạch điều khiển động cơ bước. Và do đó, mạch điều khiển động cơ bước này về cơ bản là một mạch đếm nhị phân.
Động cơ bước
Một động cơ bước 12V được sử dụng trong Project này. Nó là một Động cơ bước loại đơn cực với cấu hình 5 dây. Về cơ bản, Động cơ bước được phân loại thành Động cơ bước đơn cực và Động cơ bước lưỡng cực, dựa trên các cuộn dây của stato. Hình ảnh sau đây cho thấy một Động cơ bước lưỡng cực với cuộn dây của nó.
Mạch điều khiển cho Động cơ bước đơn cực có thể được xây dựng với sự trợ giúp của một số transistor hoặc IC transistor Darlington như ULN2003.
Tuy nhiên, mạch Bộ điều khiển cho Động cơ bước lưỡng cực yêu cầu kết nối kiểu cầu H. Do đó, mình sử dụng IC cầu H như L293D để điều khiển Động cơ bước lưỡng cực.
Thiết kế mạch
mình sẽ bắt đầu với Bộ tạo sóng vuông tức là IC 555 ở Chế độ linh hoạt. Điện trở 2,2 KΩ được kết nối giữa VCC và Chân xả của 555 (Chân 7).
Một chiết áp 100 KΩ được kết nối giữa Chân xả (Chân 7) và chân Ngưỡng (Chân 6), lần lượt được nối tắt với Chân kích hoạt (Chân 2).
Tụ điện 1 µF được kết nối giữa chân Kích hoạt (Chân 2) và GND. Tụ điện rẽ nhánh 100 pF được kết nối tại Chân điện áp điều khiển (Chân 5). Các chân khác tức là VCC (Chân 8) được kết nối với nguồn 12V, Chân Reset (Chân 4) với nguồn 12V và Chân nối đất (Chân 1) với GND.
Đầu ra của IC hẹn giờ 555 tức là chân 3 được đưa ra làm đầu vào xung nhịp cho IC bộ đếm CD4017 tức là cho chân thứ 14 của nó. Các chân VDD và VSS của CD4017 tức là Chân 16 và 8 được kết nối với Nguồn cung cấp 12V và GND tương ứng. Bật Pin (Pin 13) được kết nối với đất.
mình cần điều khiển 4 đầu cuối cuộn dây của hai cuộn dây trong động cơ bước. Do đó, mình chỉ cần 4 đầu ra từ Bộ điều khiển. Các đầu ra này là Q0 đến Q3 tức là các Chân 3, 2, 4 và 7 tương ứng. Các đầu ra của Bộ đếm được kết nối với các cực cơ sở của 4 transistor thông qua các Điện trở 1 KΩ riêng biệt.
Bộ đếm phải thiết lập lại ở xung thứ năm và do đó Q4 (Chân 10) không có gì khác ngoài đầu ra thứ năm, được kết nối với chân đặt lại của CD4017 tức là chân 15 và chân này được kết nối với GND thông qua Điện trở 470 Ω.
Động cơ bước là loại đơn cực trong cấu hình 5 dây. Chân trung tâm được nối ngắn bên trong và được kết nối với nguồn cung cấp (ở đây là 12V).
4 đầu cuối còn lại của động cơ bước là đầu của hai cuộn dây. Chúng phải được kết nối với các cực thu của bốn transistor.
Điều quan trọng là chúng được kết nối với nhau trong trình tự kích hoạt các đầu ra. Cuối cùng, bốn điốt được kết nối giữa các đầu cực thu và nguồn cung cấp. Điốt rất quan trọng vì chúng sẽ bảo vệ các transistor khỏi tăng đột biến cảm ứng.
Hoạt động của mạch điều khiển động cơ bước
Hoạt động của mạch điều khiển động cơ bước này rất đơn giản. mình sẽ thấy một giải thích làm việc từng bước. Đầu tiên, IC hẹn giờ 555 được cấu hình như một bộ dao động khôn ổn định tức là nó hoạt động như một bộ tạo sóng vuông.
Dựa trên vị trí của Potentiometer, tần số của sóng vuông sẽ thay đổi trong khoảng từ 7 Hz đến 340 Hz.
Sóng vuông này được cấp cho IC Bộ đếm CD4017 làm Đầu vào Đồng hồ của nó. Đối với mỗi quá trình chuyển đổi tích cực của tín hiệu đồng hồ, tức là quá trình chuyển đổi từ thấp đến cao, đầu ra của bộ đếm tăng lên một số đếm.
Đối với chuyển tiếp tích cực đầu tiên trên đồng hồ, Q0 sẽ cao, đối với chuyển tiếp tích cực thứ hai, Q1 sẽ cao, v.v.
Vì mình chỉ cần 4 đầu ra, đầu ra thứ năm tức là Q4 được kết nối với chân Reset để bộ đếm sẽ thiết lập lại và quá trình đếm bắt đầu lại một lần nữa.
Các đầu ra của IC Counter CD4017 được cấp cho 4 transistor khác nhau, lần lượt được kết nối với 4 cực cuộn dây của Động cơ bước. mình có thể hiểu rõ hơn từ sơ đồ sau.
Giả sử các điểm A, B, C và D là tiếp điểm của các cuộn dây được kết nối với các transistor. Dây chung trong động cơ bước được cấp cho nguồn cung cấp 12V.
Khi tín hiệu xung nhịp đầu tiên được áp dụng cho CD4017, Q0 trở nên CAO. Thao tác này sẽ BẬT Transistor tương ứng.
Kết quả là, nguồn cung cấp từ dây chung đi qua điểm A nối đất. Điều này sẽ cung cấp năng lượng cho cuộn dây và hoạt động như một nam châm điện. Rôto sẽ bị hút và quay về vị trí đó.
Trong xung đồng hồ thứ hai, đầu ra Q1 trở nên CAO và kết quả là transistor kết hợp với nó được BẬT. Bây giờ, dòng điện chạy từ dây chung đến GND qua điểm B.
Do đó, cuộn dây này sẽ được cung cấp năng lượng và biến thành một nam châm điện. Điều này sẽ làm quay roto hơn nữa. Quá trình này tiếp tục diễn ra và tùy thuộc vào tần số của tín hiệu đồng hồ mà tốc độ quay của động cơ bước khác nhau.
Thuận lợi
- Mạch điều khiển động cơ bước loại DIY được thiết kế ở đây có thể điều khiển Động cơ bước đơn cực.
- Bằng cách sử dụng Mạch điều khiển động cơ bước này, mình có thể tránh các bảng Mạch điều khiển động cơ bước chuyên dụng tốn kém.
Nhược điểm
- Thiết kế này không phải là một thiết kế hiệu quả.
- Yêu cầu nhiều dây phức tạp cho một ứng dụng nhỏ.
