Ứng dụng l297 và l298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước

PHẦN MỞ ĐẦU
1.1.Đặt vấn đề:
Thông thường động cơ bước được điều khiển bằng vi điều khiển và IC số nhưng mạch điều
khiển thường cồng kềnh,khó điều khiển.Với nhu cầu ngày càng tối ưu hóa mạch điều khiển thì
với viêc sử dụng IC chuyên dụng để điều khiển đạt hiệu quả cao cho mục đích này.
Việc sử dụng IC thường ta phải có thêm mạch cầu H nếu muốn đổi chiều động cơ,nhưng với IC
chuyên dụng L298 có tích hợp 2 cầu H nên việc đổi chiều động cơ sẽ dễ dàng hơn rất nhiều.
Trong phạm vi nội dung đồ án này,tôi sẽ tiến hành ghép nối 2 IC L297 và L298 để thiết kế
module công suất điều khiển động cơ bước.
1.2. Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của đồ án : Động cơ bước , 2 IC L297,L298 và cách ghép nối giũa
chúng để thiết kế module điều khiển.
1.3. Mục đích nghiên cứu:
Đồ án được nghiên cứu nhằm thiết kế module công suất điều khiển động cơ bước.
1.4. Phương pháp nghiên cứu:
Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng bao gồm:
- Tham khảo tài liệu: tài liệu tham khảo được thu thập chủ yếu qua Internet.
- Tự nghiên cứu: từ nguồn tài liệu thu thập được, quá trình thực hiện đồ án bắt buộc phải trải
qua việc nghiên cứu nguồn tài liệu, chắt lọc những thông tin có giá trị, đồng thời tự suy nghĩ tìm
ra cách giải quyết vấn đề.
- Thực tế làm việc: Từng bước thực hiện giải quyết vấn đề đã đặt ra.Trong quá trình thực hiện
nảy sinh những vấn đề khó khăn mà người nghiên cứu phải trực tiếp giải quyết mới có thể tìm ra
cách giải quyết đúng đắn.
1.5. Phương tiện nghiên cứu:
Các phương tiện phục vụ cho quá trình nghiên cứu bao gồm: file hướng dẫn, sách tham khảo,
tài liệu thu thập từ Internet,…
1.6. Giới hạn của đề tài:
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
Do còn hạn chế về kiến thức và khả năng nghiên cứu của người nghiên cứu nên đồ án vẫn còn
các hạn chế.
PHẦN 2:

NỘI DUNG ĐỒ ÁN
CHƯƠNG 1:
ĐỘNG CƠ BƯỚC
1.1. Khái niệm về động cơ bước
Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành những chuyển động
cơ học rời rạc. Trục của động cơ bước quay những bước tăng rời rạc khi các xung điện
điều khiển được áp đến nó theo một trình tự hợp lí. Sự quay của các động cơ liên hệ trực
tiếp với các xung được áp vào. Trình tự của các xung áp vào quan hệ trực tiếp với hướng
quay của trục động cơ. Tốc độ quay của trục động cơ quan hệ trực tiếp với tần số các
xung vào và chiều dài vòng quay thì liên hệ trực tiếp với số lượng các xung được áp vào.
2
2
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
Hình1.1: Một số mẫu động cơ bước trong thực tế.
Ứng dụng đầu tiên của động cơ bước là vào năm 1935. Các mô hình động cơ bước trước
đây có hiệu suất kém và không hiệu quả lắm. Các động cơ bước ngày nay đã được cải
tiến rất nhiều và có thể được tìm thấy trong các thiết bị ngoại vi máy tính, các robot, các
máy ghi biểu đồ, các máy vẽ x-y, các máy bơm, các đồng hồ, các bàn vẽ, các van, các
máy công cụ, các thiết bị y khoa, các thiết bị ôtô, các máy bán hàng nhỏ, và các máy
quét…
3
Động cơ bước
Dây ra từ
động cơ
3
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
Hình : Cơ chế lái tờ giấy sử dụng động cơ bước được ứng dụng trong máy in.
1.2. Phân loại động cơ bước
Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộn
dây trên stator.

Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước được chia thành 3 loại:
- Động cơ bước từ trở biến thiên.
- Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
- Động cơ bước lai.
Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại:
- Động cơ bước đơn cực.
- Động cơ bước lưỡng cực.
4
4
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
Hình : Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước.
Ngoài ra, các loại này còn rơi vào một trong hai phương pháp cấu tạo. Trong phương
pháp thứ nhất, Hình 1.3a, rotor có các răng bình thường. Stator có các răng tương tự để
giữ các cuộn dây. Trong phương pháp thứ hai, Hình 1.3b, mặt răng của rotor và stator có
nhiều răng nhỏ hơn. Ưu điểm của các răng nhỏ này là tạo ra các góc bước nhỏ hơn.
1.2.1 Động cơ bước từ trở biến thiên
Các động cơ bước từ trở biến thiên có rotor bằng thép mềm, rotor quay khi các
răng trên rotor bị hút bởi các răng điện từ trên stator. Hoạt động này tương tự như hoạt
động của cuộn solenoid. Các rotor bằng thép có quán tính nhỏ hơn các loại khác. Điều
này cho phép nó đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên, vì rotor không có từ tính nên không có
lực từ dư khi động cơ không còn được cấp điện và rotor có thể quay tự do. Thông thường,
các góc bước của các động cơ bước từ trở biến thiên là 7,5
o
hoặc 15
o
.
Hình : Động cơ bước từ trở.
1.2.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu chứa rotor nam châm vĩnh cửu có mô men
duy trì khi động cơ không còn được cấp điện. Mỗi răng nam châm vĩnh cửu được định

hướng theo trục với các cực nam và bắc thay đổi.
5
5
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
Hình : Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.
Một số động cơ bước có các nam châm được chèn vào stator để cải thiện trường điện từ
và cung cấp mô men cao hơn. Các nam châm được làm bằng hợp kim (gồm nhôm,
nickel, và cobalt) hoặc các chất thuộc đất hiếm (samarium-cobalt). Các động cơ bước
nam châm vĩnh cửu đòi hỏi công suất vận hành nhỏ hơn các loại khác. Chúng cũng có
đặc tính chống rung đáp ứng tốt hơn. Các góc bước có thể được tìm thấy trên toàn phạm
vi các góc chuẩn, bao gồm 1,8
o
; 7,5
o
, 30
o
; 45
o
; và 90
o
.
1.2.3 Động cơ bước lai
Các động cơ bước lai kết hợp các đặc điểm rotor của động cơ bước từ trở biến thiên và
động cơ nam châm vĩnh cửu. Một nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn được bọc xung quanh trục
động cơ. Nó khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu ở chổ có một đầu rotor là cực
bắc còn đầu rotor đối diện là cực nam. Răng rotor được cắt thành hai chén lõi thép được
gắn chặt trên mỗi đầu. Động cơ bước lai chỉ sử dụng phương pháp cấu tạo thứ hai. Các
động cơ bước lai có nhiều răng hơn và có mô men lớn hơn. Các góc bước tiêu biểu là 0,9
o
và 1,8

o
.
6
6
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
Hình : Động cơ bước lai
Ngày nay, các động cơ bước được sử dụng rộng rãi là động cơ bước nam châm vĩnh cửu
và động cơ bước lai, với góc bước 1,8
o
. Độ chính xác của hầu hết các động cơ bước là 3%
góc bước (bất chấp số bước trên vòng); thế thì, độ chính xác được cải thiện nhờ vào các
góc bước nhỏ hơn.
Bảng 1.1: Các góc bước tiêu biểu của các loại động cơ bước
Loại động cơ bước Góc bước tiêu biểu
Từ trở biến thiên 7,5
o
; 15
o
Nam châm vĩnh cửu 1,8
o
; 7,5
o
; 15
o
; 30
o
; 45
o
; 90
o

Lai 0,9
o
; 1,8
o
7
7
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
1.2.4 Động cơ bước lưỡng cực
Mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất. Bằng cách đảo dòng điện trong các cuộn dây,
cực tính điện từ cũng bị đảo.
a) Sơ đồ quấn dây lưỡng cực. b) Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý.
1.2.4 Động cơ bước đơn cực
Một kiểu quấn dây phổ biến khác là quấn dây đơn cực. Nó bao gồm hai cuộn dây trên
một cực được kết nối sao cho khi một cuộn dây được cấp năng lượng thì cực bắc nam
châm được tạo ra, khi cuộn dây còn lại được cấp năng lượng thì cực nam được tạo ra.
Cách quấn dây kiểu này được gọi là đơn cực bởi vì cực tính điện, tức là dòng điện, từ
mạch lái đến các cuộn dây không bao giờ bị đảo chiều. Thiết kế này cho phép làm đơn
giản mạch điện tử lái. Tuy nhiên, mô men sinh ra bị giảm khoảng 30% so với quấn dây
kiểu lưỡng cực.
8
8
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
a) Sơ đồ quấn dây đơn cực. b) Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý.
Một số động cơ bước được quấn hai cuộn dây tách biệt trên một pha, chẳng hạn loại ra 8
dây. Người dùng có thể tùy chọn cách nối lưỡng cực hay đơn cực cho động cơ này.
Chúng được gọi là các động cơ bước đa năng.
Hình : Ký hiệu động cơ bước đa năng trên sơ đồ nguyên lý.
9
9
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước

CHƯƠNG 2:
IC L297 và L298
2.1. IC L297
2.1.1.Giới thiệu
L297 là IC điều khiển động cơ
bước
thường dùng trong các ứng dụng điều khiển
10
10
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
điện tử. Nó có chức năng tạo ra 4 pha tín
hiệu
điều khiển tương ứng với 2 pha của
động cơ bước lưỡng cực hoặc 4 pha của động cơ
bước
đơn cực. Sử dụng chip này,
ta có thể điều khiển mô tơ bước ở chế độ nửa bước, normal
and
wave drive mode
và tích hợp cả mạch PWM để điều chỉnh dòng điện cuộn dây trong
mô-
tơ. Với
IC này, để điều khiển động cơ, ta chỉ cần tín hiệu xung clock, tín hiệu logic
cho
chiều quay, chế độ. IC này giúp giảm việc tạo các phase điều khiển (trước đây
được
tạo
bằng các chip vi xử lý) nên chương trình điều khiển động cơ rất
gọn.
IC được đóng gói trong vỏ hai hàng chân DIP20 hoặc SO20 thông dụng, và

thường
dùng
kèm với các IC mạch cầu công suất như L298N hoặc
L293E.
Một mạch ứng dụng điển
hình:
11
11
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
12
12
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
2.1.2 Sơ đồ chân và sơ đồ
khối:
13
13
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
2.1.3 Chức năng các
chân:
Chân Tên Chức
năng
1 SYNC Chân ngõ ra mạch dao động chopper bên trong chíp
(on-chip).
Chân này có tác dụng đồng bộ hóa xung nhịp (trong mạch
nhiều
L297). Sử dụng chân này như
sau:
+ Khi cần đồng bộ hóa hai hay nhiều IC L297 trong mạch, ta
nối
14

14
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
các chân SYNC với nhau. Khi đó, ta chỉ cần 1 mạch dao động
gắn
ở một IC L297 bất
kì.
+ Chân này đồng thời là ngõ vào cho nguồn clock
ngoài
15
15
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
2 GND Chân nguồn
0V
Cách nối đồng bộ các
L297
3 HOME Chân ngõ ra cực thu để hở báo L297 đang ở trạng thái khởi
tạo
(ABCD=0101)
Khi chân này xuất tín hiệu “tích cực” thì các transistor đang
trạng
thái hở.
(open)
4 A Tín hiệu phase A của
mô-tơ
5 INH1 Chân này tích cực mức thấp, điều khiển hai phase A,B để bảo
vệ
dòng xả ngược cuộn
dây.
Còn khi chân CONTROL mức thấp, chân này được sử dụng để
ổn

định dòng tải động
cơ.
6 B Tín hiệu phase B của
mô-tơ
7 C Tín hiệu phase C của
mô-tơ
8 INH2 Chức năng giống chân INH2. Điều khiển phase C,
D.
9 D Tín hiệu phase D của
mô-tơ
16
16
Ứng dụng L297 và L298 thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bước
10 ENABLE Chân cho phép hoạt động (enable). Khi chân này ở mức thấp,
chân
ngõ ra phase A, B, C, D, INH1, INH2 bị kéo xuống mức
thấp.
11 CONTROL Chân điều khiển hoạt động
CHOPPER.
Khi chân này ở mức thấp, hoạt động CHOPPER thông qua 2
chân
INH1, INH2. Khi chân này mức cao, hoạt động CHOPPER
thông
qua các phase
A,B,C,D.
12 V
S
Chân nguồn
5V
13 SEN2 Chân ngõ vào cầu phân áp để hồi tiếp độ lớn dòng tải ở tần

công
suất của phase C,
D
14 SEN1 Chức năng giống chân SEN2 cho phase A,
B
15 V
REF
Điện áp tham chiếu cho mạch chopper. Điều chỉnh áp đặt vào
chân
này để thay đổi dòng tải
đỉnh.
16 OSC Chân ngõ vào mạch dao động RC để qui định tần số chopper.
Khi
dùng chức năng đồng bộ thì chân này nối với 0V (ngoại trừ
chip
tạo dao động cho hệ đồng bộ
L297).
+ Tần số:
f=1/0.69RC
17 CW/CCW Chân điều khiển chiều quay động cơ. Chiều quay còn phụ
thuộc
vào cách đấu dây cho động
cơ.
17
17
18 CLOCK Chân clock cho động cơ. Loại xung tích cực mức thấp.
Moto
“bước” khi có cạnh xuống ở chân
này.
19 HALF/FULL Chân chọn lựa chế độ quay đủ bước, nửa

bước
20 RESET Ngõ vào RESET. RESET là làm cho trạng thái động cơ trở về
vị
trí HOME (tầng 1,
ABCD=0101)
2.1.4 Hoạt
động:
IC L297 được chế tạo để dùng với mạch cầu đôi (IC tích hợp hoặc linh
kiện
rời)
trong các ứng dụng điều khiển động cơ bước thông dụng. Các tín hiệu vào
là: xung
clock
bước, tín hiệu chiều quay (quay thuận/nghịch), chế độ quay (đủ
bước/nửa bước) và xuất
tín
hiệu ra điều khiển phần công
suất.
Nguyên lý hoạt động của L297 thực chất là bộ chuyển tín hiệu điều khiển logic
đơn
giản thành chuỗi tín hiệu điều khiển các phase động cơ phù hợp. L297 có tích
hợp
mạch
chopper PWM giúp ổn định dòng tải trong cuộn dây động cơ. IC L297 có
thể tạo ra 3
loại
chuổi xung điều khiển tùy theo tín hiều ở chân HALF/FULL. Nhà
sản xuất gọi 3 chế
độ
này là “bình thường” (normal – cấp điện 2 phase mỗi lần

kích) và “sóng”-wave (chỉ
cấp
điện cho 1 phase trong mỗi lần kích) và chế độ nửa
bước (luân phiên cấp điện một
phase-
hai phase). Hai ngõ ra “cấm”-inhibit,
thường được kết nối trực tiếp với chân enable
của
L298 để xả dòng ngược cuộn
dây. Khi dùng L297 điều khiển động cơ lưỡng cực, hai
tín
hiệu này tác động lên
phase điều
khiển.
Chân “CONTROL” để điều chỉnh giữa 2 chế độ chopper (chọn lựa chế độ tín
hiệu
chopper xuất ra chân INHx hay xuất ra tín hiệu phase). Khi chopper trên các
phase,
phase
không tích cực (của mỗi cặp AB hoặc CD) được tích cực (thay vì
ngắt các phase rồi
lại
đóng phase). Trong ứng dụng của cặp L297+L298, kĩ thuật
này giúp giảm tiêu tán
công
suất ở điện trở cảm biến
tải.
Mạch dao động nội trong chip (on-chip) kích 2 mạch chopper. Nó tạo xung để
set
2

flip-flop FF1 và FF2. Khi dòng tải trong cuộn dây bằng dòng qui định, rơi áp
trên 2
điện
trở cảm ứng dòng (nối với 2 chân SENS1 và SENS2) bằng với
V
REH
và do đó mạch
so
sánh reset flip-flop ngắt dòng tải để chờ xung dao động
tiếp theo. Dòng tải đỉnh của 2
cuộn
dây được đặt thông qua điện áp ở chân V
REF
.
Với mạch có nhiều L297, vấn đề nhiểu mass được giải quyết bằng hoạt
động
đồng
bộ (nối các chân SYNC với nhau, gắn mạch RC ở một L297 nào đó và
nối chân OSC ở
các
L297 còn lại với
MASS)
2.1.5 Chuỗi xung Phase của
L297:
Bên dưới là giản đồ chuyển đổi xung điều khiển thành xung pha của 3 chế độ
hoạt
động của động cơ. Lưu ý, xung clock step tích cực mức thấp nghĩa là high-
low-high.
(tích
cực bằng cạnh

lên)
Trong giản đồ là chiều quay thuận. Để có chiều quay ngược, chỉ cần đảo
chân
RESET để làm cho mạch xử lý trong chip (translator) về tần 1, khi đó ABCD
=0101.
2.1.5.1 Chế độ nửa
bước:
Để chọn chế độ này, chân HALF/FULL phải ở mức
cao.
2.1.5.2 Chế độ bình thuờng
:
Chế độ bình thường còn gọi là chế độ 2-phase-mở được thiết lập khi chân
FULL/HALF
ở
mức thấp VÀ khi mạch điều khiển đang ở tần lẻ (1-3-5-7). Trong chế
độ này, hai chân
cấm
INHx luôn ở trạng mức
cao.
2.1.5.3 Chế độ “sóng”-wave drive
mode
Chế độ điều khiển sóng còn gọi là “một phase mở” được thiết lập khi chân
HALF/FULL
ở
mức thấp và mạch điều khiển phase đang ở tần chẳng
(2-
4-6-8)
2.1.6 Đặc tính
điện:

2.1.7 Giản đồ xung
clock:
2.2. L298
2.2.1 Giới thiệu
IC L298 là mạch tích hợp đơn chip có kiểu vỏ công suất 15 chân (multiwatt 15)
và
PowerSO20 (linh kiện dán công suất). Là IC mạch cầu đôi (dual full-bridge)
có khả
năng
hoạt động ở điện thế cao, dòng cao. Nó được thiết kế tương thích
chuẩn TTL và lái tải
cảm
kháng như relay, cuộn solenoid, động cơ DC và động cơ
bước. Nó có 2 chân enable
(cho
phép) để cho phép/không cho phép IC hoạt động,
độc lập với các chân tín hiệu vào.
Cực
phát (emitter) của transistor dưới của mỗi
mạch cầu được nối với nhau và nối ra chân
ngoài
để nối với điện trở cảm ứng dòng
khi
cần.
Nó có thêm một chân cấp nguồn giúp mạch logic có thể hoạt động ở điện
thể thấp
hơn.
2.2.2 Sơ đồ khối
2.2.3 Các giá trị chịu đựng tối
đa

2.2.4 Sơ đồ
chân
2.2.5 Thông số về nhiệt
độ: