STEPPER DRIVER CONTROL HLAB

Stepper Driver 1 – STPD1

H-lab Stepper Driver 1

User Manual

Rev : 1.1
Date: 12/2011

Copyright © 2009 H-Laboratory
www.hlab.com.vn


Hardware Revision
 STPD1 Rev 1.0 : phiên bản đầu tiên.
 STPD1 Rev 1.1 :
 Bổ xung hai biến trở chỉnh tốc độ.
 Bổ sung hai led chỉ thị trạng thái.
 Thêm nút nhấn emergency stop.
 Bổ sung chip đệm I/O.

Document Revision


STPD1 Userguide Rev 1.0 : phiên bản đầu tiên

Copyright © 2009 Hlab-Team. Tài liệu này thuộc bản quyền của nhóm hlab
(www.hlab.com.vn), chúng tôi hy vọng các bạn khi sử dụng với bất kì mục đích nào bằng
bất cứ hình thức nào bao gồm sao chép, in, copy, trích dẫn… cần phải ghi rõ xuất xứ
nguồn gốc từ trang web của chúng tôi. Hãy truy xuất trang web của chúng tôi thường
xuyên để có những cập nhật mới nhất về các thiết bị, hay những bài viết mới nhất. Hy

vọng sẽ cùng các bạn phát triển nền công nghiệp điện tử Việt Nam.

Revision 1.1 - 12/2011

2

www.hlab.com.vn


Mục lục
1

2

Giới thiệu ....................................................................................................... 5
1.1

Giới thiệu STPD1 .......................................................................................................5

1.2

Kiến trúc bộ điều khiển .............................................................................................5

1.3

Thông số: ....................................................................................................................6

Giới thiệu về động cơ stepper ....................................................................... 8
2.1

Các loại động cơ stepper ............................................................................................8

2.2

Các kiểu nối dây động cơ stepper..............................................................................9

2.3
Nguyên lý hoạt động của động cơ stepper .............................................................. 10
2.3.1 Dạng sóng điều khiển động cơ stepper ................................................................... 10

3

4

Mô tả phần cứng...........................................................................................17
3.1

STPD1 layout và schematic ..................................................................................... 17

3.2

I/O Connector .......................................................................................................... 19

Hướng dẫn sử dụng STPD1 .........................................................................20
4.1

Dạng xung đầu ra của STPD1 : ............................................................................... 20

4.2

Các kiểu đấu dây của STPD1 : ................................................................................ 21

Tài liệu tham khảo ..............................................................................................23

Revision 1.1 - 12/2011

3

www.hlab.com.vn


Revision 1.1 - 12/2011

4

www.hlab.com.vn


Tài liệu này mô tả về thiết bị, cũng như các thông tin cần thiết để các bạn sử dụng
trong quá trình tham khảo hoặc phát triển ứng dụng dựa trên sản phẩm này. Để cập nhật
những thay đổi mới nhất, vui lòng truy cập trang web www.hlab.com.vn của chúng tôi.
Nếu có bất cứ ý kiến đóng góp cũng như cần hỗ trợ, tư vấn thêm thông tin về sản
phẩm, vui lòng gởi mail đến địa chỉ email:

1 Giới thiệu
1.1 Giới thiệu STPD1
Stepper Driver STPD1 là module điều khiển động cơ stepper, STPD1 tích hợp một vi
điều khiển dòng PIC16F của microchip hiệu suất cao, cho phép thực hiện thuật toán điều
khiển bước. Nhờ đó, người dùng có thể giao tiếp với động cơ stepper giống như là động
cơ DC thông thường với chỉ hai chân điều khiển là DIR chọn hướng và Pulse, lênh di

chuyển. STPD1 sẽ tự động phân tích và tạo ra các chuỗi xung liên tục để điều khiển động
cơ stepper, do đó người dùng không cần quan tâm nhiều đến động cơ bước nữa.
STPD1 được thiết kế để sử dụng chỉ với động cơ bước 5 hoặc 6 dây kiểu
unipolar (sẽ mô tả ở phần sau). Tuy nhiên, đây là loại động cơ bước tương đối phổ biến
STPD1 có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng như điều khiển máy công nghiệp, máy
CNC, dây chuyền sản xuất, Robot …

1.2 Kiến trúc bộ điều khiển
Như đã nói ở phần giới thiệu, trái tim của bộ điều khiển động cơ bước STPD1 là một
vi điều khiển 8 bit hiệu suất cao của Microchip. Chip vi xử lý này sẽ thực hiện thuật toán
điều khiển động cơ bước. Tín hiệu điều khiển sau đó được khuếch đại qua bộ khuếch đại
công suất.

Revision 1.1 - 12/2011

5

www.hlab.com.vn


Hình 1: Thiết kế của STPD1

1.3 Thông số:
STDP1 có các thông số sau :
 Độ phân giải nửa bước, chỉ hoạt động với động cơ bước 5 hoăc 6 dây kiểu
Unipolar.
 Tần số tạo xung lên tới 1Khz.
 Điện áp hoạt động của bộ điều khiển là 5VDC.
 Điện áp hoạt động của phần công suất là tứ 9-24VDC, dòng tĩnh max 3A trong
điều kiện tản nhiệt đầy đủ.

 Giao tiếp thông qua hai tín hiệu DIR/PULSE tiêu chuẩn. Tín hiệu pulse hoạt động
theo cạnh lên (chế độ mặc định).
 Cho phép giao tiếp thông qu RS232 hoặc I2C hoặc SPI (firmware 2.x trở lên)
 Cho phép dừng ngay lập tức bằng nút nhấn Emergency Step trên module.
(firmware 1.2 trở lên)
 Có led báo trạng thái hoạt động.
 Có biến trở cho phép chỉnh tốc độ động cơ trong chế độ chạy theo mức (firmware
2.x trở lên)
 Có thể update firmware thông qua cổng ICSP
Revision 1.1 - 12/2011

6

www.hlab.com.vn


Hình 2 : STPD1 và động cơ bước

Revision 1.1 - 12/2011

7

www.hlab.com.vn


2 Giới thiệu về động cơ stepper
Động cơ bước hay còn gọi là động cơ step là loại động cơ tạo ra chuyển động quay
khi có dòng điện chạy qua motor. Kích thước của động cơ bước lớn hay nhỏ tùy vào công
suất của chúng. Khác với động cơ DC thông thường, động cơ step chãy theo từng bước
đúng như tên gọi của chúng. Tuy nhiên, ta có thể bắt chúng chạy liên tục như động cơ

DC bằng cách áp dụng các dạng sóng điều khiễn thích hợp lên động cơ bước. Phần sau
mô tả một số loại động cơ bước thông dụng .

2.1 Các loại động cơ stepper

Hình 3 : Động cơ bước kiểu Bipolar (trái) và Unipolar (bên phải)

Động cơ bước có hai loại phổ biến nhất là Bipolar và Unipolar. Hai loại này tương
đối giống nhau ngoại trừ việc động cơ bước kiểu Unipolar có thêm hai dây ở giữa
mỗi cuộn dây. Như vậy ta có thế thấy rằng động cơ Unipolar có thể biến thành động
cơ Bipolar bằng cách bỏ hai dây ở giữa mỗi cuộn dây.

Hình 4 : Một số loại động cơ bước

Revision 1.1 - 12/2011

8

www.hlab.com.vn


2.2 Các kiểu nối dây động cơ stepper

Hình 5 : Một số kiểu nối dây của động cơ bước

Hình 6 : Ví dụ điển hình về dây nối của động cơ bước

Hình 7 : Các kiểu nối dây của động cơ bước

Revision 1.1 - 12/2011

9

www.hlab.com.vn


Chú ý rằng STPD1 chỉ hỗ trợ động cơ bước nối dây kiểu unipolar như hình b,d.
và động cơ step loại 5 dây
Bời vì động cơ Bipolar cần điều khiển trên cả hai cực để tạo ra dòng điện trên động
cơ, do đó cần một cầu H đầy đủ để điều khiển mổi cuộn dây của động cơ bước. Trong khi
động cơ bước kiểu unipolar với dây ở giữa mỗi cuộn dây cho phép điều khiển dễ hơn chỉ
với nửa cầu H, tuy nhiên vì dòng điện chỉ chạy trên mổi nửa cuộn dây của động cơ, do đó
công suất sẽ yếu hơn so với loại bipolar.

2.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ stepper
Hình sau mô tả hoạt động của động cơ bước đơn giản. Trong hình 3a), dòng điện
đưa vào cực /C và chạy ra ở C, do đó tạo ra lực từ giữ động cơ ở vị trí như hình 3a). Sau
đó, chúng ta tắt dòng điện này đi và chuyển sang cặp /A và A, như vậy động cơ sẽ bị
xoay về vị trí mới do lực từ thay đổi hướng. Sau đó đến cặp B và /B. Như vậy, bằng cách
tạo các dòng điện chạy qua các cuộn dây, ta đã làm xoay roto theo chiều mong muốn,
mỗi lần quay một bước khoảng cách giữa hai cuộn dây sát nhau. Như vậy nếu ta đặt các
cuộn dây càng sát nhau thì ta có độ phân giải càng cao, các động cơ trong thực tế có thể
đạt tới độ phân giải góc 1.80

Hình 8 : Nguyên lý hoạt động của động cơ bước

2.3.1 Dạng sóng điều khiển động cơ stepper
 Điều khiển full-step (wave drive – 1 phase on):
Trong chế độ Wave drive, tại một thời điểm chỉ có một cuộn dây được cấp dòng. Cách
điều khiển này đơn giản, nhưng công suất rất thấp, chỉ đạt 25% đối với động cơ bước

kiểu unipolar, và 50% đối với kiểu bipolar. Do đó lực xoắn xinh ra bởi dạng điều khiển
này tương đối yếu.

Revision 1.1 - 12/2011

10

www.hlab.com.vn


Hình 9 : Điều khiển kiểu wave-drive

Dạng sóng điều khiển sẽ được xuất theo dạng sau :

Revision 1.1 - 12/2011

11

www.hlab.com.vn


Hình 10 : Dạng sóng điều khiển kiểu wave-drive

 Điều khiển full-step (two phase drive - 2 phase on):
Trong chế độ này, hai cuộn dây sẽ được cấp năng lượng đồng thời, cho công suất cao hơn
dạng ở trên.

Revision 1.1 - 12/2011

12

www.hlab.com.vn


Hình 11 : Điều khiển kiểu full-Step 2 phase Drive

Dạng sóng điều khiển cũng gần giống như ở trên :

Revision 1.1 - 12/2011

13

www.hlab.com.vn


\\

Hình 12 : Dạng sóng điều khiển kiểu full-Step 2 phase Drive

 Điều khiển half-step (1 or 2 phase on):
Loại điều khiển này kết hợp hai dạng trên lại. kết quả là động cơ có thể di chuyển ở các
góc có độ phân giải gấp 2 lần kiểu ở trên. Loại điều khiển này tương đối phức tạp hơn
một chút,. Module STPD1 sử dụng kiểu điều khiển này

Revision 1.1 - 12/2011

14

www.hlab.com.vn

Hình 13 : Điều khiển kiểu half-Step

Dạng sóng điều khiển được thực hiện như hình sau, bao gồm 8 phase điều khiển.

Revision 1.1 - 12/2011

15

www.hlab.com.vn


Hình 14 : Dạng sóng điều khiển kiểu half-Step

Revision 1.1 - 12/2011

16

www.hlab.com.vn


3 Mô tả phần cứng
3.1 STPD1 layout và schematic

Hình 15 : Layout mạch STPD1

Revision 1.1 - 12/2011

17

www.hlab.com.vn


Hình 16 : Khối Vi Xử Lý
PVCC

P0
P1
P2
P3

Power

PHASE0
PHASE1
PHASE2
PHASE3

PGND

Hình 17 : Khối công suất

Revision 1.1 - 12/2011

18

www.hlab.com.vn


3.2 I/O Connector

STPD1 có 2 connector I/O là CN2, CN3.
Trong đó CN3 là connector điều khiển chính, còn CN2 là port điều kiển mở rộng,
cho phép hoạt động ở các chế độ phức tạp hơn như giao tiếp RS232, SPI, I2C, cấu
hình bộ điều khiển, chọn mode hoạt động…
Ở chế độ mặc định, chúng ta chỉ 1uan tâm đến Port CN3 mà thôi

Port CN3
Pin
CN3.3
CN3.2
CN3.1
CN3.0

Pic16F’s pin description
IO1
Pulse (CMD)
IO0
Dir
VCC
5VDC
GND
0VDC

Port CN2
Pin
CN2.0
CN2.1
CN2.2
CN2.3
CN2.4

CN2.5
CN2.6
CN2.7
CN2.8
CN2.9

Revision 1.1 - 12/2011

Pic18F’s pin description
RC0
RC1
RC2
RC3
RC4
RC5
RC6
RC7
5VDC
GND

19

www.hlab.com.vn


4 Hướng dẫn sử dụng STPD1

Hình 18 : Sử dụng STPD1

STPD1 có hai chế độ hoạt động : Test mode và Normal Mode. Mode hoạt động được

chọn bởi trạng thái của chân RC0: RC0= 0 tại lúc bật nguồn thì STPD1 sẽ đi vào test
mode. Ngược lại là Normal mode.Trạng thái của RC0 chỉ được xem xét lúc bật nguồn. Vì
vậy mỗi khi tahy đổi mode hoạt động,ta phải reset STPD1.
Ở chế độ Test mode, Nhấn button để test động cơ Step, thay đổi mức logic của DIR để
đảo chiều động cơ
Ở chế độ thông thường, STPD1 được điều khiển thông qua connector CN3 gồm 4 tín hiệu
: nguồn , mass, pulse (hay cmd) và dir.
Hình trên thể hiện cách điều khiển STPD1. Mỗi khi ta muốn động cơ step chạy
một bước, ta kích một cạnh lên vào chân Pulse (CMD) , tức là CN3.3 (ký hiệu IO1 trên
mạch).
Lúc đó động cơ bước sẽ chạy một bước theo chiều của tín hiệu DIR tại thời điểm cạnh
lên của tín hiệu Pulse.
Nguồn công suất cấp cho STPD1 có thể dao động từ 9-24VDC, tùy thuộc loại động cơ
step sử dụng.

4.1 Dạng xung đầu ra của STPD1 :
Để kết nối với động cơ step đúng vị trí, chúng ta có thể tham khảo dạng xung đầu
ra của STPD1 sau đây, và kết nối dây phù hợp với một trong các kiểu ở phần sau :

Revision 1.1 - 12/2011

20

www.hlab.com.vn


Hình 19 : Dạng sóng đầu ra của STPD1

4.2 Các kiểu đấu dây của STPD1 :
 Động cơ step kiểu 6 dây :

Hình 20 : Kết nối động cơ bước 6 dây

 Động cơ step kiểu 5 dây :

Revision 1.1 - 12/2011

21

www.hlab.com.vn


Hình 21 : Kết nối động cơ bước 5 dây

 Động cơ step kiểu 8 dây :

Hình 22 : Kết nối động cơ bước 8 dây

 Nối dây cho một động cơ step điển hình :

Revision 1.1 - 12/2011

22

www.hlab.com.vn


Tài liệu tham khảo
Driving stepper motors using NXP I2C-bus GPIO expanders,NXP
A Unipolar Stepper Motor Drive Using the Z8 Encore!® MCU, Zilog

Quick Start for Beginners to Drive a Stepper Motor, Matthew Grant
AVR446: Linear speed control of stepper motor, Atmel Co.Ltd
Stepper Motor Control with dsPIC® DSCs, Sorin Manea, Microchip
Technology Inc.

Revision 1.1 - 12/2011

23

www.hlab.com.vn


Revision 1.1 - 12/2011

24

www.hlab.com.vn