1

Điều khiển động cơ bước Biên dịch Đoàn Hiệp Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh ‐ Chương trình PFIEV 

Đây  là bản dịch từ Tài liệu hướng dẫn điều khiển động cơ bước của   giáo sư Douglas W. Jones, Đại học IOWA. Tài liệu tiếng Anh nguyên bản của giáo sư đã được đăng ký bản quyền và chống mọi hình thức in ấn thương mại. Được sự cho phép của giáo sư, tôi đã dịch tài liệu này ra tiếng Việt và cung cấp miễn phí tại một số địa chỉ cố định. Đề nghị bạn đọc không sao chép, in ấn vì mục đích thương mại, và không đưa lên các trang web khác, mà chỉ download và in ấn sử dụng cho mục đích cá nhân. 

Thanks to Prof. Douglas W. Jones, this tutorial was translated with more ease. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các bạn tôi, đã ủng hộ và giúp đỡ rất nhiều trong quá trình biên dịch cũng như phổ biến tài liệu này đến mọi người. Trong tài liệu dịch có nhiều điểm sai sót do yêu cầu về thời gian dịch cũng như những hạn chế về mặt ngôn ngữ, mong các bạn thông cảm. Nếu phát hiện các lỗi dù nhỏ, hoặc có ý kiến bổ sung, mong bạn đọc thông tin cho tác giả qua email: doanhiep_pfiev@yahoo.fr.  

Nội dung 

Tóm tắt Giới thiệu 1. Các loại động cơ bước 2. Vật lý học động cơ bước 3. Các mạch điều khiển cơ bản 4. Hạn dòng 5. Điều khiển vi bước 6. Điều khiển bậc trung bình 7. Điều khiển thời gian thực bậc cao 8. Phần mềm điều khiển động cơ bước 9. Ví dụ Các nguồn tư liệu khác 

Tóm tắt 

Tài liệu hướng dẫn này gói gọn các đặc tính cơ bản của động cơ bước và các hệ thống điều khiển động cơ bước, bao gồm cả phần vật lý học động cơ, điện học các hệ điều khiển cơ bản, và phần mềm điều khiển động cơ tương ứng. Để phù hợp với thực tế Việt Nam, cuối mỗi chương tôi bổ sung thêm phần tóm tắt để bạn đọc dễ nhớ các ý chính của chương và cung cấp một số thủ thuật mà giáo sư không tiện đề cập trong một tài liệu hướng dẫn tổng quát. 

2

Giới thiệu 

Động  cơ  bước  có  thể  được mô  tả  như  là một  động  cơ  điện  không  dùng  bộ chuyển mạch. Cụ  thể,  các mấu  trong  động  cơ  là  stator, và  rotor  là nam  châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số  âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ. 

Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước. Cả hai  loại  động  cơ này  đều như nhau vì  có  thể  xác  định  được vị  trí  chính  xác, nhưng chúng cũng khác nhau ở một số điểm. Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi tiếp analog. Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ  tắc‐cô để cung cấp  tín hiệu hồi tiếp về vị trí của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị trí mong muốn và vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần.

Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xét một số vấn đề, và nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế. Ví dụ, khả năng trở về một vị trí đã vượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả năng lặp lại vị trí của động cơ servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô và các linh kiện analog khác trong mạch hồi tiếp. 

Động cơ bước có  thể được dùng trong hệ  thống điều khiển vòng hở đơn giản; những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển vòng kín với  động  cơ bước. Nếu một  động  cơ bước  trong hệ điều khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại; servo motor thì không xảy ra vấn đề này.

Động  cơ  bước  trong  tiếng  Đức  là  SCHRITTMOTOREN,  trong  tiếng  Pháp  là MOTEURS PAS À PAS,  và trong  tiếng Tây Ban Nha  là MOTOR PASO PASO. Từ step‐motor và stepper motor cũng được dùng khá phổ biến. 

3

Các nguồn tư liệu khác 

Các trang web

Một số trang web khác về điều khiển động cơ

• http://www.ams2000.com/stepping101.html một tài liệu hướng dẫn tóm gọn rất hay

• http://motioncontrol.com/ trang web thương mại về điều khiển chuyển động

• http://www.doc.ic.ac.uk/~ih/doc/stepper/  • http://www.euclidres.com/apps/stepper_motor/stepper.html 

Một số nhà cung cấp động cơ

• http://www.ams2000.com/  • http://www.dmicrotek.com/ (động cơ rất bé) • http://www.eadmotors.com/ (động cơ cỡ trung bình) • http://www.gunda‐gmbh.de/ (German)  • http://www.hsi‐inc.com/  • http://www.linengineering.com/ (100 to 800 steps per revolution)  • http://www.micromo.com/ (động cơ siêu nhỏ)  • http://www.mitsumi.co.jp/cgi‐bin/agree.cgi?lang=1 (Japan) 

Các nhà cung cấp đồ cũ

• ALL Electronics (new and surplus)  • DIY Electronics (kits, Hong Kong)  • EIOʹs Stepper Motor Page (surplus)  • PC Gadgets (the Gadgetmaster interface)  • Hi‐Tech Surplus;  • Vorlac (Surplus, australia)  • Wirz Electronics (Hobbyist oriented, controllers)  

4

Dịch vụ thiết kế, lựa chọn và tạo mô hình động cơ

• Yeadon Engineering Services, yes@up.net (Michigan)  

Dịch vụ tư vấn

• Simon Bridger Design (New Zealand) 

Những trang web khác

• The Art of Motion Control;  

• EIOʹs Stepper Motor Page;  

Sách

Handbook of Small Electric Motors  William H. Yeadon and Alan W, Yeadon, eds.  McGraw‐Hill, c2001.  LC number: TK2537 .H34 2001 

Stepping motors: a guide to modern theory and practice  Acarnley, P. P.  P. Peregrinus on behalf of the IEE, 1984, c1982.  LC number: TK2537 .A28 1984  A third edition has recently been released. 

Stepping motors and their microprocessor controls  Kenjo, Takashi  Oxford University Press, c1984.  LC number: TK2785 .K4 1984 

1

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 ½ 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 ¼ 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 ½ 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.