Chương 3 : PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3.4 Xây dựng chương trình điều khiển
3.4.3 Driver điều khiển động cơ DC ( Mạch cầu H) [6]
Hinh 3. 17 Kit mạch cầu H
47
IC L298 là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong. Với điện áp làm tăng công suất đầu ra từ 5V – 47V , dòng lên đến 4A, L298 rất thích hợp trong những ứng dụng công suất nhỏ như động cơ DC loại vừa
Tóm tắt chức năng các chân của L298:
• 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10, 12 của L298. Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển.
• 4chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân INPUT) được nối với các chân 2, 3, 13, 14 của L298. Các chân này sẽ được nối với động cơ.
• Hai chân ENA và ENB dung để điều khiển các mạch cầu H trong L298. Nếu ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) thì cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0” thì mạch cầu H khơng hoạt động.
Với bài tốn của mình ở trên, chỉ cần lưu ý đến cách điều khiển chiều quay với L298:
• Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào.
• Khi ENA = 1: Động cơ quay với mọi đầu vào.
• INT1 = 1, INT2 = 0: Động cơ quay thuận.
• INT1 = 0, INT2 = 1: Động cơ quay nghịch.
• INT1 = INT2: Động cơ dừng ngay tức thì.
• Khi ENB = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào.
• Khi ENB = 1: Động cơ quay với mọi đầu vào.
• INT3 = 1, INT4 = 0: Động cơ quay thuận.
• INT3 = 0, INT4 = 1: Động cơ quay nghịch.
48
Hinh 3. 19 Nối song song hai cầu H để điều khiển động cơ lên đến 4A.
Trong thực tế ứng dụng này, động cơ DC chỉ có dịng tải 200mA khi hoạt động bình thường, và lên đến tối đa 2A khi quá tải. Tuy nhiên, cũng cần thiết kế một bộ điều khiển mở có thể sử dụng cho các động cơ lên đến 4A. Việc hạn dòng cho động cơ là rất cần thiết, nhất là khi robot hoạt động, có rất nhiều tình huống khơng mong đợi sẽ xảy ra. Vì vậy, cần phải có chế độ hạn dịng bằng phần mềm.
Để ngăn chặn dòng điện qua động cơ nhỏ hơn 4A, tại hai ngõ “sense” chúng ta sử dụng điện trở công suất 1.2 Ohm để lấy điện áp hồi tiếp về vi điều khiển. Trong chương trình điều khiển, điện áp hồi tiếp này được đo và luôn đảm bảo ở mức nhỏ hơn 1.2 x 4 = 4.8 V. Với mức điện áp này vẫn đảm bảo sử dụng điện áp tham chiếu (Vref) là điện áp nguồn nuôi vi điều khiển (Vdd – 5V) nên không cần dùng điện áp tham chiếu ngoài. Nếu chọn điện trở nhỏ hơn, điện áp chặn sẽ giảm xuống dưới 4.8V. Ví dụ chọn điện trở 0.6 Ohm, thì điện áp chặn sẽ là 2.4 V. Như vậy lưới chia quá thấp và độ
49
nhạy lúc này giảm đi hai lần. Hiện tượng ngắn mạch có thể xảy ra trong q trình điều khiển động cơ. Hiện tượng này không làm ảnh hưởng nhiều đến động cơ, nhưng gây quá tải tức thời và khi chương trình chưa kịp kiểm sốt điện áp hồi tiếp ở chân “sense” sẽ gây cháy chip. Để hạn chế hiện tượng này, chúng ta dùng một mạch bảo vệ “thơng minh” (hình 3.20). Khi hiện tượng ngắn mạch xảy ra, ngõ vào lập tức bị kéo xuống mức 0 V, có nghĩa là ngõ ra cũng ở mức thấp và phanh động cơ tức thời trong vịng 10 micro giây. Hình 3.21 mơ tả các mức điện áp tức thời khi có ngắn mạch.
Trong các trường hợp nguy hiểm như ngắn mạch do va chạm, hoặc tuột dây nối, cần có mạch bảo vệ chống ngắn mạch bằng phần cứng để đáp ứng kịp thời. Cần điều khiển PWM ở tần số cao để tránh tiếng ồn do động cơ gây ra, nhất là những tiếng kêu nghe rất rõ ở khoảng tần số 1KHz đến 3KHz. Bộ điều khiển PWM thông thường được dùng ở 5KHz.
Hinh 3. 20 Mạch bảo vệ
50
Hai chế độ dừng của L298N rất thuận lợi. Dừng tự do (free stop) được thực hiện khi chân “enable” được kéo xuống mass. Dừng nhanh hay phanh (fast stop – break) được thực hiện khi hai ngõ vào có cùng logic. Trường hợp dừng tự do chỉ được dùng khi điện áp hồi tiếp đo dòng tải ở chân “sense” vượt quá cho phép và được dừng bởi chương trình điều khiển. Tất cả các trường hợp dừng khác đều dùng biện pháp dừng nhanh. Như vậy, trong trường hợp ngắn mạch, động cơ sẽ được duy trì ở trạng thái phanh. L298N khơng có diode nội để bảo vệ các mosfet nằm bên trong, do đó, cần có các diode ngồi để bảo vệ. Để đảm bảo điều khiển ở tần số PWM cao, cần dùng diode nhanh có điện trở thấp. Diode chuyên dụng để điều khiển động cơ là các diode fast recovery Schottky. Nhưng ở tần số thấp như trong ứng dụng này, vẫn có thể dùng loại 1N4007. Một lưu ý rằng L298N khi hoạt động rất nóng, nhiệt độ có thể làm phỏng tay khi chạm vào L298N. Do vậy, cần có một miếng tản nhiệt để giải nhiệt cho L298N. Khi khơng có tản nhiệt, L298N sẽ nóng rất nhanh và tự động ngắt điều khiển. Trong các thí nghiệm, L298N sẽ ngắt mạch trong vòng 45 đến 60 giây khi khơng có tản nhiệt. Khi có tản nhiệt, chúng em đã thử cho chạy liên tục với chu kỳ nhiệm vụ PWM là 100% trong vòng 15 phút và nhiệt độ của L298N không hề tăng cao.