Часть 2. Схемотехника систем управления
Выше были рассмотрены наиболее важные общие вопросы использования шаговых двигателей, которые помогут в их освоении. Но, как гласит наша любимая украинская поговорка: «Не повірю поки не провірю» («Не поверю, пока не проверю»). Поэтому перейдем к практической стороне вопроса. Как уже отмечалось, шаговые двигатели - это удовольствие не из дешевых. Но они имеются в старых принтерах, считывателях гибких и лазерных дисков, например, SPM-20 (шаговый двигатель для позиционирования головки в дисководах 5"25 Mitsumi) или EM-483 (от принтера Epson Stylus C86), которые можно найти у себя в старом хламе или купить за копейки на радиобазаре. Примеры таких двигателей представлены на Рисунке 8.
Наиболее простыми для начального освоения являются униполярные двигатели. Причина кроется в простоте и дешевизне их драйвера управления обмотками. На Рисунке 9 приведена практическая схема драйвера, использованного автором статьи для униполярного шагового двигателя серии P542-M48 .
Естественно, что выбор типа транзистора для ключей управления обмотками должен происходить с учетом максимального тока коммутации, а его подключение учитывать необходимость заряда/разряда емкости затвора. В ряде случаев прямое соединение MOSFET с ИМС коммутатора может быть недопустимым. Как правило, в затворах устанавливаются последовательно включенные резисторы небольших номиналов. Но в ряде случае необходимо предусмотреть еще и соответствующий драйвер для управления ключами, который обеспечит заряд/разряд их входной емкости. В некоторых решениях предлагается в качестве ключей использовать биполярные транзисторы. Это подходит только для очень маломощных двигателей с небольшим током обмоток. Для рассматриваемого двигателя с рабочим током обмоток I = 230 мА ток управления по базе ключа должен составить, по крайней мере, 15 мА (хотя для нормальной работы ключа необходимо, чтобы ток базы равнялся 1/10 рабочего, то есть 23 мА). Но такой ток от микросхем серии 74HCхх забрать невозможно, поэтому потребуются дополнительные драйверы. Как хороший компромисс, можно использовать IGBT, сочетающие в себе достоинства полевых и биполярных транзисторов.
С точки зрения автора статьи, самым оптимальным для управления коммутацией обмоток двигателей небольшой мощности является использование подходящих по току и сопротивлению открытого канала R DC(ON) MOSFET, но с учетом рекомендаций, описанных выше. Мощность, рассеиваемая на ключах для выбранного в качестве примера двигателя серии P542-M48, при полной остановке ротора не превысит
P VT = R DC(ON) × I 2 = 0.25 × (0.230) 2 = 13.2 мВт.
Еще одним важным моментов является правильный выбор так называемых снаберных диодов, шунтирующих обмотку двигателя (VD1…VD4 на Рисунке 9). Назначение этих диодов - гасить ЭДС самоиндукции, возникающую при выключении управляющих ключей. Если диоды выбраны неверно, то неизбежен выход из строя транзисторных ключей и устройства в целом. Обратите внимание, что в мощные MOSFET такие диоды, как правило, уже встроены.
Режим управления двигателем задается коммутатором. Как уже было отмечено выше, наиболее удобным и эффективным является управление с перекрытием фаз (Рисунок 4б). Такой режим легко реализуется при помощи триггеров. Практическая схема универсального коммутатора, который использовал автор статьи как в ряде отладочных модулей (в том числе, и с приведенным выше драйвером), так и для практических применений, приведена на Рисунке 10.
Схема на Рисунке 10 пригодна для любых типов двигателей (униполярных и биполярных). Частота вращения двигателя задается внешним тактовым генератором (скважность любая), сигнал с которого подается на вход «ШАГИ», а направление вращения устанавливается через вход «НАПРАВЛЕНИЕ». Оба сигнала имеют логические уровни и, если для их формирования используются выходы с открытым коллектором, то потребуются соответствующие резисторы подтяжки (на Рисунке 10 они не показаны). Временная диаграмма работы коммутатора приведена на Рисунке 11.
Хочу обратить внимание читателей: в Интернете вы могли встретить похожую схему, выполненную не на D-триггерах, а на JK-триггерах. Будьте внимательны! В ряде этих схем допущена ошибка в подключении ИМС. Если нет необходимости в реверсе, то схема коммутатора может быть значительно упрощена (см. Рисунок 12), при этом частота вращения останется неизменной, а диаграмма управления будет аналогичной той, которая приведена на Рисунке 11 (осциллограммы до переключения очередности фаз).
Поскольку особых требований к сигналу «ШАГИ» не предъявляется, для его формирования может использоваться любой подходящий по уровням выходного сигнала генератор. Для своих отладочных модулей автор использовал генератор на базе ИМС (Рисунок 13).
Для питания собственно двигателя можно использовать схему, приведенную на Рисунке 14, а схему коммутатора и генератора питать или от отдельного источника питания +5 В или через дополнительный маломощный стабилизатор. Земли силовой и сигнальной частей в любом случае необходимо разделить.
Схема на Рисунке 14 обеспечивает подачу двух стабильных по уровню напряжений для питания обмоток двигателя: 12 В в рабочем режиме и 6 В в режиме удержания. (Формулы, необходимые для расчета выходного напряжения, приведены в ). Рабочий режим включается подачей высокого логического уровня на контакт «ТОРМОЗ» разъема Х1. Допустимость снижения напряжения питания определяется тем, что, как уже отмечалось в первой части статьи, момент удержания шаговых двигателей превышает момент вращения. Так, для рассматриваемого двигателя P542-M48 момент удержания с редуктором 25:6 равен 19.8 Н·см, а момент вращения всего 6 Н·см. Этот подход позволяет при остановке двигателя уменьшить потребление мощности с 5.52 Вт до 1.38 Вт! Полное отключение двигателя осуществляется подачей высокого логического уровня на контакт «ВКЛ/ВЫКЛ» разъема Х1.
Если схема управления имеет выход на транзисторах с открытым коллектором, то в ключах VT1, VT2 необходимости нет, и выходы можно подключить непосредственно вместо упомянутых ключей.
Примечание: В этом варианте использование резисторов подтяжки недопустимо!
В качестве дросселя автор использовал катушку SDR1006-331K (Bourns). Общее питание формирователя напряжения для обмоток двигателя можно уменьшить до 16 - 18 В, что не скажется на его работе. Еще раз обращаю внимание: при самостоятельном расчете не забудьте учитывать, что формирователь обеспечивает режим с перекрытием фаз, то есть необходимо закладываться на номинальный ток схемы питания, равный удвоенному максимальному току обмоток при выбранном напряжении питания.
Задача управления биполярными двигателями более сложна. Основная проблема в драйвере. Для этих двигателей требуется драйвер мостового типа, и делать его, тем более в современных условиях, на дискретных элементах - неблагодарная задача. Да, этого и не требуется, так как имеется очень большой выбор специализированных ИМС. Все эти ИМС условно можно свести к двум типам. Первый - весьма популярная у любителей робототехники ИМС L293D или ее варианты от . Они относительно недороги и подходят для управления маломощными двигателями с током обмоток до 600 мА. ИМС имеют защиту от перегрева; устанавливать ее необходимо с обеспечением теплоотвода, которым служит фольга печатной платы . Второй тип - это уже знакомая читателям по публикации в ИМС LMD18245 .
Автор использовал драйвер L293DD в схеме для управления биполярным двигателем малой мощности типа 20M020D2B 12 В/0.1 А во время изучения проблемы использования шаговых двигателей. Этот драйвер удобен тем, что содержит четыре полумостовых ключа, поэтому для управления биполярным шаговым двигателем требуется всего одна ИМС. Полная схема, приведенная в и многократно повторенная на интернет-сайтах, пригодна для использования в качестве тестовой платы. На Рисунке 15 показано включение ИМС драйвера (с привязкой к коммутатору из Рисунка 10), поскольку именно эта часть сейчас представляет для нас интерес, а Figure 6 (Bipolar Stepping-Motor Control) из спецификации не совсем понятна начинающему пользователю. Она вводит в заблуждение, например, тем, что показаны внешние диоды, которые на самом деле встроены в ИМС и прекрасно справляются с обмотками маломощных двигателей. Естественно, что драйвер L293D может работать с любым коммутатором. Выключается драйвер логическим нулем по входу R.
Примечание: ИМС L293, в зависимости от изготовителя и суффиксов, указывающих на тип корпуса, имеют различия в нумерации и количестве выводов!
В отличие от L293DD, LMD18245 является не четырех-, а двухканальным драйвером, поэтому для реализации схемы управления требуются две ИМС. Драйвер LMD18245 выполнен по DMOS технологии, содержит схемы защиты от перегрева, короткого замыкания и выполнен в удобном 15-выводном корпусе ТО-220, что позволяет легко отводить от его корпуса излишнее тепло. В качестве задающего генератора использовалась схема, приведенная ранее на Рисунке 13, но с увеличенным до 4.7 кОм сопротивлением резистора R2. Для подачи одиночных импульсов используется кнопка BH1, позволяющая сдвинуть ротор двигателя на один шаг. Направление вращения ротора определяется положением переключателя S1. Включение и выключение двигателя осуществляется выключателем S2. В положение «ВЫКЛ» ротор двигателя освобождается, и его вращение импульсами управления становится невозможным. Режим удержания уменьшает максимальный ток, потребляемый обмотками двигателя, с двух до одного ампера. Если импульсы управления не подаются, то ротор двигателя остается в зафиксированном положении с пониженной вдвое мощностью потребления. Если же импульсы подаются, то вращение двигателя в этом режиме осуществляется с пониженным на малых скоростях вращения моментом. Необходимо заметить, что поскольку при полношаговом управлении «two-phase-on » включены обе обмотки, ток двигателя удваивается, а схема драйвера должна рассчитываться исходя из требований обеспечения заданного тока двух обмоток (резисторы R3, R8).
Схема содержит описанный ранее двунаправленный двухфазовый формирователь на D-триггерах (Рисунок 10). Максимальный ток драйвера задается резистором, включенным в цепь контакта 13 ИМС LMD18245 (резисторы R3, R8), и двоичным кодом на контактах цепи управления тока (выводы 8, 7, 6, 4). Формула для расчета максимального тока приведена в спецификации на драйвер . Ограничение тока осуществляется импульсным методом. При достижении максимально заданной величины тока выполняется его «нарезка» («chopping»). Параметры этой «нарезки» задаются параллельной RC цепочкой, подключенной к выводу 3 драйвера. Достоинством ИМС LMD18245 является то, что токозадающий резистор, не включенный непосредственно в цепь двигателя, имеет достаточно большой номинал и маленькую рассеиваемую мощность. Для рассматриваемой схемы максимальный ток в амперах, согласно приведенной в формуле, составляет:
V DAC REF - опорное напряжение ЦАП (в рассматриваемой схеме 5 В);
D - задействованные разряды ЦАП (в этом режиме используются все 16 разрядов);
R S - сопротивление токоограничивающего резистора (R3 = R8 = 10 кОм).
Соответственно, в режиме удержания (поскольку используются 8 разрядов ЦАП), максимальный ток составит 1 А.
Как можно видеть из предложенной статьи, шаговые двигатели хоть и сложнее в управлении, чем коллекторные, но не настолько, чтобы отказываться от них. Как говорили еще древние римляне: «Дорогу осилит идущий». Естественно, что на практике для многих приложений управление шаговыми двигателями целесообразно делать на основе микроконтроллеров, которые легко сформируют нужные команды для драйверов и выполнят роль коммутаторов. Дополнительную информацию и более детальное рассмотрение проблем, связанных с применением шаговых двигателей, кроме как по упомянутым выше ссылкам [ , , ], можно почерпнуть из ставшей уже классикой монографии Кенио Такаши и на специализированных интернет-сайтах, например, .
Есть еще один момент, на который автор статьи хотел бы обратить внимание читателей. Шаговые двигатели, как впрочем, и все двигатели постоянного тока, обратимы. Что имеется ввиду? Если приложить внешнее вращающее усилие к ротору, то с обмоток статора можно снять ЭДС, то есть двигатель становится генератором, причем весьма и весьма эффективным. Автор статьи экспериментировал с этим вариантом использования шаговых двигателей во время работы консультантом по силовой электронике в компании, занимающейся ветроэнергетикой. Необходимо было на простых макетах отработать ряд практических решений. По наблюдению автора статьи, эффективность шагового двигателя в таком применении была выше, чем у аналогичного по параметрам и габаритам коллекторного двигателя постоянного тока. Но это уже другая история.
Драйвер шагового двигателя - электронное устройство, которое заставляет "шагать" по . Стандартом де-факто в области управления ШД являются . STEP это сигнал шага, DIR это сигнал направления вращения, ENABLE это сигнал включения драйвера.
Более научное определение - драйвер шагового двигателя это электронное силовое устройство, которое на основании цифровых сигналов управления управляет сильноточными/высоковольтными обмотками шагового двигателя и позволяет шаговому двигателю делать шаги (вращаться).
Управлять ШД намного сложнее чем обычным коллекторным двигателем - нужно в определенной последовательности переключать напряжения в обмотках с одновременным контролем тока. Поэтому для управления ШД разработаны специальные устройства - драйверы ШД. Драйвер ШД позволяет управлять вращением ротора ШД в соответствии с сигналами управления и электронным образом делить физический шаг ШД на более мелкие дискреты.
К драйверу ШД подключается источник питания, сам ШД (его обмотки) и сигналы управления. Стандартом по сигналам управления является управление сигналами STEP/DIR или CW/CCW и сигнал ENABLE.
Протокол STEP/DIR:
Сигнал STEP - Тактирующий сигнал, сигнал шага. Один импульс приводит к повороту ротора ШД на один шаг (не физический шаг ШД, а шаг выставленный на драйвере - 1:1, 1:8, 1:16 и т.д.). Обычно драйвер отрабатывает шаг по переднему или заднему фронту импульса.
Сигнал DIR - Потенциальный сигнал, сигнал направления. Логическая единица - ШД вращается по часовой стрелке, ноль - ШД вращается против часовой стрелки, или наоборот. Инвертировать сигнал DIR обычно можно либо из программы управления или поменять местами подключение фаз ШД в разъеме подключения в драйвере.
Протокол CW/CCW:
Сигнал CW - Тактирующий сигнал, сигнал шага. Один импульс приводит к повороту ротора ШД на один шаг (не физический шаг ШД, а шаг выставленный на драйвере - 1:1, 1:8, 1:16 и т. д.) по часовой стрелке. Обычно драйвер отрабатывает шаг по переднему или заднему фронту импульса.
Сигнал CW - Тактирующий сигнал, сигнал шага. Один импульс приводит к повороту ротора ШД на один шаг (не физический шаг ШД, а шаг выставленный на драйвере - 1:1, 1:8, 1:16 и т. д.) против часовой стрелки. Обычно драйвер отрабатывает шаг по переднему или заднему фронту импульса.
Сигнал ENABLE - Потенциальный сигнал, сигнал включения/выключения драйвера. Обычно логика работы такая: логическая единица (подано 5В на вход) - драйвер ШД выключен и обмотки ШД обесточены, ноль (ничего не подано или 0В на вход) - драйвер ШД включен и обмотки ШД запитаны.
Драйверы ШД могут иметь дополнительные функции:
Контроль перегрузок по току.
Контроль превышения напряжения питания, защита от эффекта обратной ЭДС от ШД. При замедлении вращения, ШД вырабатывает напряжение, которое складывается с напряжением питания и кратковременно увеличивает его. При более быстром замедлении, напряжение обратной ЭДС больше и больше скачок напряжения питания. Этот скачок напряжения питания может привести к выходу из строя драйвера, поэтому драйвер имеет защиту от скачков питающего напряжения. При превышении порогового значения напряжения питания драйвер отключается.
Контроль переполюсовки при подключении сигналов управления и питающих напряжений.
Режим автоматического снижения тока обмотки при простое (отсутствии сигнала STEP) для снижения нагрева ШД и потребляемого тока (режим AUTO-SLEEP).
Автоматический компенсатор среднечастотного резонанса ШД. Резонанс обычно проявляется в диапазоне 6-12 об/сек, ШД начинает гудеть и ротор останавливается. Начало и сила резонанса сильно зависит от параметров ШД и его механической нагрузки. Автоматический компенсатор среднечастотного резонанса позволяет полностью исключить резонирование ШД и сделать его вращение равномерным и устойчивым во всем диапазоне частот.
Схему изменения формы фазовых токов с увеличением частоты (морфинг, переход из режима микрошага в режим шага при увеличении частоты). ШД способен отдать заявленный в ТХ момент только в режиме полного шага, поэтому в обычном драйвере ШД без морфинга при использовании микрошага ШД работает на 70% от максимальной мощности. Драйвер ШД с морфингом позволяет получить от ШД максимальную отдачу по моменту во всем диапазоне частот.
Встроенный генератор частоты STEP – удобная функция для пробного запуска драйвера без подключения к ПК или другому внешнему генератору частоты STEP. Также генератор будет полезен для построения простых систем перемещения без применения ПК.
В статье приводятся принципиальные схемы вариантов простого, недорогого контроллера шагового двигателя и резидентное программное обеспечение (прошивка) для него.
Общее описание.
Контроллер шагового двигателя разработан на PIC контроллере PIC12F629. Это 8 выводной микроконтроллер стоимостью всего 0,5 $. Несмотря на простую схему и низкую стоимость комплектующих, контроллер обеспечивает довольно высокие характеристики и широкие функциональные возможности.
- Контроллер имеет варианты схем для управления как униполярным, так и биполярным шаговым двигателем.
- Обеспечивает регулировку скорости вращения двигателя в широких пределах.
- Имеет два режима управления шаговым двигателем:
- полношаговый;
- полушаговый.
- Обеспечивает вращение в прямом и реверсивном направлениях.
- Задание режимов, параметров, управление контроллером осуществляется двумя кнопками и сигналом ВКЛ (включение).
- При выключении питания все режимы и параметры сохраняются в энергонезависимой памяти контроллера и не требуют переустановки при включении.
Контроллер не имеет защиты от коротких замыканий обмоток двигателя. Но реализация этой функции значительно усложняет схему, а замыкание обмоток – случай крайне редкий. Я с таким не сталкивался. К тому же механическая остановка вала шагового двигателя во время вращения не вызывает опасных токов и защиты драйвера не требует.
Про режимы и способы управления шаговым двигателем можно почитать , про дайверы .
Схема контроллера униполярного шагового двигателя с драйвером на биполярных транзисторах.
Объяснять в схеме особенно нечего. К PIC контроллеру подключены:
- кнопки "+" и "–" (через аналоговый вход компаратора);
- сигнал ВКЛ (включение двигателя);
- драйвер (транзисторы VT1-Vt4 , защитные диоды VD2-VD9).
PIC использует внутренний генератор тактирования. Режимы и параметры хранятся во внутреннем EEPROM.
Схема драйвера на биполярных транзисторах КТ972 обеспечивает ток коммутации до 2 А, напряжение обмоток до 24 В.
Я спаял контроллер на макетной плате размерами 45 x 20 мм.
Если ток коммутации не превышает 0,5 А, можно использовать транзисторы серии BC817 в корпусах SOT-23. Устройство получится совсем миниатюрным.
Программное обеспечение и управление контроллером.
Резидентное программное обеспечение написано на ассемблере с циклической переустановкой всех регистров. Программа зависнуть в принципе не может. Загрузить программное обеспечение (прошивку) для PIC12F629 можно .
Управление контроллером достаточно простое.
- При активном сигнале "ВКЛ" (замкнут на землю) двигатель крутится, при неактивном (оторван от земли) – остановлен.
- При работающем двигателе (сигнал ВКЛ активен) кнопки "+" и "–" меняют скорость вращения.
- Каждое нажатие на кнопку "+" увеличивает скорость на минимальную дискретность.
- Нажатие кнопки "–" - уменьшает скорость.
- При удержании кнопок "+" или "–" скорость вращения плавно увеличивается или уменьшается, на 15 значений дискретности в сек.
- При остановленном двигателе (сигнал ВКЛ не активен).
- Нажатие кнопки "+" задает режим вращения в прямом направлении.
- Нажатие кнопки "–" переводит контроллер в режим реверсивного вращения.
- Для выбора режима – полношаговый или полушаговый необходимо при подаче питания на контроллер удерживать кнопку "–" в нажатом состоянии. Режим управления двигателем будет изменен на другой (проинвертирован). Достаточно выдержать кнопку – нажатой в течение 0,5 сек.
Схема контроллера униполярного шагового двигателя с драйвером на MOSFET транзисторах.
Низкопороговые MOSFET транзисторы позволяют создать драйвер с более высоким параметрами. Применение в драйвере MOSFET транзисторов, например, IRF7341 дает следующие преимущества.
- Сопротивление транзисторов в открытом состоянии не более 0,05 Ом. Значит малое падение напряжения (0,1 В при токе 2 А), транзисторы не греются, не требуют радиаторов охлаждения.
- Ток транзисторов до 4 А.
- Напряжение до 55 В.
- В одном 8 выводном корпусе SOIC-8 размещены 2 транзистора. Т.е. на реализацию драйвера потребуется 2 миниатюрных корпуса.
Таких параметров невозможно достичь на биполярных транзисторах. При токе коммутации свыше 1 А настоятельно рекомендую вариант утройства на MOSFET транзисторах.
Подключение к контроллеру униполярных шаговых двигателей.
В униполярном режиме могут работать двигатели с конфигурациями обмоток 5, 6 и 8 проводов.
Схема подключения униполярного шагового двигателя с 5 и 6 проводами (выводами).
Для двигателей FL20STH, FL28STH, FL35ST, FL39ST, FL42STH, FL57ST, FL57STH с конфигурацией обмоток 6 проводов выводы промаркированы следующим цветами.
Конфигурация с 5 проводами это вариант, в котором общие провода обмоток соединены внутри двигателя. Такие двигатели бывают. Например, PM35S-048.
Документацию по шаговому двигателю PM35S-048 в PDF формате можно загрузить .
Схема подключения униполярного шагового двигателя с 8 проводами (выводами).
То же самое как и для предыдущего варианта, только все соединения обмоток происходят вне двигателя.
Как выбирать напряжение для шагового двигателя.
По закону Ома через сопротивление обмотки и допустимый ток фазы.
U = Iфазы * Rобмотки
Сопротивление обмотки постоянному току можно измерить, а ток надо искать в справочных данных.
Подчеркну, что речь идет о простых драйверах, которые не обеспечивают сложную форму тока и напряжения. Такие режимы используются на больших скоростях вращения.
Как определить обмотки шаговых двигателей, если нет справочных данных.
В униполярных двигателях с 5 и 6 выводами, средний вывод можно определить, измерив, сопротивление обмоток. Между фазами сопротивление будет в два раза больше, чем между средним выводом и фазой. Средние выводы подключаются к плюсу источника питания.
Дальше любой из фазных выводов можно назначить фазой A. Останется 8 вариантов коммутаций выводов. Можно их перебрать. Если учесть, что обмотка фазы B имеет другой средний провод, то вариантов становится еще меньше. Попутка обмоток фаз не ведет к выходу из строя драйвера или двигателя. Двигатель дребезжит и не крутится.
Только надо помнить, что к такому же эффекту приводит слишком высокая скорость вращения (выход из синхронизации). Т.е. надо скорость вращения установить заведомо низкую.
Схема контроллера биполярного шагового двигателя с интегральным драйвером L298N.
Биполярный режим дает два преимущества:
- может быть использован двигатель с почти любой конфигурацией обмоток;
- примерно на 40% повышается крутящий момент.
Создавать схему биполярного драйвера на дискретных элементах – дело неблагодарное. Проще использовать интегральный драйвер L298N. Описание на русском языке есть .
Схема контроллера с биполярным драйвером L298N выглядит так.
Драйвер L298N включен по стандартной схеме. Такой вариант контроллера обеспечивает фазные токи до 2 А, напряжение до 30 В.
Подключение к контроллеру биполярных шаговых двигателей.
В этом режиме может быть подключен двигатель с любой конфигурацией обмоток 4, 6, 8 проводов.
Схема подключения биполярного шагового двигателя с 4 проводами (выводами).
Для двигателей FL20STH, FL28STH, FL35ST, FL39ST, FL42STH, FL57ST, FL57STH с конфигурацией обмоток 4 провода выводы промаркированы следующим цветами.
Схема подключения биполярного шагового двигателя с 6 проводами (выводами).
Для двигателей FL20STH, FL28STH, FL35ST, FL39ST, FL42STH, FL57ST, FL57STH с такой конфигурацией обмоток выводы промаркированы следующим цветами.
Такая схема требует напряжения питания в два раза большего по сравнению с униполярным включением, т.к. сопротивление обмоток в два раза больше. Скорее всего, контроллер надо подключать к питанию 24 В.
Схема подключения биполярного шагового двигателя с 8 проводами (выводами).
Может быть два варианта:
- с последовательным включением
- с параллельным включением.
Схема последовательного включения обмоток.
Схема с последовательным включением обмоток требует в два раза большего напряжения обмоток. Зато не увеличивается ток фазы.
Схема параллельного включения обмоток.
Схема с параллельным включением обмоток увеличивает в 2 раза фазные токи. К достоинствам этой схемы можно отнести, низкую индуктивность фазных обмоток. Это важно на больших скоростях вращения.
Т.е. выбор между последовательным и параллельным включением биполярного шагового двигателя с 8 выводами определяется критериями:
- максимальный ток драйвера;
- максимальное напряжение драйвера;
- скорость вращения двигателя.
Программное обеспечение (прошивка) для PIC12F629 можно загрузить .
Шаговые двигатели присутствуют в автомобилях, принтерах, компьютерах, стиральных машинах, электробритвах и многих других устройствах из повседневного быта. Однако многие радиолюбители до сих пор не знают, как заставить такой мотор работать и что он вообще из себя представляет. Итак, давайте узнаем, как использовать шаговый двигатель.
Шаговые двигатели являются частью класса моторов, известных как безщеточные двигатели. Обмотки шагового двигателя являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.
Типы шаговых двигателей
Существуют три основных типа шаговых двигателей: переменной индуктивности, двигатели с постоянными магнитами, и гибридные двигатели.
Двигатели переменной индуктивности используют только генерируемое магнитное поле на центральном валу, заставляющее вращаться и находиться на одной линии с напряжением электромагнитов.
Двигатели с постоянными магнитами похожи на них, за исключением того, что центральный вал поляризован у северного и южного магнитных полюсов, которые будут соответствующим образом поворачивать его в зависимости от того, какие электромагниты включены.
Гибридный мотор — это сочетание двух предыдущих. У его намагниченного центрального вала имеется два набора зубов для двух магнитных полюсов, которые затем выстраиваются в линию с зубами вдоль электромагнитов. В связи с двойным набором зубов на центральном валу, гибридный двигатель имеет наименьший доступный размер шага и поэтому является одним из наиболее популярных типов шаговых двигателей.
Также существует ещё два типа шаговых двигателей: униполярные и биполярные . На фундаментальном уровне, эти два типа работать точно так же; электромагниты включены в последовательном виде, заставляя центральный вал двигателя вращаться.
Но униполярный шаговый двигатель работает только с положительным напряжением, а биполярный шаговый двигатель имеет два полюса — положительный и отрицательный.
То есть фактическая разница между этими двумя типами заключается в том, что для однополярных требуется дополнительный провод в середине каждой катушки, что позволит току проходить либо к одному концу катушки, либо другому. Эти два противоположных направления производят две полярности магнитного поля, фактически имитируя как положительные, так и отрицательные напряжения.
Хотя оба они имеют общий уровень питающих напряжений 5V, биполярный шаговый двигатель будет иметь больший крутящий момент, потому что ток течет через всю катушку, производя более сильное магнитное поле. С другой стороны, униполярные шаговые двигатели используют только половину длины катушки из-за дополнительного провода в середине катушки, а значит меньший крутящий момент доступен для удержания вала на месте.
Разные шаговые двигатели могут иметь разное количество проводов, как правило, 4, 5, 6, или 8. 4-х проводные линии могут поддержать только биполярные шаговые двигатели, поскольку у них нет центрального провода.
5-ти и 6-ти проводные механизмы могут быть использованы как для однополярного, так и биполярного шагового двигателя, в зависимости от того, используется центральный провод на каждой из катушек или нет. 5-ти проводная конфигурация подразумевает, что центральные провода на два комплекта катушек соединены внутри между собой.
Есть несколько различных способов управления шаговыми двигателями — полный шаг, полушаг, и микрошаговый. Каждый из этих стилей предлагают различные крутящие моменты, шаги и размеры.
Полный шаг — такой привод всегда имеет два электромагнита. Для вращения вала, один из электромагнитов выключается и далее электромагнит включен, вызывая вращение вала на 1/4 зуба (по крайней мере для гибридных шаговых двигателей). Этот стиль имеет самый сильный момент вращения, но и самый большой размер шага.
Полшага . Для вращения центрального вала, первый электромагнит находится под напряжением, как первый шаг, затем второй также под напряжением, а первый все еще работает на второй шаг. При третьем шаге выключается первый электромагнит и четвертый шаг — поворот на третий электромагнит, а второй электромагнит по-прежнему работает. Этот метод использует в два раза больше шагов, чем полный шаг, но он также имеет меньший крутящий момент.
Микрошаговый имеет наименьший размер шага из всех этих стилей. Момент вращения, связанный с этим стилем, зависит от того, как много тока, протекает через катушки в определенное время, но он всегда будет меньше, чем при полном шаге.
Схема подключения шаговых двигателей
Чтобы управлять шаговым двигателем необходим контроллер . Контроллер — схема, которая подает напряжение к любой из четырех катушек статора. Схемы управления достаточно сложны, по сравнению с обычными электромоторчиками, и имеют много особенностей. Подробно рассматривать тут мы их не будем, а просто приведём фрагмент популярного контроллера на ULN2003A .
В общем шаговые двигатели являются отличным способом для того, чтобы повернуть что-то в точный размер угла с большим количеством крутящего момента. Другое преимущество их в том, что скорость вращения может быть достигнута почти мгновенно при изменении направления вращения на противоположное.
При конструировании очередного станка с ЧПУ, а попросту 3-х осевого фрезерного-сверлильного станочка для печатных плат и мелких фрезерных работ, у меня появилось неугомонное желание разложить всё «по полочкам».
Многие скажут, что тема не нова, существует множество проектов, множество технических и программных решений. Но, плавая в этом море информации, я постарался убрать всю «воду» и получить «сухой остаток».
Вот что из этого получилось…
Задача построения станка обычно сводится к трем подзадачам - механика, электроника, программное обеспечение. Видимо и статьи придется писать тоже три.
Поскольку у нас журнал всё-таки практической электроники, начну с электроники и чуть-чуть с механики!
Привод
Нужно двигать собственно фрезер в 3-х направлениях - XYZ, значит нужно 3 привода - 3 мотора с передачей вращения вала двигателя в линейное перемещение.О передаче…
Для фрезерного станка, где есть боковые усилия резания материала, желательно не применять ременные передачи, очень популярные в 3D принтерах. Буду применять передачу «винт-гайка». Самая бюджетная передача - обычный стальной винт и безлюфтовая, желательно бронзовая, гайка. Более правильная - винт с трапециевидной резьбой и гайка из капролона. Самая хорошая (и, увы, самая дорогая) шарико-винтовая пара, или ШВП. Об этом подробнее я еще расскажу далее…
У каждой передачи есть свой коэффициент, свой шаг - то есть насколько линейно по оси переместится фрезер за один оборот двигателя, например, на 4 мм.
Двигатель (мотор)
В качестве двигателя для привода определил шаговый двигатель (ШД)Почему шаговый? Что это вообще такое?
Двигатели есть переменного и постоянного тока, коллекторные и бесколлекторные, и так называемые «шаговые». В любом случае нам надо обеспечить какую-то точность позиционирования, например 0,01 мм. Как это сделать? Если двигатель имеет прямой привод - вал двигателя соединяют напрямую с винтом, то для обеспечения такой точности нужно повернуть его на некоторый угол. В данном случае, при шаге передачи 4 мм и желаемой точности перемещения 0,01 мм это… всего 1/400 оборота, или 360/400=0,9 градуса! Ерунда, возьмем обычный моторчик…
С «обычным» моторчиком без обратной связи никак не получится. Не вдаваясь в подробности, схема управления двигателем должна «знать», на какой угол повернулась ось. Можно конечно поставить редуктор - потеряем в скорости, и все равно без гарантии, без обратной связи вообще никак! На ось ставится датчик угла поворота. Такое решение надежное, но дорогое.
Альтернатива - шаговый двигатель (как он работает, почитайте сами). Можно считать, что за одну «команду» он повернет свою ось на определенный градус, обычно это 1,8 или 0,9 градуса (точность обычно не хуже 5%) - как раз то, что нужно. Недостаток такого решения - при большой нагрузке двигатель будет пропускать команды - «шаги» и может вообще остановиться. Вопрос решается установкой заведомо мощного двигателя. На шаговых двигателях и делается большинство любительских станочков.
Выбираем шаговый двигатель
2 обмотки, с минимальным током, минимальной индуктивностью и максимальным моментом - то есть максимально мощный и экономичный двигатель.Противоречивые требования. Малый ток - значит большое сопротивление, значит много витков провода обмотки двигателя, значит большая индуктивность. А большой момент - это большой ток и много витков. Выбираем в пользу большего тока и меньшей индуктивности. А момент надо выбирать исходя из нагрузки, но об этом потом.
Характеристики некоторых двигателей приведены в таблице:
Для небольшого станка с рабочим пространством размером 300×300х100 мм и легким фрезером вполне сгодятся двигатели с крутящим моментом 0,3Нм и выше. Оптимальным является ток от 1,5 до 2,5 Ампер, вполне подойдет FL42STH38-1684
Драйвер шагового двигателя
Двигатель есть. Теперь нужен драйвер - переключать напряжение на обмотках двигателя определенным образом, при этом не превышая установленный ток.Самое простое решение - источник заданного тока и две пары транзисторных ключей на каждую обмотку. И четыре защитных диода. И логическая схема чтобы менять направление. И… Такое решение обычно делают на микросхеме ULN2003A для двигателей с малым током, имеет много недостатков, не буду на них останавливаться.
Альтернатива - специализированные микросхемы «всё в одном» - с логикой, транзисторами и диодами защиты внутри (или снаружи). А еще такие микросхемы контролируют ток обмоток и регулируют его с помощью ШИМ-а, а так же могут реализовывать режим «полушаг», а некоторые режимы 1/4 шага, и 1/8 шага и т. д. Эти режимы позволяют повысить точность позиционирования, повысить плавность движения и снизить резонанс. Обычно достаточно режима «полушаг», что позволит повысить теоретическую точность линейного позиционирования (в моем примере до 0,005 мм).
Что внутри микросхемы драйвера шагового двигателя? Блок логики и управления, источники питания, ШИМ со схемами формирования момента и времени коммутации обмоток, выходные ключи на полевых транзисторах, компараторы обратной связи - ток контролируется по падению напряжения на резисторах (Rs) в цепи питания обмоток. Ток двигателя задается опорным напряжением.
Для реализации этих функций существуют и другие схемные решения, например, с использованием микроконтроллеров PIC или ATMEGA (опять же с внешними транзисторами и защитными диодами). На мой взгляд, они не обладают значительным преимуществом перед «готовыми» микросхемами и я их в данном проекте использовать не буду.
Богатство выбора
На сегодняшний день есть достаточно много различных микросхем и достаточно много уже готовых плат и модулей драйверов ШД. Можно купить готовый, а можно «изобретать велосипед», тут каждый решает по-своему.
Из готовых - наиболее распространённые и недорогие драйверы на микросхемах Allegro A4988 (до 2А), Texas Instruments DRV8825 (до 2,5А).
Поскольку модули изначально разрабатывались для использования в 3D принтерах типа Rep-rap проекта Arduino, они не являются законченными модулями (например, им нужно еще питание логики (+5V), которое подается с так называемой рампы (Ramp).
Еще есть решения на DRV8811 (до 1,9 А), A3982 (до 2 А), A3977 (до 2,5 А), DRV8818 (до 2,5 А) DRV8825 (до 2,5 А), Toshiba TB6560 (до 3 А) и другие.
Поскольку мне интересно что-то сделать самому, плюс появилась возможность «попробовать на вкус» микросхемы Allegro A3982 и A3977, решил сделать пару драйверов самостоятельно.
Готовые решения на A4988 не понравились, прежде всего, из-за миниатюризации размеров печатной платы в ущерб хорошему охлаждению. Типовое сопротивление открытых транзисторов у A4388 при токе 1,5А 0,32+0,43 Ом, плюс 0,1-0,22 Ома «измерительный» резистор - получается около 0,85 Ом. А таких каналов два, и хотя и работают они импульсно, но 2-3 Ватта тепла надо рассеивать. Ну не верю я в многослойную плату и малюсенький радиатор охлаждения - в даташите нарисована плата гораздо больших размеров.
Провода мотора нужно сделать короткими, драйвер устанавливать рядом с двигателем. Существует 2 технических решения в звукотехнике: длинный сигнальный кабель к усилителю + короткие провода к акустической системе, или короткий сигнальный кабель к усилителю + длинные провода, а акустической системе. Оба решения имеют свои плюсы и минусы. С моторами - так же. Я выбрал длинные провода управления и короткие провода к мотору.
Управляющие сигналы - «шаг» (step), «направление» (dir), «включение» (enable), индикация состояния сигналов управления. Некоторые схемы не используют сигнал «Enable», но это приводит в режиме простоя к ненужному нагреву и микросхемы и двигателя.
Одно питание 12-24 вольта, источник питания логики (+5B) - на плате. Размеры платы - достаточные для хорошего охлаждения, двухсторонняя печать с большой областью «меди», возможность приклеить на микросхему радиатор (применяемой для охлаждения памяти видеокарт).
Драйвер ШД на микросхеме Allegro A3982
Напряжение питание силовое: 8…35 В Напряжение питание логики: 3,3…5 В Выходной ток (максимальный, зависит от режима и охлаждения): ±2 А Типовое сопротивление открытых транзисторов (при токе 1,5А): 0,33+0,37 Ом
Драйвер ШД на микросхеме Allegro A3977
Основные характеристики и блок-схема:
Напряжение питание силовое: 8…35 В Напряжение питание логики: 3,3…5 В Выходной ток (максимальный, зависит от режима и охлаждения): ±2,5 А Типовое сопротивление открытых транзисторов (при токе 2,5А): 0,33+0,45 Ом
Схема и прототип
Проектировал в среде DipTrace. Драйвер A3982 включен по схеме из документации производителя. Включен режим «полушаг». Дополнительно для надежной работы сигналов управления и индикации применил микросхему логики 74НС14 (с триггерами Шмитта). Можно было сделать гальвано-развязку на оптронах, но для маленького станка я решил ее не делать. Схема на A3977 отличается только дополнительными джамперами режима шага и более мощным разъемом питания, пока в «железе» не реализована.
Печатная плата
Процесс изготовления - ЛУТ, двухсторонняя. Габариты 37×37 мм, крепеж - как у двигателей, 31×31 мм.
Для сравнения - слева мое творчество, справа драйвер на A4988.