Драйвер шагового двигателя на транзисторах

Представляю Вашему вниманию драйвер биполярного шагового двигателя на биполярных транзисторах серии «КТ».

Драйвер работает по принципу эмиттерного повторителя. Сигнал управления поступает на каскад усиления собранного на транзисторе кт315. После чего попадет на Н мост из комплементарной пары КТ815 и КТ 814.

Каскад усиления необходим, так как мощности тока на выходе из микроконтроллера недостаточно для открытия силовых транзисторов. После силовых транзисторов установлены диоды гашения самоиндукции мотора.

Так же в схеме предусмотрено гашение помех в виде конденсаторов на 3 на 0,1 мкф и 1 на 100 мкф. Так как драйвер проектировался для работы с двигателем от CD привода на 150 ватт, охлаждение на транзисторах не

Шаговый двигатель из CD привода подключенный к драйверу на транзисторах

устанавливалось, но максимальный ток эмиттера транзисторов КТ814 и КТ815 составляет 1,5 а, благодаря чему данным драйвером можно крутить моторы и по мощнее. Для этого всего необходимо установить пластины охлаждения на силовые транзисторы.

Николай Гурылёв.

Здравствуйте Юрий Валерьевич! Опишу изменения в схеме > Что меня подвигло к изменению схемы? В исходной схеме управление двигателем производится двумя кнопками каждая, из которых содержит по две группы контактов. Одна группа подаёт высокий логический уровень на вход микросхем, другая подаёт питание на двигатель. В виду того, что некоторые двигатели потребляют значительный ток, группа контактов, управляющая двигателем должна быть достаточно мощной, а, следовательно, и габаритной.

Это конечно не удобно и не желательно в виду снижения надёжности устройства по причине использования механических контактов в сильноточных цепях. Я предлагаю управлять питанием двигателя при помощи мощного полевого транзистора, который в свою очередь управляется теми же кнопками. При замыкании кнопок SB-1 или SB-2 высокий логический уровень через логический элемент ИЛИ образованный диодами VD-6 и VD-7 поступает на затвор полевого транзистора VT-5,открывая его, и тем самым замыкая цепь питания двигателя. Это даёт возможность разделить цепи питания и управления, и использовать для управления миниатюрные слаботочные кнопки например тактовые кнопки и кроме того даёт возможность производить управление от внешнего устройства (например компьютера) подачей соответствующих логических уровней. Естественно через дополнительное устройство согласования. Можно ещё реализовать пошаговое управление, но не буду усложнять. Ведь это ПРОСТОЕ устройство. Диоды можно применить любые, кремниевые, какие влезут. Полевой транзистор следует выбирать исходя из напряжения питания и потребляемого тока применяемого двигателя. Полевых транзисторов сейчас продаётся много различной мощности с напряжениями сток-исток до сотен вольт и с токами стока до десятков ампер. Если применяется низковольтный двигатель, то желательно и транзистор выбирать низковольтный, так как у них меньшее сопротивление сток-исток, что предполагает меньшее падение напряжения и меньший нагрев и потери мощности.

По этой же причине желательно и в качестве VT1-VT5, так же использовать полевики с N-каналом. В этом случае сопротивление резисторов в цепи базы можно уменьшить, это не приведёт к перегрузке логических элементов. В исходной схеме не указан тип применённого стабилизатора, но я думаю, что 12вольт будет как раз. Следует учитывать, что мощные полевики, как правило, начинают интенсивно открываться при напряжении на затворе около 4 вольт и насыщаются при напряжении около 10 вольт. Вот вроде и всё. Изменённая схема и изменённая печатка прилагаются.

Шаговые двигатели интересны тем, что позволяют повернуть вал на определённый угол. Соответственно, с их помощью можно повернуть вал и на определённое число оборотов, потому что N оборотов — это тоже определённый угол, равный 360*N, и, в том числе, на нецелое число оборотов, например на 0.75 оборота, 2.5 оборота, на 3.7 оборота и т.д. Этими возможностями шаговых двигателей определяется и область их применения. В основном они используются для позиционирования различных устройств: считывающих головок в дисководах, печатающих головок в принтерах и плоттерах и т.д.

Естественно такие возможности не могли обойти стороной и радиолюбители. Они с успехом используют шаговики в конструкциях самодельных роботов, самодельных станков с ЧПУ и т.д. Ниже описаны результаты моих опытов с шаговым двигателем, надеюсь, что кому-то это может оказаться полезным.

Итак, что нам понадобится для экспериментов. Во-первых, шаговый двигатель. Я брал 5-ти вольтовый китайский биполярный шаговик с загадочным названием, выдранный из старого 3,5" дисковода, аналог M20SP-GW15. Во-вторых, поскольку обмотки двигателя потребляют значительный ток (в данном случае до 300 мА), то вполне понятно, что подключить шаговик к контроллеру напрямую не удастся, нужен драйвер.

В качестве драйвера для биполярных шаговых двигателей обычно используют схему так называемого H-моста или специальную микросхему (в которой всё равно встроен H-мост). Можно конечно ваять самому, но я взял готовую микруху (LB1838) из того же старого дисковода. Собственно, кроме всего вышеописанного, для наших экспериментов также понадобятся: PIC-контроллер (был взят PIC12F629, как самый дешёвый) и пара кнопок.

Перед тем, как перейти непосредственно к схеме, давайте немного разберёмся с теорией.

Биполярный шаговый двигатель имеет две обмотки и, соответственно, подключается по четырём проводам. Найти концы обмоток можно простой прозвонкой — концы проводов, относящиеся к одной обмотке, будут между собой звониться, а концы, относящиеся к разным обмоткам, — нет. Концы первой обмотки обозначим буквами "a", "b", а концы второй обмотки буквами "c", "d".

На рассматриваемом экземпляре есть цифровая маркировка контактов возле мотора и цветовая маркировка проводов (бог его знает, может это тоже какой-то стандарт): 1 — красный, 2 — голубой — первая обмотка; 3 — жёлтый, 4 — белый — вторая обмотка.

Для того, чтобы биполярный шаговый двигатель вращался, необходимо запитывать обмотки в порядке, указанном в таблице. Если направление обхода таблицы выбрать сверху вниз по кругу, то двигатель будет вращаться вперёд, если снизу вверх по кругу — двигатель будет вращаться назад:

За один полный цикл двигатель делает четыре шага.

Для правильной работы, должна строго соблюдаться указанная в таблице последовательность коммутаций. То есть, например, после второй комбинации (когда мы подали + на вывод "c" и минус на вывод "d") мы можем подать либо третью комбинацию (отключить вторую обмотку, а на первой подать — на "a" и + на "b"), тогда двигатель повернётся на один шаг вперёд, либо первую комбинацию (двигатель повернётся на один шаг назад).

То, с какой комбинации нужно начинать вращение, определяется тем, какая последняя комбинация подавалась на двигатель перед его выключением (если конечно его руками потом не крутили) и желаемым направлением вращения.

То есть, допустим мы повернули двигатель на 5 шагов вперёд, подавая на него комбинации 2-3-4-1-2, потом обесточили, а потом захотели повернуть ещё на один шаг вперёд. Для этого на обмотки надо подать комбинацию 3. Пусть после этого мы его опять обесточили, а через какое-то время захотели вернуть его на 2 шага назад, тогда нам нужно подать на двигатель комбинации 2-1. И так далее в таком же духе.

Эта таблица, кроме всего прочего, позволяет оценить, что будет происходить с шаговым двигателем, если мы перепутаем порядок подключения обмоток или концы в обмотках.

На этом мы закончим с двигателем и перейдём к драйверу LB1838.

У этой микрухи есть четыре управляющие ноги (IN1, IN2, EN1, EN2), на которые мы как раз и будем подавать сигналы с контроллера, и четыре выходных ноги (Out1, Out2, Out3, Out4), к которым подключаются обмотки двигателя. Обмотки подключаются следующим образом: провод "a" подключается к Out1, провод "b" — к Out2, провод "c" — к Out3, провод "d" — к Out4.

Ниже представлена таблица истинности для микросхемы драйвера (состояние выходов в зависимости от состояния входов):

IN1	EN1	Out1 (a)	Out2(b)	IN2	EN2	Out3(c)	Out4(d)
Low	High	+	—	Low	High	+	—
High	High	—	+	High	High	—	+
X	Low	откл	откл	X	Low	откл	откл

Теперь давайте нарисуем на диаграмме, какую форму должны иметь сигналы IN1, EN1, IN2, EN2 для одного полного цикла вращения (4 шага), т.е. чтобы на выходах появились последовательно все 4 комбинации подключения обмоток:

Если присмотреться к этой диаграмме (слева), то становится очевидно, что сигналы IN1 и IN2 можно сделать абсолютно одинаковыми, то есть на обе этих ноги можно подавать один и тот же сигнал. В этом случае наша диаграмма будет выглядеть так:

Итак, на последней диаграмме нарисовано, какие комбинации уровней сигналов должны быть на управляющих входах драйвера (EN1, EN2, IN1, IN2) для того, чтобы получить соответствующие комбинации подключения обмоток двигателя, а также стрелками указан порядок смены этих комбинаций для обеспечения вращения в нужную сторону.

Вот в общем-то и вся теория. Необходимые комбинации уровней на управляющих входах формируются контроллером (мы будем использовать PIC12F629).

Схема :

Готовый девайс :

Программа управления реализует следующий алгоритм: при нажатии кнопки КН1 двигатель поворачивается на один шаг в одну сторону, а при нажатии кнопки КН2 — на один шаг в другую сторону.

Собственно говоря, можно прикрутить сюда и реализовать управление от компьютера (передавать с компа скорость, количество шагов и направление вращения).

В ассортименте полупроводниковых компонентов производства компании Texas Instruments широко представлены микросхемы драйверов для управления всеми типами электродвигателей , которые, совершенствуясь, находят все более широкое применение в самом различном оборудовании. Компания предлагает решения для создания приводов, работающих в широком диапазоне токов и напряжений, обеспечивающих надежную и удобную эксплуатацию коллекторных , бесколлекторных и шаговых двигателей с полным комплексом защит по току, напряжению и температуре.

Электродвигатели находят широчайшее применение в современном высокотехнологическом укладе жизни. Этот тип электромеханического привода по-прежнему является одним из наиболее распространенных и востребованных. Электродвигатели самого разного назначения являются одной из основных составляющих любого производства, повсеместно используются в офисной и домашней технике, в системах мониторинга и управления зданий и объектов. Очень широкое распространение электродвигатели нашли на современном транспорте. Еще более впечатляющее будущее уготовано электродвигателям в электромобилях и роботах.

С развитием технологий традиционные двигатели совершенствуются и находят все новые области применения. Современные высокоточные станки и робототехника немыслимы без электродвигателей с интеллектуальными системами управления. На земле, в воздухе и под водой электродвигатели остаются широко востребованным преобразователем электрической энергии в механическую.

Типы электродвигателей, способы управления и возникающие сложности

Впервые созданный в 1834 году русским ученым Якоби преобразователь электрической энергии во вращательное движение получил название электродвигатель. С тех пор он был серьезно усовершенствован – появилось множество новых вариантов, но использованные при его создании принципы электромагнетизма по-прежнему являются основой всех модификаций современных электродвигателей.

Проводник с проходящим по нему током (рисунок 1) создает вокруг себя магнитное поле, интенсивность (магнитная индукция) которого пропорциональна количеству витков, в случае использования катушки (N), и величине проходящего по ней тока (I), где, В – вектор магнитной индукции, К – магнитная постоянная, N – число витков, I – сила тока.

Изменение направления тока влияет и на направление магнитного поля проводника.

При этом на помещенный во внешнее магнитное поле проводник с током действует сила Лоренца, вызывающая его вращательное перемещение. Направление вращения легко определяется с помощью известного правила правой руки для проводника с током в магнитном поле (рисунок 2). Сила (F), действующая на проводник в магнитном поле, равна произведению силы тока (I) в проводнике на вектор магнитной индукции поля (B) и длину проводника (L). F = LIB.

Коллекторные двигатели

Коллекторные двигатели постоянного тока (Brushed DC или BDC, по терминологии TI) сегодня относятся к одним из наиболее распространенных механизмов электромагнитного вращения.

В магнитном поле собранного из постоянных магнитов статора вращается многосекционный ротор с катушками, которые попарно и попеременно подключаются через коммутируемые коллекторные ламели на оси ротора (рисунок 3). Выбор пары активируемых катушек выполняется на основании закона Лоренца в соответствии с правилом Буравчика. Источник тока всегда подключен к катушкам, силовые линии магнитного поля которых смещены на угол, близкий к 90°, относительно магнитного поля статора.

Электродвигатели подобного типа часто используют статор с постоянными магнитами. Они позволяют легко регулировать скорость вращения и отличаются невысокой стоимостью.

Также широко используется вариант 2-обмоточного электродвигателя подобного типа, но со статорной обмоткой вместо постоянного магнита. Такие модели обладают большим пусковым моментом и могут работать не только на постоянном, но и на переменном токе. Электродвигатели подобного типа почти повсеместно используются в различной бытовой технике.

К недостаткам этой конструкции BDC стоит отнести износ щеточно-коллекторного узла в процессе эксплуатации. Кроме того, из-за искрообразования при коммутации отдельных обмоток ротора отмечается повышенный уровень электромагнитных помех, что не позволяет использовать такие двигатели во взрывоопасных средах.

Особенностью двигателей BDC также является повышенный нагрев ротора, охлаждение которого затруднено в силу конструктивных особенностей двигателя.

Достоинства коллекторных двигателей:

• малая стоимость;
• простая система управления;
• 2-обмоточные коллекторные двигатели, обладающие высоким крутящим моментом и способные работать на постоянном и переменном токе.

Особенности эксплуатации коллекторных двигателей:

• щетки требуют периодического обслуживания, понижают надежность двигателя;
• в процессе коммутации возникают электрические искры и электромагнитные помехи;
• затруднен отвод тепла от перегревающегося ротора.

Бесколлекторные двигатели

Несколько менее распространенными среди двигателей постоянного тока являются модели с бесщеточной конструкцией (BrushLess DC или BLDC), использующие ротор с постоянными магнитами, которые вращаются между электромагнитами статора (рисунок 4). Коммутация тока здесь выполняется электронным способом. Переключение обмоток электромагнитов статора заставляет магнитное поле ротора следовать за его полем.

Текущее положение ротора обычно контролируется энкодерами или датчиком на основе эффекта Холла, либо применяется технология с измерением напряжения противо-ЭДС на обмотках без использования в этом случае отдельного датчика положения ротора (SensorLess).

Коммутация тока обмоток статора выполняется с помощью электронных ключей (вентилей). Именно поэтому бесколлекторные двигатели BLDC часто называют «вентильными». Очередность подключения пары обмоток двигателя происходит в зависимости от текущего положения ротора.

Принцип работы BLDC основан на том, что контроллер коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был сдвинут на угол, близкий к 90° или -90° относительно вектора магнитного поля ротора. Вращающееся при переключении магнитное поле заставляет перемещаться вслед за ним ротор с постоянными магнитами.

При использовании трехфазного сигнала управления подключенными к источнику тока всегда оказываются только две пары обмоток, а одна – отключена. В результате последовательно используется комбинация из шести состояний (рисунок 5).

Электродвигатели без датчиков положения ротора отличаются повышенной технологичностью процесса изготовления и более низкой стоимостью. Подобная конструкция упрощает герметизацию внешних подключаемых выводов.

В качестве датчиков скорости и положения ротора в BLDC могут использоваться датчики Холла, которые отличаются небольшой стоимостью, но также и достаточно невысоким разрешением. Повышенное разрешение обеспечивают вращающиеся трансформаторы (резольверы). Они отличаются высокой стоимостью и требуют использования ЦАП, так как выходной сигнал у них синусоидальный. Высоким разрешением, но пониженной надежностью, обладают оптические датчики. На рисунке 6 представлены выходные сигналы датчиков разного типа при вращении ротора двигателя.

Преимущества двигателей BLDC:

• высокая эффективность;
• отсутствие щеток, обеспечивающее повышенную надежность, снижение затраты на обслуживание;
• линейность тока/крутящего момента;
• упрощенный отвод тепла.

Особенности применения двигателей BLDC:

• более сложная система управления с обратной связью по положению ротора;
• пульсации крутящего момента.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели (ШД) получили достаточно широкое распространение в системах автоматики и управления. Они являются еще одним типом бесколлекторных двигателей постоянного тока. Конструктивно ШД состоят из статора, на котором размещены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнитных материалов. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют обеспечить больший крутящий момент и жесткую фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

В процессе вращения ротор ШД перемещается шагами под управлением подаваемых на обмотки статора импульсов питания. Шаговые двигатели удобны для использования в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме. Их диапазон перемещения задается определенной последовательностью электрических импульсов. Такие двигатели отличаются высокой точностью, не требуют датчиков и цепей обратной связи. Угол поворота ротора зависит от количества поданных импульсов управления. Точность позиционирования (величина шага) зависит от конструктивных особенностей двигателя, схемы подключения обмоток и последовательности подаваемых на них управляющих импульсов.

В зависимости от конфигурации схемы подключения обмоток шаговые двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет в каждой из двух фаз единую обмотку для обоих полюсов статора, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода. Для управления таким ШД требуется мостовой драйвер или полумостовая схема с 2-полярным питанием. При биполярном управлении одновременно работают две обмотки и крутящий момент примерно на 40% больше. На рисунке 7 представлена последовательность сигналов управления при вращении биполярного ШД.

Униполярный двигатель использует в каждой фазе одну обмотку со средним выводом и позволяет использовать более простую схему управления с одним ключом на каждую из четырех полуобмоток.

Четырех обмоточные ШД могут использоваться как в биполярной, так и в униполярной конфигурации.

При протекании тока по одной из катушек ротор стремится изменить положение так, чтобы противоположные полюса ротора и статора установились друг против друга. Для непрерывного вращения ротора катушки попеременно переключают.

На практике используются разные способы подачи питания на четыре обмотки статора. Чаще всего применяют попарное подключение с полношаговым или полушаговым режимом работы. В полношаговом режиме ротор с двумя полюсами, вращающийся в переключаемом магнитном поле двух пар катушек, может занимать четыре положения (рисунок 8).

Получить удвоенную точность позиционирования и восемь позиций позволяет полушаговый режим работы (рисунок 9). Для его реализации добавляется промежуточный шаг с одновременной запиткой всех четырех катушек.

Значительно увеличить количество промежуточных положений и точность позиционирования позволяет режим микрошага. Идея микрошага заключается в подаче на обмотки шагового двигателя вместо импульсов управления непрерывного сигнала, напоминающего по форме ступенчатую синусоиду (рисунок 10). Полный шаг в этом случае делится на маленькие микрошаги, а вращение становится более плавным. Режим микрошага позволяет получить наиболее точное позиционирование. Кроме того, в этом режиме значительно снижается присущая шаговым двигателям вибрация корпуса.

Достоинства шаговых двигателей:

• невысокая стоимость благодаря отсутствию схем контроля скорости вращения и позиционирования;
• высокая точность позиционирования;
• широкий диапазон скоростей вращения;
• простой интерфейс управления с цифровыми контроллерами;
• очень высокая надежность;
• хороший удерживающий момент.

Особенности применения шаговых двигателей:

• ШД присуще явление резонанса;
• из-за отсутствия обратной связи возможна потеря контроля положения;
• потребление энергии не уменьшается даже при работе без нагрузки;
• затруднена работа на очень высоких скоростях;
• невысокая удельная мощность;
• достаточно сложная схема управления.

Традиционные решения для управления электродвигателями

Современная прецизионная система управления электродвигателем постоянного тока включает в себя микроконтроллер для обработки данных и блок управления питанием обмоток двигателя, часто называемый драйвером. В состав драйвера входит логическая схема для преобразования кодированных посылок в цифровые управляющие сигналы, из которых в блоке Gate Driver формируются аналоговые сигналы для управления силовыми ключами на основе полевых транзисторов (FET). FET могут входить в состав драйвера или размещаться в отдельном блоке. Кроме того, в состав драйвера входят схемы защиты силовых цепей и цепи обратной связи для контроля работы двигателя.

На рисунке 11 представлены варианты блок-схем для интегрированного и предварительного драйверов. Каждое из решений имеет свои преимущества и особенности. Предварительный драйвер (Pre-Driver) имеет значительно облеченный температурный режим, позволяет выбирать внешние силовые ключи в соответствии с мощностью подключаемого двигателя. Полнофункциональный интегрированный драйвер позволяет создавать более компактные системы управления, минимизирует внешние соединения, но значительно усложняет обеспечение необходимого температурного режима.

Так, у интегрированного драйвера TI максимальная рабочая температура отдельных элементов на плате может достигать 193°С, а у предварительного драйвера этот показатель не превышает 37°С.

Одной из наиболее распространенных схем для коммутации обмоток двигателей является мост типа “H”. Название схемы связано с конфигурацией подключения, которая похожа на букву “H”. Эта электронная схема позволяет легко изменять направление тока в нагрузке и, соответственно, направление вращения ротора. Напряжение, прикладываемое к обмоткам через транзисторы моста, может быть как постоянным, так и модулированным с помощью ШИМ. H-мост предназначен, в первую очередь, для смены полярности питания двигателя – реверса (рисунок 12), но также позволяет тормозить вращение, коротко замыкая выводы обмоток (рисунок 13).

Важнейшей характеристикой силовых элементов моста, в качестве которых сегодня часто используют полевые транзисторы с изолированным затвором, является величина сопротивления открытого канала между истоком и стоком транзистора – RDSON. Значение RDSON во многом определяет тепловые характеристики блока и энергетические потери. С увеличением температуры RDSON также растет, а ток и напряжение на обмотках уменьшаются.

Использование управляющих сигналов с ШИМ позволяет уменьшить пульсации крутящего момента и обеспечить более плавное вращение ротора двигателя. В идеале частота ШИМ должна быть выше 20 кГц, чтобы избежать акустического шума. Но с увеличением частоты растут потери на транзисторах моста в процессе коммутации.

Из-за индуктивных свойств нагрузки в виде обмоток форма тока в ней не соответствует форме подаваемого напряжения ШИМ. После подачи импульса напряжения ток нарастает постепенно,а в паузах ток плавно затухает из-за возникновения в обмотках противо-ЭДС. Наклон кривой на графике тока, амплитуда и частота пульсаций влияют на рабочие характеристики двигателя (пульсации крутящего момента, шум, мощность и так далее).

Для ускоренного затухания в обмотках электродвигателей возбуждаемого эффектом противо-ЭДС тока используют диоды в обратном включении, шунтирующие переходы «сток-исток» транзисторов, либо закорачивают обмотки через переходы «сток-исток» двух транзисторов, одновременно включенных в разных плечах моста. На рисунке 13 представлены три состояния моста: рабочее, быстрого торможения (Fast Decay) и медленного торможения (Slow Decay).

А наиболее эффективным считается комбинированный режим (Mixed Decay), при котором в паузе между рабочими импульсами сначала работают диоды, шунтирующие сток-исток транзисторов, а затем включаются транзисторы в нижних плечах моста.

Решения для управления электродвигателями от TI

Среди полупроводниковых компонентов, выпускаемых компанией TI, представлен обширный ассортимент различных драйверов для управления электродвигателями постоянного тока. Все они требуют минимума внешних компонентов, позволяют создавать компактные решения для управления двигателями с рабочим напряжением до 60 В, отличаются повышенной надежностью, обеспечивают быстрое и простое проектирование систем привода электродвигателями.

Встроенные в драйверы интеллектуальные функции требуют минимальной поддержки внешнего управляющего микроконтроллера (MCU), обеспечивают расширенные коммутационные возможности для обмоток, поддерживают внешние датчики и цифровые контуры управления. Комплекс защитных функций включает ограничение напряжения питания, защиту от превышения тока и короткого замыкания, понижения напряжения и повышения рабочей температуры.

Весь модельный ряд драйверов TI разбит на три раздела: шаговые, коллекторные и бесколлекторные двигателей постоянного тока. В каждом из них на сайте компании действует удобная система подбора по целому ряду параметров. Есть отдельные драйверы, предназначенные для использования с двигателями разных типов.

Драйверы TI для шаговых двигателей

Большой раздел решений TI для управления двигателями включает драйверы для ШД (рисунок 14), которые выпускаются как со встроенными силовыми ключами на основе FET, так и в виде предварительных драйверов, предоставляющих пользователю подбор необходимых силовых ключей. Всего в модельном ряду компании более 35 драйверов для ШД.

TI предлагает широкий выбор наиболее современных решений для управления перемещением и точным позиционированием с использованием микрошаговых схем управления, обеспечивающих электродвигателей плавным перемещением в широком диапазоне напряжения и тока.

Отдельные драйверы, используя один управляющий контроллер, позволяют управлять сразу двумя двигателями, имея для этого четыре встроенных моста на основе FET. Есть драйверы с встроенными FET, например, DRV8834, которые можно подключить для управления к двум обмоткам шагового двигателя или использовать эти же выводы для управления двумя электродвигателями постоянного тока (рисунок 15).

Для более плавного перемещения ротора в драйверах для ШД используется настраиваемый механизм сглаживания импульсов тока (режимы Slow, Fast, Mixed Decay). Система расчета микрошага может быть следующих типов:

• встроенной в драйвер;
• с использованием внешнего опорного сигнала.

Не требуют внешнего контроллера для микрошагового перемещения драйверы , и . Здесь шаг перемещения и алгоритм коммутации обмоток рассчитываются схемой, встроенной в драйвер.

Драйверы TI для BDC

Для управления – коллекторными электродвигателями постоянного тока – предназначено специальное семейство драйверов , ряд представителей которого изображен на рисунке 16. Они обеспечивает полную защиту от превышения напряжения и тока, короткого замыкания и перегрева. Благодаря возможностям интерфейса управления эти драйверы обеспечивают простую и эффективную эксплуатацию двигателей. Пользователи могут с помощью одного чипа управлять одним или несколькими двигателями c рабочим напряжением 1,8…60 В.

Драйверы семейства выпускаются как с интегрированными силовыми ключами, так и как предварительные драйверы. Они требуют минимум дополнительных компонентов, обеспечивают компактность решений, сокращают время разработки и позволяют быстрее выпустить новые продукты на рынок.

Спящий режим (Sleep) позволяет минимизировать потребление энергии в режиме простоя и обеспечивает ускоренную активизацию при запуске двигателя. Для управления скоростью вращения могут использоваться внешние сигналы ШИМ или сигналы PHASE/ENABLE для выбора направления вращения и включения ключей выходного моста.

Имеющий четыре выходных моста драйвер способен управлять двумя ШД или одним ШД и двумя BDC, или же четырьмя BDC, используя при этом управляющий интерфейс SPI.

На рисунке 17 представлена функциональная схема простого драйвера для управления одним коллекторным двигателем.

Драйверы TI для BLDC

Драйверы TI для бесколлекторных двигателей, или BLDC, могут включать интегрированный силовой мост или использовать внешние силовые транзисторы. Схема формирования 3-фазных сигналов управления также может быть внешней или встроенной.

Семейство драйверов для управления бесколлекторными электродвигателями включает модели c разным принципом управления и с различным крутящим моментом. Эти драйверы, обеспечивающие разные уровни шума при управлении BDLС, идеально подойдут для использования в промышленном оборудовании, автомобильных системах и другой технике. Чтобы гарантировать надежную эксплуатацию электродвигателей, драйверы обеспечивают всеобъемлющий набор защит от превышения тока, напряжения и температуры. На рисунке 18 представлены лишь некоторые из 3-фазных драйверов для BLDC в обширном и постоянно пополняющемся модельном ряду компании TI.

Для контроля текущего положения вращающегося ротора могут использоваться внешние датчики разных типов или схема управления с определением позиции ротора по величине противо-ЭДС (Back Electromotive Force, BEMF).

Управление может выполняться с помощью ШИМ, аналоговых сигналов или через стандартные цифровые интерфейсы. Наборы настраиваемых параметров для управления вращением могут храниться во внутренней энергонезависимой памяти.

На рисунке 19 представлен работающий в широком диапазоне температур 40…125°C интеллектуальный драйвер для BLDC со встроенными силовыми ключами на полевых транзисторах, с сопротивлением открытого канала лишь 250 мОм. При диапазоне рабочих напряжений 8…28 В драйвер может обеспечивать номинальный ток 2 А и пиковый ток 3 А.

Драйвер не требует внешнего датчика для контроля положения ротора, но может использовать внешний резистор для контроля потребляемой двигателем мощности. отличается незначительным энергопотреблением, составляющим всего 3 мА, в дежурном режиме. А в модели этот показатель доведен до уровня 180 мкА.

Встроенный интерфейс I2C обеспечивает диагностику и настройку, доступ к регистрам управления работой логической схемы и хранящимся в памяти EEPROM рабочим профилям драйвера.

Расширенный комплект защитных функций обеспечивает остановку двигателя в случае превышения тока и понижения напряжения. Предусмотрено ограничение входного напряжения. Защита по превышению тока работает без использования внешнего резистора. Методы использования защиты настраиваются через специальные регистры.

Заключение

Электродвигатели находят все более широкое применение в самом различном оборудовании, совершенствуются и получают новые возможности во многом благодаря современным системам электропривода.

В ассортименте полупроводниковых компонентов производства компании Texas Instruments широко представлены микросхемы драйверов для управления всеми типами двигателей постоянного тока. На их основе компания предлагает масштабируемые в зависимости от требований по точности, мощности и функциональности решения для создания приводов, работающих в широком диапазоне токов и напряжений, обеспечивающих надежную и удобную эксплуатацию коллекторных, бесколлекторных и шаговых двигателей с полным комплексом защит по току, напряжению и температуре.

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.