Простой контроллер Шагового Двигателя из компьютерного барахла стоимостью ~150 рублей.
Началось мое станкостроение со случайной ссылки на немецкий станок за 2000DM, который на мой взгляд выглядел по детски, однако мог выполнять довольно много занятных функций. В тот момент, меня заинтересовала возможность рисовать платы (это было еще до появления в моей жизни ЛУТ).
В результате протяженных поисков в сети было найдено несколько сайтов посвященных этой проблеме, однако русскоязычных среди них не было ни одного (это было примерно 3 года назад). В общем, в конце концов, я нашел два принтера CM6337 (кстати их выпускал Орловский завод УВМ), откуда и выдрал униполярные шаговые двигатели (Dynasyn 4SHG-023F 39S, аналог ДШИ200-1-1). Параллельно с доставанием принтеров заказал и микросхемы ULN2803A(с буквой А – DIP корпус). Все собрал, запустил. Что получил, а получил дико греющиеся микросхемы ключей, и с трудом вращающийся двигатель. Так как по схеме из Голландии для увеличения тока ключи соединены попарно, то максимальный отдаваемый ток не превышал 1А, в то время как двигателю надо было 2А (кто ж знал что я найду такие прожорливые, как мне тогда показалось, двигатели J). Кроме того, данные ключи построены по биполярной технологии, для тех кто не в курсе, падение напряжения может быть до 2В (если питание от 5, то фактически половина падает на сопротивлении перехода).
В принципе, для опытов с двигателями от 5” дисководов очень неплохой вариант, можно сделать например плоттер, однако что то более тяжелое чем карандаш (например дремель) ими вряд ли можно тягать.
Решил собрать свою собственную схему из дискретных элементов, благо в одном из принтеров оказалась нетронутой электроника, и я взял оттуда транзисторы КТ829 (Ток до 8А, напряжение до 100В)… Была собрана такая схема…
Рис.1 – Схема драйвера для 4х фазного униполярного двигателя.
Сейчас объясню принцип. При подаче логической “1” на один из выводов (на остальных “0”), например на D0, транзистор открывается и ток течет через одну из катушек двигателя, при этом двигатель отрабатывает один шаг. Далее единица подается на следующий вывод D1, а на D0 единица сбрасывается в ноль. Двигатель отрабатывает сладующий шаг. Если подавать ток сразу в две соседние катушки то реализуется режим полушагов (для моих двигателей с углом поворота 1,8’ получается 400 шагов на оборот).
К общему выводу подсоединяются отводы от середины катушек двигателя (их два если проводов шесть). Очень хорошо теория шаговых двигателей описана тут — Шаговые двигатели. Управление шаговым двигателем., тут же приведена схема контроллера ШД на микроконтроллере AVR фирмы Atmel. Честно говоря, мне показалось похоже на забивание гвоздей часами, однако в ней реализована очень хорошая функция как ШИМ регулирование тока обмоток.
Поняв принцип, несложно написать программу управляющую двигателем через LPT порт. Зачем в этой схеме диоды, а за тем, что нагрузка у нас индуктивная, при возникновении ЭДС самоиндукции она разряжается через диод, при этом исключается пробой транзистора, а следовательно и вывод его из строя. Еще одна деталь схемы – регистр RG (я использовал 555ИР33), используется как шинный формирователь, поскольку ток отдаваемый, например LPT портом мал – можно его элементарно спалить, а следовательно, есть возможность спалить весь компьютер.
Схема примитивна, и собрать такое можно минут за 15-20, если есть все детали. Однако у такого принципа управления есть недостаток – так как формирование задержек при задании скорости вращения задается программой относительно внутренних часов компьютера то работать в многозадачной системе (Win) это все не будет! Будут просто теряться шаги (может быть в Windows и есть таймер, но я не в курсе). Второй недостаток – это нестабилизированный ток обмоток, максимальную мощность из двигателя не выжать. Однако по простоте и надежности этот способ меня устраивает, тем более что для того, что бы не рисковать своим Атлоном 2ГГц, я собрал из барахла 486 тарантас, и кроме ДОСа там, в принципе мало, что можно поставить нормальное.
Описанная выше схема работала и в принципе неплоха, но я решил, что можно несколько переделать схему. Применить MOSFETJ). транзисторы (полевые), выигрыш в том, что можно коммутировать огромные токи (до 75 – 100А), при солидных для шаговых двигателей напряжениях (до 30В), и при этом детали схемы практически не греются, ну если не считать предельных значений (хотел бы я видеть тот который съест ток 100А
Как всегда в России возник вопрос, где взять детали. У меня возникла идея – извлечь транзисторы из горелых материнских плат, благо, например Атлоны кушают порядочно и транзисторы там стоят огого. Дал объявление в ФИДО, и получил предложение забрать 3 мат. платы за 100 рублей. Прикинув что в магазине за эти деньги можно от силы купить 3 транзистора, забрал, расковырял и о чудо, хотя они все и были дохлыми, ни один транзистор в цепи питания процессора не пострадал. Так я получил пару десятков полевых транзисторов за сто рублей. Схема, которая получилась в результате, представлена ниже.
Рис. 2 – Тоже на полевых транзисторах
Отличий в этой схеме немного, в частности была применена микросхема нормального буфера 75LS245 (выпаяна над газовой плитой из 286 материнской платы J). Диоды можно поставить любые, главное, что бы их максимальное напряжение не было меньше максимального напряжения питания, а предельный ток не меньше тока питания одной фазы. Я поставил диоды КД213A, это 10А и 200В. Возможно это излишне для моих 2х амперных двигателей, однако покупать детали не было смысла, да и запас по току думается лишним не будет. Резисторы служат для ограничения тока перезарядки емкости затворов.
Ниже приводится печатная плата контроллера построенного по такой схеме.
Рис. 3 – Печатная плата.
Печатная плата разведена для поверхностного монтажа на одностороннем текстолите (лень мне что то дырочки сверлить сталоJ). Микросхемы в DIP корпусах паяются с подогнутыми ножками, резисторы SMD с тех же материнок. Файл с разводкой в Sprint-Layout 4.0 прилагается. Можно было бы запаять на плату и разъемы, но лень как говорится — двигатель прогресса, да и при отладке железа удобнее было запаять провода подлиннее.
Еще необходимо отметить, что схема снабжена тремя концевиками, на плате справа снизу шесть контактов вертикально, радом с ними посадочные места под три резистора, каждый соединяет один вывод выключателей с +5В. Схема концевиков:
Рис. 4 – Схема концевиков.
Вот так это выглядело у меня в процессе наладки системы:
В результате на представленный контроллер я потратил не более 150 рублей: 100 рублей за материнские платы (при желании можно вообще бесплатно достать) + кусок текстолита, припой и банка хлорного железа в сумме тянут на ~50 рублей, причем хлорного железа останется потом еще много. Думаю считать провода и разъемы смысла не имеет. (Кстати разъем питания отпилен от старого винчестера.)
Так как практически все детали сделаны в домашних условиях, с помощью дрели, напильника, ножовки, рук и такой то матери, то зазоры конечно гигантские, однако модифицировать отдельные узлы в процессе эксплуатации и опытов проще, чем изначально делать все точно.
Если бы на Орловских заводах проточить отдельные детали не стоило бы так дорого, то мне бы конечно проще было бы вычертить все детали в CAD’е, со всеми квалитетами и шероховатостями и отдать на съедение рабочим. Однако знакомых токарей нет… Да и руками как то знаете ли интереснее…
P.S. Хочу высказать свое мнение по поводу негативного отношения автора сайта к советским и Российским двигателям. Советские двигатели ДШИ, вполне себе даже ничего, даже маломощный ДШИ200-1-1. Так что если вам удалось откопать за “пиво” такое добро не спешите выкидывать их, они еще поработают… проверено… Но если же покупать, и разность в стоимости не велика, лучше все таки брать иностранные, поскольку точность у них конечно будет выше.
P.P.S. Е: Если что то я написал не правильно пишите, исправим, но … РАБОТАЕТ…
Схема драйвера униполярного шагового двигателя
, описанная в данной статье, реализует следующие задачи:
управление 4-фазовым униполярным шаговым двигателем.
обеспечивает плавную регулировку скорости вращения и изменение направления вращения.
выполняет функцию остановки двигателя.
Ниже представлена принципиальная схема драйвера шагового двигателя. Драйвер построен с использованием трех микросхем 4000 серии и четырех силовых MOSFET транзисторов.
Схема тактируется генератором прямоугольных импульсов, построенного на логических элементах 2И-НЕ с триггером Шмитта на выходе. Рабочая частота генератора определяется общим сопротивлением PR1 + R2 и емкостью конденсатора С1, и может быть изменена в широком диапазоне с помощью PR1.
Фрагмент схемы на элементах EXOR и J-K триггере создает счетчик по модулю 4, с тактами высокого уровня. Переключатель SB1 (JP1) предназначен для изменения направления работы счетчика, а, следовательно, для изменения направления вращения шагового двигателя. С помощью переключателя SB2 (JP2) можно запускать и останавливать двигатель.
Управление катушками 4-фазного шагового двигателя осуществляется с помощью четырех MOSFET транзисторов (VT1…VT4). Использование в данной схеме транзисторов высокой мощности типа BUZ11 — это решение, гарантирующее надлежащую работу двигателя высокой мощности.
Ниже показаны формы сигналов на разъеме Х2, к которому подключаются обмотки шагового двигателя.
Драйвер собран на печатной плате, рисунок которой приведен ниже. Монтаж следует начать с установки резисторов, панельки под микросхемы и закончить разъемами и силовыми транзисторами.
Разъемы JP1 и JP2 имеют ту же функцию, что и нажатие кнопки SB1 и SB2, так что вы можете подключить к ним кнопки и вынести их за пределы платы.
Печатная плата разработана таким образом, что вы можете установить транзисторы на общий радиатор, предварительно изолировав их слюдяными или силиконовыми прокладками.
После сборки необходимо тщательно проверить плату на предмет короткого замыкания дорожек. Драйвер, собранный из исправных деталей не требует настройки и начинает работать сразу.
Следует, упомянуть о способе подключения питания и обмоток двигателя к плате драйвера. В случае питания схемы управления и двигателя тем же напряжением, которое находится в диапазоне от 5…15 В, и ток потребления не превышает 1 А, то необходимо установить перемычку JP3 и питание подать к разъему VDD.
Если параметры питания шагового двигателя не находится в пределах напряжения питания схемы драйвера, то необходимо снять перемычку JP3, и к разъему VDD подвести напряжение питания от 5…15 В, а к разъему X2 подать питание в соответствии с параметрами шагового двигателя.
(8,5 Kb, скачано: 1 486)
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.
Недавно приобрел ARDUINO в Китае. Мыслей по изготовление различных устройств- море. Мигать светодиодом на плате очень быстро надоело, захотелось чего то более существенного. Конечно надо бы заказать набор но цена его несколько завышена и пришлось что то искать в интернете, что то придумывать самому. В итоге все равно заказал в том же Китае различные датчики, реле, индикаторы… Немного попозже пришел знаменитый индикатор 1602. С ним поучился работать, тоже довольно быстро освоился. Захотелось поуправлять шаговым двигателем от CD-DVD привода. Ждать с Востока посылку 1-2 месяца не захотелось и я решил попробовать сделать драйвер самостоятельно. Нашел вот такую схему включения биполярного шагового двигателя:
Микросхемы в нашей глуши я не нашел, или заказывать микросхемы в российских интернет-магазинах по стоимости 2-3 готовых драйверов за 1 микросхему. Микросхема представляет собой Н- мост из транзисторов. Кстати включать в мост надо или составные биполярные транзисторы (так называемые сборки Дарлингтона), или полевые транзисторы. Одиночным биполярным транзисторам нужна хорошая раскачка, которую контроллер дать не может, иначе получается очень высокое падение напряжение на транзисторе из за того что он открыться не может. Т.к. хороший товарищ занимается ремонтом компьютеров, то с полевиками проблем не возникло. Сначала хотел сделать на биполярниках- но получается в 2 раза больше транзисторов, что не совсем хорошо для габаритов драйвера, да и ток они выдержат гораздо меньший. Выпаяв около десятка полевых транзисторов и почитав на них даташиты я снова впал в уныние- в интернете есть схемы только на парах полевых транзисторов n- и p- типов. И ниодной схемы на транзисторах одного типа я просто не нашел. В компьютерах же используются транзисторы n- типа. Пришлось мудрить на макетной плате небольшой девайс на полевиках, попробовал управлять светодиодами, получилось и я решил собрать готовое устройство. Драйвер не нуждается в налаживании ибо налаживать здесь практически нечего. Единственная проблема возникла с программным обеспечением. Нашел даташит на похожий двигатель и по графикам работы выставил состояния выходов. После этого осталось только подобрать delay и все- устройство готово! Собственно схема замены микросхемы L293D.
Данные транзисторов даны просто так- в мультисиме никак не смог их изменить. Я использовал транзисторы P60N03LDG в корпусе ТО-252 . В ней все довольно просто: при поступлении напряжения на один из входов U1 или U2 открываются 2 транзистора в верхнем и нижнем плече, причем крест- накрест. Таким образом переключается полярность напряжения на двигателе. А чтобы не подавалось напряжение сразу на 2 входа (это вызовет КЗ цепи питания) и использовал схему включения L293D. При таком включении NPN-транзистор не позволяет открывать сразу все 4 транзистора Н-моста. Кстати 1 двигатель будет управляться по 2 выходам Arduino, что крайне важно для экономии выходов и входов микроконтроллера. Еще условие- минусовой провод транзисторных ключей обязательно должен быть соединен с минусовым выводом платы управления. Питание подается на плату управления от Arduino, на ключи- от внешнего БП. Это позволяет подключить достаточно мощные двигатели. Все зависит от характеристик транзисторов. Итак для одного драйвера вам нужно 8 полевых транзисторов (P60N03LDG или любые другие n-канальные), любые 2 SMD-биполярных транзистора NPN (у меня стоят с маркировкой t04), smd-резисторы типоразмера 0805, и 4 такие же перемычки того же размера (на них написано 000 или просто 0). Все эти детали можно найти на старых и негодных материнских платах. Обязательно проверьте детали перед установкой.
Плата драйвера Arduino
Выкладываю плату в формате Layout6. . Замечу что у вас должен получится именно такой вид- надписи должны быть читабельными а не перевернутыми, учитывайте это при печати платы, детали ведь будут установлены со стороны дорожек. Разъемы тоже выпаиваем из материнки феном, отрезаем сколько по надо количеству пинов и впаиваем в нашу плату- так гораздо удобнее и надежнее нежели чем паять провода в плату. Разберемся с назначением выводов: выводы Out1 и Out2- подключение обмоток шагового двигателя, In1,2- вход от Arduino, ±5V- питание управления от Arduino (сделал двойной разъем т.к. подключать питание можно шлейфом сразу к нескольким блокам), 2 перемычки располагаются на другой стороне платы, по ним подается напряжение на ключи. Размер платы- 43х33мм. Кто желает- может еще больше минимизировать.
Разберемся с программным обеспечением для шагового двигателя. Для любого шагового двигателя необходимо найти даташит или, на худой конец, диаграмму его работы. Я нашел только диаграмму, она выглядит так:
Диаграмма работы шагового двигателя
Цифрами указаны номера шагов. Исходя из того что при переключении контроллером высокого уровня на низкий драйвер сам переключит нужные ключи, то пишем, например, состояния только для верхних графиков каждой обмотки. Первый шаг: первая обмотка- первый провод +(HIGH), другой автоматически переключится драйвером на минус (LOW), напоминаю что описываем по первому проводу каждой обмотки. Вторая обмотка: первый провод — (LOW), второй + (HIGH), второй провод переключится драйвером автоматически. Переходим к первому изменению графика. Это 2 шаг. Описываем состояние только первых проводов. 1 провод первой обмотки остался HIGH, 1 провод второй сменился с LOW на HIGH . Третий шаг- 1 провод первой обмотки сменился HIGH на LOW, 1 провод второй остался HIGH. Четвертый шаг: 1 провод первой обмотки остался LOW, 1 провод второй обмотки сменился с HIGH на LOW. Описывать можно с любого шага, главное сохранять последовательность. Чтобы двигатель вращался в другую сторону нужно просто сдвинуть в диаграмме значения любой обмотки на полцикла в любую сторону. Таким образом можно писать программное обеспечение для драйверов. Нужно лишь знать диаграмму и правильно описать ее состояние на выходные пины.
Теперь подключаем плату к Arduino, двигателю. Забрасываем такой скетч:
// подключаемся к 8,9 выводам arduino
int input1 = 8;
int input2 = 9;
int stepCount = 5; //задержка между шагами регулирует скорость двигателя
void setup()
{
pinMode(input1,OUTPUT);
pinMode(input2,OUTPUT);
}
void loop()
{
//1-ый шаг
digitalWrite(input1,LOW);
digitalWrite(input2,HIGH);
delay(stepCount);
//2-ой шаг
digitalWrite(input1,HIGH);
digitalWrite(input2,HIGH);
delay(stepCount);
//3-ий шаг
digitalWrite(input1,HIGH);
digitalWrite(input2,LOW);
delay(stepCount);
digitalWrite(input1,LOW);
digitalWrite(input2,LOW);
delay(stepCount);
Подаем питание на драйвер, меняем, если надо, выводы одной обмотки и думаем куда приспособить данный девайс (можно открывать по времени и температуре форточки в теплице, управлять жалюзи и многое другое). Обращаю внимание что двигатель будет крутиться без остановки по данному скетчу, если надо- загоните в цикл и крутите на требуемое значение или, что еще лучше, напишите библиотеку и подключайте ее напрямую. Конечно это не такой крутой драйвер как на микросхеме, но для экспериментов, пока идут нормальные драйверы из Китая, его более чем достаточно. Всем удачи и успехов в осваивании микроконтроллеров. Подробнее о микроконтроллерах ARDUINO читайте .
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.
