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.

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.

— хотя биполярные шаговые двигатели относительно дороги, для своих физических размеров они обеспечивают высокий вращающий момент. Однако для двух обмоток мотора требуется восемь управляющих транзисторов, соединенных в четыре Н-моста. Каждый транзистор должен выдерживать перегрузки и короткие замыкания и быстро восстанавливать работоспособность. А драйверу, соответственно, требуются сложные схемы защиты с большим количеством пассивных компонентов.

Рисунок 1

Рисунок 1. Одна микросхема в корпусе для поверхностного монтажа и несколько пассивных компонентов могут управлять биполярным шаговым двигателем.

Управление биполярным шаговым двигателем

Драйвер шагового двигателя своими руками — на Рисунке 1 показана альтернативная схема драйвера двигателя, основанная на аудио усилителе класса D компании Maxim. Микросхема МАХ9715 в миниатюрном корпусе для поверхностного монтажа может отдавать мощность до 2.8 Вт в типичную нагрузку 4 или 8 Ом. Каждый из двух выходов микросхемы образован Н-мостами из мощных MOSFET, управляющими парами линий OUTR+, OUTR- и OUTL+, OUTL-, которые подключаются к обмоткам А и В шагового двигателя, соответственно. Каждая пара формирует дифференциальный широтно-модулированный импульсный сигнал с номинальной частотой переключения 1.22 МГц. Малый уровень помех, создаваемых схемой, исключает необходимость в выходных фильтрах.

Конденсаторы развязки

Конденсаторы С1, С3, С4 и С6 служат развязкой для входов питания и смещения, а С5 и С7 выполняют накопительные функции для мощных выходных усилителей класса D. Конденсаторы С8 и С9 ограничивают полосу пропускания усилителя до 16 Гц, а ферритовые бусины L2 и L3 ослабляют электрические помехи, наводимые на длинные кабели. П-образный фильтр C1, C2, L1 подавляет помехи на входе питания микросхемы IС1. Входные сигналы микросхемы Шаг_А и Шаг_В, управляющие, соответственно, правым и левым каналами двигателя, могут формироваться любым подходящим контроллером. Внутренние цепи защищают усилитель от коротких замыканий и перегрева в случае неисправности шагового двигателя или неправильного подключения его выводов.

Таблица 1

Иллюстрация последовательности импульсов

Таблица 1 иллюстрирует последовательность импульсов Шаг_А и Шаг_В, управляющих вращением типичного шагового двигателя в одном направлении путем непрерывной подачи комбинаций сигналов от 0 до 4. Шаг 4 возвращает вал двигателя в исходное положение, завершая оборот в 360°. Чтобы изменить направление вращения мотора, начинайте формировать временную диаграмму импульсов снизу таблицы и последовательно двигайтесь по ней вверх. Подав напряжение низкого логического уровня на вход SHDN микросхемы (вывод 8), можно отключить оба канала усилителя. Формы сигналов на входах и выходах схемы представлены на Рисунке 2.

Краткое введение в теорию и типы драйверов, советы по подбору оптимального драйвера для шагового двигателя.

Если вы хотите купить драйвер шагового двигателя , нажмите на информер справа

Некоторые сведения, которые могут помочь вам выбрать драйвер шагового двигателя .

Шаговый двигатель – двигатель со сложной схемой управления, которому требуется специальное электронное устройство – драйвер шагового двигателя. Драйвер шагового двигателя получает на входе логические сигналы STEP/DIR, которые, как правило, представлены высоким и низким уровнем опорного напряжения 5 В, и в соответствии с полученными сигналами изменяет ток в обмотках двигателя, заставляя вал поворачиваться в соответствующем направлении на заданный угол. >Сигналы STEP/DIR генерируются ЧПУ-контроллером или персональным компьютером, на котором работает программа управления типа Mach3 или LinuxCNC.

Задача драйвера – изменять ток в обмотках как можно более эффективно, а поскольку индуктивность обмоток и ротор гибридного шагового двигателя постоянно вмешиваются в этот процесс, то драйверы весьма отличаются друг от друга своими характеристиками и качеством получаемого движения. Ток, протекающий в обмотках, определяет движение ротора: величина тока задает крутящий момент, его динамика влияет на равномерность и т.п.

Типы (виды) драйверов ШД

Драйверы делятся по способу закачки тока в обмотки на несколько видов:

1) Драйверы постоянного напряжения

Эти драйверы подают постоянный уровень напряжения поочередно на обмотки, результирующий ток зависит от сопротивления обмотки, а на высоких скоростях – и от индуктивности. Эти драйверы крайне неэффективны, и могут быть использованы только на очень малых скоростях.

2) Двухуровневые драйверы

В драйверах этого типа ток в обмотке сперва поднимается до нужного уровня с помощью высокого напряжения, затем источник высокого напряжения отключается, и нужная сила тока поддерживается источником малого напряжения. Такие драйверы достаточно эффективны, помимо прочего они снижают нагрев двигателей, и их все еще можно иногда встретить в высококлассном оборудовании. Однако, такие драйверы поддерживают только режим шага и полушага.

3) Драйверы с ШИМ.

На текущий момент ШИМ-драйверы шаговых двигателей наиболее популярны, практически все драйверы на рынке – этого типа. Эти драйверы подают на обмотку шагового мотора ШИМ-сигнал очень высокого напряжения, которое отсекается по достижению током необходимого уровня. Величина силы тока, по которой происходит отсечка, задается либо потенциометром, либо DIP-переключателем, иногда эта величина программируется с помощью специального ПО. Эти драйверы достаточно интеллектуальны, и снабжены множеством дополнительных функций, поддерживают разные деления шага, что позволяет увеличить дискретность позиционирования и плавность хода. Однако, ШИМ-драйверы также весьма сильно отличаются друг от друга. Помимо таких характеристик, как питающее напряжение и максимальный ток обмотки, у них отличается частота ШИМ. Лучше, если частота драйвера будет более 20 кГц, и вообще, чем она больше – тем лучше. Частота ниже 20 кГц ухудшает ходовые характеристики двигателей и попадает в слышимый диапазон, шаговые моторы начинают издавать неприятный писк. Драйверы шаговых двигателей вслед за самими двигателями делятся на униполярные и биполярные. Начинающим станкостроителям настоятельно рекомендуем не экспериментировать с приводами, а выбрать те, по которым можно получить максимальный объем технической поддержки, информации и для которых продукты на рынке представлены наиболее широко. Такими являются драйверы биполярных гибридных шаговых двигателей.

Как выбрать драйвер шагового двигателя (ШД)

Первый параметр , на который стоит обратить внимание, когда вы решили выбрать драйвер шагового двигателя – это сила тока, которую может обеспечить драйвер. Как правило, она регулируется в достаточно широких пределах, но стоит драйвер нужно выбирать такой, который может выдавать ток, равный току фазы выбранного шагового двигателя. Желательно, конечно, чтобы максимальная сила тока драйвера была еще на 15-40% больше. С одной стороны, это даст запас на случай, если вы захотите получить больший момент от мотора, или в будущем поставите более мощный двигатель, с другой – не будет излишней: производители иногда «подгоняют» номиналы радиоэлектронных компонентов к тому или иному виду/размеру двигателей, поэтому слишком мощный драйвер на 8 А, управляющий двигателем NEMA 17 (42 мм), может, к примеру, вызывать излишние вибрации.

Второй момент – это напряжение питания. Весьма важный и неоднозначный параметр. Его влияние достаточно многогранно – напряжение питания влияет на динамику(момент на высоких оборотах), вибрации, нагрев двигателя и драйвера. Обычно максимальное напряжение питания драйвера примерно равно максимальному току I, умноженному на 8-10. Если максимальное указанное напряжение питания драйвера резко отличается от данных величин – стоит дополнительно поинтересоваться, в чем причина такой разницы. Чем больше индуктивность двигателя - тем большее напряжение требуется для драйвера. Существует эмпирическая формула U = 32 * sqrt(L), где L - индуктивность обмотки шагового двигателя. Величина U, получаемая по этой формуле, весьма приблизительная, но она позволяет ориентироваться при выборе драйвера: U должно примерно равняться максимальному значению напряжения питания драйвера. Если вы получили U равным 70, то по данному критерию проходят драйверы EM706, AM882, YKC2608M-H.

Третий аспект – наличие опторазвязанных входов. Практически во всех драйверах и контроллерах, выпускаемых на заводах, тем более брендовых, опторазвязка стоит обязательно, ведь драйвер – устройство силовой электроники, и пробой ключа может привести к мощному импульсу на кабелях, по которым подаются управляющие сигналы, и выгоранию дорогостоящего ЧПУ-контроллера. Однако, если вы решили выбрать драйвер ШД незнакомой модели, стоит дополнительно поинтересоваться наличием оптоизоляции входов и выходов.

Четвертый аспект – наличие механизмов подавления резонанса. Резонанс шагового двигателя – явление, которое проявляется всегда, разница только в резонансной частоте, которая прежде всего зависит от момента инерции нагрузки, напряжения питания драйвера и установленной силы тока фазы мотора. При возникновении резонанса шаговый двигатель начинает вибрировать и терять крутящий момент, вплоть до полной остановки вала. Для подавления резонанса используется микрошаг и – встроенные алгоритмы компенсации резонанса. Колеблющийся в резонансе ротор шагового двигателя порождает микроколебания ЭДС индукции в обмотках, и по их характеру и амплитуде драйвер определяет, есть ли резонанс и насколько он силен. В зависимости от полученных данных драйвер несколько смещает шаги двигателя во времени относительно друг друга – такая искусственная неравномерность нивелирует резонанс. Механизм подавления резонанса встроен во все >драйверы Leadshine серий DM, AM и EM. Драйверы с подавлением резонанса – высококачественные драйверы, и если бюджет позволяет – лучше брать именно такие. Впрочем, и без этого механизма драйвер остается вполне рабочим устройством – основная масса проданных драйверов – без компенсации резонанса, и тем не менее десятки тысяч станков без проблем работают по всему миру и успешно выполняют свои задачи.

Пятый аспект – протокольная часть. Надо убедиться, что драйвер работает по нужному вам протоколу, а уровни входных сигналов совместимы с требуемыми Вам логическими уровнями. Эта проверка идет пятым пунктом, потому что за редким исключением подавляющее число драйверов работает по протоколу STEP/DIR/ENABLE и совместимо с уровнем сигналов 0..5 В, вам надо только лишь на всякий случай убедиться.

Шестой аспект – наличие защитных функций. Среди них защита от превышения питающего напряжения, тока обмоток(в т.ч. от короткого замыкания обмоток), от переполюсовки питающего напряжения, от неправильного подключения фаз шагового мотора. Чем больше таких функций - тем лучше.

Седьмой аспект – наличие микрошаговых режимов. Сейчас практически в каждом драйвере есть множество микрошаговых режимов. Однако, из каждого правила есть исключения, и в драйверах Geckodrive режим только один – деления шага 1/10. Мотивируется это тем, что большее деление не приносит большей точности, а значит, в нем нет необходимости. Однако, практика показывает, что микрошаг полезен вовсе не повышением дискретности позиционирования или точности, а тем, что чем больше деление шага, тем плавней движение вала мотора и меньше резонанс. Соответственно, при прочих равных условиях стоит использовать деление чем больше, тем лучше. Максимально допустимое деление шага будет определяться не только встроенными в драйвер таблицами Брадиса, но и максимальной частотой входных сигналов – так, для драйвера со входной частотой 100 кГц нет смысла использовать деление 1/256, так как скорость вращения будет ограничена 100 000 / (200 * 256) * 60 = 117 об/мин, что для шагового двигателя очень мало. Кроме того, персональный компьютер тоже с трудом сможет генерировать сигналы с частотой более 100 кГц. Если вы не планируете использовать аппаратный ЧПУ контроллер, то 100 кГц скорее всего будет Вашим потолком, что соответствует делению 1/32.

Восьмой аспект – наличие дополнительных функций. Их может быть множество, например, функция определения «срыва» - внезапной остановки вала при заклинивании или нехватки крутящего момента у шагового двигателя, выходы для внешней индикации ошибок и т.п. Все они не являются необходимыми, но могут сильно облегчить жизнь при построении станка.

Девятый, и самый важный аспект – качество драйвера. Оно практически не связано с характеристиками и т.п. На рынке существует множество предложений, и иногда характеристики драйверов двух производителей совпадают практически до запятой, а установив их по очереди на станок, становится ясно, что один из производителей явно занимается не своим делом, и в производстве недорогих утюгов ему больше повезет. Определить уровень драйвера заранее по каким-то косвенным данным новичку достаточно трудно. Можно попробовать ориентироваться на количество интеллектуальных функций, таких как «stall detect» или подавление резонанса, а также воспользоваться проверенным способом - ориентироваться на бренды.

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).