Крок 1.
Нам буде потрібно…
Від старого сканера:
- 1 кроковий двигун
- 1 мікросхема ULN2003
- 2 сталеві прути
Для корпусу: - 1 картонна коробка
Інструменти:
- Клейовий пістолет
- Кусачки
- Ножиці
- Приладдя для паяння
- Фарба
Для контролера:
- 1 роз'єм DB-25 - провід
- 1 циліндричне гніздо для живлення постійного струму Для випробувального стенду
- 1 стрижень з різьбленням
- 1 підходяща під стрижень гайка - різні шайби та шурупи - шматки деревини
Для комп'ютера, що управляє:
- 1 старий комп'ютер (або ноутбук)
- 1 копія TurboCNC (звідси)
Крок 2
Беремо деталі від старого сканера. Щоб побудувати власний ЧПУ контролер потрібно спочатку витягти зі сканера кроковий двигун і плату управління. Тут не наведено жодних фотографій, тому що кожен сканер виглядає по-своєму, але зазвичай потрібно просто зняти скло та вивернути кілька гвинтів. Крім двигуна та плати можна залишити ще металеві стрижні, які потрібні для тестування крокового двигуна.
Крок 3
Тепер потрібно знайти на платі керування кроковим двигуном мікросхему ULN2003. Якщо ви не змогли виявити її на своєму пристрої, можна купити ULN2003 окремо. Якщо вона є, її треба випаяти. Це вимагатиме деякого вміння, але не так вже й складно. Спочатку за допомогою відсмоктування видаліть якнайбільше припою. Після цього обережно просуньте під мікросхему кінець викрутки. Обережно доторкніться кінцем паяльника до кожного висновку, продовжуючи при цьому натискати на викрутку.
Крок 4.
Тепер нам потрібно припаяти мікросхему на макетну плату. Припаяйте до плати всі висновки мікросхеми. На показаній тут макетній платі є дві шини електроживлення, тому позитивний висновок ULN2003 (дивіться схему і на малюнку нижче) припаюється до однієї з них, а негативний - до іншої. Тепер, потрібно з'єднати виведення 2 конектора паралельного порту з виведенням 1 ULN2003. Висновок 3 конектора паралельного порту з'єднується з виведенням 2 ULN2003, висновок 4 - з виводом 3 ULN2003 і висновок 5 - з виводом 4 ULN2003. Тепер виведення 25 паралельного порту припаюється до негативної шини живлення. Далі до керуючого пристрою припаюється двигун. Робити це доведеться шляхом спроб і помилок. Можна просто припаяти дроти так, щоб потім чіпляти на них крокодили. Ще можна використовувати клеми з гвинтовим кріпленням або щось подібне. Просто припаяйте дроти до висновків 16, 15, 14 та 13 мікросхеми ULN2003. Тепер припаяйте провід (бажано чорний) до позитивної шини. Керуючий пристрій майже готовий. Нарешті, підключіть до шин електроживлення на макетній платі циліндричне гніздо для постійного струму. Щоб дроти не могли відламатися, їх закріплюють клеєм із пістолета.
Крок 5.
Встановлення програмного забезпечення Тепер про програмне забезпечення. Єдина річ, яка точно працюватиме з вашим новим пристроєм – це Turbo CNC. Завантажте його. Розпакуйте архів та запишіть на CD. Тепер на комп'ютері, який ви збираєтеся використовувати для керування, перейдіть на диск C:// і створіть докорінно папку "tcnc". Потім скопіюйте файли з CD до нової папки. Закрийте усі вікна. Ви щойно встановили Turbo CNC.
Крок 6
Налаштування програмного забезпечення Перезавантажте комп'ютер, щоб перейти до MS-DOS. У командному рядку наберіть "C: cncTURBOCNC". Іноді краще використовувати завантажувальний диск, тоді копія TURBOCNC поміщається на нього і потрібно набирати відповідно "A: cncTURBOCNC". Виникне екран, схожий на зображений на рис. 3. Натисніть пробіл. Тепер ви знаходитесь у головному меню програми. Натисніть F1, і за допомогою кнопок зі стрілками виберіть меню "Configure". За допомогою кнопок зі стрілками виберіть "number of axis". Натисніть клавішу Enter. Введіть кількість осей, які будуть використовуватись. Оскільки у нас лише один мотор, вибираємо "1". Натисніть Enter, щоб продовжити. Знову натисніть F1 і в меню Configure виберіть пункт Configure axes, потім двічі натисніть Enter.
Відобразиться наступний екран. Натискайте Tab поки не перейдете до комірки "Drive Type". За допомогою стрілки вниз виберіть "Phase". Знову за допомогою Tab виберіть комірку "Scale". Щоб використовувати калькулятор, нам потрібно знайти кількість кроків, які двигун робить за один оберт. Знаючи номер моделі двигуна, можна встановити, на скільки градусів він повертається за один крок. Щоб знайти число кроків, які двигун робить за один оберт, тепер потрібно поділити 360 на число градусів за один крок. Наприклад, якщо двигун повертається за один крок на 7,5 градусів, 360 поділити на 7,5 вийде 48. Число, яке вийде у вас, забіть в калькулятор шкали (scale calculator).
Інші налаштування залиште як є. Натисніть OK, і скопіюйте число в комірці Scale у той самий комірку на іншому комп'ютері. У осередку Acceleration встановіть значення 20, оскільки встановлених за замовчуванням 2000 занадто багато нашої системи. Початкову швидкість встановіть 20, а максимальну - 175. Натискайте Tab поки не дійдете до пункту "Last Phase". Встановіть в ньому значення 4. Натискайте Tab доки не дійдете до першого ряду іксів.
Скопіюйте наступне в чотири перші комірки:
1000XXXXXXXX
0100XXXXXXXX
0010XXXXXXXX
0001XXXXXXXX
Інші комірки залиште без змін. Виберіть Добре. Тепер ви налаштували програмне забезпечення.
Крок 7.
Будуємо тестовий вал Наступним етапом роботи буде збирання простого валу для тестової системи. Відріжте 3 бруски дерева та скріпіть їх один з одним. Щоб отримати рівні отвори, проведіть на поверхні дерева рівну лінію. Просвердліть на лінії два отвори. Ще один отвір просвердлити посередині нижче перших двох. Від'єднайте бруски. Через два отвори, що знаходяться на одній лінії, просмикніть прути. Щоб закріпити прути, скористайтеся невеликими шурупами. Просуньте прути крізь другий брусок. На останньому бруску закріпіть двигун. Не має значення, як ви це зробите, будьте винахідливими.
Щоб закріпити двигун, наявний, використовували два відрізки стрижня з різьбленням 1/8. Брусок з прикріпленим двигуном надягається на вільний кінець сталевих прутів. Знову закріпіть їх шурупами. Крізь третій отвір на першому бруску просмикніть стрижень з різьбленням. Загорніть на стрижні гайку. Просуньте стрижень крізь отвір у другому бруску. Повертайте стрижень доти, доки він не пройде крізь усі отвори і не дійде до валу двигуна. З'єднайте вал двигуна та стрижень за допомогою шлангу та затискачів із дроту. На другому бруску гайка утримується за допомогою додаткових гайок та гвинтів. На завершення відріжте брусок дерева для підставки. Пригвинтіть її шурупами до другого бруска. Перевірте, чи встановлена підставка рівно на поверхні. Регулювати положення підставки на поверхні можна за допомогою додаткових гвинтів та гайок. Так робиться вал для тестової системи.
Крок 8
Підключаємо та тестуємо двигун Тепер потрібно з'єднати двигун з контролером. По-перше, з'єднайте загальний дріт (дивіться документацію до двигуна) з проводом, який був припаяний до позитивної шини живлення. Інші чотири дроти з'єднуються шляхом спроб і помилок. З'єднайте їх усі, а потім змінюйте порядок з'єднання, якщо ваш двигун робить два кроки вперед і один назад або щось подібне. Для проведення тестування підключіть 12 В 350 мА джерело живлення постійного струму до циліндричного гнізда. Потім з'єднайте роз'єм DB25 з комп'ютером. У TurboCNC перевірте як з'єднаний двигун. В результаті тестування та перевірки правильного під'єднання двигуна у вас повинен вийти повністю працездатний вал. Щоб перевірити масштабування пристрою, прикріпіть до нього маркер і запустіть тестову програму. Виміряйте лінію, що вийшла. Якщо довжина лінії становить близько 2-3 см, пристрій працює правильно. В іншому випадку, перевірте обчислення за крок 6. Якщо у вас все вийшло, вітаємо, найважче вже позаду.
Крок 9
Виготовлення корпусу
Частина 1
Виготовлення корпусу – це завершальний етап. Приєднаємося до захисників природи та зробимо його з вторинної сировини. Тим більше, що контролер у нас теж не з магазинних полиць. У поданої до вашої уваги зразка плата має розмір 5 на 7,5 см, тому корпус буде розміром 7,5 на 10 на 5 см, щоб залишити достатньо місця для проводів. З картонної коробки вирізаємо стіни. Вирізаємо 2 прямокутники розміром 7,5 на 10 см, ще 2 розміром 5 на 10 см та ще 2 розміром 7,5 на 5 см (див. малюнки). Вони потрібно вирізати отвори для роз'ємів. Обведіть контури роз'єму паралельного порту на одній із 5х10 стінок. На цій стінці обведіть контури циліндричного гнізда для живлення постійного струму. Виріжте по контурах обидва отвори. Те, що ви робитимете далі, залежить від того, чи припаювали ви до проводів двигуна роз'єми. Якщо так, то закріпіть їх зовні другий поки що порожній стінки розміром 5 х 10. Якщо ні, проткніть у стінці 5 отворів для проводів. За допомогою клейового пістолета з'єднайте всі стінки разом (крім верхньої див. малюнки). Корпус можна пофарбувати.
Крок 10
Виготовлення корпусу
Частина 2
Тепер потрібно приклеїти всі компоненти усередину корпусу. Переконайтеся, що на роз'єми потрапило досить багато клею, тому що вони будуть зазнавати великих навантажень. Щоб коробка залишалася закритою, потрібно зробити клямки. З пінопласту виріжте пару вушок. Потім виріжте пару смуг і чотири невеликі квадратики. Приклейте по два квадратики до кожної зі смуг як показано на малюнку. Приклейте вушка по обидва боки корпусу. Зверху коробки приклейте смуги. Цим завершується виготовлення корпусу.
Крок 11
Можливі застосування та висновок Цей контролер можна застосовувати як: - ЧПУ пристрій - плотер - або будь-яку іншу річ, яка потребує точного управління рухом. - додавання- Тут наведено схему та інструкції з виготовлення контролера з трьома осями. Щоб налаштувати програмне забезпечення, дотримуйтесь вищевказаних кроків, але введіть 3 у поле "number of axis".
зареєструватися .У статті наводяться принципові схеми варіантів простого, недорогого контролера крокового двигуна та резидентне програмне забезпечення (прошивка) для нього.
Загальний опис.
Контролер крокового двигуна розроблено на PIC контролері PIC12F629. Це 8 вивідний мікроконтролер вартістю всього 0,5$. Незважаючи на просту схему та низьку вартість комплектуючих, контролер забезпечує досить високі характеристики та широкі функціональні можливості.
- Контролер має варіанти схем керування як уніполярним, і біполярним кроковим двигуном.
- Забезпечує регулювання швидкості обертання двигуна у межах.
- Має два режими керування кроковим двигуном:
- повнокроковий;
- напівкроковий.
- Забезпечує обертання у прямому та реверсивному напрямках.
- Завдання режимів, параметрів, керування контролером здійснюється двома кнопками та сигналом ВКЛ (ввімкнення).
- При вимиканні живлення всі режими та параметри зберігаються в незалежній пам'яті контролера і не потребують переустановки при включенні.
Контролер не має захисту від коротких замикань обмоток двигуна. Але реалізація цієї функції значно ускладнює схему, а замикання обмоток випадок вкрай рідкісний. Я з таким не стикався. До того ж механічна зупинка валу крокового двигуна під час обертання не викликає небезпечних струмів та захисту драйвера не вимагає.
Про режими та способи керування кроковим двигуном можна почитати, про дайвери.
Схема контролера уніполярного крокового двигуна із драйвером на біполярних транзисторах.
Пояснювати у схемі особливо нічого. До PIC контролера підключено:
- кнопки "+" та "-" (через аналоговий вхід компаратора);
- сигнал ВКЛ (ввімкнення двигуна);
- драйвер (транзистори VT1-Vt4, захисні діоди VD2-VD9).
PIC використовує внутрішній генератор тактування. Режими та параметри зберігаються у внутрішньому EEPROM.
Схема драйвера на біполярних транзисторах КТ972 забезпечує струм комутації до 2 А, напруга обмоток до 24 Ст.
Я спаяв контролер на макетній платі розміром 45 x 20 мм.
Якщо струм комутації не перевищує 0,5 А, можна використовувати транзистори серії BC817 у корпусах SOT-23. Пристрій вийде дуже мініатюрним.
Програмне забезпечення та керування контролером.
Резидентне програмне забезпечення написано на асемблері з циклічною переустановкою всіх регістрів. Програма зависнути у принципі не може. Завантажити програмне забезпечення (прошивку) для PIC12F629 можна.
Управління контролером досить просте.
- При активному сигналі "ВКЛ" (замкнуто на землю) двигун крутиться, при неактивному (відірваний від землі) – зупинено.
- При працюючому двигуні (сигнал ВКЛ активний) кнопки "+" та "-" змінюють швидкість обертання.
- Кожне натискання на кнопку "+" збільшує швидкість мінімальної дискретності.
- Натискання кнопки "-" зменшує швидкість.
- При утриманні кнопок "+" або "-" швидкість обертання плавно збільшується або зменшується на 15 значень дискретності в сек.
- При зупиненому двигуні (сигнал ВКЛ не активний).
- Натискання кнопки "+" задає режим обертання прямому напрямку.
- Натискання кнопки "-" переводить контролер у режим реверсивного обертання.
- Для вибору режиму - повнокроковий або напівкроковий необхідно при подачі живлення на контролер утримувати кнопку "-" у натиснутому стані. Режим керування двигуном буде змінено на інший (проінвертовано). Достатньо витримати кнопку – натиснутою протягом 0,5 сек.
Схема контролера уніполярного крокового двигуна із драйвером на MOSFET транзисторах.
Низькопорогові транзистори MOSFET дозволяють створити драйвер з вищими параметрами. Застосування у драйвері MOSFET транзисторів, наприклад, IRF7341 дає такі переваги.
- Опір транзисторів у відкритому стані трохи більше 0,05 Ом. Значить мале падіння напруги (0,1 при струмі 2 А), транзистори не гріються, не вимагають радіаторів охолодження.
- Струм транзисторів до 4 А.
- Напруга до 55 Ст.
- В одному 8 вивідному корпусі SOIC-8 розміщено 2 транзистори. Тобто. на реалізацію драйвера знадобиться 2 мініатюрні корпуси.
Таких параметрів неможливо досягти на транзисторах біполярних. При струмі комутації понад 1 А рекомендую варіант потройства на MOSFET транзисторах.
Підключення до контролера уніполярних крокових двигунів.
В уніполярному режимі можуть працювати двигуни з конфігураціями обмоток 5, 6 та 8 проводів.
Схема підключення уніполярного крокового двигуна з 5 та 6 проводами (висновками).
Для двигунів FL20STH, FL28STH, FL35ST, FL39ST, FL42STH, FL57ST, FL57STH з конфігурацією обмоток 6 проводів, висновки промарковані наступними кольорами.
Конфігурація з 5 проводами - це варіант, в якому загальні дроти обмоток з'єднані всередині двигуна. Такі двигуни бувають. Наприклад, PM35S-048.
Документацію по кроковому двигуну PM35S-048 у форматі PDF можна завантажити.
Схема підключення уніполярного крокового двигуна із 8 проводами (висновками).
Те ж саме, як і для попереднього варіанту, тільки всі з'єднання обмоток відбуваються поза двигуном.
Як вибирати напругу для крокового двигуна.
За законом Ома через опір обмотки та допустимий струм фази.
U = Iфази * Rобмотки
Опір обмотки постійному струму можна виміряти, а струм треба шукати у довідкових даних.
Підкреслю, що йдеться про прості драйвери, які не забезпечують складну форму струму та напруги. Такі режими використовуються великі швидкості обертання.
Як визначити обмотки крокових двигунів, якщо немає довідкових даних
В уніполярних двигунах з 5 і 6 висновками середній висновок можна визначити, вимірявши, опір обмоток. Між фазами опір буде вдвічі більшим, ніж між середнім висновком і фазою. Середні висновки підключаються до плюс джерела живлення.
Далі кожен із фазних висновків можна призначити фазою A. Залишиться 8 варіантів комутацій висновків. Можна їх перебрати. Якщо врахувати, що обмотка фази B має інший середній провід, варіантів стає ще менше. Попутка обмоток фаз не веде до виходу з експлуатації драйвера або двигуна. Двигун деренчить і не крутиться.
Тільки треба пам'ятати, що до такого ж ефекту наводить занадто висока швидкість обертання (вихід із синхронізації). Тобто. треба швидкість обертання встановити свідомо низьку.
Схема контролера біполярного крокового двигуна із інтегральним драйвером L298N.
Біполярний режим дає дві переваги:
- може бути використаний двигун з майже будь-якою конфігурацією обмоток;
- приблизно на 40% підвищується момент, що крутить.
Створювати схему біполярного драйвера на дискретних елементах – невдячна справа. Найпростіше використовувати інтегральний драйвер L298N. Опис російською є .
Схема контролера з біполярним драйвером L298N має такий вигляд.
Драйвер L298N включений за стандартною схемою. Такий варіант контролера забезпечує фазні струми до 2 А, напруга до 30 Ст.
Підключення до контролера біполярних крокових двигунів.
У цьому режимі може бути підключений двигун з будь-якою конфігурацією обмоток 4, 6, 8 дротів.
Схема підключення біполярного крокового двигуна із 4 проводами (висновками).
Для двигунів FL20STH, FL28STH, FL35ST, FL39ST, FL42STH, FL57ST, FL57STH з конфігурацією обмоток 4 дроти висновки промарковані наступними кольорами.
Схема підключення біполярного крокового двигуна із 6 проводами (висновками).
Для двигунів FL20STH, FL28STH, FL35ST, FL39ST, FL42STH, FL57ST, FL57STH з такою конфігурацією обмоток висновки промарковані такими кольорами.
Така схема вимагає напруги живлення удвічі більшого проти уніполярним включенням, т.к. опір обмоток вдвічі більше. Швидше за все, контролер треба підключати до живлення 24 ст.
Схема підключення біполярного крокового двигуна із 8 проводами (висновками).
Можливо два варіанти:
- з послідовним включенням
- з паралельним включенням.
Схема послідовного включення обмоток.
Схема з послідовним включенням обмоток вимагає вдвічі більшої напруги обмоток. Зате не збільшується струм фази.
Схема паралельного включення обмоток.
Схема з паралельним включенням обмоток збільшує у 2 рази фазні струми. До переваг цієї схеми можна віднести низьку індуктивність фазних обмоток. Це важливо на великих швидкостях обертання.
Тобто. Вибір між послідовним та паралельним включенням біполярного крокового двигуна з 8 висновками визначається критеріями:
- максимальний струм драйвера;
- максимальна напруга драйвера;
- швидкість обертання двигуна.
Програмне забезпечення (прошивка) для PIC12F629 можна завантажити.
Як правило, логічні сигнали для керування кроковим двигуном формує мікроконтролер. Ресурсів сучасних мікроконтролерів цілком вистачає для цього навіть у найважчому режимі – мікрокроковому.
Незважаючи на простоту контролера, реалізовані такі режими керування:
- повно-кроковий, одна фаза на повний крок;
- повно-кроковий, дві фази на повний крок;
- напівкроковий;
- фіксацію положення двигуна під час зупинки.
До переваг керування кроковим двигуном в уніполярному режимі слід віднести:
- Простий, дешевий, надійний драйвер.
До недоліків:
- в уніполярному режимі момент, що крутить, приблизно на 40 % менше в порівнянні з біполярним режимом.
Драйвер біполярного крокового двигуна
У біполярному режимі можуть працювати двигуни, які мають будь-які конфігурації обмоток.
L298N це повний мостовий драйвер для керування двонаправленими навантаженнями зі струмами до 2 А та напругою до 46 В.
- Драйвер розроблений для керування компонентами з індуктивними навантаженнями, такими як електромагніти, реле, крокові двигуни.
- Сигнали керування мають TTL сумісні рівні.
- Два входи роздільної здатності дають можливість відключати навантаження незалежно від вхідних сигналів мікросхеми.
- Передбачена можливість підключення зовнішніх датчиків струму для захисту та контролю струму кожного моста.
- Живлення логічної схеми та навантаження L298N розділені. Це дозволяє подавати на навантаження напругу іншої величини, ніж живлення мікросхеми.
- Мікросхема має захист від перегріву лише на рівні + 70 °C.
Структурна схема L298N має такий вигляд.
Мікросхема виконана в 15-ти вивідному корпусі з можливістю кріплення радіатора охолодження.
Призначення висновків L298N.
| 1 | Sense A | Між цими висновками та землею підключаються резистори – датчики струму для контролю струму навантаження. Якщо контроль струму немає, вони з'єднуються із землею. |
| 15 | Sense B | |
| 2 | Out 1 | Виходи мосту A. |
| 3 | Out 2 | |
| 4 | Vs | Живлення навантаження. Між цим висновком та землею має бути підключений низькоімпедансний конденсатор ємністю не менше 100 нФ. |
| 5 | In 1 | Входи керування мостом A. TTL сумісні рівні. |
| 7 | In 2 | |
| 6 | En A | Входи дозволу роботи мостів. TTL сумісні рівні. Низький рівень сигналів забороняє роботу моста. |
| 11 | En B | |
| 8 | GND | Загальний висновок. |
| 9 | Vss | Живлення логічної частини мікросхеми (+5 В). Між цим висновком та землею має бути підключений низькоімпедансний конденсатор ємністю не менше 100 нФ. |
| 10 | In 3 | Входи керування мостом B. TTL сумісні рівні. |
| 12 | In 4 | |
| 13 | Out 3 | Вихід мосту B. |
| 14 | Out 4 |
Гранично допустимі параметри L298N.
Параметри розрахунків теплових режимів
Електронні характеристики драйвера L298N.
| Позначення | Параметр | Значення |
| Vs | Напруга живлення (висновок 4) | Vih+2.5 ...46 В |
| Vss | Живлення логіки | 4,5... 5 ...7 В |
| Is | Споживаний струм спокою (висновок 4)
|
13...22 мА |
| Iss | Споживаний струм спокою (висновок 9)
|
24...36 мА |
| Vil | Вхідна напруга низького рівня |
-0,3...1,5 В |
| Vih | Вхідна напруга високого рівня (висновки 5, 7, 10, 12, 6, 11) |
2,3 ... Vss В |
| Iil | Вхідний струм низького рівня (висновки 5, 7, 10, 12, 6, 11) |
-10 мкА |
| Iih | Вхідний струм високого рівня (висновки 5, 7, 10, 12, 6, 11) |
30 ... 100 мкА |
| Vce sat (h) | Напруга насичення верхнього ключа
|
0,95...1,35...1,7 В |
| Vce sat (l) | Напруга насичення нижнього ключа
|
0,85...1,2...1,6 В |
| Vce sat | Загальне падіння напруги на відкритих ключах
|
|
| Vsens | Напруга датчиків струму (висновки 1, 15) |
-1 ... 2 В |
| Fc | Частота комутацій | 25...40 кГц |
Схема підключення крокового двигуна до мікроконтролера за допомогою драйвера L298N.
Діаграма роботи цієї схеми у повнокроковому режимі виглядає так.
Якщо не використовуються роздільні входи та датчики струму, схема виглядає так.
Електронні компоненти . Ви можете додати до закладок.
Рано чи пізно, при будівництві робота виникне потреба в точних переміщеннях, наприклад, коли захочеться зробити маніпулятор. Варіантів тут два сервопривід, З зворотними зв'язками по струму, напрузі та координаті, або кроковий привід. Сервопривід економічніший, потужніший, але при цьому має дуже нетривіальну систему управління і під силу далеко не всім, а от кроковий двигунце вже ближча до реальності.
Кроковий двигунце, як відомо з його назви, двигун, який обертається дискретними переміщеннями. Досягається це за рахунок хитрої форми ротора та двох (рідше чотирьох) обмоток. В результаті чого, шляхом чергування напрямку напруги в обмотках можна домогтися того, що ротор по черзі займатиме фіксовані значення.
У середньому, у крокового двигуна на один оборот валу припадає близько ста кроків. Але це сильно залежить від моделі двигуна, а також його конструкції. Крім того, існують напівкроковийі мікрокроковий режим, коли на обмотки двигуна подають ШИМовану напругу, що змушує ротор стати між кроками в рівноважному стані, яке підтримується різним рівнем напруги на обмотках. Ці хитрощі різко покращують точність, швидкість і безшумність роботи, але знижується момент і сильно збільшується складність керуючої програми — адже треба розраховувати напруги для кожного кроку.
Один із недоліків кроковиків, принаймні для мене, це досить великий струм. Так як на обмотки напруга подається весь час, а такого явища як протиЕРС в ньому, на відміну від колекторних двигунів, не спостерігається, то, по суті, ми навантажуємося на активний опір обмоток, а воно невелике. Так що будь готовий до того, що доведеться городити потужний драйвер на MOSFETтранзисторах або затарюватися спеціальними мікросхемами.
Типи крокових двигунів
Якщо не заглиблюватися у внутрішню конструкцію, число кроків та інші тонкощі, то з точки зору користувача існує три типи:
- Біполярний— має чотири виходи, містить дві обмотки.
- Уніполярний- має шість виходів. Містить дві обмотки, але кожна обмотка має відвід з середини.
- Чотирьохобмотувальний- має чотири незалежні обмотки. По суті справи є той самий уніполярник, лише обмотки його розділені. Наживо не зустрічав, тільки в книжках.
Де взяти кроковий двигун?
Загалом кроковики зустрічаються багато де. Найхлібніше місце п'ятидюймові дисководита старі матричні принтери. Ще ними можна поживитися в старовинних вінчестерах на 40Мб, якщо, звичайно, рука підніметься покалічити такий антикваріат.
А ось у тридюймових флопарах на нас чекає облом — річ у тому, що там кроковик вельми неповноцінної конструкції — у нього лише один задній підшипник, а переднім кінцем вал упирається в підшипник закріплений на рамі дисковода. Тож юзати його можна лише у рідному кріпленні. Або городити високоточну кріпильну конструкцію. Втім, тобі може пощастить і ти знайдеш нетиповий флопар із повноцінним двигуном.
Схема керування кроковим двигуном
Я розжився контролерами кроковиків L297та потужним здвоєним мостом L298N.
Ліричний відступ, за бажання можна його пропустити
Схема включення L298N+L297до смішного проста - треба тупо з'єднати їх разом. Вони настільки створені один для одного, що в датасіті на L298Nйде прямий відсилання до L297, а в доці на L297на L298N.
Залишилося лише підключити мікроконтролер.
- На вхід CW/CCWподаємо напрямок обертання - 0 в одну сторону, 1 - в іншу.
- на вхід CLOCK- Імпульси. Один імпульс – один крок.
- Вхід HALF/FULLзадає режим роботи - повний крок / півкрок
- RESETскидає драйвер у дефолтний стан ABCD=0101.
- CONTROLвизначає яким чином задається ШІМ, якщо він у нулі, то ШІМ утворюється у вигляді виходів дозволу INH1і INH2а якщо 1 то через виходи на драйвер ABCD. Це може стати в нагоді, якщо замість L298у якої є куди підключати входи дозволу INH1/INH2буде або саморобний міст на транзисторах, або якась інша мікросхема.
- На вхід Vrefтреба подати напругу з потенціометра, яка визначатиме максимальну перевантажувальну здатність. Подаси 5 вольт - буде працювати на межі, а в разі перевантаження згорить L298, Подаси менше - при граничному струмі просто заглухне. Я спочатку тупо загнав туди харчування, але потім передумав і поставив підстроювальний резистор - захист все ж таки корисна річ, погано буде якщо драйвер L298згорить.
Якщо ж на захист пофігу, то можеш заразом і резистори, що висять на виході sense викинути нафіг. Це токові шунти, з них L297дізнається який струм тече через драйвер L298і вирішує здохне він і настав час відрубати або ще простягне. Там потрібні резистори потужніші, враховуючи що струм через драйвер може досягати 4А, то при рекомендованому опорі в 0.5 Ом, буде падіння напруги близько 2 вольт, а значить потужність, що виділяється, буде близько 4 * 2 = 8 Вт - для резистора огого! Я поставив двоватні, але в мене і кроковик був дрібний, не здатний сховати 4 ампери.
Крокові двигуни застосовуються сьогодні у багатьох промислових галузях. Двигуни цього типу відрізняються тим, що дозволяють досягти високої точності позиціонування робочого органу, в порівнянні з іншими типами двигунів. Очевидно, що для роботи крокового двигуна потрібне точне автоматичне керування. Саме цій для цієї мети і служать контролери крокових двигунів, Що забезпечують безперебійну та точну роботу електроприводів різного призначення
Грубий принцип роботи крокового двигуна можна описати так. Кожен повний оберт ротора крокового двигуна складається з декількох кроків. Переважна більшість крокових двигунів розраховані на крок 1,8 градуса, і на повний обіг припадає 200 кроків. Привід змінює положення на крок під час подачі на певну обмотку статора напруги живлення. Напрямок обертання залежить від напрямку струму в обмотці.
Наступний крок - вимикається перша обмотка, живлення подається на другу і так далі, в результаті після відпрацювання кожної обмотки ротор здійснить повний обіг. Але цей грубий опис, на ділі алгоритми дещо складніші, і про це буде розказано далі.
Алгоритми керування кроковим двигуном
Управління кроковим двигуном може бути реалізовано по одному з чотирьох основних алгоритмів: поперемінне включення фаз, керування з перекриттям фаз, напівкрокове керування або мікрокрокове керування.
У першому випадку у кожний момент часу живлення отримує тільки одна з фаз, і точки рівноваги ротора двигуна на кожному кроці збігаються з ключовими точками рівноваги - полюси чітко виражені.
Управління з перекриттям фаз дозволяє ротору отримати кроки до позицій між полюсними виступами статора, що збільшує крутний момент на 40% порівняно з керуванням без перекриття фаз. Кут кроку зберігається, проте положення фіксації зміщене - воно знаходиться між виступами полюсних статора. Ці перші два алгоритми застосовуються в електротехнічному устаткуванні, де дуже висока точність не потрібна.
Напівкрокове управління - комбінація перших двох алгоритмів: через крок живлення отримують одна фаза (обмотка), то дві. Розмір кроку зменшується вдвічі, точність позиціонування виходить вищою, знижується ймовірність настання механічного резонансу двигуна.
Зрештою, мікрокроковий режим. Тут струм у фазах змінюється за величиною так, щоб положення фіксації ротора на крок припадало б на точку між полюсами, причому, залежно від співвідношення величин струмів одночасно включених фазах, таких кроків можна отримати кілька. Регулюючи співвідношення струмів, налаштовуючи кількість робочих співвідношень, отримують мікрокроки - найточніше позиціонування ротора.
Докладніше дивіться зі схемами тут:
Щоб обраний алгоритм реалізувати практично, застосовують драйвер крокового двигуна. Драйвер містить у собі силову частину та контролер.
Силова частина драйвера - це , завдання якого перетворити імпульси струму, що подаються на фази, в переміщення ротора: один імпульс - один точний крок або мікрокрок.
Напрямок і величина струму - напрямок та величина кроку. Тобто завдання силової частини - подати струм певної величини та напрямки у відповідну обмотку статора, утримати цей струм протягом деякого часу, а також здійснювати швидке включення та вимкнення струмів, щоб швидкісні та потужнісні характеристики приводу відповідали б поставленому завданню.
Чим досконаліша силова частина драйвера, тим більший момент можна отримати на валу. Взагалі, тренд прогресу у вдосконаленні крокових двигунів та їх драйверів – отримати від двигунів малих габаритів значний робочий момент, високу точність, та зберегти при цьому високий ККД.
Контролер крокового двигуна
Контролер крокового двигуна – інтелектуальна частина системи, яка зазвичай виготовлена на базі мікроконтролера з можливістю перепрограмування. Саме контролер відповідає за те, в який момент, на яку обмотку, на який час і якої величини струм буде поданий. Контролер керує роботою силової частини драйвера.
Просунуті контролери підключаються до ПК і можуть регулюватися в режимі реального часу за допомогою ПК. Можливість багаторазового перепрограмування мікроконтролера позбавляє користувача від необхідності щоразу при коригуванні завдання набувати новий контролер - достатньо переналаштувати вже наявний, у цьому гнучкість, контролер можна легко переорієнтувати програмно виконання нових функцій.
На ринку сьогодні представлені широкі модельні ряди контролерів крокових двигунів від різних виробників, які відрізняються можливостями розширення функцій. Програмовані контролери передбачають запис програми, а деякі включають програмовані логічні блоки, за допомогою яких можливе гнучке налаштування алгоритму управління кроковим двигуном під той чи інший технологічний процес.
Можливості контролерів
Управління кроковим двигуном за допомогою контролера дозволяє досягти високої точності до 20000 мікрокроків на оборот. Причому керування може здійснюватися як безпосередньо з комп'ютера, так і за рахунок програми, що прошитий у пристрій, або за програмою з карти пам'яті. Якщо параметри в ході виконання завдання змінюються, то комп'ютер може опитувати датчики, відстежувати параметри, що змінюються, і оперативно змінювати режим роботи крокового двигуна.
Є у продажу блоки керування кроковим двигуном, до яких підключаються: джерело струму, кнопки керування, джерело тактового сигналу, потенціометр для налаштування кроку тощо. . Можливість синхронізації із зовнішніми пристроями та підтримка автоматичного включення, вимкнення та управління - безперечна перевага блоку управління кроковим двигуном.
Блок може керуватися з комп'ютера безпосередньо, якщо, наприклад, потрібно відтворити програму або в ручному режимі без додаткового зовнішнього управління, тобто автономно, коли напрям обертання вала крокового двигуна встановлюється датчиком реверсу, а швидкість регулюється потенціометром. Блок управління підбирається за параметрами крокового двигуна, який передбачається використовувати.
Залежно від характеру поставленої мети вибирають спосіб керування кроковим двигуном. Якщо необхідно налаштувати просте керування малопотужним електроприводом, коли в кожний момент часу один імпульс подається на одну котушку статора: на повний оберт потрібно, скажімо, 48 кроків, і ротор буде переміщатися на 7,5 градусів при кожному кроці. Режим одиночних імпульсів у разі підійде.
Для досягнення вищого моменту, що обертає, застосовують подвійний імпульс - в дві сусідні котушки подається одночасно по імпульсу. І якщо для повного обороту потрібно 48 кроків, то знову ж таки потрібно 48 таких подвійних імпульсів, кожен приведе до кроку в 7,5 градусів але з на 40% більшим моментом ніж в режимі одиночних імпульсів. Скомбінувавши обидва способи можна отримати 96 імпульсів розділивши кроки – вийде 3,75 градуса на крок – це комбінований режим управління (напівкроковий).
