Блоки управления шаговыми двигателями схема
Шаговый двигатель и драйвер для него
Шаговые двигатели широко используются в приложениях, требующих огромную точность. В отличие от электродвигателя постоянного тока у него отсутствуют щетки и коммутатор — для этого у него имеется несколько отдельных обмоток, которые коммутируются внешней электронной управляющей схемой или как ее принято называть одним словом — драйвером. Вращение ротора в них осуществляется с помощью коммутации обмоток последовательно — шаг за шагом, без обратной связи. Здесь можно увидеть огромный минус всех шаговых двигателей — в случае механической перегрузки, когда ротор не двигается, шаги будут путаться и движение становится непредсказуемым.
По виду обмоток, шаговые двигатели бывают: униполярными и биполярными. По строению их можно классифицировать еще на как минимум три вида:
- С переменным магнитным сопротивлением: эти электродвигатели обеспечивают высоченную точность перемещения и очень низкий крутящий момент
С постоянным магнитом — низкий уровень точности, большой крутящий момент, но самая низкая стоимость изготовления
У шаговых двигателей первого типа зубчатые обмотки и ротор сделаны из стали. Максимальная сила тяги появляется в момент перекрытия зубьев обоих сторон. В электродвигателях с постоянным магнитом, имеется постоянный магнит, который ориентируется в зависимости от полярности обмотки. В гибридных сочетают две технологии одномоментно.
Независимо от вида устройства для создания одного полного оборота вала равному 360 градусов необходима целая сотня шагов коммутаций. Для обеспечения плавного и стабильного движения используют подходящую схему управления (драйвер), в соответствии с параметрами шагового двигателя (крутящий момент, инертность ротора, резонанс и т.п.). Кроме того схема драйвера может использовать различные способы коммутации.
Последовательный метод коммутации по одной обмотке называют полным шагом, но если коммутация происходит поочередно одна и две обмотки, то это принято называть полушагом. Бывают так же синусоидальные микрошаги, что дает им высокую точность и плавность хода.
Шаговый двигатель используется для изготовлении печатных плат, микродрели, автоматической кормушки и в конструкциях роботомеханизированных аппаратов. Если вы еще не сталкивались с шаговыми двигателями, то прочитайте внимательно эту статью.
Он имеет пять или шесть проводов. В соответствии со схемой запускается разом только одна четвертая обмоток. Линии Vcc обычно соединяются с плюсом источника питания. Концы обмоток 1a, 1b, 2a, и 2b соединяются при коммутации через управляющие транзисторы только с землей, в связи, с чем их схема драйвера достаточно проста.
Полярность его обмоток изменяется во время процесса коммутации. За один раз активируется 50% обмоток, что обеспечивает в сравнении с выше рассмотренным гораздо большую эффективность. У биполярных шаговых двигателей имеется только четыре провода, которые соединяютсяполумостом. При коммутации полумосты прикладывают к концам обмоток с отрицательным или положительным напряжением. Их запускают и с помощью биполярного драйвера: для этого необходимо соединить только линии обмоток 1a, 1b, 2a и 2b.
Необходимые коммутации полу и полного шага и с обоими видами обмоток отображает таблица на рисунке ниже. Т.к в случае драйвера униполярного шагового двигателя происходит только отпирание управляющих транзисторов, то эти шаги в ней представлены логическими числами 1 и 0. Управление биполярным ШД может потребовать гораздо больше сигналов, и его шаги представлены выходной полярностью схемы управления.
Шаговые двигатели отличаются от обычных управляемых двигателей постоянного тока тем что, совершают дискретное вращение под воздействием импульсных управляющих сигналов. В конкретном шаговом двигателе, который мы будем рассматривать, требуется 48 управляющих импульсов чтобы сделать полный оборот на 360 градусов.
Еще одним важным преимущество шаговых двигателей можно считать то, что их скорость вращения может быть достигнута почти мгновенно при реверсировании направления вращения.
В состав шагового двигателя входит ротор, представляющий обычный постоянный магнит, вращающийся внутри, и статор на четыре катушки, являющиеся частью корпуса и неподвижные. Ротор вращается от поступающих импульсных последовательностей подаваемых к одной или двум катушкам одномоментно.
Для схемы драйвера шаговым двигателем потребуется контроллер. Контроллер это такая большая специализированная микросхема, которая подает постоянное напряжение к любой из четырех катушек статора в зависимости от заложенной программы. В нашей схеме такой микросхемой является ULN2003 или ее российский аналог К1109КТ22, состоящий из множества мощных ключей с защитными диодами. Последнии дают возможность подключать различные индуктивные нагрузки без дополнительной защиты от всплесков обратного напряжения.
Однополярный двигатель обладает пятью или шестью контактов в зависимости от типа. Если он имеет шесть контактов, то потребуется соединить выводы 1 и 2 красного цвета вместе и подключить их к плюсу напряжения питание. Оставшиеся выводы a1 желтого, b1 черного, a2 оранжевого и b2 коричневого цвета и подключить к контроллеру в соответствии со схемой.
Существует несколько способов, которые можно использовать, для управления шаговым двигателем.
Для управления шаговым двигателем с компьютером нам потребуется только компьютер с LPT разъемом или специализированном контроллере, который можно недорого приобрести и вставить в PCI слот материнской платы и программа. Программу вы можете скачать по зеленой ссылке чуть выше. При управление шаговым двигателем с компьютера вы будете иметь намного больше возможностей при конструировании различных радиолюбительских самоделок или приспособлений.
В программе управления драйвером очень понятный и дружественный интерфейс для работы с шаговым двигателем, который дает возможность точно управлять скоростью шагового двигателя и направлением его вращения в режиме реального времени, а также вы сможете выбрать различные способы управления.
Схема драйвера дает возможность изменять скорость вращения вала и направление его вращения. Частота микроконтроллера формируется внешним генератором на 4 МГц. На радиокомпонентах R1 – R3, С1 и транзисторе VT1 собран генератор прямоугольных импульсов, частоту которого можно регулировать сопротивлением R2. Напряжение с емкости конденсатора С1 поступает на вывод RB5 микроконтроллера. После того как потенциал превысит пороговый уровень, на выводе RB7 образуется высокий потенциал. Поэтому, первый транзистор открывается и разряжает емкость, а затем алгоритм повторяется.
При регулирование сопротивления R2 изменяется скорость вращения шагового двигателя от 27 до 128 оборотов в минуту. Учтите, что при повышении скорости вращения, снижается крутящий момент на валу шагового двигателя. Данная схема не имеет ОС, поэтому скорость вращения зависит только от переменного резистора R2 и от нагрузки на вал. Реверс обмоток двигателя осуществляется через транзисторные ключи VT2-VT5. Для защиты транзисторов от возможных всплесков, в схему введены диоды VD1 — VD4. Изменение направления вращения и остановка задается с помощью тумблеров SA1 — SA3. Прошивку к МК смотри в архиве выше, в папке 029-el
Рассмотрена схема управления шаговым двигателем униполярного типа в режиме полного шага через последовательный интерфейс RS232 компьютера. Драйвер способен управлять двумя шаговыми двигателями через программу специальную терминал
При замыкании кнопок управления SB-1 или SB-2 высокий логический уровень через элемент ИЛИ реализованный на диодах VD-6 и VD-7 следует на затвор полевого транзистора VT-5, отпирая его, и тем самым включая питание двигателя. Диоды можно можно взять почти любые, кремниевые, какие влезут. Полевой транзистор выбираем исходя из напряжения питания и потребляемого тока ШД. Если используется низковольтный ЩД, то и транзистор в схеме берем низковольтный, так как у него ниже сопротивление сток-исток.
Желательно и в роли VT1-VT5, так же применить полевые транзисторы с N-каналом. Тогда сопротивление резисторов в цепи базы (по схеме) можно существенно снизить.
Таймер NE555 предназначен для генерации потока тактовых импульсов управляющими скоростью вращения шагового двигателя. Тогда как логические микросхемы CD4070 аналог К1561ЛП14 и CD4027 аналог K561ТВ формируют последовательность сигналов в нужном порядке, для запуска электродвигателя.
Схема подходит для однополярного шагового двигателя, имеющего шесть управляющих выводов. Изменяя сопротивление переменного резистора можно изменять частоту сигнала, а следовательно и скоростью вращения электродвигателя. Затем импульсы поступают на входы JK-тригеров на микросхеме CD4027, которые формируют управляющие импульсы в нужной последовательности. При помощи переключателя SA1 можно осуществлять реверсирование шагового двигателя.
Система управления шаговым двигателем
преподаватель, Донской государственный технический университет.
344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, Гагарина, 1
Gubanova Aleksandra Anatol’evna
Lecturer at Don State Technical University.
344000, Russia, Rostovskaya oblast’, g. Rostov-Na-Donu, Gagarina, 1
344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, Гагарина, 1
Guzarevich Aleksandra Sergeevna
344000, Russia, Rostovskaya oblast’, g. Rostov-na-Donu, Gagarina, 1
344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, Гагарина, 1
Taridonov Nikita Evgen’evich
344000, Russia, Rostovskaya oblast’, g. Rostov-na-Donu, Gagarina, 1
Просмотров статьи: 7092 c 5.5.2015
Дата направления статьи в редакцию:
Дата публикации:
Аннотация: В настоящее время хорошей альтернативой микроприводам, состоящим из быстроходного двигателя с обратной связью и механического редуктора, является шаговый электропривод, ставший уже традиционным исполнительным устройством многих электронных приборов и систем. Предметом исследования в данной работе является шаговый двигатель. В данной работе объектом управления (ОУ) является двухкоординатный транспортный модуль на основе линейных шаговых двигателей (ЛШД), который применяется для изготовления микросхем высокой степени интеграции. Для этой цели используется зондовая установка, включающая в себя двухкоординатный транспортный модуль. В данной работе при проектировании системы применима методика управления режимом полного шага для линейного шагового двигателя. Система управления шаговым двигателем предназначена для формирования сигналов на обмотках шагового двигателя и управления скоростью вращения его вала и контроля количества шагов поворота. В ходе работы были разработаны схемы структурная и электрическая принципиальная, разработан алгоритм управления системой. Разработанная система отличается малыми габаритными размерами, низкой потребляемой мощностью, широкими функциональными возможностями. В устройстве используется современная, широкодоступная, дешевая элементная база.
Ключевые слова: шаговый линейный двигатель, драйвер управления, интерфейс управления, контроллер, электропривод, датчик импульсов, обратная связь, скорость вращения, источник питания, датчик положения
Abstract: At present, a stepper motor drive which has already become a traditional executive device for many electronic devices and systems is a good alternative to microdrives consisting of a high-speed motor with feedback and a mechanical gearbox. The subject of study of this article is a stepper motor. In this paper, the control object (OS) is a two-coordinate transport module based on linear stepper motors (LSD) which is used for the manufacture of high integration chips. For this purpose, a probe that includes a two-coordinate transport module is used. In this article, the technique of controlling the full-step mode was used for a linear stepper motor when designing the system. The stepper motor control system is designed to generate signals on the stepper motor windings and control the rotation speed of its shaft as well as to control the number of pivot steps. In the course of the study, the author developed structural and electric schemes and an algorithm for controlling the system. The developed system is characterized by small overall dimensions, low power consumption, wide functionality. The device uses a modern, widely available, low-cost element base.
Feedback, pulse sensor, electric drive, controller, management interface, management driver, linear stepper motor, rotational speed, source of power, position sensor
Шаговый привод как недорогая альтернатива наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов, модулей и систем, где не требуется высокая динамика [1] . Задачи, решаемые при помощи шагового привода, разнообразны. Шаговые двигатели устанавливаются в устройствах и механизмах, требующих высокой надежности и точности: когда требуется позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый двигатель является наиболее экономичным решением [2] .
Рисунок 1- Структурная схема системы управления шаговым двигателем
Структурно схема состоит из следующих блоков:
— шагового двигателя 1 и 2;
— драйвера управления 1 и 2;
— датчика положения 1 и 2;
-импульсного источника питания;
Принцип работы системы более подробно рассмотрим на примере схемы электрической принципиальной, представленной на рисунке 2.
Управляющие команды двигателем могут поступать по одному из двух интерфейсов связи либо по USB, либо по UART, при этом выбор между одним из этих интерфейсов осуществляется переключением соответствующих четырех микропереключателей, так же установленных на плате.
Модуль управления реализован на микроконтроллере AVR ATMega48, совмещенный с драйвером L6205, позволяющим управлять приводом, как на базе шагового двигателя, так и двигателя постоянного тока. Контроллер работает с тактовой частотой 10МГц, с напряжением питания +5В. USB интерфейс реализован на базе преобразователя FTDI FT232R, позволяющего выполнить быстрое сопряжение стандартных UART и USB интерфейсов. Для отслеживание начального (нулевого) положения вала двигателя на плате установлен оптический щелевой датчик нуль-метки, производства компании Honeywell HOA08. Этот датчик позволяет однозначно определить начальное положение вала двигателя при новой подаче напряжения питания или сброса программы микроконтроллера. Стабильное напряжение питания микроконтроллера поддерживает импульсный понижающий DC-DC преобразователь LM2594M.
Модуль подключается к стандартному USB порту персонального компьютера, через кабель с ответным разъемом miniUSB, или по последовательному интерфейсу UART к другой микропроцессорной системе, при этом уровень сигналов составляет +5В. Для программирования микроконтроллера предусмотрен интерфейс ISP, с контакными площадками для подключения стандартного программатора AVR. Стоит так же отметить то, что для отображения текущего режима работы или индикации ошибки на модуле установлен светодиод, подключенный непосредственно к контроллеру. Типовое напряжение питания системы управления +12В , при этом минимальные его уровень составляет чуть более 8 В и ограничен 20В.
Рисунок 2 — Схема электрическая принципиальная системы управления шаговым двигателем
Алгоритм основной программы (рисунок 3) выполняет управление скоростью вращения вала шагового двигателя и контролирует количество шагов поворота. Данный алгоритм идентичен для двигателя 1 и двигателя 2.
Принцип работы алгоритма приведен ниже.
1. Начало работы
2. Установление ШД в нулевом положении
3. Ожидание данных частоты вращения ω и скорости импульсов С от разъема miniUSB.
4. Цикл «Новые данные?» (в этом цикле если приходят новые данные, то программа переходит к следующему блоку. Если чтение данных не началось, то происходит возврат к блоку «Ожидание данных частоты вращения ω и скорости импульсов С»)
5. Пересчет частоты вращения ω в частоту импульсов.
6. Формирование управляющих импульсов (в этом блоке происходит непосредственное включение ШД)
7. Считывание данных с датчика импульсов обратной связи.
8. Цикл «Скорость меньше требуемой?» (в этом цикле если значение скорости равно заданному, то двигатель работает в стационарном режиме и обновлений не требуется. Если скорость меньше требуемой, то в работу включается блок «Ускорение управляющих импульсов», т.е. двигатель ускоряется и достигает требуемой скорости. Если в цикле «Скорость больше требуемой?» условие выполняется, то двигатель замедляется, реверсируется и достигает требуемой скорости).
9. Цикл «Количество импульсов достигло требуемого?» (если данное условие не выполняется, то сигнал поступает на блок «Считывание данных с датчика импульсов обратной связи» до тех пор, пока количество импульсов не будет соответствовать требуемому значению. Если условие цикла выполняется, то происходит переход на следующий блок).
10. Остановка ШД (информация с данного блока по циклу возвращается к блоку «Ожидание данных частоты вращения ω и скорости импульсов С от разъема miniUSB» и работа системы возобновляется заново).
Рисунок 3- Алгоритм работы системы управления шаговым двигателем
Таким образом, в данной работе была разработана система управления шаговым двигателем на основе современной электронной базы. Разрабатываемая система по технической реализации должна осуществлять управление шаговым двигателем, обеспечивать скоростью вращения его вала и контролировать количество шагов поворота.
Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи
Блоки управления шаговыми двигателями схема
Электронная система управления шаговыми двигателями на PIC-контроллере
При разработке шаговых двигателей (ШД), а также систем управления ими, зачастую требуется перебрать множество различных вариантов многофазных последовательностей импульсов, подаваемых на обмотки двигателя. Построение системы управления (СУ) на дискретных элементах при этом становится трудоемким процессом. Поэтому решено было сделать систему управления таким образом, чтобы ее можно было легко перепрограммировать под конкретный двигатель. Довольно просто эта задача решается с использованием PIC-контроллеров фирмы Microchip, например, PIC16F84 [2]. Контроллер имеет достаточное количество портов ввода-вывода и необходимое быстродействие, допускает многократное перепрограммирование, не является дорогим и дефицитным. Ниже на рис. 1 приведена электрическая принципиальная схема СУ.
Рис. 1. Схема электрическая принципиальная СУ ШД на PIC-контроллере.
Система управления собрана на PIC-контроллере PIC16F84A-04/P (DD1). Рабочая частота определяется цепью R6C5 и составляет около 4 МГц. На выходах RB0 — RB5 формируется многофазная (число фаз от одной до шести) последовательность импульсов, управляющая инверторами VT3 — VT6, VT9 — VT12, VT15 — VT18, к выходам которых можно различными способами (в диагональ инвертора или от одного из выходов к общему проводу) подключать обмотки ШД. Если обмотки ШД включены в диагональ инвертора, как показано на рисунке, то можно получить трехфазную последовательность импульсов с переменной полярностью. На входы RA0 — RA3 подаются сигналы, определяющие направление и скорость вращения. Логика и режим работы двигателя зависят от программы, записанной в контроллер [2]. Цепочка R7VD1 обеспечивает напряжение питания контроллера (DD1) +4.7 В, защиту от неправильного подключения источника питания, а также позволяет использовать форсированный режим работы двигателя (кратковременное повышение напряжения питания) и входные сигналы с TTL-уровнями. На рис. 2 показан внешний вид печатной платы СУ ШД со стороны установки деталей.
Рис. 2. Печатная плата СУ ШД.
Вариант использования СУ можно посмотреть на примере трехфазного шагового двигателя [4, 5].
СУ ШД может быть собрана в виде отдельного блока с питанием от сети переменного тока напряжением 220 вольт частотой 50 герц. Электрическая принципиальная схема одной из возможных модификаций такого блока, предназначенного для управления трехфазным мотор-редуктором [3] шаровой мельницы [6], приведена на рис. 3, 4, а внешний вид показан на рис. 5, 6.
Рис. 3. Схема электрическая принципиальная блока СУ ШД с питанием от сети переменного тока 220 В 50 Гц.
Рис. 4. Схема электрическая принципиальная контроллера ШД блока СУ.
Рис. 5. Внешний вид блока СУ ШД с питанием от сети переменного тока 220 В 50 Гц (размеры 150 х 150 х 90 мм 3 ).
Рис. 6. Вид на монтаж блока СУ ШД с питанием от сети переменного тока 220 В 50 Гц.
Ссылки:
- Многофазная ( n -фазная) последовательность импульсов — несколько ( n) идентичных периодических последовательностей импульсов, сдвинутых друг относительно друга на некоторый угол (360/ n градусов) по фазе.
- Шаговый двигатель — электрический двигатель, полезное механическое перемещение которого совершается скачкообразно из одного промежуточного положения в другое.
03.12.2005
20.10.2006
16.06.2010
Контроллер шагового двигателя схема
За какое-то время у меня скопилось много шаговых двигателей, но все не было времени ими заняться, а ведь шаговый двигатель вещь довольно интересная и полезная. Но у многих радиолюбителей возникают проблемы с запуском таких двигателей, вот я и решил собрать контроллер для проверки наиболее часто распространённых шаговых двигателей.
Блок управления шаговым двигателем
Шаговые двигатели достаточно распространены в устройствах, в которых необходимо добиться точного перемещения механизмов. Существует очень много типов шаговых двигателей, но самыми простыми в плане управления являются 2-х фазные униполярные двигатели. Этот тип двигателей имеет две независимые обмотки с выводами от середины (см. Рис.1). Их устанавливают в такие аппараты, как принтер, копир, дисковод и т.д.
Схема управления шаговым двигателем.
На рисунке 2 представлена схема управления шаговым двигателем.
Сперва хотел разработать схему на жесткой логике, но когда определился с функциями, которые она должна выполнять, пришло твердое решение использовать для этих целей микроконтроллер. И так, что можно определить с помощью данного блока управления.
- Можно определить количество шагов.
- Определить один из двух алгоритмов работы двигателя.
- Опробовать работу двигателя в полушаговом режиме.
- Можно опробовать работу в полношаговом режиме.
Еще раз повторюсь, что разновидностей шаговых двигателей много и данный контроллер подойдет не для всех.
Программы управления шаговыми двигателями
Программа управления состоит из пяти подпрограмм, которые переключаются кнопкой BS3 – «Выбор программ». Номер выбранной подпрограммы отображается тремя светодиодами в двоичной системе счисления. При первом включении должен загореться светодиод HL1, индицирующий о том, что включена первая подпрограмма работы шагового двигателя в полушаговом режиме. Запуск двигателя осуществляется кнопками «Право» и «Лево». Право – двигатель должен крутиться по часовой стрелке, лево – против часовой, но направление вращения зависит еще и от того, как вы скоммутируете обмотки двигателя.
Возможно, придется экспериментировать. На скриншоте 1 (передняя панель виртуального осциллографа программы Proteus) можно наблюдать импульсную последовательность и коды полушагов работы двигателя. Некоторые из шаговиков по этому алгоритму у меня не работали.
Полношаговый алгоритм работы шагового двигателя
Подпрограмма №2 – светится второй светодиод. В этой подпрограмме двигатель будет работать по полно шаговому алгоритму, показанному на скрине 2.
Подпрограмма №3 – светятся первый и второй светодиоды. В этой подпрограмме двигатель будет работать по полношаговому алгоритму, показанному на скрине 3.
Количество шагов шагового двигателя
Подпрограмма №4 – светится третий светодиод. Данная подпрограмма обеспечивает один шаг двигателя при каждом нажатии на кнопку «Право». Кнопка «Лево» в данном случае не задействована. Короче говоря, нажимая каждый раз на кнопку, можно сосчитать количество шагов за один оборот проверяемого двигателя. Алгоритм работы двигателя в данной подпрограмме соответствует алгоритму на скрине 2.
Подпрограмма №5 – светятся первый и третий светодиоды. В этой подпрограмме творится тоже самое, только алгоритм работы двигателя в данной подпрограмме соответствует алгоритму на скрине 3.
Общий вид платы — на фото.
Файл прошивки, схему и рисунок печатной платы можно скачать по ссылке ниже.
Загрузка...
