Шаговый двигатель аналоговая схема управления

Шаговый двигатель аналоговая схема управления

Упражнение L8. Управление униполярным шаговым мотором с помощью аналогового сигнала

Задание. Вариант 1 .

Рис. 1. Общий вид и электрическая схема подключения катушек к контроллеру. Rj – дополнительное сопротивление.

Поворот потенциометра ведет к изменению частоты вращения шагового двигателя: чем больше отклонение, тем больше частота (меньше период) вращения мотора.

У потенциометра имеется средняя зона «0», в которой мотор не вращается.

Потенциометр можно регулировать в обоих направлениях: соответственно мотор вращается как в одном, так и в другом направлении.

Рис. 2. Электрическая схема входа контроллера. R – потенциометр (см. схему), Rj – добавочное сопротивление.

1. Спецификация.

Таблица 1. Используемые элементы.

R – потенциометр

Q1 –Q4 – катушки шагового мотора

Н 1 – лампа аварийного режима

Вспомогательные переменные.

С помощью меркеров схема условно поделена на части для упрощения ввода программы.

M1 – M4 – в данной последовательности пульсирующие меркеры , которые заставляют пульсировать катушки Q1 –Q4 в определенной последовательности;

M5, M6 – меркеры, определяющие направление вращения ( вариант 2) ;

M7, M8 – T- триггеры;

M9 – генератор импульсов (направление «-»);

M 10 – генератор импульсов (направление «+»);

2. Режимы. Аналоговая величина входа изменяется в диапазоне 0 … 1000.

Диапазон потенциометра разделен на 3 части:

  1. М5 – мотор вращается в направлении «-»
  2. – мотор не вращается
  3. М6 – мотор вращается в направлении «+»

Рис. 3. Деление диапазона аналогового входа.

2 . Меркеры, пульсирующие в данной последовательности: M1 – M2 – M3 – M4.

В программе использованы два T- триггера , которые соединены последовательно (Т- триггер изменяет свое состояние на противоположенное на каждый позитивный фронт входного сигнала) . Используя выходные сигналы этих триггеров, получим 4 комбинации выходных сигналов.

По представленной диаграмме определены условия последовательного включения меркеров М1 – М4.

Решение. Аналитическое описание.

M1= no M7 and no M8; M2= M7 and M8; M3=no M7 and M8; M4= M7 and no M8

3. Управление катушками Q1-Q4.

Таблица истинности 2.

Q3 (M6•M2)

Q4 (M6•M4)

Q4 (M5•M2)

Q3 (M5•M4)

Решение. Аналитическое описание.

Q1 = M1; Q2 = M3; Q3 = M2 • M6 + M4 • M5; Q4 = M2 • M5 + M4 • M6

Рис. 5. FBD. Управление катушками Q1-Q4. Решение.

4. Направление вращения М5, М6.

Соответствующие меркеры управлением направления вращения мотора М5 и М6 включаются и отключаются от функции аналогового порогового включателя (блоки A1 и A2).

AI1→ /A1(On=0; Off= 400) →М5

AI1→ /A2 (On=600; Off= 1001) → М 6

Рис . 5. FBD . Управление направлением вращения М5 в направлении «-» .

Составить FBD управление направлением вращения М5 в направлении «+».

5. Управление генераторами М9, М10.

Параметры TH и TL генераторов связать с соответствующим аналоговым усилителем (база времени – миллисекунды).

Причем, чем больше отклонение потенциометра вправо или влево, тем больше частота вращения мотора (тем меньше выход соответствующего аналогового усилителя).

Рис. 6. FBD. Управление генераторами М9 и М10.

6. Масштабирование аналоговых усилителей. Для этого необходимо настроить параметры аналоговых усилителей. Коэффициент усиления можно изменять с помощью величин minimum и maximum в LOGO!Soft. При ручном вводе программы необходимо изменять параметры GAIN (А) и OFFSET (В) .

В дальнейшем выходной параметр этого блока надо связать с генератором М9 или М10. Для этого в параметрах генератора указать соответствующий № блока аналогового усилителя.

При этом необходимо учесть, что максимальная частота генераторов может быть TH=TL= 10ms (0,01s.).

Для пробного испытания выбрать TH=TL= 50ms (0,05s.). Это значит, что максимальная (или минимальная) величина аналоговой величины на выходе AQ1 и AQ2 может начинаться (или заканчиваться) с 50. Коэффициент GAIN изменяется автоматически.

Аналоговый усилитель А3: AI1→ /A3(A= 0,95, B=50) →AQ1

Рис. 7. FBD. Настройка параметров аналогового усилителя для генератора М10.

Аналоговый усилитель А4: AI1→ /A4(A= -0,95, B=1000) →AQ1

Для направления «+» также изменить направление усиления: чем больше входная величина, тем меньше выходная величина (коэффициент усиления GAIN отрицательный).

Рис. 8. FBD. Настройка параметров аналогового усилителя для генератора М9.

7. Замечание к практической работе на LOGO! версии А5.

Генератор этой версии невозможно связать с аналоговым блоком! Применить генератор на базе таймеров.

Рис. 9. Генераторы на базе таймеров для LOGO! версии А5.

8. Поиск ошибок

  • меркеры M1-M4 должны пульсировать в данной последовательности,
  • режимы M5 и M6 включаются в зависимости от регулировки потенциометра,
  • генераторы M9 и M10 задают пульсацию. Если не включаются и не изменяют параметров пульсации, то проверить связь таймеров с соответствующим аналоговым усилителем!

Обзор драйвера мотора на L298N

Автор: Сергей · Опубликовано 20.12.2018 · Обновлено 13.04.2020

Одним из самых простых и недорогх способов управления двигателями постоянного тока является модуль L298N Motor Driver с Arduino. Он может контролировать скорость и направление вращения двух двигателей постоянного тока, а так же управлять биполярным шаговым двигателем (типа NEMA 17).

Технические параметры

► Напряжение питания логики модуля: 5 В
► Потребляемый ток встроенной логики: 36 мА
► Напряжение питания драйвера: 5 В – 35 В
► Рабочий ток драйвера: 2 А (пиковый ток 3 А)
► Габариты: 43.5 мм х 43.2мм х 29.4мм

Общие сведения

Основной чип модуля это микросхема L298N, состоящая из двух H-мост (H-Bridge), один для выхода A, второй для выхода B. H-мост широко используется в электронике и служит для изменения вращения двигателем, схема H-моста содержит четыре транзистора (ключа) с двигателем в центре, образуя H-подобную компоновку. Принцип работы прост, при одновременном закрытие двух отдельных транзистора изменяется полярность напряжения, приложенного к двигателю. Это позволяет изменять направление вращения двигателя. На рисунке ниже, показана работа H-мостовой схемы.

Для управления скоростью двигателя постоянного тока используется метод PWM (Широтно-импульсной модуляции).

Модуль L298N содержит разъем для подключения питания, ряд перемычек для настройки модуля, два выхода A и B и разъем управления, которые регулируют скорость и направление вращения, назначение каждого можно ознакомится ниже:

Вывод Vss — питание двигателей, от 5 до 35 В;
Вывод GND — общий вывод заземления;
Вывод Vs — питание для логической схемы;
Перемычка ENA — используются для управления скоростью двигателя A;
Вывода IN1 и IN2 — используются для управления направлением вращения двигателя A;
Вывода IN3 и IN4 — используются для управления направлением вращения двигателя B;
Перемычка ENB — используются для управления скоростью двигателя B;
Выходы OUT1 и OUT2 — разъем для двигателя A;
Выходы OUT3 и OUT4 — разъем для двигателя B;

Принципиальная схема модуля L298N

Питание модуля.
Питание модуля L298N осуществляется через трех контактный разъем, шагом 3,5 мм:
Vs — источник питания двигателей, 3B — 35B
GND — земля
Vss — источник питания модуля, 4,5В — 5,5В
Фактически у модуля L298N, есть два контакта питания, а именно. «Vss» и «Vs». От «Vs» питаются двигатели с допустимым напряжением от 5 В до 35 В, а от «Vss» питается логическая схема модуля 4,5В до 5,5В. На плате установлен встроенный стабилизатор напряжения на 5 Вольт (78M05), его можно включить или отключить с помощью перемычки. Когда перемычка установлена, стабилизатор включен и питает логику модуля (Vss) от источника питания двигателя (Vs). При включенном стабилизаторе, вход «Vss» работает как выход и обеспечивает 5В с током 0,5 А. Когда перемычка убрана, стабилизатор отключен и необходимо отдельно подключить питание 5 Вольт на вход Vss.

Читать еще:  Что такое коллекторный и бесколлекторный двигатель разница

Внимание! Нельзя установить перемычку, если напряжение двигателя ниже 12 Вольт.

Падение напряжения L298N
Падение напряжения драйвера L298N составляет около 2 В, это связано с внутренним падением напряжения в транзисторах в цепи H-мосте. Таким образом, если мы подключим 12 В к источнику питания двигателя, то двигатели получат напряжение около 10 В. Это означает, что двигатель на 12 В не будет работать с максимальной скоростью, для получения максимальной скорости, напряжение поданное на двигателя должен быть выше напряжения (2 В), чем потребность в фактическом напряжении двигателя. Учитывая падение напряжения на 2 В, если вы используете двигатели 5 В, вам необходимо обеспечить питание 7 В. Если у вас 12-ваттные двигатели, то напряжение питания вашего двигателя должно составлять 14 В.

Управления скоростью
Разъемы управления скоростью ENA и ENB используются для включения и выключения управления скоростью двигателей. Когда перемычка установлена, двигатель вращается с максимальной скоростью. Если необходимо управлять скоростью двигателей, необходимо убрать перемычку и подключить выводы к контактам с поддержкой PWM на Arduino.

Подключение L298N к Arduino (коллекторный двигатель)

Необходимые детали:
Arduino UNO R3 x 1 шт.
► Драйвер мотора на L298N (5-35V, 2A) x 1 шт.
► Коллекторный двигатель x 2 шт.
► Комплект проводов DuPont 2.54 мм, 20 см x 1 шт.

Подключение:
Первым делом необходимо подключить источник питания 12B к двигателям, в примере используется распространенные двигатель постоянного тока, рассчитанные на 3B . . . 12B (применяемые в робототехнике). Учитывая внутреннее падение напряжения на микросхеме L298N, двигатели получат 10 В и будут вращаться не в полную силу.
Далее, нужно подключить 5 вольт на логическую схему L298N, для этого воспользуемся встроенным стабилизатором напряжения, который работает от источника питания двигателя, поэтому, перемычка EN должна быть установлена.
Теперь осталось подключить управляющие провода ENA, IN1, IN2, IN3, IN4 и ENB к шести цифровым выводам Arduino 9, 8, 7, 5, 4 и 3. Обратите внимание, что выводы Arduino 9 и 3 поддерживают ШИМ. Теперь, подключаем двигатели, один к клемме A (OUT1 & OUT2), а другой к клемме B (OUT3 & OUT4). Принципиальная схема подключения приведена ниже.

Осталось подключить Arduino к источнику питания и загрузить скетч.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели представляют собой электромеханические устройства, задачей которых является преобразование электрических импульсов в перемещение вала двигателя на определенный угол. Такие двигатели имеют существенные отличия от обычных, что и определяет их исключительные свойства при использовании в некоторых областях применения.

Шаговый двигатель (ШД) является бесколлекторным двигателем постоянного тока. Как и другие бесколлекторные двигатели, ШД высоконадежен и при надлежащей эксплуатации имеет длительный срок службы. ШД нашли широкое применение в области, где требуется высокая точность перемещений или скорости. Наглядными примерами устройств с ШД могут служить принтеры, факсы и копировальные машины, а также более сложные устройства: станки с ЧПУ (числовым программным управлением), фрезерные, гравировальные машины и т. д.

Достоинствами шаговых двигателей по сравнению с простыми являются:

угол поворота ротора ШД зависит от числа поданных на двигатель пусковых импульсов;

максимальный момент на валу ШД развивается в режиме останова (в случае, если обмотки двигателя запитаны);

высокая точность позиционирования и повторяемости — качественные ШД имеют точность не хуже 2,5 % от величины шага, при этом данная ошибка не накапливается при последующих шагах;

ШД может быстро стартовать, останавливаться и выполнять реверс;

высокая надежность двигателя обусловлена отсутствием щеток, при этом срок службы двигателя ограничивается только лишь сроком службы подшипников;

четкая взаимосвязь угла поворота ротора от количества входных импульсов (в штатных режимах работы) позволяет выполнять позиционирование без применения обратной связи;

ШД обеспечивает получение сверхнизких скоростей вращения вала для нагрузки, подведенной непосредственно к валу двигателя, без использования редуктора;

работают ШД в широком диапазоне скоростей, поскольку скорость напрямую зависит от количества входных импульсов.

Недостатки шаговых двигателей:

ШД обладает явлением резонанса;

возможен вариант выпадения двигателя из синхронизации с последующей потерей информации о положении при работе цепи обратной связи;

при стандартных схемах подключения количество потребляемой энергии не уменьшается при отсутствии нагрузки;

сложность управления при работе на высоких скоростях (на самом деле эффективная работа шагового двигателя на высоких скоростях возможна);

низкая удельная мощность шагового привода;

для обеспечения эффективного управления шаговым двигателем требуется очень сложная схема управления.

Управление шаговым двигателем

В самом общем виде управление шаговым двигателем сводится к задаче отработать определенное число шагов в нужном направлении и с нужной скоростью.

Схема подключения шагового двигателя

На блок управления ШД (драйвер) подаются сигналы «сделать шаг» и «задать направление». Сигналы представляют собой импульсы 5 В. Такие импульсы можно получить от микроконтроллера Arduino. Для шагового двигателя необходимо отдельное питание — выводы шагового двигателя напрямую к выводам Arduino подключать нельзя. Подключение ШД осуществляется через Motor Shild либо с помощью микросхемы драйвера двигателей — например, L293. Схема подключения представлена на рисунке.

Arduino-библиотека Stepper

Для управления шаговым двигателем в Arduino имеется стандартная библиотека

Набор функций у нее следующий:

Функция Stepper()

Функция Stepper() создает новый объект класса Stepper, привязанный к одному шаговому двигателю, подключенному к контроллеру Arduino. Конструктор следует использовать при объявлении переменной класса Stepper, обычно в самом начале — вне setup() и loop(). Количество параметров зависит от способа подключения — 2 или 4 выхода используются для управления двигателем.

Stepper(steps, pin1, pin2) Stepper(steps, pin1, pin2, pin3, pin4)

steps — количество шагов в полном обороте используемого двигателя. Если в документации к двигателю указан угол одного шага, то следует разделить 360° на этот угол, что даст нам искомое количество шагов;

pin1, pin2, pin3, pin4 — выходы Arduino для подключения шагового двигателя. Возвращаемое значение: новый экземпляр объекта класса Stepper.

Функция setSpeed(rpm)

Функция setSpeed(rpm) устанавливает скорость вращения в оборотах в минуту. Эта функция не заставляет двигатель вращаться, а лишь устанавливает скорость вращения, которая будет использована при вызове функции step().

Параметр: rpm — скорость, на которой будет производиться вращение шагового двигателя, выражается в оборотах в минуту.

Возвращаемого значения нет.

Функция step(steps)

Функция step(steps) вращает шаговый двигатель на определенное количество шагов на скорости, заданной функцией setSpeed(). Эта функция блокирующая, т. е. она ожидает окончания вращения двигателя, прежде чем передать управление в следующую строку кода. Во избежание длительной блокировки выполнения кода скетча, управление необходимо организовывать так, чтобы скорость была высокая, а за один вызов step() делалось всего несколько шагов.

Читать еще:  Двигатели тойота сравнительная характеристика

Параметр: steps — количество шагов:

• положительное число — вызывает вращение в одну сторону;

• отрицательное — в противоположную. Возвращаемого значения нет.

Пример использования библиотеки Stepper

В примере представлен пример использования библиотеки Stepper — поворот шагового двигателя при нажатии кнопок «влево» и «вправо» на определенный угол, что можно представить как программную заготовку для поворота панорамной камеры в одной плоскости. В примере использованы шаговый двигатель и аналоговая клавиатура

  • Sketch code

Sketch code

const int stepsPerRevolution=200; // количество шагов в полном обороте двигателя

int minangle=15; // угол поворота на 1 нажатие (шаг камеры) struct KEYS // структура для хранения статусов клавиш

int button; // нажатая кнопка

long millisbutton[7]; // millis для button

// опрос клавиатуры valbutton=analogRead(A0); if(valbutton

// обработка нажатия кнопки int buttonClick1(int val)

Управление униполярными двигателями в практических решениях

В статье, опубликованной в [1], автором не были в полном объеме раскрыты вопросы, касающиеся схем управления униполярными шаговыми двигателями, и примененные им на практике варианты решений для приводов на основе шаговых двигателей этого типа. Поскольку тема шаговых двигателей вызвала повышенный интерес, а упомянутый вопрос не был освещен достаточно полно, то предлагается его более подробное рассмотрение. Тем более что по опыту автора статьи, освоение шаговых двигателей легче, проще и значительно дешевле начинать именно с униполярных.

Основное преимущество униполярных шаговых двигателей заключается в простоте систем управления. Они не требуют сложных драйверов и дорогостоящих ИМС. Кроме того, и сами двигатели менее дороги, так как в основном данный тип включения обмоток характерен для двигателей на постоянных магнитах. Все это можно найти в статье автора, опубликованной ранее в [1]. Практическое решение для управления униполярным шаговым двигателем понадобилось при использовании двигателя серии P542-M48 [2], а именно униполярного шагового двигателя P542-M482U с встроенным редуктором G23 (125:1). Поскольку двигатель униполярный, схема его управления, как было указано выше, не содержит ни дорогих ИМС, ни специальных сложных драйверов. Здесь достаточно обычных ключей. Коммутатор включения обмоток выполнен на базе технического решения, опубликованного в [3]. Пример практической схемы управления, разработанной автором статьи, которая пригодна для самых различных применений, приведен на рис. 1.

Рис. 1. Схема управления униполярного шагового двигателя с универсальным коммутатором

Частота вращения двигателя задается внешним тактовым генератором (скважность любая), сигнал с которого подается на вход «Шаг», необходимое направление вращения устанавливается через вход «Направление вращения». Оба сигнала имеют логические уровни, и если для их формирования используются выходы с открытым коллектором, то требуются соответствующие резисторы подтяжки (на схеме рис. 1 они не показаны). Временная диаграмма работы коммутатора схемы (рис. 1) приведена на рис. 2.

Рис. 2. Временная диаграмма универсального коммутатора с реверсом (маркеры показывают изменение очередности включения фаз): Q1 D2-2, Q2 D2-2 — верхние две трассы; Q1 D2-1, Q2 D2-1 — нижние две трассы

Как можно видеть, здесь реализован полношаговый режим управления (подробно см. [1]) с перекрытием фаз, то есть один импульс сдвигает ротор двигателя на один шаг, но в некоторый момент (половина длительности импульса) фазы накладываются друг на друга (рис. 2). Если нет необходимости в реверсе, схема коммутатора может быть значительно упрощена (рис. 3), при этом частота вращения остается неизменной, а диаграмма управления остается аналогичной той, которая приведена на рис. 2 (трассы до переключения очередности фаз), но уже без возможности изменения направления вращения двигателя.

Рис. 3. Упрощенная схема коммутатора шагового двигателя (без реверса)

Момент вращения устанавливается изменением тока в обмотках двигателя от регулируемого источника напряжения положительной полярности (автором использован импульсный понижающий стабилизатор, выполненный по типовой схеме на стандартной ИМС с опцией внешнего включения). Расчет такого DC/DC-преобразователя можно легко выполнить в интерактивном режиме [4]. Полное отключение двигателя без удержания ротора осуществляется снятием питающего напряжения с обмоток, это легко выполнить через вход выключения преобразователя, задав в [4] при выборе ИМС соответствующую опцию. В авторском варианте применена ИМС LM2675M-ADJ [5]. Остановка с фиксацией ротора, то есть режим удержания, осуществляется подачи напряжения с частотой коммутации (вход «Шаг»), одновременно желательно уменьшить величину питающего обмотки напряжения Vdc по крайней мере вдвое. С этой точки зрения выбор преобразователя с возможностью регулировки выходного напряжения на ИМС, подобной LM2675M-ADJ, является оптимальным. Пример авторского варианта схемы для формирования напряжения питания обмоток шагового двигателя приведен на рис. 4. Такая схема пригодна для запитки шаговых двигателей любого типа.

Рис. 4. Схема запитки шагового двигателя с удержанием и выключением

Схема (рис. 4) обеспечивает подачу двух напряжений для питания обмоток двигателя: 12 В в рабочем режиме и 6 В в режиме удержания (формулы, необходимые для расчета выходного напряжения, приведены в [5]). Рабочий режим включается подачей высокого логического уровня на контакт BRAKE (торможение) разъема Х1. Допустимость снижения напряжения питания определяется тем, что момент удержания шаговых двигателей превышает момент вращения. Так, для рассматриваемого двигателя момент удержания с редуктором 25:6 равен 19,8 Н·см, а момент вращения всего 6 Н·см. Но при увеличении отношения эта зависимость нивелируется и для двигателей с редукторами с отношением 80 и выше — практически не отличается. Основная выгода этого метода в том, что он позволяет уменьшить общее потребление тока. В нашем случае с 460 до 230 мА, то есть в два раза, а мощность — в четыре, с 5,52 до 1,38 Вт! Как говорится, почувствуйте разницу. Полное отключение двигателя осуществляется подачей высокого логического уровня на контакт ON/OFF разъема Х1. Если схема управления имеет выход на транзисторах с открытым коллектором, то в ключах на транзисторах VT1, VT2 нет необходимости.

Примечание. В этом варианте применение резисторов подтяжки недопустимо! В качестве дросселя автором использовалась катушка SDR1006-331K (Bourns). Общее питание формирователя напряжения для обмоток двигателя в рассмотренных режимах может быть уменьшено до 16-18 В. Еще раз обращаю внимание: при самостоятельном расчете не забудьте учитывать, что формирователь обеспечивает режим с перекрытием фаз, то есть лучше закладывать номинальный ток схемы питания, равный удвоенному номинальному току обмоток.

Согласно спецификации [2] оптимальным для двигателей серии P542-M48 является шаг с частотой f = (300-500) Гц. Это и будет определять частоту вращения вала, но частота вращения зависит и от конструкции самого двигателя. В нашем случае, без учета редуктора, частота вращения составит:

где 7,5 — это угол поворота ротора двигателя на один шаг управления, он-то и задан конструктивно. Дальнейшее понижение частоты вращения определяется редуктором.

Читать еще:  Что представляет собой степень сжатия двигателя

Частота коммутации обмоток вполне может быть увеличена до 1,5 кГц. Для этого, чтобы компенсировать уменьшение момента вращения, неизбежного с ростом частоты, применяются специальные методы запитки обмоток двигателя. Если внимательно читать спецификацию [2], то можно заметить, что момент вращения двигателя (сноска «Standard Versions:») задан для двух условий, а именно: для условия, обозначенного как L/R, и условия, которое обозначено как L/4R. Можно заметить, что во втором случае частота вращения ротора шагового двигателя, при котором обеспечивается указанный в спецификации момент, заметно выше, а именно 550 вместо 300 Гц. Что это за условия? Проблема обеспечения момента вращения для шагового двигателя заключается в том, что для него не требуется подача напряжения как такового, а необходимо обеспечение тока в обмотках. Именно этот ток создает магнитное поле статора, взаимодействующее с постоянным магнитным полем ротора. Момент на роторе двигателя как раз и определяется взаимодействием этих магнитных полей.

Как известно, ток в индуктивности не может изменяться скачком, а растет по экспоненте до значения Imax = Vdc/R:

Требуемое для этого время определяется постоянной времени цепи:

где L — это индуктивность обмотки двигателя; R — общее сопротивление в цепи обмотки. Это сопротивление может быть как собственно активным сопротивлением обмотки двигателя RL, так и его суммой с некоторым добавочным резистором. Как видно из приведенной формулы, скорость изменения тока в обмотке обратно пропорциональна ее индуктивности и прямо пропорциональна сопротивлению. Чем быстрее ток достигнет своего максимального уровня:

где Vdc — это номинальное напряжение запитки обмотки; RL — активное сопротивление в цепи обмотки, — тем скорее установится заданный момент на роторе. Это и определяет скорость вращения вала шагового двигателя в зависимости от частоты коммутации. Таким образом, наша цель — установить (быстро, насколько возможно) ток в обмотке на уровне Vdc/RL.

Просто увеличить напряжение на двигателе выше номинального крайне нежелательно, даже если вы уверены в том, что при выбранной скорости вращения ротора ток в обмотках не превысит допустимый. Остановка двигателя при такой подаче питания может привести к его выходу из строя. Уменьшить время установки номинального тока в обмотке можно, увеличив напряжение Vdc лишь на некоторое время, в несколько раз меньшее длительности импульса управления, но это потребует дополнительных ключей, а потому такой способ используется очень редко. Самым простым методом оказывается включение последовательно с обмоткой двигателя дополнительного сопротивления с одновременным кратным увеличением напряжения питания Vdc. Это и ускорит накопление тока в индуктивности, и не приведет к выходу двигателя из строя, так как требование по максимальному току обмотки не будет нарушено. Вот именно на этот режим и «намекает» спецификация [2]. В классической теории применим режим L/5R, но для рассматриваемого типа двигателя спецификация рекомендует режим L/4R. Обращаю внимание, что здесь имеется в виду общее сопротивление, то есть сумма собственного сопротивления обмотки RL и добавочного резистора номиналом 3RL. Ограничение на использование этого метода накладывает высокая рассеиваемая мощность на добавочных резисторах. В рассматриваемом случае при повышении напряжения питания до 4 Vdc на добавочных резисторах при малых скоростях вращения, и особенно при остановке двигателя, будет рассеиваться мощность до:

Фактически, с учетом допустимого коэффициента нагрузки, придется использовать добавочный резистор номиналом в 160 Ом с рассеиваемой мощностью 10 Вт. Как видим, эффективность такого решения чрезвычайно низкая. Как выход из положения — использование импульсных стабилизаторов с ограничением максимального тока. Применение данного метода для биполярных шаговых двигателей было рассмотрено в [1], здесь для управления биполярным двигателем использовался драйвер с встроенной функцией нарезки, так называемый чоппинг (от англ. chopping — «нарезка»). В чем его суть? На двигатель от импульсного преобразователя подается повышенное в несколько раз напряжение, которое формирует ускоренный процесс заряда для индуктивности обмоток. После достижения заданной величины тока преобразователь переходит из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации тока и удерживает ток обмотки на заданном уровне. Это решение нельзя назвать дешевым, но его КПД гораздо выше. Сравнение методов управления током в обмотках двигателя приведено на рис. 5.

Рис. 5. Форма тока в обмотках шагового двигателя при различных вариантах питания [7]

Еще одним важным моментом является правильный выбор диодов, шунтирующих обмотку двигателя (VD1-VD4, рис. 1). Назначение этих диодов — гасить ЭДС самоиндукции, возникающую при выключении управляющих ключей. Если диоды выбраны неверно, неизбежен выход из строя транзисторных ключей и устройства в целом.

Естественно, и выбор транзистора для ключей управления обмотками должен осуществляться с учетом максимального тока коммутации, а его подключение — предусматривать необходимость заряда/разряда емкости затвора. В ряде случаев прямое подключение выходных MOSFET-транзисторов к ИМС коммутатора может быть недопустимым. В этом случае следует выбрать соответствующий драйвер для управления ключами, который обеспечит заряд/разряд их входной емкости. В некоторых решениях предлагается в качестве ключей использовать биполярные транзисторы. Это подходит только для очень маломощных двигателей с малым током обмоток. Для рассматриваемого двигателя с рабочим током обмоток I = 230 мА ток управления по базе ключа должен составить по крайней мере не менее 15 мА (хотя для нормальной работы ключа нужен ток базы 1/10 рабочего, то есть 23 мА). Но такой ток от микросхем типа 74HC74 недостижим, поэтому потребуются дополнительные драйверы для выходных ключей.

Таким образом, оптимальным вариантом для управления коммутацией обмоток является использование подходящих по току и сопротивлению канала в открытом состоянии Rdc(on) полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) с учетом рекомендаций, описанных выше. В авторском варианте были применены транзисторы IRLML2803 с Rdc(on) = 0,25 Ом, допустимой мощностью рассеивания 540 мВ и постоянным током стока 0,93 А при температуре +70 °C. Мощность, рассеиваемая на ключах, выполненных на транзисторах IRLML280, при полной остановке ротора не превысит:

В большинстве случаев такой оценки вполне достаточно. Поскольку детальное рассмотрение особенностей работы ключей не входит в рамки данной статьи, то для их полного расчета можно воспользоваться методикой, приведенной, например, в [6].

В завершение еще раз небольшое напоминание: когда речь идет о частоте вращения ротора шагового двигателя, то имеется в виду именно то, о чем говорилось, — вращение ротора самого двигателя без редуктора. При этом необходимо учитывать угол поворота его ротора на один шаг. Для рассматриваемого типа двигателя он составляет 7,5°. Имеются двигатели с углом поворота на один шаг от 18° до 0,9° (чаше 1,8°). Для получения конечного результата необходимо обязательно учитывать этот параметр и коэффициент понижения частоты вращения ротора двигателя соответствующим редуктором. Все нужные параметры для правильного выбора типа двигателя серии P542-M48 приведены в спецификации [2].

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector