Шаговый двигатель дисковод схема

«Первый шаг» шагового двигателя

Шаговый двигатель является традиционным исполнительным устройством многих электронных приборов и систем. Автор не только знакомит нас с устройством и принципами работы шагового двигателя, но и предлагает несложное устройство, состоящее из PIC процессора и драйвера, которое реализует различные режимы его работы.

Шаговый двигатель (далее ШД) представляет собой бесколлекторный двигатель постоянного тока с фиксированными положениями вала. ШД предназначен в первую очередь для точного позиционирования вала без применения систем обратной связи. ШД широко применяются в автомобилях, бытовой радиоаппаратуре, компьютерах. На производстве основное место использования ШД – это автоматизированное технологическое оборудование.

Для получения общего представления о теории ШД и проверки этой теории на практике достаточно небольшого объёма информации – в пределах этой статьи. Однако, как и в любой предметной области, знаний для профессионального освоения предмета требуется намного больше.

Шаговый двигатель, в общем случае, – это двигатель, имеющий ротор, статор и несколько обмоток. Вал ШД совершает поворот на фиксированный угол (шаг) при кратковременной подаче напряжения на обмотки в правильной последовательности. Обычно обмоток 2 или 4. Для того чтобы заставить ШД вращаться, необходимо поочерёдно подавать рабочее напряжение на обмотки двигателя в нужной полярности. Для ШД с двумя обмотками (биполярного ШД) необходимо менять очерёдность и полярность подаваемых импульсов. ШД с 4 обмотками (униполярный ШД) проще в управлении – для вращения вала достаточно поочерёдно подавать напряжение на каждую из четырёх обмоток. Вал двигателя при этом будет каждый раз поворачиваться на фиксированный шаг. Величина этого шага обусловлена конструкцией двигателя и составляет обычно единицы градусов. Как правило, чем меньше шаг двигателя, тем он дороже. Для формирования требуемой последовательности импульсов применяются микроконтроллеры в связке с силовыми элементами – драйверами. В простейшем случае драйвер представляет собой транзисторный ключ. Также выпускаются специализированные драйверы в интегральном исполнении, рассчитанные на разную мощность и более сложные алгоритмы управления, например, с использованием обратной связи.

Для нашего примера используем ШД привода головки записи-чтения от 5,25″ флоппи-дисковода TEAC.

Это униполярный двигатель с 5 выводами: 4 обмотки и общий провод подачи питания 12 В. ШД имеет шаг 1,8 градуса. Соответственно, для того чтобы вал совершил полный оборот, необходимо подать 200 импульсов. Для нашего эксперимента не подойдет ШД от современного 3,5″ дисковода. Там применяются биполярные двигатели, которые требуют более сложной схемы драйвера. Кроме того, качество исполнения ШД от трёхдюймового дисковода заметно ниже. Для небольших униполярных двигателей от CD-привода, принтера или флоппи-дисковода в качестве драйвера можно применить микросхему ULN2003A (рис. 1). Это набор транзисторов по схеме Дарлингтона с открытым коллектором и защитным диодом в цепи нагрузки (рис. 2). Микросхема содержит в себе 7 каналов коммутации с током нагрузки до 0,5 А. В качестве микроконтроллера может использоваться любой 8- или 16-разрядный процессор. В экспериментальной схеме (рис. 3) мы применяем процессор PIC16F84 от Microchip, однако провести эксперимент с использованием данной программы можно практически на любом процессоре семейства PIC12…PIC18.

Программа 1 (Stepper1.asm) реализует вращение вала двигателя с заданной скоростью в одном направлении. Используется так называемый «полношаговый режим». Диаграмма подачи импульсов на обмотки приведена на рис. 4. Это простейший способ управления ШД со всеми присущему ему недостатками: повышенная шумность, колебания вала при перемещении от шага к шагу, особенно заметные при наличии массивной нагрузки на валу, малое количество шагов на оборот. В реальных системах используются более сложные алгоритмы управления ШД. Это режимы плавного разгона, микрошага, использование обратной связи по току и другие. В программе 2 (Stepper2.asm) реализован «полушаговый» режим управления. Здесь двигатель совершает в два раза больше шагов на оборот, т.е. теперь вал занимает и промежуточные положения между фиксированными углами поворота в 1,8 градуса. Это достигается одновременной подачей напряжения на две соседние обмотки на чётных шагах (рис. 5). Полушаговый режим повышает плавность хода и снижает шум двигателя. Всего программой подаётся 200 импульсов на обмотки двигателя, при этом вал поворачивается на угол 180 градусов. Затем следует пауза в 2 секунды и происходит поворот на тот же угол, но в противоположном направлении. Далее цикл повторяется. Программа хорошо закомментирована и достаточно «прозрачна». Изменением констант вы сможете задать другие углы поворота и скорость вращения вала. Следует учитывать, что предельная скорость вращения ограничена конструкцией используемого ШД и не превышает 150…200 оборотов в минуту в зависимости от режима управления. Более сложные алгоритмы управления выходят за рамки данной статьи.

Читать еще:  5тдф двигатель технические характеристики

Статья Олега Пушкарёва с сайта журнала «СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА» приведена с сокращениями.

Вторая жизнь DVD

Александр Чечин

Не спешите выбрасывать свой старый СD или DVD-привод, даже если он разучился читать диски. В его конструкции есть несколько очень интересных деталей, которые можно использовать в своих проектах. Чаще всего из CD/DVD извлекают двигатели. Особенно ценным является механизм точного позиционирования головки чтения/записи, содержащий биполярный шаговый двигатель.

В интернете легко найти массу примеров плоттеров, лазерных граверов, станков с программным управлением или даже 3d принтеров на базе нескольких конструктивов CD/DVD. Например, вот такой супер дешевый 3d принтер:

Однако скетчей и необходимого софта для управления всем этим хозяйством у авторов подобных самоделок найти практически невозможно. Сложно найти даже схему подключения таких моторов.

Сегодня мы научимся подключать шаговый двигатель от CD/DVD привода и управлять им при помощи Arduino. Использовать будем только стандартные средства, которые легко приобрести: Arduino UNO, «адафрутовский» моторшилд и беспаечную макетку. У любого «ардуинщика» подобные средства всегда в наличии.

Разобираем DVD и извлекаем из него механизм передвижения головок. Шаговый двигатель подсоединяется к материнской плате привода плоским шлейфом, который можно просто отрезать. Искомая деталь выглядит приблизительно так.

Разобираем DVD и извлекаем из него механизм передвижения головок. Шаговый двигатель подсоединяется к материнской плате привода плоским шлейфом, который можно просто отрезать. Искомая деталь выглядит приблизительно так.

Припаяем к контактам двигателя провода, если провода одного цвета, то условные начала обмоток, чтобы далее не запутаться, отметим красным маркером.

Соберем схему. Моторшилд может управлять двумя биполярными шаговиками, которые подключают к винтовым клемникам М1/М2 или М3/М4, каждая из обмоток — к своему «М». Если вы случайно перепутаете обмотки или подключите свой двигатель к клемникам иначе, ничего страшного не произойдет, возможно, двигатель изменит направление вращения или просто не запустится. Исправьтесь.

Максимальная величина тока через обмотки шагового двигателя данного типа может достигать 500 мА, поэтому для мотора нужно использовать отдельный блок питания соответствующей мощности, а перемычку на плате моторшилда нужно обязательно снять! Напряжение питания шагового двигателя 5В. Соблюдайте полярность при подключении блока питания к моторшилду.

Скетч для «подвигать мотором» очень простой. Используем только стандартную библиотеку AFMotor и ее возможности. Скорости и настройки подбираем экспериментально.

//создаем экземпляр класса AF_Stepper под названием motor_1

//задаем число шагов на оборот двигателя (200) и

//клемник (2 — М3/М4), к которому подключен двигатель

AF_Stepper motor_1(200, 2);

//задаем скорость хода каретки привода

motor_1.setSpeed(10);

//двигаем каретку привода на 250 шагов вперед

motor_1.step(250, FORWARD, MICROSTEP);

//двигаем каретку привода на 250 шагов назад

motor_1.step(250, BACKWARD, MICROSTEP);

delay(100);

Запускаем и наслаждаемся работой механизма.

Первый шаг к домашнему станку с программным управлением, граверу или 3d принтеру сделан. Поздравляю!

ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКИ

Блог технической поддержки моих разработок

Урок 33. Биполярный шаговый двигатель в системе Ардуино.

С помощью драйвера L298N подключим к плате Ардуино биполярный шаговый двигатель. Для управления будем использовать программы из предыдущих уроков для униполярных двигателей.

Использование шаговых двигателей в биполярном режиме дает:

  • Повышение крутящего момента примерно на 40% по сравнению с униполярным двигателем.
  • Позволяет применять двигатели с любой конфигурацией фазных обмоток.

Недостаток биполярного режима – более сложный драйвер.

Драйвер биполярного шагового двигателя.

У биполярного шагового двигателя две обмотки, по одной для каждой фазы.


Если для управления униполярным двигателем достаточно 4 ключей, замыкающих выводы на землю, то биполярный привод требует более сложной коммутации обмоток. Необходимо каждую обмотку:

  • подключать к источнику питания в прямой полярности;
  • отключать;
  • подключать к источнику в противоположной полярности.

Такую коммутацию может обеспечить мостовая схема с четырьмя ключами.


При замыкании ключей 1 и 2 на обмотку подается напряжение питания в прямом направлении. Замыкание ключей 3 и 4 подключает источник питания в обратной полярности.

Драйвер биполярного шагового двигателя намного сложнее, чем драйвер униполярного привода.

  • Требуется 4 ключа на обмотку, т.е. 8 ключей на двигатель.
  • Необходимы сложные схемы управления верхними ключами (ключи 1, 4) от логических сигналов микроконтроллера, “привязанных” к земле.
  • Существуют проблема сквозных токов. Они возникают при одновременном включении транзисторов из одного плеча (ключей 1,3 или 2,4). Это может привести к замыканию источника питания и выгоранию ключей.
  • Сквозные токи могут появляться из-за неодинакового быстродействия верхних и нижних ключей. Например, верхний ключ уже открылся, а нижний не успел закрыться.
Читать еще:  Что такое чипировать двигатель

Поэтому реализовать схему мощного драйвера биполярного шагового двигателя с использованием дискретных элементов достаточно сложно. Гораздо практичнее, удобнее, дешевле использовать интегральный драйвер.

Драйвер биполярного шагового двигателя L298N.

Микросхема L298, наверное, самый распространенный биполярный драйвер.


Это полный мостовой драйвер, позволяющий управлять биполярными нагрузками с током до 2 А и максимальным напряжением 46 В. Подробное описание микросхемы L298N можно посмотреть по этой ссылке.

На базе микросхемы L298N разработан модуль L298N.


Конструктивно он выполнен на одной плате размерами 43 x 43 мм. На плате установлены:

  • микросхема L298N с радиатором охлаждения;
  • клеммные колодки для подключения питания и нагрузки;
  • разъем для подключения управляющих сигналов;
  • стабилизатор напряжения 5 В;
  • защитные диоды.

Принципиальная схема модуля L298N.

Микросхема L298N включена по стандартной схеме.

Диоды защищают ключи от выбросов при коммутации обмоток. Через них происходит разряд энергии запасенной в индуктивности обмоток.

Модуль содержит стабилизатор напряжения + 5 В для питания логической части микросхемы. Напряжение +5 В формируется из напряжения питания двигателя. На клеммной колодке оно обозначено +12 V, но может меняться в широких пределах 8 … 46 В.

Управления полумостами происходит от входных сигналов IN1, …, IN4. Уровни сигналов 0 / 5 В. При низком уровне выход подключается к земле, при высоком – к источнику питания двигателя (+12 V).

Предельно-допустимый ток фазы 2 А. Защиты по току в модуле нет. Но реализация токовой защиты значительно усложняет схему, а короткое замыкание обмоток двигателя событие маловероятное. Я с таким не встречался. К тому же механическое блокирование вала шагового привода не вызывает перегрузки по току.

Это все очень коротко. Подробно можно посмотреть в этой статье.

По моей партнерской ссылке цена модуля L298N составляет всего 200 руб. (на ноябрь 2016 г.). В то время как одна микросхема L298N в Ростове стоит 250 руб. Гораздо дешевле купить модуль, чем собирать драйвер на отдельных компонентах, не говоря о времени и разработке печатной платы. Перейти в магазин >>

Подключение биполярного двигателя к плате Ардуино.

Я подключил к плате привод FL42STH47-1684. Это биполярный шаговый двигатель с 4 выводами, током фазы 1,68 А и сопротивлением обмоток 1, 65 Ом.

Источник питания у меня напряжением 12 В. Если двигатель подключить непосредственно через ключи, то ток в обмотках будет 12 В / 1,65 А = 7 А. Двигатель просто сгорит. Поэтому я последовательно с каждой обмоткой включил ограничительные резисторы. Схема выглядит так.

Я использовал резисторы сопротивлением 10 Ом. Ток фазы можно рассчитать по формуле:

Iфазы = ( Uпитания – Uключей ) / ( Rограничительный + Rобмотки)

  • Iфазы – ток фазы.
  • Uпитания – напряжение источника питания, у меня 12 В.
  • Uключей – падение напряжения на открытых ключах драйвера. Для L298 это сумма падений на верхнем (Source Saturation Voltage) и нижнем ключах (Sink Saturation Voltage). Из справочных данных определяем, что на ключах драйвера L298N падает 2-2,5 В.
  • Rограничительный – сопротивление ограничительных резисторов. В моей схеме 10 Ом.
  • Rобмотки – сопротивление обмоток двигателя. У двигателя FL42STH47-1684 сопротивление 1,65 Ом.

В результате для моей схемы ток фазы будет:

Iфазы = (12 – 2) / (10 + 1,65) = 0,86 А.

На ограничительных резисторах может выделяться значительная мощность. В моей схеме 0,86 * 0,86 * 10 = 7,4 Вт. Я использовал резисторы мощностью 10 Вт.

Можно подключить двигатель без ограничительных резисторов, снизив напряжение источника питания. Но в схеме с резисторами привод будет вращаться с большей скоростью благодаря тому, что токи фаз нарастают быстрее.

Что касается подключения разных вариантов биполярных двигателей, то они подробно описаны в этой статье. Я просто перечислю их и покажу схемы вариантов.

Двигатель с 4 выводами.


Самая распространенная схема.

Двигатель с 6 выводами.


Надо помнить, что сопротивление обмоток складываются и для того чтобы обеспечить тот же ток фазы, как для униполярного режима надо удвоить напряжение питания драйвера.

Двигатель с 8 выводами, последовательное соединение обмоток.


Сопротивления обмоток складываются, и требуется в два раза большее напряжение питания.

Двигатель с 8 выводами, параллельное соединение обмоток.


Обмотки включены параллельно. Общее сопротивление в два раза меньше, ток, при том же напряжении питания, в два раза больше ток драйвера. Зато снижается общая индуктивность, а значит, повышается скорость нарастания тока в обмотках.

Проверка работы схемы.

Мой вариант схемы в собранном виде выглядит так.

В этом уроке программы писать не будем. Все программы из уроков 28, 29, 31, 32 должны работать без изменений. Только обратите внимание на последовательность подключения управляющих сигналов модуля L298N к выводам платы Ардуино. Выводы фаз A,B,C,D для униполярного двигателя соответствуют управляющим выводам IN1, IN3, IN2, IN4 модуля L298N.

Читать еще:  Что такое машинный двигатель

Сначала я загрузил в плату Ардуино программу драйвера с управлением от компьютера по протоколу AT команд и проверил работу с программой верхнего уровня StepMotor. Резидентную программу (для платы Ардуино) и программу верхнего уровня (для компьютера) можно взять из урока 31.

Все работает. Скорость вращения моего привода, включенного по такой схеме, достигает 150 оборотов в минуту. Униполярный двигатель FL57STH76-1006 в предыдущих уроках вращался со скоростью не более 60 оборотов в минуту. Увеличение скорости вращения двигателя в 2,5 раза связано, прежде всего, с большей скоростью нарастания токов в обмотках. Происходит это из-за меньшей индуктивности обмоток и применения схемы с ограничительными резисторами. Для убедительности я рассчитаю скорость нарастания тока для обоих приводов.

Для двигателя из предыдущих уроков (FL57STH76-1006):

  • индуктивность обмотки 14 мГн;
  • при питании 12В ток в обмотке достигает значения 1 А за время
    T = I * L / U = 1 А * 14 мГн / 12 В = 1,2 мс.

Для двигателя, который я использовал в этом уроке (FL42STH47-1684):

  • индуктивность обмотки 3,2 мГн;
  • при питании 12В ток в обмотке достигает значения 1 А за время
    T = I * L / U = 1 А * 3,2 мГн / 12 В = 0,3 мс.

Отсюда и увеличение скорости вращения. Конечно, повлияло еще:

  • увеличение крутящего момента из-за биполярного режима коммутации;
  • другой момент инерции ротора;
  • меньший ток фазы;
  • значительно влияет число шагов двигателя на оборот, но у меня этот параметр одинаков для обоих приводов.

Но если ток не успевает нарастать до нужного значения за время включения фазы, то все остальное уже не так важно.

Дальше я проверил работу следящего электропривода с новым двигателем. Резидентная программа платы Ардуино осталась прежней. А для управления от компьютера я использовал программу Tracker из урока 32.

Следящая система стала работать на много быстрее. Я снял короткий ролик работы следящего электропривода в шаговом и полу шаговом режимах.

Вал двигателя следует за указателем на мониторе компьютера явно быстрее.

В этом уроке я постарался не только рассказать, как работать с униполярными шаговыми двигателями, но и показать влияние скорости нарастания тока в фазных обмотках, на скорость вращения двигателя.

В следующем уроке я расскажу, как работать со STEP/DIR драйверами шаговых двигателей. Представлю библиотеку для управления такими устройствами.

Комплектные шаговые приводы

В данном разделе приведены наиболее популярные комплекты шаговых приводов.

Шаговый двигатель, блок управления (драйвер и/или контроллер), а также источник питания подбираются исходя из требований к необходимому крутящему моменту привода, диапазону рабочих скоростей вращения, точности позиционирования, внешних ограничений по частотам управляющих сигналов, и т.д.

Обратитесь в нашу компанию, и наши специалисты помогут Вам подобрать лучшее техническое решение вашей задачи, а также сделают Вам самое интересное предложение по ценам на оборудование.

Шаговый привод для 4-х осевого станка с ЧПУ — FL57STH56

Максимальный крутящий момент — 12 кг*см
Источник питания — 24..30 В (350 Вт)
Режим рабoты — микрoшаг (1/10 шага)
Функции морфинга и подавления резонанса

Шаговый привод для 4-х осевого станка с ЧПУ — FL57STH76

Максимальный крутящий момент — 19 кг*см
Источник питания — 24..30 В (350 Вт)
Режим рабoты — микрoшаг (1/10 шага)
Функции морфинга и подавления резонанса

Шаговый привод — FL86STH65

Максимальный крутящий момент — 34 кг*см
Источник питания — 48 В (350 Вт)
Режим — целый шаг, 1/2, 1/5 и 1/10 шага
Функции морфинга и подавления резонанса

Шаговый привод — FL86STH80

Максимальный крутящий момент — 46 кг*см
Источник питания — 48 В (350 Вт)
Режим — целый шаг, 1/2, 1/5 и 1/10 шага
Функции морфинга и подавления резонанса

Шаговый привод — FL110STH99

Максимальный крутящий момент — 114 кг*см
Источник питания — 48 В (350 Вт)
Режим работы — микрошаг (1/10 шага)
Функции морфинга и подавления резонанса

Шаговый привод — FL130BYG2503

Максимальный крутящий момент — 500 кг*см
Питание — сеть 220В (АС)
Режимы работы — микрошаг до 1/512
Функции подавления резонанса и вибраций

Купить шаговый привод в нашей компании можно, сделав заказ через «Корзину товаров» либо позвонив нам по любому из телефонов, которые указаны у нас на сайте. Также Вы можете написать нам письмо на электронный адрес отдела продаж — sales@npoatom.ru.

Тел: +7 (812) 716-28-88
Факс: +7 (812) 622-05-40

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector