Схемы управления шаговыми двигателями

Схема драйвера шагового двигателя

Схема драйвера шагового двигателя не содержит дорогих деталей и программируемых контроллеров. Работа может регулироваться в широком диапазоне с помощью потенциометра PR1. Есть изменение направления вращения двигателя. Катушки шагового двигателя переключаются с помощью четырех МОП-транзисторов T1-T4. Применение в блоке транзисторов большой мощности типа BUZ10 позволит подключить двигатели даже с очень большим током.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

• В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
• Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
• Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
• Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
• Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
• Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
• Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
• Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

Особенности схемы и детали

• управление четырехфазным шаговым двигателем
• плавная регулировка скорости вращения в пределах всего диапазона
• изменение направления вращения мотора
• возможная остановка двигателя
• блок питания 12 В постоянного тока

Детали — IC1: 4070, IC2: 4093, IC3: 4027, T1-T4: BUZ10, BUZ11

Блок драйвер шагового двигателя собран на печатной плате, показанной на рисунке. Монтируем, как правило, начиная с припайки резисторов и панелек для интегральных микросхем, а под конец электролитические конденсаторы и транзисторы большой мощности.

Блок, собранный из проверенных компонентов, не требует настройки и запускается сразу после подачи питания. Со значениями элементов, указанными на схеме, позволяет работать двигателю 5,25” и выполняет изменение скорости вращения в интервале от 40 об./мин. до 5 об./мин.

Полезное: Схема усилителя звука с предусилителем, блоком питания и реле защиты АС

Управление шаговым двигателем

Как уже отмечалось, выделяется несколько способов управления шаговым агрегатом. Каждый из вариантов имеет ряд особенностей в вопросе подачи сигналов на имеющиеся полюса.

К главным методам управления относится:

1. Волновой. Особенность состоит в подаче возбуждения к одной обмотке. Именно к ней и подтягиваются роторные полюса. При этом ШД не способен выдержать большую нагрузку, ведь выдает лишь часть момента.
2. Полношаговый. Суть такого управления в одновременном возбуждении двух фаз, что гарантирует наибольший момент при параллельной схеме подключения. Если соединить обмотки последовательно, будет создаваться максимальный ток и напряжение.
3. Полушаговый. Комбинация двух рассмотренных выше режимов. При реализации такой схемы в шаговом моторе происходит поочередная подача напряжения. Сначала оно направляется в одну катушку, а потом сразу в обе. Как результат, гарантируется лучшая фиксация на наибольших скоростях и максимальным числом шагов.

Чтобы преодолеть инерцию и достичь более мягкого управления, применяется микрошаговая структура. Особенность — задание синусоиды с помощью многочисленной подачи импульсов.

Как результат, силы взаимодействия магнитных цепей более плавно меняются, и обеспечивается мягкое перемещение между полюсами. В итоге уменьшаются рывки во время работы.

По наличию контроллера шаговые двигатели делятся на два типа:

1. Безконтроллерные. Используется Н-мостовая схема с возможностью менять полярность для реверса устройства. В зависимости от ситуации делается на микросхемном или транзисторном принципе. Сначала напряжение подается на мост, а, благодаря параллельно размещенным переключателям, осуществляется движение тока через обмотки мотора. Как результат, удается наладить вращение в любом направлении.

2. Контроллерные. Преимущество исполнения стоит в возможности управления шаговым агрегатом в разных режимах. В роли ключевого элемента выступает электронный блок, который выдает группу сигналов и задает последовательность их передачи. Во избежание повреждения при КЗ или другой аварии на моторе каждый вывод защищен с помощью диода, не пропускающего импульс в обратном направлении.
   Читайте также:  Какое масло используется в масляном обогревателе, и как его заменить своими руками

К наиболее популярным относится две схемы управления — от контроллера с дифференциальным входом и выходом вида «открытый коллектор».

Первый вариант отличается надежной защитой от помех с подключением прямого / инверсного сигнала к подходящим полюсам. Здесь обязательно экранирование провода, по которому подается сигнал. Это оптимальное решение для маломощных устройств.

Вторая схема отличается соединением «плюсовых» выходов контроллера, подключенных к «плюсовому» выводу. При подаче напряжения свыше 9 В требуется добавление сопротивления для снижения тока. Кроме того, с помощью такого решения можно задать нужное число шагов в определенном скоростном режиме и задать ускорение.

Биполярный контроллер шаговых двигателей

Схема представляет собой дешевую, и прежде всего легко собираемую альтернативу доступным микропроцессорным биполярным контроллерам шаговых двигателей. Рекомендуется там, где точность управления играет меньшую роль, чем цена и надежность.

Принципиальную схему можно разделить на следующие блоки:

1. последовательный чип, генерирующий битовые строки,
2. локальный генератор тактового сигнала,
3. схема управления питанием катушек,
4. выходные буферы Н-моста,
5. схемы защиты входных сигналов управления.

Контроллер должен питаться постоянным напряжением, хорошо отфильтрованным, желательно стабилизированным.

Теперь пару слов про H-мосты, которые будут работать с этим драйвером. Они должны принимать на своих входах все возможные логические состояния (00, 01, 10, 11), без риска какого-либо повреждения. Просто в некоторых конфигурациях мостов построенных из дискретных элементов, запрещается одновременное включение двух входов — их естественно нельзя использовать с этим контроллером. Мосты выполненные в виде интегральных микросхем (например L293, L298), устойчивы к этому.

И в завершение третий вариант контроллера, на микросхемах STK672-440, имеющий все необходимые защиты и функции смотрите по ссылке.

Контроллер шагового двигателя

Контроллер шагового двигателя в радиолюбительской литературе опубликовано много описаний устройств управления шаговыми двигателями, этот контроллер шагового двигателя, имеющее ряд отличий и достоинств. Предлагаемый контроллер биполярного шагового двигателя построен из небольшого числа легкодоступных дешёвых деталей, имеет маленький потребляемый ток и может быть адаптирован для применения в различных устройствах.

Применение двухполярного питания выходных электронных ключей дало возможность вдвое уменьшить их число и получить режим остановки двигателя, в котором через его обмотки не течёт ток. Управляющая программа обеспечивает фиксированную длительность рабочих импульсов при любой частоте шагов, что избавило ключевые транзисторы от излишнего нагрева. Использование для управления ключами оптронов даёт развязку по питанию, возможность независимого питания узла управления и ключей, коммутирующих обмотки двигателя.

Схема контроллер шагового двигателя изображена на рисунке. Узел управления построен на микроконтроллере DD1 (PIC16F84A-04/P). Назначение кнопок управления следующее: SB1 — вращение по часовой стрелке; SB2 — вращение против часовой стрелки; SB3 — увеличение частоты шагов; SB4 — уменьшение частоты шагов; SB5 — стоп. Значения напряжения питания шагового двигателя +11шд и —11шд зависят от его типа, но не должны по абсолютному значению превышать 27 В — половины допустимого для фототранзисторов применённых оптронов напряжения коллектор—эмиттер. Чертёж печатной платы контроллер шагового двигателя и размещение деталей на ней показаны на рисунке размеры платы 76×53.

Для микроконтроллера на плате устанавливают панель, в которую его вставляют уже запрограммированным. Исходный текст программы микроконтроллера содержит все необходимые комментарии, и при необходимости её можно изменять, например, ввести полушаговый режим управления двигателем или, используя свободные порты микроконтроллера, добавить конечные выключатели для ограничения сектора вращения, или задавать нужное число шагов. Стоит отметить, что необходимая очерёдность открывания транзисторов VT1—VT4 реализована в программе с учётом трассировки печатной платы.

Правильно собранный контроллер шагового двигателя не требует налаживания. В нём в качестве VT1—VT4 можно использовать любые комплементарные пары транзисторов средней мощности, например, серий КТ814 и КТ815, КТ816 и КТ817, КТ972 и КТ973 или аналогичные импортные. Подходящие транзисторные оптроны можно найти в любом импульсном блоке питания, где их широко используют. Прошивку и печатную плату берем тут

Драйвер шагового двигателя

Управление шаговым двигателем невозможно без применения драйвера — электронного устройства, обеспечивающего его работу с учетом сигналов управления.

Иными словами, это элемент схемы, предназначенный для управления обмотками мотора путем подачи цифровых сигналов.

Благодаря такой конструкции, обеспечивается вращение ротора ШД. Драйвер работает после подключения источника питания, обмоток самого устройства и источника управляющего сигнала.

В зависимости от вида драйвера могут решать ряд дополнительных задач:

• контроль перегрузки по току, повышения напряжения и переполюсовки;
• автоматическое снижение тока в случае длительного простоя;
• защита от эффекта обратной ЭДС;
• построение простых схем перемещения без использования компьютера (встроенный генератор частоты) и т. д.

Конструктивно драйвер состоит из контроллера и силовой части. Первая составляющая создана на базе микропроцессора и может программироваться, а вторая представляет собой полупроводниковый усилитель мощности, цель которого состоит в преобразовании подаваемых на фазы токовых импульсов.

Драйверы условно делятся на три категории (по типу доставки тока):

1. Постоянного напряжения. Подает высокий потенциал по очереди на каждую из обмоток. Суммарный ток зависит от сопротивления последних, а на больших оборотах — от индуктивности. Такие драйверы имеют низкую эффективность и могут применяться только на небольших скоростях.
2. Двухуровневые. Сначала подается напряжение, благодаря которому ток в обмотке поднимается до нужной величины, после чего источник потенциала выключается, а ток поддерживается источником низкого напряжения. Такие драйверы имеют более высокую эффективность и уменьшают нагрев моторов. Работают в режиме полного и половины шага.
3. ШИМ-типа. Пользуются наибольшим спросом, благодаря надежности и удобству управления. Их особенность состоит в подаче на обмотку ШИМ-сигнала высокого напряжения, отсекаемого небольшим током. Такие драйверы отличаются интеллектуальностью и возможностью программирования.

Кроме того, драйверы шаговых двигателей отличаются по типу. Они бывают аналоговыми, цифровыми и с энкодером. Поговорим о них более подробно.

Аналоговые

Отличаются высокой надежностью и эффективностью, благодаря сравнительно небольшому потреблению тока.

Задача таких устройств состоит в попеременной подаче импульса в разные обмотки статора с учетом заранее заданной программы. При этом обеспечивается определенный угол и направление вращения.

Плюсы аналоговых драйверов:

• низкая цена;
• защита от КЗ и высокого напряжения;
• автоматическое снижение тока;
• отсутствие риска случайного перегрева.

К основным моделям можно отнести:

1. CW-230. Предназначен для управления биполярным шаговым агрегатом на две фазы с максимальным током до 3 А. Мотор может управляться в режиме до 1/64 шага. Управление силовым узлом осуществляется с помощью трех сигналов, подаваемых на дифференциальные входы. Плюсы: низкая цена, изоляция входных сигналов, защита от ошибочного подключения, КЗ и высокого напряжения.
2. QJ Предназначен для управления биполярным ШД с двумя фазами и предельным током до 4,5 А. Доступно управление в режиме до 1/256 шага. Для управления применяется три сигнала, которые подают на входы PUL, DIF и ENA. Благодаря такой особенности, можно подключиться к LPT-порту ПК и успешно работать с программой ЧПУ станков. Плюсы: полный набор защит, автоматическое снижение тока, изолированные входные сигналы, доступная стоимость.
3. QJ6060AC — предназначен для управления 2-фазным шаговым двигателем. Наибольший параметр тока — до 6 Ампер на каждую из фаз. Доступно управление с 1/128 шага. Для управления применяется три сигнала (как в рассмотренной выше модели). Доступно подключение ШД для ЧПУ станков и ряда плоттеров.

Цифровые

Это более современные модели, работающие на базе цифрового управляющего сигнала. В основе лежит 32-разрядный процессор, повышающий характеристики применяемого оборудования.

ШД, работающие с таким драйвером, выделяет низкий уровень вибрации, минимальный нагрев, небольшой уровень шума.

Преимущества цифровых устройств:

• автоматическая настройка;
• высокая производительность;
• защита от перегруза;
• больший набор функций;
• максимальное деление по шагам;
• автоматическое уменьшение напряжения на ХХ и т. д.

Популярные модели:

1. 2DM542 — 2-фазное устройство, в основе которого лежит 32-битный процессор. Отличается привычным способом изменения тока, гарантирует высокий уровень производительности, оптимальный момент вращения, повышенное ускорение и стабильность. Благодаря улучшенным алгоритмам, гарантируется стабильность к изменениям нагрузки, оптимальное ускорение и необходимый момент вращения.

2. 2DM Как и рассмотренная выше модель, этот цифровой драйвер имеет 2-фазное исполнение и построен на 32-битном CPU. Его применение позволяет добиться большей плавности работы мотора, улучшить его производительность и момент вращения, добиться оптимального ускорения и стабильности к изменениям нагрузки. В модели предусмотрены встроенные устройства для самостоятельного тестирования и автонастройки.

3. Leadshine DM-805-AI. Особенность драйвера состоит в высокой степени плавности системы с гарантией оптимального момента вращения и стабильности работы устройства. Благодаря встроенной технологии самостоятельного тестирования и автоматической настройки, драйвер эффективно взаимодействует с разными типами моторов. При этом сам двигатель работает плавнее, меньше перегревается и почти не шумит. Для удобства поддерживается несколько рабочих режимов, имеется три встроенных потенциометра, позволяющие установить параметры разгона, скорости и торможения. Драйвер применяется для агрегатов типа NEMA-17-34 различных модификаций.
   Читайте также:  Двухфазный двигатель – это… Что такое Двухфазный двигатель?

С энкодером

Такие драйвера представляют собой устройства, построенные на цифровом принципе и имеющие высокую реакцию. Применяются в качестве замены для более сложных систем управления, нуждающихся в высокой точности.

К особенностям относится:

• наличие обратной связи;
• поддержка момента и скорости вращения;
• гарантирование плавности передвижения и небольшого уровня шума;
• защита от токовых и иных перегрузок;
• уменьшение нагрева мотора и обеспечение его нормальной работы.

При использовании такого драйвера можно не бояться задержек в работе при сохранении максимального быстродействия.

К популярным моделям можно отнести:

1. 2HSS86H — 2-фазный цифровой серводрайвер, совмещающий функции шагового и сервопривода. Применяется для оборудования, нуждающегося в высоком моменте вращения, быстродействии, рентабельности и устойчивости при 0-ой скорости. Его применение гарантирует плавность и минимальную шумность шагового мотора.
2. CWDS860H — устройство нового поколения, совмещающее лучшие качества серво- и шаговых устройств. Гарантирует снижение вибрации, уменьшение шумности и большую точность позиционирования. Благодаря равномерности работы и высокой скорости реакции эта модель подходит для программ, нуждающихся в быстром перемещении на небольшие расстояния и требующие плавности в работе. Особенности модели: устойчивость при 0-ой скорости, быстродействие и рентабельность.
3. HBS57 — альтернативный вариант для программ, нуждающихся в высокой производительности и повышенной надежности (там, где применяется сервопривод). В состав системы входит 3-фазный шаговый и цифровой быстродействующий драйвер. Устройство отличается высокой скоростью реакции и отсутствием рыков. Двигатель меньше греется, имеет меньший уровень шума и работает без задержек.

ДРАЙВЕР 2HSS86H
Кроме рассмотренных выше, бывают и другие типы драйверов, но они применяются реже.