Функциональная схема управления шаговым двигателем

Функциональная схема управления шаговым двигателем

Шаговые двигатели — это особый класс двигателей постоянного тока. Они кардинально отличаются от привычных коллекторных двигателей. Главное отличие шагового двигателя от двигателей других типов в том, что поворот его ротора осуществляется на некоторый, заданный конструкцией и схемой управления, строго определенный угол (шаг). Отсюда и главное преимущество шаговых двигателей — возможность точно позиционировать положение его ротора и удерживать его в этом положении без использования специальных муфт и тормозов (достаточно просто не снимать напряжение с обмоток). Еще одно важное достоинство двигателей этого типа в том, что максимальный момент ротора достигается на малых скоростях вращения. Это позволяет отказаться от сложных дорогостоящих редукторов, которые трудно изготавливать в радиолюбительских условиях. Эти два основных фактора делают шаговые двигатели незаменимыми при конструировании различных исполнительных механизмов, например, для управления манипуляторами в робототехнике, в станках (для подачи резца или фрезы) и т.п. Отсутствие коллектора делает шаговые двигатели практически вечными.

Как уже отмечалось, шаговые двигатели требуют особых, совершенно иных, чем для коллекторных или многофазных двигателей (с которыми их порой путают), схем управления. Этот факт является основным камнем преткновения особенно для начинающих радиолюбителей или радиолюбителей по той или иной причине не желающих или не имеющих возможностей использовать для этой цели микропроцессорные системы управления.

Однако насколько ли сложны такие схемы управления, всегда ли необходимо применения в схемах управления шаговыми двигателями дорогих специализированных микросхем или микропроцессоров?

Рассмотрим три базовые схемы управления шаговыми двигателями, которые помогут радиолюбителям в их освоении.

На рис. 1 показана простейшая схема управления для униполярных двигателей [1]. Такой двигатель имеет отвод от середины обмотки, что значительно упрощает схему драйвера.

Внимание! В первоисточнике [1] имеются ошибки в подключении IC1.

Схема не содержит дефицитных элементов, выполнена на двух ИМС 74-й серии (можно использовать и советские аналоги). Направление вращения двигателя определяется положением переключателя S1 (DIRECTION). Скорость вращения двигателя задается любым внешним генератором импульсов. Такой перестраиваемый по частоте генератор можно сделать, например, на ИМС таймера 555 (рис.2).

В качестве драйвера Q1-Q4 могут использоваться любые транзисторы с коэффициентом усиления по току не ниже 100 при заданном токе коммутации. Ток определяется сопротивлением обмоток двигателя по постоянному току и его напряжением питания (+12V на рис.1). Но лучше использовать в качестве драйвера подходящие MOSFET, например, IRF7470 (VDSS=40V, R тах=13mОм, lD=10A). Резисторы R1-R4 могут быть номиналом не ниже 470 Ом (в случае использования MOSFET эти резисторы необходимо оставить). В качестве диодов D1-D4, гасящих обратный импульс напряжения, можно использовать недорогие диоды 1 N4007. Две более сложные схемы управления маломощными униполярными и биполярными двигателями можно посмотреть в [2, 3]. Удобный к применению простой и недорогой вариант схемы управления биполярным двигателем с напряжением до 36 В и током до 0,6 А показан на рис.3 [4]. Схема пригодна и в качестве недорогой тестовой платы и обеспечивает работу двигателя в оптимальном пошаговом режиме с перекрытием фаз. Автор использовал схему для управления двигателем малой мощности 20M020D2B 12В/0.1А (каталог Distrelec 37-13-13).

Схема состоит из тактового генератора (IC3-1 и IC3-2), двунаправленного двухфазового формирователя на D-триггерах IC2 (SN74HC74D), схемы выбора направления вращения (IC3-3 и IC3-4) и драйвера IC1 L293DD (SGS-THOMSONMicroelec-tronics). Можно использовать и драйвер L293D (Texas Instruments Inc.). Микросхема драйвера имеет встроенные гасящие (кламперные) диоды и схему теплового отключения, устанавливать ее необходимо с обеспечением теплоотвода, который выполняется проводниками на печатной плате [5]. На схему подается напряжение питания в зависимости от типа двигателя. Питание формирователя осуществляется от стабилизатора напряжения, который должен обеспечить питание +5V на схему управления. В схеме использован недорогой линейный стабилизатор L7805ABD (корпус D2PAK), поскольку ток потребляемой формирователем не превышает нескольких миллиампер, а рабочее напряжение выбранного типа двигателя 12 В.

Включение шагового двигателя осуществляется кнопкой ВН1 или это может быть любой сигнал, например, отдатчика или схемы с открытым коллектором.

Цепь на транзисторе Q1 обеспечивает надежный запуск генератора. Такой принудительный пуск необходим, потому что генераторы, выполненные на основе двух (а не обычных трех) CMOS или TTL инверторов, иногда оказываются неустойчивы после включения (могут возбуждаться с частотой порядка 18 МГц). Команду на включение двигателя нужно подавать с некоторой задержкой после подачи питания. Рекомендуется давать задержку в несколько миллисекунд. Конденсатор С5 устраняет влияние «дребезга» контактов кнопки управления. Вращение ротора двигателя будет осуществляться в течение всего времени пока нажата кнопка или подан сигнала низкого уровня в точку «А». Во втором случае конденсатор С5 не нужен. Направление вращения зависит от положения выключателя S1. Вместо выключателя также могут быть также использованы любые подходящие сигналы, например, от концевого выключателя, выключателя остановки с таймером, пусковым механизмом или любыми цепями с открытым коллектором, подключенные в точку «В» вместо выключателя S1. Светодиод D1 — это индикатор подачи импульсов вращения «STEP». Он светится в режиме вращения двигателя. Скорость вращения двигателя зависит от его технических характеристик (от угла шага) и частоты тактового генератора. Временная диаграмма работы формирователя описываемой схемы управления показана на рис.4.

Если используются двигатели с четырьмя обмотками, то допустимо устанавливать ИМС драйвера L293 в параллель по цепям управления. Каждый драйвер управляет своей парой обмоток. В режиме удержания (режим, когда управляющие импульсы не подаются, но сам формирователь и драйвер не выключены) для уменьшения тока потребления и нагрева двигателя одну из ИМС можно выключать. Для этой цели используют входа EN (выводы 1,9, 11, 19) ИМС одного из драйверов. Такой вариант автором применялся для более мощных гибридных шаговых двигателей серии V9728 12В/0,6А (RS-каталог 440-458). Для двигателей с большим током, например, для гибридного двигателя серии DSH56 5В/1А (аналогичный по RS-каталогу 440-442), особенно если он используются в режиме форсированного начального тока, необходимо использовать драйверы с ограничением максимального тока. Для этих целей можно использовать, например, ИМС драйвера типа LMD18245 (ЗА, 55V) или аналогичный ему. ИМС драйвера типа LMD18245, в отличие от L293DD, является не четырех канальным, а двухканальным драйвером, поэтому для реализации схемы управления требуется две ИМС драйвера. Драйвер LMD18245 выполнен по DMOS технологии, содержит схемы защиты от перегрева, короткого замыкания и выполнен в удобном 15-выводном корпусе ТО-220, что позволяет легко отводить от его корпуса излишнее тепло.

Схема тестовой платы на основе драйвера LMD18245 показана на рис.5. В качестве задающего генератора использовалась схема генератора, приведенная ранее (рис.2), но с увеличенным до 4,7 кОм сопротивлением резистора R2. Для подачи одиночных импульсов используется кнопка ВН1 «Single STEPS», позволяющая сдвинуть ротор двигателя на один шаг. Направление вращения ротора определяется положением переключателя S1. Включение и выключение двигателя осуществляется выключателем S2. В положение «OFF» выключателя ротор двигателя освобождается и его вращение импульсами управления становится невозможным. Режим удержания «HOLD» уменьшает максимальный ток потребления обмотками двигателя с 2 А до 1 А. Если импульсы управления не подаются, то ротор двигателя остается в зафиксированном положении с пониженным вдвое током потребления.

Если же импульсы подаются, то вращение двигателя в этом режиме осуществляется с пониженным на малых скоростях моментом вращения. Необходимо заметить, что поскольку при полношаговом управлении с перекрытием фаз включены обе обмотки, то ток потребления двигателем удваивается, а схема драйвера должна рассчитываться исходя из требований обеспечения заданного тока двух обмоток (резистор R3, R8).

Схема содержит аналогичный, описанному ранее двунаправленный двухфазовый формирователь на D-триггерах ИМС D2 (SN74HC74D) и схему выбора направления вращения (D1 -4 и D1 -2). Максимальный ток драйвера задается резистором, включенным в цепь контакта 13 ИМС LMD18245 (резистор R3, R8) и двоичным кодом на контактах цепи управления тока (выводы 8, 7, 6, 4). Формула для расчета максимального тока приведена в спецификации на драйвер [6]. Ограничение тока осуществляется импульсным методом. При достижении максимально заданной величины тока осуществляется его «нарезка» («chopping»). Параметры этой «нарезки» задаются параллельной RC-цепочкой, подключенной к выводу 3 драйвера. Достоинством ИМС LMD18245 является то, что токозадающий резистор не включен непосредственно в цепь двигателя, имеет достаточно большой номинал и маленькую рассеиваемую мощность.

В заключение необходимо отметить, что шаговые двигатели могут устойчиво работать и на повышенных скоростях вращения, однако это требует уже применения особых схем, реализующих режим так называемого микрошагового управления. В этом режиме на каждый импульс тока ротор поворачивается не на заданный конструкцией двигателя угол (шаг), а на меньший дробный, как правило, равный 1/8, 1/16 или 1/32. Такой режим уменьшает и даже подавляет паразитный резонанс ротора, но требует сложных схем управления с применением микропроцессоров. Драйвер LMD18245 позволяет реализовать такой режим.

1. Noel McNamara. Simple circuit controls stepper motors // EDN. — 2004. — January 8.

2. UNIPOLAR Stepper Motor Driver (74194) : http://home.cogeco.ca/

3. BIPOLAR Stepper Motor Driver (74194) : http://home.cogeco.ca/

4. Rentyuk V. Control stepper motors in both directions// EDN. — 2010. — March 18.

5. L293, L293D QUADRUPLE HALF-H DRIVERS// Texas Instruments Inc. — 2002.

6. LMD18245 ЗА, 55V DMOS Full-Bridge Motor Driver // National Semiconductor Corporation.

Функциональная схема управления шаговым двигателем

Эта схема использовалась только для экспериментов с двигателями, в приводе моего телескопа установлен немного другой вариант (для двигателя ДШИ-200-1-1), но принципы управления остались те же.

Есть и более современное решение — вместо транзисторов можно использовать специализированную микросхему (вариант 2). Выпускается много типов подобных микросхем (драйверов двигателей), в большинстве импортных.
Саму четырехфазную последовательность (импульсы A, B, C, D) удобно формировать не логическими элементами, как это показано на верхнем рисунке, а с помощью какого-либо программируемого микроконтроллера. При этом попутно решается проблема формирования стабильной частоты шагов, значение которой может быть любым, в зависимости от использованной механики. В этом случае все устройство оказывается состоящим из двух микросхем — микроконтроллера и драйвера двигателя..

У Бартелса нарисованы именно стабилитроны (правда, мощные, они реже встречаются), а не диоды Шоттки. Просто западное схемное изображение стабилитрона (с двумя «ушками») очень похоже на изображение диода Шоттки по нашему стандарту.
Убирать стабилитроны из схемы не стоит, но можно заменить на маломощный стабилитрон+транзистор (это показано у Бартелса на той же странице) или даже на резистор, как показано у меня на первой схеме.

Сильно греться шаговики будут, только если поставите такие же, как у Бартелса, а не маломощные от дисководов. Кстати, все компоненты у Бартелса рассчитаны на мощные ШД, а по сути, его выходные каскады тождественны каскадам моей первой схемы.

TIP 120 — мощный составной транзистор, 4А, 60В, вроде нашего КТ829.

Потребление ДШИ-200-1 можно значительно уменьшить.

Двигатель ДШИ-200-1-1 стоит в приобретенной мной монтировке ТАЛ-3. Двигатель слишком мощный даже для довольно тяжелого телескопа (труба — 20кг), сам бы я его туда ни за что не поставил. Потреблял он со штатной схемой более 2А от 12В, что меня не устраивало (220В рядом нет, питаюсь от аккумулятора). Можно было бы увеличить скважность импульсов, но тогда пришлось бы отказаться от режима полушагов, пожертвовав плавностью хода.
Я пошел по другому пути — запитал обмотки от импульсного преобразователя со стабилизированным током, установив ток обмоток сравнительно небольшим (600мА). Развиваемый двигателем момент остался вполне достаточным, а потребляемый от 12В ток уменьшился до 150мА (более чем на порядок!).
Если есть интерес, эту схему тоже могу выложить. Просто я считаю, что ДШИ-200 избыточен для большинства любительских конструкций, а для менее мощных двигателей от дисководов такие ухищрения ни к чему.

На рис.1 показана последовательность импульсов в точках A,B,C,D. Импульсы должны быть одинаковые, но сдвинутые по фазе на четверть периода.
На рис.2 показан один из этих импульсов в увеличенном масштабе, а также форма напряжения на соответствующей обмотке двигателя. Участок 1 кривой должен быть более — менее ровным и напряжение там не должно превышать 1-2В. Участок 2 может быть более сложной формы, при вращении двигателя на нем появляются дополнительные выбросы и провалы, но для всех четырех обмоток форма кривой должна быть примерно
одинаковой.

В ролях: A-Павел Бахтинов, Q-Денис Саква

Аналоги шаговых двигателей от дисковода можно посмотреть тут, цена на них всего 307 рублей.

Полный модельный ряд шаговых двигателей можно посмотреть тут, устройств управления шаговыми двигателями — тут.

Готовые приводы на основе шаговых двигателей — тут.

Микросхемы управления шаговыми двигателями – Полупроводниковая силовая электроника

Для формирования требуемой последовательности импульсов применяются микроконтроллеры совместно с силовыми элементами — драйверами. В простейшем случае такой микропроцессор (в терминологии изделий силовой электроники чаще его называют драйвером) представляет собой мощный транзисторный ключ. Драйверы могут быть специализированными в интегральном исполнении, рассчитанными на разную мощность и более сложные алгоритмы управления.

Типовыми представителями этого класса отечественных микросхем являются IL9001, IL293, IL2003, IL2004, IL62083, IL62084, IL62783, IL62784 [23].

Рис. 3.50. Функциональная схема ИМС IL9001Q

Так, на одной микросхеме IL9001Q (рис. 3.50) реализуется полный драйвер управления шаговым электродвигателем. Микросхема IL9001Q драйвера шагового электродвигателя имеет 4 канала, каждый из которых состоит из входного каскада, схемы управления верхним и нижним транзисторами выходного полумоста, блока подкачки напряжения на затвор верхнего транзистора и схемы задержки, исключающей одновременное открытие транзисторов полумоста. Ток нагрузки каждого из 8 ДМОП транзисторов выходных полумостов может достигать 1,75 А. Транзисторы выполнены разделенными областями стоков и истоков, сопротивление в открытом состоянии до 0,7 Ом. Имеются выводы со стоков нижних транзисторов (два полумоста на один выход) для подключения шунтов с целью организации защиты от перегрузки. Микросхема IL9001Q может применяться в широком спектре оборудования и устройств, содержащих шаговые двигатели.

ИМС четырехканального драйвера с диодами IL293 с током нагрузки 0,6 А применяется также в автомобильной электронике в контроллерах системы автоматического управления отопителем и в системах автоматического управления комфортом, а также в кассовых аппаратах.

Отечественным серийным производством выпускаются также микросхемы токовых драйверов ILN2003, ILN2004, ILN62083, ILN62084, ILN62783, ILN62784. Данные микросхемы представляют собой семь (IL2003, IL2004) или восемь (ILN62083, ILN62084, ILN62783, ILN62784) каскадов Дарлингтона с токами нагрузки до 0,5 А и с разными уровнями входных сигналов. Микросхемы являются достаточно универсальными. Они предназначены для управления реле, ламп, устройств индикации (светодиодных и газоразрядных), линий связи и логических устройств. Одно из их применений — управление небольшими шаговыми двигателями, например, для CD привода, принтера или флоппи-дисковода [30]. Причем ИМС ILN2003, ILN62083,1LN62783 совместимы по входу с ТТЛ и КМОП ИМС с напряжением питания 5В, a ILN2004, ILN62084, ILN62784 – с РМОП и КМОП ИМС с напряжением питания от 5 до 16 В. Выходы микросхем ILN2003, ILN2004,1LN62083, ILN62084 являются «открытым коллектором» и нагрузка включается между выходом ИМС и напряжением питания, а выходы ИМС ILN62783, ILN62784 — «открытым эмиттером» и нагрузка включается между выходом ИМС и «землей».

На рис. 3.51—3.55 представлены схемы структурные ИМС и схемы электрические принципиальные одного каскада ИМС ILN2003, ILN2004, ILN62083, ILN62084, ILN62783, ILN62784.

A1-A8 -логические элементы;

Рис. 3.51. Схема электрическая структурная ИМС ILN62083, ILN62084

Рис. 3.52. Схема электрическая принципиальная одного канала Дарлингтона микросхем ILN2003, ILN2004, ILN62083, ILN62084

Функциональная схема управления шаговым двигателем

• ШДК
• Статьи
  • Схемы
    • Arduino
    • Управление шаговыми двигателями
    • Металлоискатели
    • разное
    • для Авто
    • разное на микроконтроллерах
    • всё на таймере NE555
    • Конструктор схем
    • Осциллографы
    • Измерительная аппаратура
    • Роботы
    • Световые эффекты,управление светом
    • Термостат
    • Инверторы и преобразователи
    • Защиты от перепадов напряжения
    • Паяльные станции
    • Аудио
    • Дозиметры
    • Часы
    • Выключатели, переключатели,ИК,РФ
    • Таймеры
    • КУБ светодиодный
  • Программаторы
    • PIC microchip
    • AVR ATmega и ATtiny
    • Общее
  • Электрические двигатели
    • машины постоянного тока
    • машины переменного тока
  • Генераторы
    • генератора независимого возбуждения
    • синхронный генератор
  • Авто-инжектор
    • Элементы ЭСУД, описание
  • Законы электротехники
    • Основные законы из ТОЭ и др.
  • Конкурсные работы 2015
  • Конкурсные работы 2014
  • Конкурсный работы 2013
  • Конкурсные работы 2012
• Скачать
  • Программирование
  • Электрические расчеты
  • Электрические программы
  • Справочник
  • Книги по релейной защите
  • Авто
  • Библиотека электромонтера
  • Журналы
    • Everyday Practical Electronics
    • Радио
    • Радиоаматор
    • Радиолюбитель
    • Радиоконструктор
    • Схемотехника
    • Радио Хобби
    • Радиомир
    • Ремонт и сервис
    • Электрик
    • Elektor Electronics
  • Разное
    • Книги, разные
    • Программы,разные
• Ссылки
  • Сайты связанные с электричеством
  • Авто сайты
• Видео
  • Самоделки
  • Обучение Arduino
  • дуга,разряд,пожар.
  • Обучающие видео ролики
  • P-CAD Schematic
  • РОБОТЫ
  • Техническое обслуживание компьютера
  • Изготовление печатных плат
• Проекты
  • Заказать прошивку
  • Регистрация программистов
  • С миру по байту
• Информация
  • О сайте
  • Реклама
  • Добавить статью
  • Обратная связь
  • Обмен банерами
• Электроника из Китая
• В помощь студенту
  • Электрические машины
  • Эксплуатация релейной защиты

Чем меньше сопротивление R4 тем больше скорость вращения !

В данном включении запитывать двигатель лучше напряжением 9±2В, при меньшем он начинает проскальзывать, при большем – греется. Максимальная частота генератора, которая не приводит к проскальзыванию – 400 Гц (при Uпит=7В). Транзисторы – можно использовать любые MOSFET, с током стока не менее 0,5 А. Переключатель направления – тумблер ТП1-2 или кнопка П2К. П2К вообще-то не рекомендую. Отстой. Сколько не видел схем с ними — везде неисправность одна — не работают именно они. В принципе, для этих шаговых двигателей рекомендуютсхему с запускающим импульсом длиной 150 мкс и амплитудой 15-18В, но это приводит к усложнению схемы, а наша цель – простота. Для тех, кто интересуется шаговыми двигателями, можно сходитьсюда, здесь много полезной информации.
Генератор импульсов можно сделать, например, на 555 таймере. Вариант с регулируемой частотой от 1,5 до 450 Гц приведен на рис.

Схема подключения 6-ти выводного двигателя типа — АХ05 :