Usb драйвер для шагового двигателя схема

Драйверы и контроллеры ШД

Устройства управления шаговыми двигателями в станках с ЧПУ

Принцип действия шагового двигателя основан на последовательной подаче напряжения в обмотки статора, в каждый момент времени срабатывающие как магниты и фиксирующие ротор. Разница между токами в обмотках определяет угол поворота ротора. Драйвер ШД – силовое устройство, формирующее токи питания для каждой обмотки.

Виды драйверов

Одноканальные используются для управления одним ШД. Применяются при построении станков, где используются двигатели типоразмера 86 мм с током управления выше 4А.

Многоканальные представляют собой управляющую плату, на которой размещены одноканальные драйверы в количестве, соответствующем количеству приводов. Используются в станках с ШД типоразмером до 57 мм.

Характеристики драйверов

Драйверы не универсальны, под каждую модель ШД выбирается устройство с конкретным набором характеристик.

Базовые критерии выбора:

• · выходное напряжение и ток. Должны соответствовать характеристикам двигателя;
• · поддерживаемый протокол. Выбирается в соответствии с протоколом контроллера;
• · деление шага. Уменьшение увеличивает плавность хода, но снижает максимальные обороты ротора и ведет к потере крутящего момента. Для решения стандартных задач хватает шага 1/64.

Дополнительные функции:

• · подавление резонанса. Использование драйвера без этой функции приемлемо только для двигателей типоразмером до 86 мм. Алгоритмы работы функции прописываются производителем под конкретные ШД и частоты, но драйверы Leadshine серии MD, предлагаемые нашей компанией, настраиваются на один из трех диапазонов резонансных частот;
• · снижение тока в режиме простоя. Предотвращает перегрев двигателя и уменьшает энергопотребление;
• · плавный пуск. Постепенное увеличение напряжения при пуске ШД не приводит к ударам, как в случае с подачей тока полным напряжением;
• · морфинг – способность драйвера к плавному переходу с микрошагов на полный шаг на высоких оборотах. В режиме микрошагов крутящий момент снижается. Инерционность ротора позволяет работать в режиме полного шага, момент в этом случае повышается.

Контроллеры ШД

Контроллеры – платы коммутации, используемые для преобразования управляющих команд, поступающих с ПК, в последовательность импульсов для драйверов. Плата может иметь дополнительный функционал – разъемы для подключения концевых ограничителей, силовые реле, разъемы для управления шпинделем. Подключается к компьютеру через LPT или USB интерфейс.

Многоканальные драйверы ШД –устройство объединяющее в себе драйвера ШД и плату коммутации. Подключаются к ПК непосредственно управляют ШД. Также в состав контроллера входят такие функциональные возможности как таймер СОЖ, конвертор ШИМ для инвертора, силовые реле, разъемы для подключения датчиков ограничения линейных перемещений. Драйвера могут исполняться на различное количество ШД.

arduinoLab

Драйвер шагового двигателя EasyDriver A3967

Драйвер биполярного шагового двигателя с поддержкой «микрошага», разработанный товарищами из www.schmalzhaus.com, базируется на микросхеме A3967.

Характеристики :

• Максимальный ток: 750 мА на одну фазу.
• Напряжение привода двигателя: от 7В до 30В.
• Возможность ограничения выходного тока: от 150мА до 750мА
• 1/8, 1/4 и 1/2 микрошаговые режимы работы.
• Управление 3 и 5 вольтовой логикой.
• Не требует отдельного питания логической части, для этого на плате находится стабилизатор LM317.
• Драйвер не поддерживает униполярные двигатели.

Назначение элементов и выводов драйвера:

Выводы:

• MOTOR и выходы A и B — Подключение обмоток шагового двигателя. (A+ A- B+ B-)
• PFD — Percent Fast Decay Input, тонкие настройки ШИМ драйвера микросхемы, скорость нарастания ШИМ.
• RST — Сброс драйвера, при низком уровне сбрасывает внутренний транслятор и отключает все выходные драйверы.
• ENABLE — При низком уровне, отключатся все выходы драйвера.
• MS1 и MS2 — Управление микрошаговым режимом. По умолчанию входы притянуты к питанию и выставлен шаг 1/8. Для установки полного шага, на оба входа нужно подать низкий уровень, для полушага только на MS2, для 1/4 шага, только на MS1. (полный шаг (0,0), полушаг (1,0), шаг 1/4 (0,1) и шаг 1/8 (1,1).
• PWR IN и вход M+ — Напряжение питания драйвера и моторов, также это напряжение подается на стабилизатор LM317 для питания логической части микросхемы.
• +5V — Выход напряжения со стабилизатора LM317, можно использовать для питания Arduino
• SLP — Сон, если подать низкий уровень, будет отключена внутренняя схема для минимизации потребления энергии.
• STEP — Шаг, При переходе с низкого уровня на высокий, драйвер делает один шаг или микрошаг, если драйвер работает в микрошаговом режиме.
• DIR — Состояние входа (высокийнизкий) определяет направление вращения двигателя.
• GND — масса, все массы соединены.

Элементы:

• Потенциометр CUR ADJ — Установка ограничения максимального тока подаваемого на двигатель, от 150 мА до 750 мА.
• Перемычка APWR — отключает стабилизатор LM317 от цепи питания 5 вольт. По умолчанию соединена.
• Перемычка 3/5 — Установка напряжения на выходе LM317, 5 или 3.3 вольта, По умолчанию разомкнута.

Кратко про особенности микрошагового режима:

Сверху графики работы драйвера в полношаговом и микошаговом режиме.

В полношагом режиме, драйвер запитывает обмотки двигателя полным током, а направление тока в обмотках двигателя изменяется с каждым шагом. Считается штатным режим работы двигателя. Главное достоинство, простота реализации. Из недостатков, двигатель сильнее подвержен вибрации и резонирует на низких скоростях.

В микрошаговом режиме происходит деление шага, в данном случаи на 8, с каждым шагом обмотки запитаны не полным током, а уровнем изменяемым по синусоидальному закону. Такой метод дает возможность фиксировать вал в промежуточных положениях между шагами, увеличить количество шагов и точность позиционирования вала двигателя, уменьшает вибрацию двигателя, особенно на низких скоростях, но требует применения специализированных драйверов.

Драйвер шагового двигателя с микрошаговым режимом

В статье представлены схема и конструкция, описан принцип действия драйвера биполярного шагового двигателя на базе микроконтроллера ATmega48. Он способен работать со многими двигателями, не содержит специализированных микросхем для управления шаговыми двигателями. Универсальность обеспечена оригинальным методом поддержания заданного тока в обмотках двигателя. Эта конструкция может послужить основой для создания аналогичных устройств, содержащих дополнительные элементы безопасности — опторазвязку входных цепей, защиту от замыкания нагрузки и пр. В описываемом устройстве в связи с предполагаемыми «умеренными»условиями его эксплуатации и для ограничения стоимости такие узлы не предусмотрены.

Целью разработки было создание простого и недорогого драйвера биполярного шагового двигателя универсального применения. Всё программное обеспечение написано на языке ассемблера AVRASM и оптимизировано по времени выполнения, что позволило решить задачу на имеющейся на момент разработки элементной базе.

Основные технические характеристики

Напряжение питания силовой части, В . 27

Напряжение питания логической части, В . 12

Максимальная амплитуда тока фазы двигателя, А, не менее . 5

Минимальная амплитуда тока фазы двигателя, А, не более . 0,25

Предустанавливаемый коэффициент деления шага . .1/8, 1/4, 1/2, 1/1

Автопонижение тока в режиме удержания, %. 65

Задержка автопонижения тока относительно последнего шага, с . 3,4

Уровни управляющих сигналов . ТТЛ,5 В

Максимальная частота шагов, кГц. 12

Габариты, мм . 102x68x40

Принципиальная схема драйвера приведена на рис. 1 . В его основу положены мостовые формирователи тока фаз А и В на полевых транзисторах VT1-VT4, VT5-VT8 соответственно, управляемые специализированными микросхемами-драйверами верхних и нижних ключей полумоста DA5-DA8 IR2104S. Для повышения помехоустойчивости применено раздельное питание силовой части (27 В) и логической части с драйверами силовых ключей (12 В).

Рис. 1. Принципиальная схема драйвера

Далее рассмотрим часть схемы, относящуюся к одной из фаз (фазе А), поскольку часть, относящаяся к фазе В, действует аналогично.

Мгновенное значение тока фазы устройство определяет по падению напряжения на резисторе R45, которое через интегрирующую цепь R5C6 поступает на неинвертирующий вход усилителя DA1.1 с регулируемым коэффициентом усиления, выполняющего также функцию ФНЧ первого порядка. С выхода усилителя сигнал приходит на инвертирующий вход компаратора DA3.1. Компаратор сравнивает сигнал, пропорциональный текущему через фазу двигателя току, с образцовым напряжением. Его формирует в виде ступенчатой синусоиды (для микрошагового режима работы) Таймер 1 микроконтроллера, работающий в режиме «Быстрая ШИМ» без предварительного деления. Сигнал с выхода таймера пропущен через многозвенный фильтр R1C1R3C4R7C8. Период следования широтно-модулированных импульсов — 12,7 мкс, что соответствует частоте 78,4 кГц. Резистор R23 в рабочем режиме в формировании образцового напряжения не участвует, так как выход PB3 микроконтроллера, к которому он подключён, находится в высокоимпедансном состоянии.

В режиме удержания (после отсутствия импульсов на входе «Шаг» в течение последних 3,4 с) программа устанавливает на выходе PB3 микроконтроллера низкий логический уровень, и амплитуда образцового сигнала понижается. С выхода компаратора DA3.1 с открытым коллектором, нагруженного резистором R25, результат сравнения поступает на вход компаратора DA3.2. Выход компаратора DA3.1 связан также с общим проводом через конденсатор C22. Совместно R25 и C22 — времязадающая цепь узла стабилизации тока. При его падении ниже некоторого образцового уровня происходит зарядка конденсатора C22 через резистор R25. В интервале времени от начала зарядки до достижения напряжением на конденсаторе значения, заданного делителем напряжения R27R28, питание обмотки двигателя отключено, что препятствует быстрым флюктуациям тока около образцового значения.

Этот алгоритм в классическом смысле не относится к алгоритмам стабилизации тока “Fixed-Frequency PWM” или “Fixed-Off-Time PWM”, однако на практике он показал хорошую работоспособность. При превышении током образцового значения на выходе компаратора DA3.2 установлен низкий логический уровень. Микроконтроллер реагирует на это отключением обмотки одновременным закрыванием транзисторов VT1-VT4 с помощью сигнала SD, подаваемого на драйверы DA5 и DA6. Этим достигается быстрый спад тока в обмотках двигателя. В случае спада тока ниже образцового происходит обратное, на драйверы DA5 и DA6 поступает сигнал SD высокого уровня, открывающий упомянутые транзисторы, что не препятствует нарастанию тока в обмотке.

Смена ступеней образцового напряжения, а также смена комбинаций открытых и закрытых транзисторов моста происходит с приходом очередного импульса на вход «Шаг» по алгоритмам, зависящим от предустановленного коэффициента деления шага (наличия перемычек между контактами 1-2 и 3-4 разъёма XP1) и текущего направления вращения (логического уровня сигнала на входе «Напр.»). Вход «Разр.» был задуман для разрешения и запрета работы двигателя, но в прилагаемой к статье версии программы он не действует.

Драйвер выполнен на двухсторонней печатной плате, чертёж печатных проводников которой изображён на рис. 2, а расположение элементов — на рис. 3. Транзисторы VT1-VT8 расположены с одной стороны платы теплоотводящими поверхностями от неё. К этим поверхностям прижат через изоляционные прокладки теплоотвод — в простейшем случае алюминиевая пластина размерами 60х60 мм. Следует заметить, что при токе фаз более 4. 5 А и длительном режиме работы теплоотвода в виде пластины может оказаться недостаточно и его поверхность следует увеличить, сделав теплоотвод ребристым или игольчатым.

Рис. 2. Чертёж печатных проводников

Рис. 3. Расположение элементов на плате

Материал платы следует выбрать толщиной не менее 1 . 1,5 мм, толщина фольги — не менее 35 мкм. Печатные проводники, по которым течёт большой ток, следует обильно залудить или бандажировать медной проволокой, припаяв её по всей длине проводника.

Большая часть компонентов конструкции применена в оформлении для поверхностного монтажа. Резисторы и конденсаторы — типоразмера 1206. Резисторы R45, R50 имеют проволочные выводы и мощность — не менее 2 Вт. оксидные конденсаторы в цепях питания — с малым ESR. Подстроечные резисторы R18 и R19 — многооборотные 3296W.

Амплитудные значения тока фаз двигателя регулируют подстроечными резисторами R18, R19. Проще всего это делать, переведя драйвер в режим микрошага 1/8 и контролируя цифровым вольтметром падение напряжения на резисторах-датчикахтока R45 и R50. Подавая на вход «Шаг» одиночные импульсы, добиваются максимальных значений тока поочерёдно в фазах А и В. Подстроечными резисторами устанавливают эти значения одинаковыми и соответствующими требуемой амплитуде тока. Уменьшение сопротивления под-строечных резисторов приводит к снижению тока, и наоборот. Для ориентировки можно воспользоваться табл. 1, в которой приведена зависимость амплитуды тока фазы I_mф от введённого сопротивления подстроечного резистора.

Комплектующие для самодельного ЧПУ с Таобао

Категорически приветствую всех читателей блога Live от iXBT!

Небольшой обзор драйверов TB6600 для шаговых двигателей 42/57/86.

Опять делюсь своим опытом приобретения товаров на китайской торговой площадке Taobao.

Я уже поднимал тему про посредника YOYBUY в прошлом обзоре.

Поэтому подробно останавливаться на выборе и заказе товаров на Таобао не буду (можно посмотреть в этом обзоре).

Для управления двигателями самосборных ЧПУ станков и 3D принтеров требуются специальные драйверы. Одни из самых распространенных – это дешевые драйверы типа TB6600/TB6560. И если TB6560 — это достаточно бюджетные драйверы, то TB6600 являются более продвинутыми как в плане настроек (ограничения тока, степпинг и т.п.), так и в плане мощности. Драйверы TB6600 позволяют управлять шаговыми двигателями типа 42/57/86 (это соответствует типоразмерам NEMA17/23/34) и выдают до 4.5А на обмотки.

Тоже самое, но через посредника: TB6600 в корпусе ($3.78) и TB6600 без корпуса ($4.37). На Али подобное стоит около $10/шт. (за исключением ТВ6560, которые имеют более «слабые» характеристики, подешевле).

На рисунке TB6600 в корпусе (слева) и TB6600 без корпуса (справа).

Заказывал много, сразу под несколько проектов, так как выгоднее, чем на Али или в оффлайне.

Данные драйверы более мощные и имеют микростеппинг до 1/32, а также вполне подходят для 3D принтеров. Основное применение — работа в связке с шаговыми двигателями 42/57/86 в станках ЧПУ и прочих подобных самоделках.

Характеристики драйверов ТВ6600 (в корпусе)

• Рабочий ток/пиковый ток, до: 3.5А/4А
• Микрошаг: 32
• Импульсов на оборот: 6400
• Напряжение питания 9. 42В постоянного тока.
• Масса: около 130 г
• Размеры: 96 х 56 х 35 мм

Это небольшой блок для монтажа в стойку/корпус, с двумя клеммными колодками. Корпус одновременно служит и радиатором охлаждения.

На корпусе нанесена таблица режимов работы

Устанавливаются режимы переключателями SW1-SW6 согласно таблице

Проверка массы (критично для большого заказа с Таобао)

Габаритные размеры 96 х 56 х 35 мм

Для сравнения = рядом со вторым драйвером ТВ6600, который без корпуса.

Характеристики драйверов ТВ6600 (без корпуса)

• Рабочий ток/пиковый ток, до: 4.2А/4.5А
• Микрошаг: 16
• Импульсов на оборот: 3200
• Напряжение питания 8. 45В постоянного тока.
• Масса: около 100 г
• Размеры: 82 х 50 х 35 мм

Внешний вид драйвера ТВ6600 (без корпуса).

Несмотря на отсутствие корпуса, охлаждение стоит эффективное. Это массивный радиатор, закрывающий практически полностью плату.

Проверка размеров (82 х 50 х 35 мм)

Обратная сторона платы

Под радиатором скрывается интегральный драйвер от Toshiba TB6600HG. Термопаста присутствует, а также гальваническая развязка на основе 6N137.

Для сравнения разберем и другой драйвер. Откручиваем винты корпуса, снимаем крышку.

Снимаем плату с радиатора

Внешний вид печатной платы драйвера

На фото повторители и развязка

В данном случае установлен драйвер, аналогичный Тошибе, но в другом корпусе SI09AFTG

В обоих случаях присутствует гальваническая (оптическая) развязка.

Сравнение двух плат

Проведем небольшой тест драйверов.

Соберем небольшую схему с Arduino и двигателем Nema23 57HS8430.

Загрузим скетч в Ардуино

int PUL=7; //define Pulse pin
int DIR=6; //define Direction pin
int ENA=5; //define Enable Pin
void setup() <
pinMode (PUL, OUTPUT);
pinMode (DIR, OUTPUT);
pinMode (ENA, OUTPUT);

void loop() <
for (int i=0; i

В целом покупка на Таобао комплектующих для различных самоделок оправдана, выгода по стоимости практически в два раза.

P.s. обратите внимание: в некоторых лотах есть платная местная доставка. Обычно это около $2. Имеет смысл покупать несколько лотов у одного продавца, стоимость местной доставки так и остается $2. В этом случае доставка «размазывается» по стоимости всего заказа.

Если есть вопросы по покупкам на Таобао или по посреднику Yoybuy — задавайте!