Схема управления шаговым двигателем и принцип работы

ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ — ПРИНЦИП РАБОТЫ

Шаговые двигатели — это устройства, задача которых преобразование электрических импульсов в поворот вала двигателя на определённый угол, для совершения механической работы, приводящей в движение различные механизмы.

Принцип работы шаговых двигателей

Принцип работы шаговых двигателей можно изложить кратко. ШД, как и все типы двигателей, состоят из статора (состоящего из катушек (обмоток)) и ротора, на котором установлены постоянные магниты.

На картинке изображены 4 обмотки, расположенные на статоре под углом в 90 градусов относительно друг друга. Тип обмотки зависит от конкретного типа подключения шагового двигателя (как подключить шаговый двигатель).На примере выше обмотки двигателя не соединены, значит двигатель с такой схемой имеет шаг поворота в 90 градусов. Обмотки задействуются поочередно по часовой стрелке, а направление вращения вала двигателя обусловлено порядком задействования обмоток. Вал двигателя вращается на 90 градусов каждый раз, когда через очередную катушку протекает ток.

Шаговые двигатели — применение

Область применения шаговых двигателей довольно широка, они используются в промышленности, в принтерах, автоматических инструментах, приводах дисководов, автомобильных приборных панелях и других приложениях, требующих высокой точности позиционирования.

Принято различать шаговые двигатели и серводвигатели. Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению, в качестве которого обычно используется энкодер. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении. В то время как синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.

Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами (униполярные и биполярные) и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис. 1).

Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рис. 2).

Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ-модуляции.

Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.

Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных применений.

Управление биполярным шаговым двигателем требует наличия мостовой схемы. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.

На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.

На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.

Максимальная скорость движения определяется физическими возможностями шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.

В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению вала двигателя.

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.

Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.

Шаговые синхронные двигатели активного типа

Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.

При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления.

При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления.

Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки».

Число тактов K_T системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления K_T=4, а для несимметричной K_T=8.

В общем случае число тактов K_T зависит от числа обмоток управления (фаз статора) m_у и может быть посчитано по формуле:

K_T = m_уn₁n₂,

где: n₁=1 — при симметричной системе коммутации;

n₁=2 — при несимметричной системе коммутации;

n₂=1 — при однополярной коммутации;

n₂=2 — при двуполярной коммутации.

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении, а при двуполярной — в обеих. Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают. Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1). Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.

Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:

α_ш=360/К_тр

Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р=4…6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.

Реактивные шаговые двигатели

У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.

Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.

Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора.

При большом числе зубцов ротора Z_р его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.

Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:

α_ш=360/К_тZ_р

В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, т. к. изменение направления поля не влияет на положение ротора.

Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.

Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.

Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, можно достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, т.е. оси их полюсов полностью совпадают. Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.

Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.

В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.

По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики

Линейные шаговые синхронные двигатели

При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.

Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов.

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.

Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнито-провода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.

Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя. Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.

ΔX_ш=t_z/К_t

где K_t — число тактов схемы управления.

Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.

В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.

Важными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.

Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.

В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.

Предельная механическая характеристика — это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.

Приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления.

Приемистость падает с увеличением нагрузки.

DARXTON

УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Двигатели постоянного тока нашли множество применений, но непрерывное и плавное вращение ротора не всегда требуется. Естественная особенность двигателя BLDC, заключающаяся в том, что для его вращения необходимо постоянно переключать напряжения между обмотками, способствовала развитию шаговых двигателей. Их ротор может вращаться с определенными приращениями и оставаться стабильным в этих состояниях даже если управление прерывается. Возобновление подачи напряжения на катушки вызывает продолжение вращения.

Шаговые двигатели не имеют коммутаторов и щеток. Это синхронные двигатели постоянного тока с электронно-коммутируемым магнитным полем, вызывающим вращение якоря (его магнитов). Можно считать, что шаговые двигатели управляются цифровыми импульсами, и в шаговом двигателе полный угол поворота ротора разделен на дискретное количество шагов. Количество этих ступеней (фаз) равно количеству магнитов, расположенных вокруг центрального сердечника.

Конструкция шагового двигателя

Теория работы шаговых двигателей. В отличие от двигателей постоянного или переменного тока, для шаговых двигателей требуется последовательное питание, то есть они должны получать фиксированную последовательность импульсов для отдельных катушек. Также бывают биполярные и униполярные двигатели. Униполярный шаговый двигатель отличается от биполярного тем, что имеет дополнительный отвод обмотки, который разделяет обмотку на две части. Обычно биполярный шаговый двигатель имеет 4 или 8 контактов, а униполярный – 5 или 6 контактов.

Схема униполярных и биполярных шаговых двигателей

Вначале рассмотрим униполярный шаговый двигатель, ввиду простоты управления. В таком моторе ток в обмотке всегда течет в одном направлении. Это упрощает метод управления, в отличие от биполярного, где управление должно обеспечивать изменение полярности катушек шагового двигателя путем изменения направления тока через обмотку на противоположное.

Двух переключателей достаточно, чтобы построить простейший драйвер шагового двигателя, как показано на рисунке. Здесь используем 6-проводный униполярный двигатель. Также можно сказать, что двигатель в этом случае управляется однополярно, за счет использования средней обмотки катушки и постоянного напряжения питания на нее.

Переключая данные переключатели в последовательности S1, S2, S1, S2, S1, S2… заметим, что двигатель вращается. Рисунок выше иллюстрирует важный принцип управления: обе обмотки не могут питаться от одной пары одновременно. Каждое изменение переключателя поворачивает ротор на один шаг. Чем быстрее начнем переключать переключатели в последовательности S1, S2, S1, S2…, тем быстрее начнет вращаться ротор.

Подключение переключателей к катушкам шагового двигателя

Скорость шагового двигателя зависит не от величины напряжения, а от скорости подключения питания к отдельным обмоткам. Чтобы добиться полного вращения ротора с 200-шаговым двигателем, надо изменить положение каждого переключателя 100 раз, то есть выполнить до 200 последовательностей для двух переключателей. Это уже говорит о том, что шаговые двигатели не могут работать на высокой скорости. Из этого следует, что шаговые двигатели можно назвать «цифровыми двигателями», поскольку для вращения ротора необходимо переключать переключатели в соответствующей последовательности.

В нашем случае последовательность переключений также определяет направление вращения шагового двигателя. Когда меняем последовательность включения переключателей, то меняем и направление вращения, например S2, S1, S2, S1, S2, S1… влево, S1, S2, S1, S2, S1, S2… вправо. В этом примере есть двухпозиционные переключатели, которые всегда обеспечивают питание двух из четырех обмоток шагового двигателя в данный момент. Но использование трехпозиционных переключателей дает гораздо больше возможностей.

Опять же, обе обмотки никогда не питаются от одной пары, что является обязательным принципом управления шаговым двигателем. Благодаря трехпозиционным переключателям можно реализовать, например, полушаговое управление, благодаря разнообразию переключений. Одновременно могут быть под напряжением две, одна или ни одной из обмоток.

На практике вместо переключателей используются биполярные транзисторы, чаще можно встретить драйверы на основе полевых МОП-транзисторов, благодаря возможности пропускания большего тока, а также возможности их перегрузки. Транзистор здесь действует как переключатель, он либо закрыт, либо полностью открыт.

Упрощенная схема управления униполярным шаговым двигателем

Чтобы управлять таким мотором, надо обеспечить соответствующую последовательность импульсов. Например, только одна из четырех обмоток шагового двигателя находится под напряжением одновременно (это своего рода волновое управление). На каждый цикл двигателя подается питание на одну из четырех катушек униполярного шагового двигателя. Вращение его будет выглядеть так:

Вращение униполярного шагового двигателя в последовательных тактах цикла управления волной

Управляющая последовательность A +, B +, A-, B- повторяется каждые четыре импульса тактового генератора. Этот тип управления называется однофазным или волновым. Это полный шаг управления, потому что двигатель выполняет один полный ход (шаг) с одним импульсом генератора.

Последовательность импульсов A +, B +, A -, B – вращает двигатель в одном направлении. Смена полюсов статора (N, S) заключается в питании соответствующей катушки (A + или A -). 

Самый простой способ изменить направление – поменять местами одну пару проводов катушки (поменять местами, например, B + с B – и B – с B +), затем дадим последовательность A +, B -, A -, B + импульсы, он вращает двигатель в противоположном направлении. Так управление направлением реализовано в некоторых контроллерах шаговых двигателей. Самый простой способ изменить последовательность импульсов – использовать, например, реле.

Форма волны (однофазная) импульсная последовательность драйвера

Упрощенная схема однофазного (волнового) регулятора с изменением направления вращения

Несомненное преимущество униполярных шаговых двигателей – простота управления. Но это связано с волновым управлением, с использованием только половины обмотки за раз, одна из них всегда не используется. Используется только 1/4 всех обмоток шагового двигателя, что значительно снижает максимальную производительность.

Двухфазное управление шаговым мотором

Гораздо лучшей альтернативой однофазному управлению будет двухфазное, при котором работают две из четырех обмоток шагового двигателя. В таком управлении используем 1/2 всех обмоток. Тогда мотор станет более эффективен.

Вращение двигателя при двухфазном полноступенчатом управлении

Две катушки шагового двигателя всегда находятся под напряжением. Опять же, мы никогда не питаем две катушки из одной пары одновременно. С каждым импульсом от генератора переключается только одна катушка из отдельных пар (последовательно). В первом цикле катушки A и B находятся под напряжением, во втором катушка A все еще находится под напряжением, в то время как катушка B переключается на B +, в третьем цикле катушка B + находится под напряжением из второго цикла, и катушка A переключается на A + и так далее.

Двухфазная последовательность управляющих импульсов

Формы сигналов A + и B + сдвинуты друг к другу (две из четырех обмоток всегда работают в заданном цикле), а сигналы A + и B- инвертируются с сигналами A + и B +. Такие формы сигналов (смещенные относительно друг друга) легко генерируются, например, благодаря интегральной микросхеме 4013, которая имеет два D-триггера. Также можно использовать микроконтроллер. Изменение направления вращения в таком контроллере, как и при однофазном (волновом) управлении, может быть реализовано путем изменения направления проводов одной пары концов катушки (изменение с A + на A – и A – на A +). Чаще всего изменение скорости основано на изменении логики последовательности управляющих импульсов. Мы можем сделать это, например, используя логические элементы XOR, которые будут отрицать сигналы (инвертировать их).

Упрощенная схема двухфазного контроллера с изменением направления вращения, D-триггерами для создания смещенных сигналов и логическими вентилями XOR

Оба типа управления представленные выше: однофазный (волновой) и двухфазный (инвертированные сигналы, управляющие транзисторами), в просторечии, являются униполярными типами управления, потому что используем униполярные шаговые двигатели с дополнительными ответвлениями обмотки. Также в биполярных шаговых двигателях, где работает вся обмотка, мы встречаемся с однофазным и двухфазным управлением, там идея работы аналогична.

Также стоит упомянуть моторы VR (реактивного сопротивления). Двигатели VR обычно имеют три обмотки. Чтобы управлять таким двигателем, нам нужно подавать отдельные обмотки одну за другой в последовательности A, B, C, A, B, C… это заставит двигатель вращаться в одном направлении, в то время как последовательность питания обмотки A, C, B, A, C, B… заставит его вращаться в противоположном направлении. Самый простой способ изменить направление – поменять местами концы двух обмоток шагового двигателя VR, и проще всего это сделать с помощью реле.

Упрощенная схема драйвера резистивного шагового двигателя

Последовательность импульсов управления шаговым двигателем

Последовательность импульсов драйвера реактивного шагового двигателя очень похожа на волновое управление.

Биполярное управление обеспечивает более эффективное использование шагового двигателя, при котором всегда работает вся обмотка шагового двигателя, что дает гораздо лучшую производительность на низких и средних скоростях. А крутящий момент примерно на 30 – 40% больше. Но для этого требуется изменить полярность питания катушки, изменив направление тока в обмотках (например поменяв местами концы катушек). Для этого используются два транзисторных моста H (название происходит от сходства с буквой H на схеме), которые состоят из двух ветвей, а каждая ветвь состоит из двух транзисторов. Чаще всего для построения такого моста используются биполярные транзисторы NPN или MOSFET N.

Биполярный драйвер требует более сложного управления из-за того, что нужно управлять каждым из восьми транзисторов индивидуально. Взамен получаем все возможности шагового двигателя, хотя реализация такого типа управления не самая простая.

Принцип работы такого моста основан на том, что если верхний транзистор проводит в одной ветви, а нижний транзистор в другой, и наоборот, то через катушку шагового двигателя будет протекать ток. Если два верхних или два нижних транзистора проводят одновременно в двух ветвях одного моста, то ток через катушку не будет протекать. Путем соответствующего управления транзисторами получаем изменение направления тока, протекающего через катушку, и, таким образом, изменение полярности катушки.

Также в биполярных контроллерах имеем дело с однофазным (волновым) и двухфазным управлением. Оба элемента управления являются полношаговыми. При однофазном управлении, как и в униполярных шаговых двигателях, в следующем цикле запитывается только одна катушка,

Вращение биполярного шагового двигателя в последовательных тактах однофазного (волнового) цикла управления

Вращение биполярного шагового двигателя в последовательных тактах двухфазного цикла управления

Упрощенная схема драйвера для биполярных двигателей с транзисторными Н-мостами

Последовательность импульсов для питания катушек идентична униполярному двигателю, но в этом случае нет четырех сигналов на транзисторы, только восемь сигналов на восемь транзисторов. Каждым из них нужно управлять индивидуально, переключая соответствующие транзисторы в нужный момент. Ток протекает через катушку, когда один верхний транзистор и один нижний транзистор включены «крест-накрест», то есть 1 и 3 на схеме, другие 2 и 4 в катушке A шагового двигателя закрыты. Но когда выключаем 1 и 3 и включаем 2 и 4, то меняем направление тока в катушке.

Включаем транзисторы «крестом» в катушке A и B. Напряжение питания катушки задается как в униполярном управлении, в то время как «массовый» транзистор подключается крест-накрест к присоединенному верхнему силовому транзистору. Можем если надо изменить скорость, изменив управление двумя концами одной катушки, что приведет к другой последовательности импульсов. Самый простой способ – использовать реле, как при униполярном управлении, также можно реверсировать сигналы, управляющие транзисторами.

Ход управления катушками в биполярном шаговом двигателе волнового управления

Чтобы понять идею, можно сказать что на схеме показано питание проводов биполярного шагового двигателя, т.е. высокое состояние означает напряжение на конкретном проводе (A +, B +, A -, B -), а низкое состояние – появление заземления на отдельных проводах в заданном цикле. Здесь меняем направление тока в катушках, в первом импульсе (в первом цикле) генератор A + земля A – питается от генератора, а в третьем A – земля A + подается, меняя «полярность» источника питания так, чтобы меняли полярность катушек, например N на S.

Фактически, форма сигналов управления транзисторами в H-мосте будет выглядеть как на схеме ниже. Это биполярное однофазное (волновое) управление.

Ход транзисторной последовательности управления в биполярном волновом контроллере

Идея управления катушками двухфазного биполярного двигателя аналогична управлению двухфазным униполярным шаговым мотором. Здесь также нужно управлять каждым транзистором отдельно, как в случае управления биполярной волной. Можем изменить скорость на реле, как при управлении волнами, или использовать логические вентили, меняющие сигналы.

Ход управления катушками в биполярном двигателе двухфазного управления

Эта схема, что касается управления биполярной волной, показывает соответствующий источник питания проводов биполярного шагового двигателя. Низкое состояние означает основное высокое напряжение питания катушки. В первом цикле проводники A – и B – земли A + и B + находятся под напряжением, во втором цикле проводники A – и B + земли A + и B- находятся под напряжением и так далее.

Последовательность импульсов управления транзистором будет выглядеть примерно так:

Последовательность управления транзистором в двухфазном биполярном контроллере

Как правило, биполярные шаговые двигатели требуют сложной схемы управления. Эта проблема была решена с появлением специализированных интегральных схем (A3977, A4988, L297), которые используются для генерации соответствующей последовательности импульсов для управления транзисторами в H-мосте.

Также можем использовать логические элементы или D-триггеры для генерации этой последовательности, но чаще существуют драйверы, построенные на микроконтроллерах или специализированных интегральных схемах.

Самым большим преимуществом управления биполярным шаговым двигателем является хорошо используемый крутящий момент, благодаря тому что вся обмотка находится в текущем состоянии после получения импульса (в течение одного цикла).

Двигатели PM (с постоянным магнитом) и HB (гибридные), несмотря на их различную конструкцию, управляются одинаково. Каждый двигатель с 4 контактами может управляться только биполярно, в то время как униполярный шаговый двигатель с 6 контактами может работать как биполярный, так и униполярный.

Двигатели с 8 выводами дают гораздо больше возможностей, они могут работать как однополярные, так и биполярные. Кроме того, шаговый двигатель можно подключить последовательно, где нужно подавать на него более высокое напряжение, но в то же время он будет потреблять меньше тока, что приведет к снижению мощности на более высоких скоростях.

Также можем подключить его параллельно и запитать от более низкого напряжения, но с более высоким током. Это даст меньше потерь мощности на более высоких скоростях. На низких скоростях, как при последовательном, так и при параллельном подключении, двигатель будет иметь одинаковый крутящий момент (мощность).

Схема последовательного и параллельного подключения 8-проводного шагового двигателя

Идея последовательного и параллельного подключения также может быть использована с 6-проводным униполярным двигателем.

Схема последовательного и параллельного подключения 6-проводного шагового двигателя

Следует отметить, что при управлении шаговым двигателем мы переключаем обмотки, имеющие некоторую индуктивность. Когда ток прерывается в индуктивности, генерируется напряжение самоиндукции, которое может быть большим и повредить транзистор. Чтобы исключить это явление, необходимо правильно обеспечить протекание тока в катушке даже после выключения транзистора. Наиболее распространены быстродействующие диоды, которые срезают всплески, возникающие при открытии транзистора. Также можете найти драйверы с конденсаторами вместо диодов.

Схема подключения диодов к униполярному драйверу на биполярных транзисторах

Верхние диоды на схеме отсекают положительные импульсы, образовавшиеся в результате отключения тока от катушек шагового двигателя. С другой стороны, нижние диоды тоже нужны, потому что две обмотки одной пары образуют автотрансформатор. Когда в одной катушке есть положительное перенапряжение, отсекаемое верхним диодом, в другой катушке той же пары происходит отсечение отрицательного перенапряжения нижним диодом.

Иная ситуация с использованием MOSFET-транзисторов, потому что транзистор уже имеет в своей структуре переход сток-исток, который в данном случае действует как диод. При использовании небольших двигателей верхние диоды можно не устанавливать. Положительная энергия вывода не очень велика и может быть поглощена транзистором, который кратковременно работает в разрешенном режиме лавинного пробоя и действует как стабилитрон.

Схема униполярного шагового двигателя с MOSFET транзисторами

Также используем тот же принцип для биполярного управления. При использовании MOSFET-транзисторов можем использовать встроенные «диоды» в транзисторе.

Схема использования диодов в биполярных драйверах

Схема биполярного шагового двигателя с MOSFET транзисторами

Ещё стоит упомянуть инерцию обмоток, ограничивающую скорость нарастания тока. Каждая из катушек шагового двигателя имеет определенную индуктивность L и сопротивление R. После подачи напряжения на катушку ток I определяется напряжением питания катушки (VCC) и ее сопротивлением, то есть I = VCC / R. Он не сразу достигает значения, определяемого L iR. Ток постепенно увеличивается, а постоянная времени нарастания составляет T = L / R. Обычно это 10 мс, поэтому период прямоугольной волны должен составлять 20 мс или 50 Гц, чтобы обеспечить 10 мс высокого состояния длительности импульса для катушки для достижения полного тока.

На низких частотах (скоростях) это значения не имеет, а на более высоких частотах ток не успеет увеличиться до нужного значения. Следовательно, двигатель будет значительно терять крутящий момент при увеличении оборотов, из-за того что ток не успевает увеличиться до номинального тока мотора.

Лучшее решение этой проблемы – подать на двигатель напряжение, намного превышающее номинальное напряжение его работы. Из-за более высокого напряжения ток нарастает быстрее. Правда для этого требуется специальная схема, ограничивающая ток протекающий по обмоткам.

Среди других решений – использование резистора, который выбирается так, чтобы ток в установившемся режиме был равен номинальному току двигателя. Недостатком такой системы являются большие потери мощности на резисторе.

Схема использования резистора для ограничения тока в обмотках шагового двигателя

Иное решение – заменить резисторы на источник тока, который будет поддерживать заданное значение. Сначала на катушку подается высокое напряжение, которое ускоряет нарастание тока, затем источник будет поддерживать заданное значение тока катушки. Правда потери мощности по-прежнему являются большим недостатком, на этот раз на транзисторах, из-за высокого напряжения питания.

Схема использования источника тока для ограничения тока в обмотках шагового двигателя

Другой способ – работать от двух источников питания. В первые моменты импульса катушка питается от более высокого напряжения, которое ускоряет рост тока, затем она переключается на второй источник с номинальным напряжением питания шагового двигателя. 

Недостатком такого решения является необходимость использования двух источников, что связано с дополнительными преобразователями. На схеме ниже переключатели используются для иллюстрации идеи переключения источников напряжения.

Упрощенная схема использования двух источников питания для регулирования тока в обмотках шагового двигателя

Самый эффективный метод – чопперский. Он заключается в подаче на катушку двигателя не одиночных импульсов, а серии импульсов по форме напоминающих сигнал ШИМ. В первый момент импульса от генератора прикладывается более высокое напряжение, которое ускоряет нарастание тока, позже оно ограничивается циклической работой транзистора.

Фрагмент схемы биполярного контроллера с технологией чоппера

Форма сигнала прерывателя для управления транзистором

Напоминаем, что в первые моменты управляющего импульса продлеваем включение транзистора, что позволяет быстрее увеличить ток, благодаря гораздо более высокому напряжению VCC, чем номинальное напряжение мотора. В следующие моменты импульса значительно сокращаем время транзистора, он работает циклически и тем самым ограничивает напряжение до номинального рабочего напряжения шагового двигателя. Компаратор, который будет сравнивать напряжения решает, когда сигнал управления транзистора должен быть переключен с постоянного на прерывистый. Благодаря этому есть возможность регулировать ток, подаваемый на катушку шагового двигателя.

Схема использования компаратора в биполярном контроллере

Эта схема очень эффективна и позволяет регулировать ток катушки независимо от напряжения питания, изменяя напряжение Vs.

Напряжение питания катушки VCC намного выше, чем рабочее напряжение обмотки, а это означает что после включения транзистора ток достигает своего рабочего значения намного быстрее, за гораздо более короткое время чем постоянная времени L / R. После достижения порогового значения (установленного Vs) компаратор сравнивает падение напряжения на управляющем резисторе Rs с напряжением Vs. Если ток двигателя и, следовательно, падение напряжения на Rs увеличиваются выше напряжения Vs, компаратор запускает моностабильный триггер, который излучает один импульс и на короткое время отключает напряжение питания катушки, что снижает ток, а затем цикл повторяется с начала.

В результате компаратор и триггер циклически открывают и закрывают транзистор, что предотвращает повышение напряжения катушки до напряжения питания VCC. За счет циклической работы транзистора ограничивается напряжение питания катушки шагового двигателя. Тогда течение имеет пилообразную волну. Ниже представлена диаграмма тока в обмотке прерывателя.

График импульсов тока в обмотке

Этот управляющий сигнал с прерывистой катушкой позволяет увеличить крутящий момент шагового двигателя, особенно при более высоких скоростях вращения. Конечно потребуется еще более интеллектуальная система управления (эта проблема была решена с появлением встроенных драйверов шаговых двигателей и микроконтроллеров), но она позволяет ускорить процесс увеличения тока благодаря подаче гораздо более высокого напряжения на более высокие частоты от генератора, без значительных потерь энергии или использования двух разных источников питания. Тут понадобится только один блок питания с относительно высоким напряжением.

Очень хорошая альтернатива, особенно в тех случаях когда драйвер не нуждается в специальных функциях, – использовать готовые интегральные микросхемы драйверов шаговых двигателей. Многие производители предлагают широкий спектр специализированных чипов, разработанных специально для управления шаговыми двигателями.

Обмотки шаговых двигателей чаще всего управляются формой сигнала ШИМ через H-мосты, по одному на обмотку. Угол поворота пропорционален количеству импульсов, а скорость вращения – их частоте. При работе с полными ступенями довольно много шума и вибрации. К сожалению, также могут быть случаи пропуска ступеней («выход») и, как следствие, потеря контроля над положением ротора. Эта проблема решается за счет использования микрошагов, таким образом питая обмотки так, что ротор проходит через промежуточные положения за один полный шаг.

Если для быстрой остановки двигателя требуется еще несколько шагов, важно правильно определить состояние перехода и остановки. В этом случае желательно управление с обратной связью в отличие от абсолютного позиционирования с обратной связью, основанного на подсчете шагов. Существует адаптивное управление скоростью шагового двигателя, позволяющее остановить его как можно скорее, несмотря на возможное увеличение нагрузки на этом этапе.

Это возможно на основании наблюдения увеличения BENF и соответствующего увеличения частоты импульсов, питающих двигатель. Вышеописанный алгоритм реализован в интегрированном однокристальном контроллере AMIS-30624. Он настроен для работы с различными типами шаговых двигателей, диапазонами позиционирования и такими параметрами, как скорость, ускорение и замедление.

Схема контроллера AMIS-30624

Он имеет встроенный бессенсорный детектор потери шага, который предотвращает потерю шагов позиционером и быстро останавливает двигатель при его остановке. Это обеспечивает тихую, но точную калибровку во время эталонного прогона и позволяет работать с полузамкнутым контуром. AMIS-30624 включает в себя как аналоговые цепи высокого напряжения, так и цифровые блоки управления. Чип разработан для применений в автомобильной, промышленной и строительной отраслях.

   Форум

Схема драйвера шагового двигателя

Краткое описание

Введение

Драйвер шагового двигателя представляет собой схему или устройство, которое обеспечивает необходимый ток и напряжение для шагового двигателя, чтобы обеспечить его бесперебойную работу. Шаговый двигатель — это тип двигателя постоянного тока, который вращается ступенчато.

[adsense1]

Основное различие между простым двигателем постоянного тока и шаговым двигателем заключается в том, что с помощью шагового двигателя мы можем добиться точного позиционирования с помощью цифрового управления.

Шаговый двигатель вращается точно за счет синхронизации импульсных сигналов от контроллера, которые подаются через драйвер. Драйвер шагового двигателя — это схема, которая принимает импульсные сигналы от контроллера и преобразует их в движение шагового двигателя.

В этом проекте мы разработали простую схему драйвера шагового двигателя на 12 В, используя микросхему таймера 555 (действующую как контроллер), счетчик декад CD4017 (действующий как драйвер) вместе с несколькими другими компонентами.

[адсенс2]

Принципиальная схема

Необходимые компоненты

• 555 Таймер IC
• CD4017 Счетчик декад Джонсона (10 декодированных выходов)
• 4 транзистора 2N2222 NPN
• 4 соединительных диода 1N4007 PN
• Резисторы 4 x 1 кОм (1/4 Вт)
• Резистор 2,2 кОм (1/4 Вт)
• Резистор 470 Ом (1/4 Вт)
• Потенциометр 100 кОм (ручка)
• Керамический дисковый конденсатор 100 пФ (код — 101) (также читается как 0,1 нФ)
• 1 мкФ, 16 В, поляризованный конденсатор
• Шаговый двигатель 12 В (униполярный, 5 проводов)
• Соединительные провода
• Макетная плата (макетная плата)
• Блок питания 12 В

Компонент Описание

555 ИС таймера

IC 555 — очень известная ИС таймера, которая часто используется для временных задержек, генерации импульсов и многих приложений генератора. IC 555 имеет три режима работы, а именно нестабильный мультивибратор (генератор импульсов), моностабильный мультивибратор (временные задержки) и бистабильный мультивибратор (флип-флоп). В этом проекте мы использовали эту микросхему 555 для генерации импульса, т.е. в нестабильном режиме работы.

CD4017 ИС счетчика декад

CD4017 представляет собой ИС счетчика, которая производит 10 декодированных выходов и, следовательно, счетчик декад. Эти счетчики часто используются в дисплеях, операциях деления частоты, двоичных счетчиках и т. д.

Но в этом проекте мы используем микросхему счетчика CD4017 в качестве драйвера шагового двигателя. И, следовательно, эта схема драйвера шагового двигателя по сути является схемой двоичного счетчика.

Шаговый двигатель

В этом проекте используется шаговый двигатель 12 В. Это шаговый двигатель униполярного типа с 5-проводной конфигурацией. В основном, шаговые двигатели классифицируются на униполярные шаговые двигатели и биполярные шаговые двигатели, основанные на обмотках статора. На следующем изображении показан биполярный шаговый двигатель с его обмоткой.

Схема драйвера для униполярного шагового двигателя может быть построена с помощью нескольких транзисторов или микросхемы на транзисторе Дарлингтона, такой как ULN2003.

Но для схемы драйвера биполярного шагового двигателя требуется соединение по типу Н-мост. Следовательно, мы используем микросхемы H-моста, такие как L293D, для управления биполярными шаговыми двигателями.

Схема

Мы начнем с генератора прямоугольных импульсов, т.е. 555 IC в нестабильном режиме. Резистор 2,2 кОм подключен между VCC и выводом разрядки 555 (вывод 7).

Потенциометр на 100 кОм подключается между выводом разрядки (вывод 7) и выводом порога (вывод 6), который, в свою очередь, замыкается на контакт триггера (вывод 2).

Конденсатор емкостью 1 мкФ подключается между выводом триггера (вывод 2) и заземлением. Байпасный конденсатор емкостью 100 пФ подключен к выводу управляющего напряжения (вывод 5). Другие контакты, то есть VCC (контакт 8), подключены к источнику питания 12 В, контакт сброса (контакт 4) к источнику питания 12 В, а контакт заземления (контакт 1) к GND.

Выход микросхемы таймера 555, т. е. контакт 3, используется как тактовый вход для микросхемы счетчика CD4017, т. е. ее 14-го контакта. Контакты VDD и VSS CD4017, то есть контакты 16 и 8, подключены к источнику питания 12 В и заземлению соответственно. Контакт включения (контакт 13) подключен к земле.

Нам нужно контролировать 4 клеммы двух катушек шагового двигателя. Следовательно, нам нужно всего 4 выхода от драйвера. Эти выходы от Q0 до Q3, т.е. контакты 3, 2, 4 и 7 соответственно. Выходы счетчика подключены к базовым выводам 4-х транзисторов через отдельные резисторы 1 кОм.

Счетчик должен сбрасываться при пятом импульсе и, следовательно, Q4 (вывод 10), который ни что иное, как пятый выход, подключен к выводу сброса CD4017, т.е. к выводу 15, и этот вывод подключен к GND через резистор 470 Ом.

Шаговый двигатель униполярного типа с 5-проводной конфигурацией. Центральный контакт закорочен внутри и подключен к источнику питания (здесь 12 В).

Остальные 4 вывода шагового двигателя являются концами двух катушек. Они должны быть подключены к выводам коллектора четырех транзисторов.

Важно, чтобы они были подключены в порядке срабатывания выходов. Наконец, четыре диода подключены между клеммами коллектора и питания. Диоды очень важны, так как они защищают транзисторы от индуктивных выбросов.

Работа схемы драйвера шагового двигателя

Работа этой схемы драйвера шагового двигателя очень проста. Мы увидим пошаговое рабочее объяснение. Во-первых, микросхема таймера 555 сконфигурирована как нестабильный мультивибратор, т. е. действует как генератор прямоугольных импульсов.

В зависимости от положения потенциометра частота прямоугольной волны будет варьироваться от 7 Гц до 340 Гц.

Этот прямоугольный импульс подается на микросхему счетчика CD4017 в качестве входного сигнала тактового сигнала. Для каждого положительного перехода тактового сигнала, т. е. перехода с низкого уровня на высокий, выход счетчика увеличивается на один счет.

Для первого положительного перехода на тактовой частоте Q0 будет высоким, для второго положительного перехода Q1 будет высоким и так далее.

Поскольку нам нужно только 4 выхода, пятый выход, т.е. Q4, подключается к контакту Reset, так что счетчик сбрасывается и счет начинается снова.

Выходы микросхемы счетчика CD4017 подключены к 4 различным транзисторам, которые, в свою очередь, подключены к 4 выводам катушки шагового двигателя. Мы можем лучше понять это из следующей диаграммы.

Предположим, что точки A, B, C и D являются контактами катушек, подключенных к транзисторам. Общий провод в шаговом двигателе подается на питание 12В.

Когда на CD4017 подается первый тактовый сигнал, Q0 становится ВЫСОКИМ. Это включит соответствующий транзистор.

В результате питание от общего провода идет через точку А на землю. Это возбуждает катушку и действует как электромагнит. Ротор притянется и повернется в это положение.

Во время второго тактового импульса выход Q1 становится ВЫСОКИМ, и в результате связанный с ним транзистор включается. Теперь ток течет от общего провода к GND через точку B.

Следовательно, эта катушка будет под напряжением и превратится в электромагнит. Это приведет к дальнейшему вращению ротора. Этот процесс продолжается и в зависимости от частоты тактового сигнала изменяется скорость вращения шагового двигателя.

Преимущества

• Самодельный драйвер шагового двигателя предназначен для управления униполярными шаговыми двигателями.
• Используя этот драйвер шагового двигателя, мы можем избежать дорогостоящих специализированных плат драйвера шагового двигателя.

Недостатки

• Эта конструкция неэффективна.
• Требуется много сложной проводки для небольшого приложения.

Видео построения и вывода

Схема драйвера шагового двигателя

4 месяца назад 10 месяцев назад by Shagufta Shahjahan

8 185 просмотров

Цепь двоичного счетчика декад теоретически является схемой привода двигателя. Преимущества этой схемы в том, что ее можно использовать для работы 2-10-шаговых шаговых двигателей. Давайте поговорим об основах шагового двигателя, прежде чем двигаться дальше.

Шаговый двигатель не работает от постоянного источника питания. Только регулируемые и упорядоченные импульсы мощности могут привести его в действие. Мы должны обсудить УНИПОЛЯРНЫЕ и БИПОЛЯРНЫЕ шаговые двигатели, прежде чем идти дальше. Мы можем взять центр, отводящий все обмотки для общей местности или общей мощности, как это видно в ОДНОПОЛЯРНОМ шаговом двигателе.

Buy from Amazon

Hardware Components

The following components are required to make Stepper Motor Driver Circuit

NE555 IC Pinout

Для получения подробного описания схемы выводов, размеров и технических характеристик загрузите техническое описание микросхемы NE555

CD4017 Схема контактов

Для получения подробного описания схемы выводов, размеров и технических характеристик загрузите техническое описание CD4017

Схема драйвера шагового двигателя

Схема работы

На рисунке показана принципиальная схема двухкаскадного драйвера шагового двигателя. ИС таймера 555 теперь производит часы или прямоугольную волну, как показано на принципиальной схеме. В этом случае тактовая частота не может постоянно поддерживаться, поэтому шаговый двигатель должен иметь переменную скорость вращения.

Потенциометр или пресет с резистором 1 кОм в ответвлении между 6-м и 7-м контактами задается для достижения этой переменной скорости. Сопротивление меняется в зависимости от горшка, поэтому 555 изменений в ответвлении дают тактовую частоту.

На рисунке важна только третья формула. Вы можете видеть, что частота обратно пропорциональна R2, что составляет 1 K + 220 K POT в цепи. Таким образом, увеличение R2 вызывает снижение частоты. И затем частота уменьшается, если горшок меняется, чтобы увеличить сопротивление ветви.

Счетчик DECADE BINARY поставляется вместе с часами, созданными микросхемой таймера 555. Двоичный счетчик теперь подсчитывает количество импульсов, подаваемых на часы, и формирует высокий вывод для соответствующего вывода.