Рано или поздно, при постройке робота, возникнет нужда в точных перемещениях, например, когда захочется сделать манипулятор. Вариантов тут два — сервопривод , с обратными связями по току, напряжению и координате, либо шаговый привод. Сервопривод экономичней, мощней, но при этом имеет весьма нетривиальную систему управления и под силу далеко не всем, а вот шаговый двигатель это уже ближе к реальности.
Шаговый двигатель
это, как понятно из его названия, двигатель который вращается дискретными перемещениями
. Достигается это за счет хитрой формы ротора и двух (реже четырех) обмоток. В результате чего, путем чередования направления напряжения в обмотках можно добиться того, что ротор будет по очереди занимать фиксированные значения.
В среднем, у шагового двигателя на один оборот вала, приходится около ста шагов. Но это сильно зависит от модели двигателя, а также от его конструкции. Кроме того, существуют полушаговый
и микрошаговый режим
, когда на обмотки двигателя подают ШИМованное напряжение, заставляющее ротор встать между шагами в равновесном состоянии, которое поддерживается разным уровнем напряжения на обмотках. Эти ухищрения резко улучшают точность, скорость и бесшумность работы, но снижается момент и сильно увеличивается сложность управляющей программы — надо ведь расчитывать напряжения для каждого шага.
Один из недостатков шаговиков, по крайней мере для меня, это довольно большой ток. Так как на обмотки напруга подается все время, а такого явления как противоЭДС в нем, в отличии от коллекторных двигателей, не наблюдается, то, по сути дела, мы нагружаемся на активное сопротивление обмоток, а оно невелико. Так что будь готов к тому, что придется городить мощный драйвер на MOSFET транзисторах или затариваться спец микросхемами.
Типы шаговых двигателей
Если не углубляться во внутреннюю конструкцию, число шагов и прочие тонкости, то с пользовательской точки зрения существует три типа:
- Биполярный — имеет четыре выхода, содержит в себе две обмотки.
- Униполярный — имеет шесть выходов. Содержит в себе две обмотки, но каждая обмотка имеет отвод из середины.
- Четырехобмоточный — имеет четыре независимые обмотки. По сути дела представляет собой тот же униполярник, только обмотки его разделены. Вживую не встречал, только в книжках.
Где взять шаговый двигатель.
Вообще шаговики встречаются много где. Самое хлебное место — пятидюймовые дисководы
и старые матричные принтеры
. Еще ими можно поживиться в древних винчестерах на 40Мб, если, конечно, рука поднимется покалечить такой антиквариат.
А вот в трехдюймовых флопарях нас ждет облом — дело в том, что там шаговик весьма ущербной конструкции — у него только один задний подшипник, а передним концом вал упирается в подшипник закрепленный на раме дисковода. Так что юзать его можно только в родном креплении. Либо городить высокоточную крепежную конструкцию. Впрочем, тебе может повезет и ты найдешь нетипичный флопарь с полноценным движком.
Схема управления шаговым двигателем
Я разжился контроллерами шаговиков L297
и мощным сдвоенным мостом L298N.
Лирическое отступление, при желании можно его пропустить
Схема включения L298N+L297 до смешного проста — надо тупо соединить их вместе. Они настолько созданы друг для друга, что в даташите на L298N идет прямой отсыл к L297 , а в доке на L297 на L298N .
Осталось только подключить микроконтроллер.
- На вход CW/CCW подаем направление вращения — 0 в одну сторону, 1 — в другую.
- на вход CLOCK — импульсы. Один импульс — один шаг.
- вход HALF/FULL задает режим работы — полный шаг/полушаг
- RESET сбрасывает драйвер в дефолтное состояние ABCD=0101.
- CONTROL определяет каким образом задается ШИМ, если он в нуле, то ШИМ образуется посредством выходов разрешения INH1 и INH2 , а если 1 то через выходы на драйвер ABCD. Это может пригодится, если вместо L298 у которой есть куда подключать входы разрешения INH1/INH2 будет либо самодельный мост на транзисторах, либо какая-либо другая микросхема.
- На вход Vref
надо подать напряжение с потенциометра, которое будет определять максимальную перегрузочную способность. Подашь 5 вольт — будер работать на пределе, а в случае перегрузки сгорит L298
, подашь меньше — при предельном токе просто заглохнет. Я вначале тупо загнал туда питание, но потом передумал и поставил подстроечный резистор — защита все же полезная вещь, плохо будет если драйвер L298
сгорит.
Если же на защиту пофигу, то можешь заодно и резисторы, висящие на выходе sense выкинуть нафиг. Это токовые шунты, с них L297 узнает какой ток течет через драйвер L298 и решает сдохнет он и пора отрубать или еще протянет. Там нужны резисторы помощней, учитывая что ток через драйвер может достигать 4А, то при рекомендуемом сопротивлении в 0.5 Ом, будет падение напряжения порядка 2 вольт, а значит выделяемая моща будет около 4*2=8 Вт — для резистора огого! Я поставил двухваттные, но у меня и шаговик был мелкий, не способный схавать 4 ампера.
Часть 2. Схемотехника систем управления
Выше были рассмотрены наиболее важные общие вопросы использования шаговых двигателей, которые помогут в их освоении. Но, как гласит наша любимая украинская поговорка: «Не повірю поки не провірю» («Не поверю, пока не проверю»). Поэтому перейдем к практической стороне вопроса. Как уже отмечалось, шаговые двигатели - это удовольствие не из дешевых. Но они имеются в старых принтерах, считывателях гибких и лазерных дисков, например, SPM-20 (шаговый двигатель для позиционирования головки в дисководах 5"25 Mitsumi) или EM-483 (от принтера Epson Stylus C86), которые можно найти у себя в старом хламе или купить за копейки на радиобазаре. Примеры таких двигателей представлены на Рисунке 8.
Наиболее простыми для начального освоения являются униполярные двигатели. Причина кроется в простоте и дешевизне их драйвера управления обмотками. На Рисунке 9 приведена практическая схема драйвера, использованного автором статьи для униполярного шагового двигателя серии P542-M48 .
Естественно, что выбор типа транзистора для ключей управления обмотками должен происходить с учетом максимального тока коммутации, а его подключение учитывать необходимость заряда/разряда емкости затвора. В ряде случаев прямое соединение MOSFET с ИМС коммутатора может быть недопустимым. Как правило, в затворах устанавливаются последовательно включенные резисторы небольших номиналов. Но в ряде случае необходимо предусмотреть еще и соответствующий драйвер для управления ключами, который обеспечит заряд/разряд их входной емкости. В некоторых решениях предлагается в качестве ключей использовать биполярные транзисторы. Это подходит только для очень маломощных двигателей с небольшим током обмоток. Для рассматриваемого двигателя с рабочим током обмоток I = 230 мА ток управления по базе ключа должен составить, по крайней мере, 15 мА (хотя для нормальной работы ключа необходимо, чтобы ток базы равнялся 1/10 рабочего, то есть 23 мА). Но такой ток от микросхем серии 74HCхх забрать невозможно, поэтому потребуются дополнительные драйверы. Как хороший компромисс, можно использовать IGBT, сочетающие в себе достоинства полевых и биполярных транзисторов.
С точки зрения автора статьи, самым оптимальным для управления коммутацией обмоток двигателей небольшой мощности является использование подходящих по току и сопротивлению открытого канала R DC(ON) MOSFET, но с учетом рекомендаций, описанных выше. Мощность, рассеиваемая на ключах для выбранного в качестве примера двигателя серии P542-M48, при полной остановке ротора не превысит
P VT = R DC(ON) × I 2 = 0.25 × (0.230) 2 = 13.2 мВт.
Еще одним важным моментов является правильный выбор так называемых снаберных диодов, шунтирующих обмотку двигателя (VD1…VD4 на Рисунке 9). Назначение этих диодов - гасить ЭДС самоиндукции, возникающую при выключении управляющих ключей. Если диоды выбраны неверно, то неизбежен выход из строя транзисторных ключей и устройства в целом. Обратите внимание, что в мощные MOSFET такие диоды, как правило, уже встроены.
Режим управления двигателем задается коммутатором. Как уже было отмечено выше, наиболее удобным и эффективным является управление с перекрытием фаз (Рисунок 4б). Такой режим легко реализуется при помощи триггеров. Практическая схема универсального коммутатора, который использовал автор статьи как в ряде отладочных модулей (в том числе, и с приведенным выше драйвером), так и для практических применений, приведена на Рисунке 10.
Схема на Рисунке 10 пригодна для любых типов двигателей (униполярных и биполярных). Частота вращения двигателя задается внешним тактовым генератором (скважность любая), сигнал с которого подается на вход «ШАГИ», а направление вращения устанавливается через вход «НАПРАВЛЕНИЕ». Оба сигнала имеют логические уровни и, если для их формирования используются выходы с открытым коллектором, то потребуются соответствующие резисторы подтяжки (на Рисунке 10 они не показаны). Временная диаграмма работы коммутатора приведена на Рисунке 11.
Хочу обратить внимание читателей: в Интернете вы могли встретить похожую схему, выполненную не на D-триггерах, а на JK-триггерах. Будьте внимательны! В ряде этих схем допущена ошибка в подключении ИМС. Если нет необходимости в реверсе, то схема коммутатора может быть значительно упрощена (см. Рисунок 12), при этом частота вращения останется неизменной, а диаграмма управления будет аналогичной той, которая приведена на Рисунке 11 (осциллограммы до переключения очередности фаз).
Поскольку особых требований к сигналу «ШАГИ» не предъявляется, для его формирования может использоваться любой подходящий по уровням выходного сигнала генератор. Для своих отладочных модулей автор использовал генератор на базе ИМС (Рисунок 13).
Для питания собственно двигателя можно использовать схему, приведенную на Рисунке 14, а схему коммутатора и генератора питать или от отдельного источника питания +5 В или через дополнительный маломощный стабилизатор. Земли силовой и сигнальной частей в любом случае необходимо разделить.
Схема на Рисунке 14 обеспечивает подачу двух стабильных по уровню напряжений для питания обмоток двигателя: 12 В в рабочем режиме и 6 В в режиме удержания. (Формулы, необходимые для расчета выходного напряжения, приведены в ). Рабочий режим включается подачей высокого логического уровня на контакт «ТОРМОЗ» разъема Х1. Допустимость снижения напряжения питания определяется тем, что, как уже отмечалось в первой части статьи, момент удержания шаговых двигателей превышает момент вращения. Так, для рассматриваемого двигателя P542-M48 момент удержания с редуктором 25:6 равен 19.8 Н·см, а момент вращения всего 6 Н·см. Этот подход позволяет при остановке двигателя уменьшить потребление мощности с 5.52 Вт до 1.38 Вт! Полное отключение двигателя осуществляется подачей высокого логического уровня на контакт «ВКЛ/ВЫКЛ» разъема Х1.
Если схема управления имеет выход на транзисторах с открытым коллектором, то в ключах VT1, VT2 необходимости нет, и выходы можно подключить непосредственно вместо упомянутых ключей.
Примечание: В этом варианте использование резисторов подтяжки недопустимо!
В качестве дросселя автор использовал катушку SDR1006-331K (Bourns). Общее питание формирователя напряжения для обмоток двигателя можно уменьшить до 16 - 18 В, что не скажется на его работе. Еще раз обращаю внимание: при самостоятельном расчете не забудьте учитывать, что формирователь обеспечивает режим с перекрытием фаз, то есть необходимо закладываться на номинальный ток схемы питания, равный удвоенному максимальному току обмоток при выбранном напряжении питания.
Задача управления биполярными двигателями более сложна. Основная проблема в драйвере. Для этих двигателей требуется драйвер мостового типа, и делать его, тем более в современных условиях, на дискретных элементах - неблагодарная задача. Да, этого и не требуется, так как имеется очень большой выбор специализированных ИМС. Все эти ИМС условно можно свести к двум типам. Первый - весьма популярная у любителей робототехники ИМС L293D или ее варианты от . Они относительно недороги и подходят для управления маломощными двигателями с током обмоток до 600 мА. ИМС имеют защиту от перегрева; устанавливать ее необходимо с обеспечением теплоотвода, которым служит фольга печатной платы . Второй тип - это уже знакомая читателям по публикации в ИМС LMD18245 .
Автор использовал драйвер L293DD в схеме для управления биполярным двигателем малой мощности типа 20M020D2B 12 В/0.1 А во время изучения проблемы использования шаговых двигателей. Этот драйвер удобен тем, что содержит четыре полумостовых ключа, поэтому для управления биполярным шаговым двигателем требуется всего одна ИМС. Полная схема, приведенная в и многократно повторенная на интернет-сайтах, пригодна для использования в качестве тестовой платы. На Рисунке 15 показано включение ИМС драйвера (с привязкой к коммутатору из Рисунка 10), поскольку именно эта часть сейчас представляет для нас интерес, а Figure 6 (Bipolar Stepping-Motor Control) из спецификации не совсем понятна начинающему пользователю. Она вводит в заблуждение, например, тем, что показаны внешние диоды, которые на самом деле встроены в ИМС и прекрасно справляются с обмотками маломощных двигателей. Естественно, что драйвер L293D может работать с любым коммутатором. Выключается драйвер логическим нулем по входу R.
Примечание: ИМС L293, в зависимости от изготовителя и суффиксов, указывающих на тип корпуса, имеют различия в нумерации и количестве выводов!
В отличие от L293DD, LMD18245 является не четырех-, а двухканальным драйвером, поэтому для реализации схемы управления требуются две ИМС. 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. В качестве задающего генератора использовалась схема, приведенная ранее на Рисунке 13, но с увеличенным до 4.7 кОм сопротивлением резистора R2. Для подачи одиночных импульсов используется кнопка BH1, позволяющая сдвинуть ротор двигателя на один шаг. Направление вращения ротора определяется положением переключателя S1. Включение и выключение двигателя осуществляется выключателем S2. В положение «ВЫКЛ» ротор двигателя освобождается, и его вращение импульсами управления становится невозможным. Режим удержания уменьшает максимальный ток, потребляемый обмотками двигателя, с двух до одного ампера. Если импульсы управления не подаются, то ротор двигателя остается в зафиксированном положении с пониженной вдвое мощностью потребления. Если же импульсы подаются, то вращение двигателя в этом режиме осуществляется с пониженным на малых скоростях вращения моментом. Необходимо заметить, что поскольку при полношаговом управлении «two-phase-on » включены обе обмотки, ток двигателя удваивается, а схема драйвера должна рассчитываться исходя из требований обеспечения заданного тока двух обмоток (резисторы R3, R8).
Схема содержит описанный ранее двунаправленный двухфазовый формирователь на D-триггерах (Рисунок 10). Максимальный ток драйвера задается резистором, включенным в цепь контакта 13 ИМС LMD18245 (резисторы 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 . Ограничение тока осуществляется импульсным методом. При достижении максимально заданной величины тока выполняется его «нарезка» («chopping»). Параметры этой «нарезки» задаются параллельной RC цепочкой, подключенной к выводу 3 драйвера. Достоинством ИМС LMD18245 является то, что токозадающий резистор, не включенный непосредственно в цепь двигателя, имеет достаточно большой номинал и маленькую рассеиваемую мощность. Для рассматриваемой схемы максимальный ток в амперах, согласно приведенной в формуле, составляет:
V DAC REF - опорное напряжение ЦАП (в рассматриваемой схеме 5 В);
D - задействованные разряды ЦАП (в этом режиме используются все 16 разрядов);
R S - сопротивление токоограничивающего резистора (R3 = R8 = 10 кОм).
Соответственно, в режиме удержания (поскольку используются 8 разрядов ЦАП), максимальный ток составит 1 А.
Как можно видеть из предложенной статьи, шаговые двигатели хоть и сложнее в управлении, чем коллекторные, но не настолько, чтобы отказываться от них. Как говорили еще древние римляне: «Дорогу осилит идущий». Естественно, что на практике для многих приложений управление шаговыми двигателями целесообразно делать на основе микроконтроллеров, которые легко сформируют нужные команды для драйверов и выполнят роль коммутаторов. Дополнительную информацию и более детальное рассмотрение проблем, связанных с применением шаговых двигателей, кроме как по упомянутым выше ссылкам [ , , ], можно почерпнуть из ставшей уже классикой монографии Кенио Такаши и на специализированных интернет-сайтах, например, .
Есть еще один момент, на который автор статьи хотел бы обратить внимание читателей. Шаговые двигатели, как впрочем, и все двигатели постоянного тока, обратимы. Что имеется ввиду? Если приложить внешнее вращающее усилие к ротору, то с обмоток статора можно снять ЭДС, то есть двигатель становится генератором, причем весьма и весьма эффективным. Автор статьи экспериментировал с этим вариантом использования шаговых двигателей во время работы консультантом по силовой электронике в компании, занимающейся ветроэнергетикой. Необходимо было на простых макетах отработать ряд практических решений. По наблюдению автора статьи, эффективность шагового двигателя в таком применении была выше, чем у аналогичного по параметрам и габаритам коллекторного двигателя постоянного тока. Но это уже другая история.
Итак, задумывая драйвер на полевиках для биполярников, я и не думал что тема вызовет такой интерес и придется писать маленькую статью по сборке и настройке. Здесь будет рассматриваться драйвер как отдельный блок. Т.к. я использую блочную конструкцию. Т.е. три драйвера, интерфейсная плата, блок питания. Во первых при выходе из строя одного драйвера, просто меняется драйвер на запасной, а во вторых (и главное) планируется модернизация, мне проще снять один драйвер, и поставить модернизируемый вариант для обкатки. «Одноплатник» это уже развитие темы, и на вопросы по настройке ИБП я думаю с удовольствием ответит Dj _ smart , а также дополнит и поправит мой труд. А теперь к делу…
Пункт первый (набившим плату можно не читать J ). После травления, лужения, и сверловки, внимательно осмотрите всю плату на предмет косяков. Сопли, протравленные дорожки, и т.д. могут серьезно обломать весь кайф. Далее набиваем плату, сначала все перемычки, затем сопротивления, диоды, панели, емкости и биполярные транзисторы. Хочу обратить особое внимание на Ваше внимание, извините за… Не ленитесь перед впайкой проверить деталь на исправность. Прозвонка иногда спасает от дыма… Я зная цветовую кодировку резисторов на ура, подкалывался несколько раз, причем со спец. эффектами. Когда используешь резисторы из загашников которые годами выпаивались из всего что под руку попадет, забываешь, что при нагреве красный может стать оранжевым, а оранжевый - желтым… Впаиваем провода питания +5В, степ, GND , и провода контроля Vref . Примерно вот так это выглядит:
Пункт второй (настраиваем режимы работы и удержания). 555 я лично впаиваю в плату, кто поставил панель, значит втыкаем, блок индикации должен быть отключен. Подстроечники на середину. Вывод степ замыкаем на общий (раб. режим). Прозваниваем цепь +5В и если нет короткого, включаем питание. Тестер подключен к контрольным точкам Vref (молодец Dj _ smart , предусмотрел на плате), если номиналы подстроечников и сопротивления между ними соответствуют схеме, то подстроечником раб. режима можно регулировать напряжение около 0 - 1В т.е. ток 0 - 5А. Настроим на 1А. Тут все просто. R изм. у нас 0,2 Ом. Нам нужен 1А. 0,2х1=0,2В. Т.е. если мы установим Vref - 0,2В, ток в обмотке будет 1А. Если нам нужен ток в обмотке скажем 2,5А, то Vref =0,2х2,5=0,5В.
Короче мы выставили 0,2В.
Теперь размыкаем степ и общ. Если все элементы в норме и по схеме, то после размыкания примерно через полсекунды Vref снизится вдвое (если второй подстроечник посередине) Настраиваем им Vref удержания. У меня 50 проц. от рабочего:
Главное обратите внимание на обязательную задержку при переключении. При замыкании степ на общий, мгновенно должен включаться рабочий режим, а при размыкании уходить на удержание с задержкой 0.5с. Если задержки нет ищите проблемы, иначе при работе будут не хилые глюки. Если не заводится, идите в тему форума, не устраивайте пожаров J .
Пункт третий (настраиваем блок индикации). Печатка разведена под 315-361, как и у Dj _ smarta тоже мешок, надо куда то паять… Но в принципе туда можно паять любую пару, из наших я испытывал 502 - 503, 3102 - 3107, все пашет, только будьте внимательны с цоколевкой! Если все правильно впаяно и рабочее, то работает без проблем. Индикация вносит небольшую корректировку в Vref , так что после подключения индикации, окончательно отрегулируйте ток под свой ШД (лучше для начала 70% от номинального). Фотки как горят светодиоды делать не стал J .
Пункт четвертый, важный (297) Выключив питание втыкаем 297 на свое место. Еще раз проверяем монтаж, и элементы обвязки, если все ОК (при любом сомнении проверяем дважды) врубаем питание. Проверяем осциллографом сигнал на первой ноге, он такой:
Либо на 16 ноге, он такой:
Это означает что шим запустился, счастливчики имеющие частотомер могут померить частоту, она очень приблизительно должна соответствовать 20кГц.
ВНИМАНИЕ!!! Это важно!!! Даже если шим не запустится, логическая часть 297 будет работать, т.е. при подключении нагрузки все сигналы пойдут… Но прикиньте 24В без шима на ШД 2Ом. Так что важно убедиться в запуске генератора микросхемы.
Пункт пятый. Опять выключаем питание и вставляем IR , впаиваем полевики. При использовании ШД с током обмотки более 2,5А, необходимо полевики вынести на радиатор. Обратите внимание при впайке диодов, они могут различаться по меткам. Мне правда не встречалось (у меня в перемешку 522 и 1 N 4148 (аналог) у них цоколевка совпадает) Но учитывая что людям IR
Недавно приобрел ARDUINO в Китае. Мыслей по изготовление различных устройств- море. Мигать светодиодом на плате очень быстро надоело, захотелось чего то более существенного. Конечно надо бы заказать набор но цена его несколько завышена и пришлось что то искать в интернете, что то придумывать самому. В итоге все равно заказал в том же Китае различные датчики, реле, индикаторы… Немного попозже пришел знаменитый индикатор 1602. С ним поучился работать, тоже довольно быстро освоился. Захотелось поуправлять шаговым двигателем от CD-DVD привода. Ждать с Востока посылку 1-2 месяца не захотелось и я решил попробовать сделать драйвер самостоятельно. Нашел вот такую схему включения биполярного шагового двигателя:
Микросхемы в нашей глуши я не нашел, или заказывать микросхемы в российских интернет-магазинах по стоимости 2-3 готовых драйверов за 1 микросхему. Микросхема представляет собой Н- мост из транзисторов. Кстати включать в мост надо или составные биполярные транзисторы (так называемые сборки Дарлингтона), или полевые транзисторы. Одиночным биполярным транзисторам нужна хорошая раскачка, которую контроллер дать не может, иначе получается очень высокое падение напряжение на транзисторе из за того что он открыться не может. Т.к. хороший товарищ занимается ремонтом компьютеров, то с полевиками проблем не возникло. Сначала хотел сделать на биполярниках- но получается в 2 раза больше транзисторов, что не совсем хорошо для габаритов драйвера, да и ток они выдержат гораздо меньший. Выпаяв около десятка полевых транзисторов и почитав на них даташиты я снова впал в уныние- в интернете есть схемы только на парах полевых транзисторов n- и p- типов. И ниодной схемы на транзисторах одного типа я просто не нашел. В компьютерах же используются транзисторы n- типа. Пришлось мудрить на макетной плате небольшой девайс на полевиках, попробовал управлять светодиодами, получилось и я решил собрать готовое устройство. Драйвер не нуждается в налаживании ибо налаживать здесь практически нечего. Единственная проблема возникла с программным обеспечением. Нашел даташит на похожий двигатель и по графикам работы выставил состояния выходов. После этого осталось только подобрать delay и все- устройство готово! Собственно схема замены микросхемы L293D.
Данные транзисторов даны просто так- в мультисиме никак не смог их изменить. Я использовал транзисторы P60N03LDG в корпусе ТО-252 . В ней все довольно просто: при поступлении напряжения на один из входов U1 или U2 открываются 2 транзистора в верхнем и нижнем плече, причем крест- накрест. Таким образом переключается полярность напряжения на двигателе. А чтобы не подавалось напряжение сразу на 2 входа (это вызовет КЗ цепи питания) и использовал схему включения L293D. При таком включении NPN-транзистор не позволяет открывать сразу все 4 транзистора Н-моста. Кстати 1 двигатель будет управляться по 2 выходам Arduino, что крайне важно для экономии выходов и входов микроконтроллера. Еще условие- минусовой провод транзисторных ключей обязательно должен быть соединен с минусовым выводом платы управления. Питание подается на плату управления от Arduino, на ключи- от внешнего БП. Это позволяет подключить достаточно мощные двигатели. Все зависит от характеристик транзисторов. Итак для одного драйвера вам нужно 8 полевых транзисторов (P60N03LDG или любые другие n-канальные), любые 2 SMD-биполярных транзистора NPN (у меня стоят с маркировкой t04), smd-резисторы типоразмера 0805, и 4 такие же перемычки того же размера (на них написано 000 или просто 0). Все эти детали можно найти на старых и негодных материнских платах. Обязательно проверьте детали перед установкой.
Плата драйвера Arduino
Выкладываю плату в формате Layout6. . Замечу что у вас должен получится именно такой вид- надписи должны быть читабельными а не перевернутыми, учитывайте это при печати платы, детали ведь будут установлены со стороны дорожек. Разъемы тоже выпаиваем из материнки феном, отрезаем сколько по надо количеству пинов и впаиваем в нашу плату- так гораздо удобнее и надежнее нежели чем паять провода в плату. Разберемся с назначением выводов: выводы Out1 и Out2- подключение обмоток шагового двигателя, In1,2- вход от Arduino, ±5V- питание управления от Arduino (сделал двойной разъем т.к. подключать питание можно шлейфом сразу к нескольким блокам), 2 перемычки располагаются на другой стороне платы, по ним подается напряжение на ключи. Размер платы- 43х33мм. Кто желает- может еще больше минимизировать.
Разберемся с программным обеспечением для шагового двигателя. Для любого шагового двигателя необходимо найти даташит или, на худой конец, диаграмму его работы. Я нашел только диаграмму, она выглядит так:
Диаграмма работы шагового двигателя
Цифрами указаны номера шагов. Исходя из того что при переключении контроллером высокого уровня на низкий драйвер сам переключит нужные ключи, то пишем, например, состояния только для верхних графиков каждой обмотки. Первый шаг: первая обмотка- первый провод +(HIGH), другой автоматически переключится драйвером на минус (LOW), напоминаю что описываем по первому проводу каждой обмотки. Вторая обмотка: первый провод — (LOW), второй + (HIGH), второй провод переключится драйвером автоматически. Переходим к первому изменению графика. Это 2 шаг. Описываем состояние только первых проводов. 1 провод первой обмотки остался HIGH, 1 провод второй сменился с LOW на HIGH . Третий шаг- 1 провод первой обмотки сменился HIGH на LOW, 1 провод второй остался HIGH. Четвертый шаг: 1 провод первой обмотки остался LOW, 1 провод второй обмотки сменился с HIGH на LOW. Описывать можно с любого шага, главное сохранять последовательность. Чтобы двигатель вращался в другую сторону нужно просто сдвинуть в диаграмме значения любой обмотки на полцикла в любую сторону. Таким образом можно писать программное обеспечение для драйверов. Нужно лишь знать диаграмму и правильно описать ее состояние на выходные пины.
Теперь подключаем плату к Arduino, двигателю. Забрасываем такой скетч:
// подключаемся к 8,9 выводам arduino
int input1 = 8;
int input2 = 9;
int stepCount = 5; //задержка между шагами регулирует скорость двигателя
void setup()
{
pinMode(input1,OUTPUT);
pinMode(input2,OUTPUT);
}
void loop()
{
//1-ый шаг
digitalWrite(input1,LOW);
digitalWrite(input2,HIGH);
delay(stepCount);
//2-ой шаг
digitalWrite(input1,HIGH);
digitalWrite(input2,HIGH);
delay(stepCount);
//3-ий шаг
digitalWrite(input1,HIGH);
digitalWrite(input2,LOW);
delay(stepCount);
digitalWrite(input1,LOW);
digitalWrite(input2,LOW);
delay(stepCount);
Подаем питание на драйвер, меняем, если надо, выводы одной обмотки и думаем куда приспособить данный девайс (можно открывать по времени и температуре форточки в теплице, управлять жалюзи и многое другое). Обращаю внимание что двигатель будет крутиться без остановки по данному скетчу, если надо- загоните в цикл и крутите на требуемое значение или, что еще лучше, напишите библиотеку и подключайте ее напрямую. Конечно это не такой крутой драйвер как на микросхеме, но для экспериментов, пока идут нормальные драйверы из Китая, его более чем достаточно. Всем удачи и успехов в осваивании микроконтроллеров. Подробнее о микроконтроллерах ARDUINO читайте .
В этой статье я опишу весь цикл изготовления драйвера шагового электромотора для экспериментов. Это не конечный вариант, он рассчитан на управление одним электромотором и необходим только для исследовательских работ, схема конечного драйвера шагового двигателя будет представлена в отдельной статье.
Для того чтобы изготовить контроллер шагового двигателя, необходимо понять принцип работы самих шаговый электрических машин и чем они отличается от других типов электромоторов. А разновидностей электрических машин существует огромное множество: постоянного тока, переменного тока. Электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные. Описывать каждый тип электродвигателей я не стану так-как это выходит за рамки данной статьи, скажу лишь что каждый тип двигателя имеет свои преимущества и недостатки. А что же такое шаговый электродвигатель и как им управлять?
Шаговый электродвигатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками (обычно с четырьмя), в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. Принципиальная электрическая схема шагового мотора дает представление о его устройстве.
А на этой картинке показана таблица истинности и диаграмма работы шаговика в полношаговом режиме. Существуют еще и другие режимы работы шаговых двигателей (полушаговый, микрошаговый и др.)
А как вращать ротор в другую сторону? Да очень просто, нужно изменить последовательность сигналов с ABCD на DCBA.
А как поворачивать ротор на конкретный заданный угол, например 30 градусов? У каждой модели шагового электромотора есть такой параметр как число шагов. У шаговиков которые я вытащил из матричных принтеров этот параметр 200 и 52, т.е. чтобы совершить полный оборот 360 градусов одним двигателям нужно пройти 200 шагов а другим 52. Получается чтобы повернуть ротор на угол 30 градусов, нужно пройти:
-в первом случае 30:(360:200)=16,666... (шагов) можно округлить до 17 шагов;
-во втором случае 30:(360:52)=4,33... (шага), можно округлить до 4 шагов.
Как видите есть достаточно большая погрешность, можно сделать вывод что чем больше шагов у мотора тем меньше погрешность. Погрешность можно уменьшать если использовать полушаговый или микрошаговый режим работы или механическим способом - использовать понижающий редуктор в этом случае страдает скорость движения.
Как управлять скоростью вращения ротора? Достаточно изменить длительность импульсов подаваемых на входы ABCD, чем длиннее импульсы по оси времени, тем меньше скорость вращения ротора.
Полагаю этой информации будет достаточно чтобы иметь теоретическое представление о работе шаговых электромоторов, все остальные знания можно будет получить экспериментируя.
И так перейдем к схемотехнике. Как работать с шаговым двигателем мы разобрались, осталось подключить его к Arduino и написать управляющую программу. К сожалению напрямую подключить обмотки мотора к выходам нашего микроконтроллера невозможно по одной простой причине - нехватка мощности. Любой электромотор пропускает через свои обмотки достаточно большой ток, а к микроконтроллеру можно подключить нагрузку не более 40 mA (параметры ArduinoMega 2560) . Что же делать если есть необходимость управлять нагрузкой например 10A да еще и напряжением 220В? Эту проблему можно решить если между микроконтроллером и шаговым двигателем интегрировать силовую электрическую схему, тогда можно будет управлять хоть трехфазным электромотором который открывает многотонный люк в ракетную шахту:-). В нашем случае люк в ракетную шахту открывать не нужно, нам нужно всего лишь заставить работать шаговый мотор и в этом нам поможет драйвер шагового двигателя. Можно конечно купить готовые решения, на рынке их очень много, но я буду делать свой собственный драйвер. Для этого мне понадобятся силовые ключевые полевые транзисторы Mosfet, как я уже говорил эти транзисторы идеально подходят для сопряжения Arduino с любыми нагрузками.
На рисунке ниже представлена электрическая принципиальная схема контроллера шагового двигателя.
В качестве силовых ключей я применил транзисторы IRF634B максимальное напряжение исток-сток 250В, ток стока 8,1А, этого более чем достаточно для моего случая. Со схемой более менее разобрались будем рисовать печатную плату. Рисовал в встроенном в Windows редакторе Paint, скажу это не самая лучшая затея, в следующий раз буду использовать какой-нибудь специализированный и простой редактор печатных плат. Ниже представлен рисунок готовой печатной платы.
Далее это изображение в зеркальном отражении распечатываем на бумаге при помощи лазерного принтера. Яркость печати лучше всего сделать максимальной, а бумагу нужно использовать не обычную офисную а глянцевую, подойдут обычные глянцевые журналы. Берем лист и печатаем поверх имеющегося изображения. Далее получившуюся картинку прикладываем к заранее подготовленному куску фольгированного стеклотекстолита и хорошенько проглаживаем утюгом в течении 20 минут. Утюг нужно нагреть до максимальной температуры.
Как подготовить текстолит? Во первых его нужно отрезать по размеру изображения печатной платы (при помощи ножниц по металлу или ножовкой по металлу), во вторых зашкурить края мелкой наждачной бумагой, чтобы не осталось заусенцев. Также необходимо пройтись наждачкой по поверхности фольги, снять окислы, фольга приобретет ровный красноватый оттенок. Далее поверхность обработанную наждачной бумагой нужно протереть ваткой смоченной в растворитель (используйте 646 растворитель он меньше воняет).
После прогрева утюгом, тонер с бумаги запекается на поверхность фольгированного стеклотекстолита в виде изображения контактных дорожек. После этой операции плату с бумагой необходимо остудить до комнатной температуры и положить в ванночку с водой примерно на 30 минут. За это время бумага раскиснет и ее нужно аккуратно скатать подушечками пальцев с поверхности текстолита. На поверхности останутся ровные черные следы в виде контактных дорожек. Если у вас не получилось перенести изображение с бумаги и у вас есть огрехи, тогда следует смыть тонер с поверхности текстолита растворителем и повторить все заново. У меня все получилось с первого раза.
После получения качественного изображения дорожек, необходимо вытравить лишнюю медь, для этого нам понадобится травильный раствор который мы приготовим сами. Раньше для травления печатных плат я использовал медный купорос и обычную поваренную соль в соотношении на 0,5 литра горячей воды по 2 столовые ложки с горкой медного купороса и поваренной соли. Все это тщательно размешивалось в воде и раствор готов. Но в этот раз попробовал иной рецепт, очень дешевый и доступный.
Рекомендуемый способ приготовления травильного раствора:
В 100 мл аптечной 3% перекиси водорода растворяется 30 г лимонной кислоты и 2 чайные ложки поваренной соли. Этого раствора должно хватить для травления площади 100 см2. Соль при подготовке раствора можно не жалеть. Так как она играет роль катализатора и в процессе травления практически не расходуется.
После приготовления раствора, печатную плату необходимо опустить в емкость с раствором и наблюдать за процессом травления, тут главное не передержать. Раствор съест непокрытую тонером поверхность меди, как только это произойдет плату необходимо достать и промыть холодной водой, далее ее нужно просушить и снять с поверхности дорожек тонер при помощи ватки и растворителя. Если в вашей плате предусмотрены отверстия для крепления радиодеталей или крепежа, самое время просверлить их. Я опустил эту операцию по причине того что это всего лишь макетный драйвер шагового двигателя, предназначенный для освоения новых для меня технологий.
Приступаем к лужению дорожек. Это необходимо сделать чтобы облегчить себе работу при пайке. Раньше я лудил при помощи припоя и канифоли, но скажу это "грязный" способ. От канифоли много дыма и шлака на плате который нужно будет смывать растворителем. Я применил другой способ, лужение глицерином. Глицерин продается в аптеках и стоит копейки. Поверхность платы необходимо протереть ваткой смоченной в глицерине и наносить припой паяльником точными мазками. Поверхность дорожек покрывается тонким слоем припоя и остается чистой, лишний глицерин можно удалить ваткой или промыть плату в воде с мылом. К сожалению у меня нет фотографии полученного результата, после лужения, но получившееся качество впечатляет.
Далее необходимо припаять все радиодетали на плату, для пайки SMD компонентов я использовал пинцет. В качестве флюса использовал глицерин. Получилось очень даже аккуратно.
Результат налицо. Конечно после изготовления плата выглядела лучше, на фото она уже после многочисленных экспериментов (для этого она и создавалась).
Итак наш драйвер шагового двигателя готов! Теперь переходим к самому интересному к практическим экспериментам. Припаиваем все провода подключаем источник питания и пишем управляющую программу для Arduino.
Среда разработки Arduino богата на различные библиотеки, для работы с шаговым двигателем предусмотрена специальная библиотека Stepper.h, ее мы и будем использовать. Как пользоваться средой разработки Arduino и описывать синтаксис языка программирования я не стану, эту информацию вы можете посмотреть на сайте http://www.arduino.cc/ , там же описание всех библиотек с примерами в том числе и описание Stepper.h.
Листинг программы:
/*
* Тестовая программа для шаговика
*/
#include
#define STEPS 200
Stepper stepper(STEPS, 31, 33, 35, 37);
void setup()
{
stepper.setSpeed(50);
}
void loop()
{
stepper.step(200);
delay(1000);
}
Данная управляющая программа заставляет делать один полный оборот вала шагового двигателя, после перерыва длительностью в одну секунду, повторяется до бесконечности. Можно поэкспериментировать со скоростью вращения, направлением вращения а также углами поворотов.
Загрузка...