Шаговые двигатели становятся все более популярными компонентами. Их основными преимуществами являются возможность получения сколь угодно малых скоростей вращения вала и точность установки его положения. Следующие схемы на логических микросхемах представляет собой дешевую и прежде всего простую в сборке альтернативу имеющимся в продаже микропроцессорным контроллерам для шаговых двигателей. Рекомендуется к применению везде, где точность управления играет меньшую роль, чем цена и надежность.
Простая схема драйвера шагового двигателя
Представленная конструкция контроллера обеспечивает нижеследующие функции:
- обеспечивает работу с шаговым двигателем с 4-мя обмотками;
- возможность плавного регулирования скорости вращения и изменения направления вращения;
- имеет функцию остановки двигателя при необходимости.
Принципиальная схема устройства представлена на следующей картинке. Блок управления построен с применением трех цифровых микросхем типа 4000 и четырех мощных полевых транзисторов. Схема генератора тактовых импульсов построена на элементах И-НЕ с входами Шмитта. Его частота задается суммой сопротивлений резисторов R2 + PR1, а также емкостью конденсатора С1.
Тактовая частота драйвера шагового двигателя регулируется в достаточном диапазоне при изменении сопротивления переменного резистора РR1. Часть цепей с вентилями EXOR и JK-триггерами формирует счетчик по модулю 4, и на его выходах высокий уровень сдвигается по времени по отношению к тактовым импульсам.
Кнопка S1 позволяет изменять направления работы счетчика и тем самым менять направления вращения вала двигателя. Пользуясь кнопкой S2, его можно остановить или запустить. Обмотки четырехфазного шагового двигателя питаются через четыре MOSFET-транзистора (Т1…Т4).
Применение в опытном образце мощных транзисторов BUZ11 обеспечивает точное управление двигателем очень большой мощности. На следующей иллюстрации представлены осциллограммы на разъеме Х2, с подключенными к нему обмотками униполярного шагового двигателя.
Устройство размещено на печатной плате с габаритами 70х60 мм, представленной на следующем изображении. Сборку следует начинать с впаивания в плату резисторов и панелек для интегральных микросхем и заканчивать разъемами и управляющими транзисторами. Замыкание контактов разъемов JP1 и JP2 обеспечивает тот же эффект, что и манипулирование переключателями S1 и S2, поэтому сюда можно подсоединить нормально разомкнутые элементы управления и разместить их далеко от платы контроллера.
Модуль сконструирован так, что можно разместить транзисторы на едином теплоотводе с предварительной изоляцией их друг от друга, а также радиатора. Дорожки на печатной плате, по которым будет протекать значительный ток, имеет смысл хорошенько залудить.
После сборки устройства нужно очень внимательно проверить, не произошло ли короткое замыкание соседних контактных площадок при пайке. Схема, составленная из указанных компонентов, запускается без настройки. Однако стоит оговорить метод подключения питающего напряжения и обмоток двигателя к блоку управления.
Если управляющий модуль и двигатель питаются одинаковым напряжением в пределах 5…15 В и общий потребляемый ток не более 1 А, следует замкнуть перемычку JP3 и подключить источник питающего напряжения к разъему Х3. В том случае, когда величина напряжения шагового двигателя не попадает в указанные выше пределы, разомкните JP3. При этом подключите разъем Х3 к адаптеру с указанными выше пределами напряжения, а разъем Х2 соедините с источником питания, который соответствует параметрам шагового двигателя.
Способ подключения униполярного шагового двигателя показан на картинке. При управлении двигателем небольшой мощности теплоотвод для транзисторов не потребуется. Дублирующие кнопки на плате также могут быть лишними. В этом случае устройство будет иметь гораздо меньшие размеры (70х30 мм).
Схема устройства практически идентична рассмотренному выше варианту.
Печатная плата такого варианта представлена на картинке. Ее размеры 70х30 мм.
Подключение платы показано на картинке.
Общий перечень элементов упростит сборку устройства своими руками. В скобках указаны параметры для варианта без теплоотвода.
РЕЗИСТОРЫ:
- R1, R7 — 1 кОм;
- R2 — 10 кОм;
- R3…R6 — 100 Ом;
- PR1 — 100 кОм (1 МОм).
КОНДЕНСАТОРЫ:
- С1 — 330 нФ (470 нФ);
- С2 — 100 нФ (220-470 мкФ);
- C2 — 470 мкФ (100 нФ).
ПОЛУПРОВОДНИКИ:
- D1…D4 — 1N5822 (1N4148);
- IC1 — 4093 (4070);
- IC2 — 4070 (4093);
- IC3 — 4027;
- Т1…Т4 — BUZ10, BUZ11.
ПРОЧЕЕ:
- X1 — АРК2/5мм + АРК3/5мм (CON1 — ARK2/3,5 мм);
- X2, X3 — АРК2/5 мм (CON2 — 6);
- S1, S2 — микропереключатель;
- JP1 — 2×1 + перемычка;
- JP2, JP3 — 2 × 1.
В следующем видео иллюстрация работы представленной схемы управления шаговым двигателем.
Контроллер управления биполярным шаговым двигателем
Существенным недостатком шаговых двигателей является сложное питание их катушек. Чаще используются так называемые биполярные электродвигатели, поскольку они позволяют увеличить получаемый крутящий момент примерно на 30…40% по сравнению с униполярными двигателями тех же габаритов, которыми легче управлять.
Представленное устройство выполняет основную функцию контроллера – соответствующее управление входами исполнительных схем. Эти схемы представляют собой Н-мосты (или схемы, выполняющие аналогичную роль), поскольку процесс коммутации требует периодического изменения поляризации катушек двигателя (отсюда и название: биполярные). Рассматриваемый контроллер будет полезен в приводах, не требующих программируемого контроллера.
Принцип действия модуля
Анализируя направления протекания тока в катушках двигателя, можно заметить, что для правильного питания катушек биполярного шагового двигателя необходимы два прямоугольных сигнала с одинаковым периодом, но смещенными на 90 градусов. Для выполнения этого сдвига используются два триггера D-типа, так как схема может находиться в четырёх возможных состояниях.
После четырех периодов тактового сигнала система возвращается в исходное состояние и снова начинает работать. Комбинированные элементы, окружающие триггеры, предназначены для реализации дополнительных функций: изменения направления вращения ротора и одновременной деактивации всех выходов.
Если на один из входов подается логический «0», выход является копией логического состояния другого входа. Во втором случае, после постоянного задания логической «1», на выходе будет отрицание второго входа. Эта логика используется как «управляемый отрицатель» для изменения направления вращения. Точнее, меняет знак фазы, определяющей сдвиг между двумя последовательностями управляющих сигналов: с +90° на -90°.
Зная, что роль D-триггера заключается в повторении на выходе Q того логического уровня, который был на входе D в момент поступления тактового фронта, можно проследить циркуляцию логических состояний в этой системе.
Описание схемы блока управления
Принципиальную схему можно разделить на следующие блоки:
- последовательная схема, генерирующая битовые строки;
- локальный генератор тактовых сигналов;
- система управления мощностью катушки;,
- выходные буферы;
- схемы защиты входов управляющих сигналов.
Работа этой простой последовательной схемы заключается в формировании четырехбитных строк, подаваемых на выходы управления катушками, и подробно рассмотрена в теоретическом введении. Следует добавить, что он построен на триггерах, содержащихся в микросхеме CD4013. Это означает, что они активируются по нарастающему фронту тактового сигнала, что важно при подаче внешнего тактового сигнала.
Локальный генератор тактовых сигналов дает возможность привести двигатель в движение, когда нет необходимости синхронизировать его от внешнего источника. Такая ситуация может возникнуть, например, во время тестирования. Он состоит из оставшихся двух вентилей XOR, действующих как инверторы.
Диапазон частот генерируемого тактового сигнала составляет примерно от 1 Гц до 29 Гц при питании 12 В. Настройка осуществляется потенциометром P1. Резистор R1 устанавливает верхнюю частоту, а переменный резистор P1 устанавливает нижнюю частоту.
В качестве выходных буферов использовались вентили И-НЕ микросхемы CD4093. Один вход каждого элемента управляется выходом триггера, а второй вход позволяет управлять потоком управляющих сигналов.
Эта особенность использовалась для отключения обмоток двигателя: подача «0» на входы всех вентилей приводит к установке их выходов. Н-мосты, питающие катушки двигателя, будут обеспечивать одинаковый потенциал на обоих выводах этих катушек – не имеет значения, находится ли он вблизи положительного или отрицательного полюса источника питания.
Благодаря этому на катушке отсутствует разность потенциалов, что приводит к отсутствию протекания тока. С другой стороны, не исключена возможность появления нестационарного состояния на входе H-моста, как это могло бы быть в случае использования, например, аналоговых ключей.
Этот контроллер также оснащен очень простой схемой, которая управляет подачей питания на катушки шагового двигателя. В случаях, когда полный крутящий момент не нужен, но желательно снижение потребляемой мощности и тепловыделения в обмотках, эти обмотки можно отключить. Он был реализован на транзисторе Т1 и нескольких пассивных элементах вокруг него.
Конденсатор С4 и резистор R2 образуют схему, дифференцирующую сигнал, тактирующий триггеры. В то же время резистор R2 используется для смещения базы транзистора так, чтобы он обычно находился в выключенном состоянии, так что выходной логический уровень находится на низком уровне и меняется на высокий при наступлении спадающего фронта и остается там вскоре после этого.
Контроллер позволяет управлять двигателем посредством внешних сигналов, которые следует подключить к разъему J2. Необходимые сигналы:
- тактовый сигнал (принятая подача);
- сигнал, задающий направление вращения двигателя;
- сигнал включения катушки (питание управления).
Для предотвращения повреждения КМОП-схем эти входы защищены диодами D1…D6. Если напряжение слишком велико (превышает уровень напряжения питания), диод, подключенный катодом к шине питания, проводит ток. В свою очередь, если случайно приложено отрицательное напряжение относительно корпуса, диод, соединенный анодом с общим проводом, проводит ток. Резисторы R4…R6 ограничивают ток, протекающий через диоды.
Помните, что входы КМОП-микросхем имеют очень высокое входное сопротивление. По этой причине необходимо следить за тем, чтобы ни один из них не оставался неподключенным, поскольку накапливающийся на входе заряд вызывает неизвестный логический уровень.
Перечень элементов устройства
Резисторы:
- R1, R2, R3 — 18 кОм (SMD 1206);
- R4, R5, R6 — 1 кОм (SMD 1206);
- P1 — 500 кОм.
Конденсаторы:
- C1…C4 — 100 мкФ/25 В (SMD «D»);
- C5 — 1 мкФ (SMD 1206).
Полупроводники:
- D1…D6 — LL4148 (SMD);
- T1 — BC856 (SOT-23);
- US1 — CD4030 SMD;
- US2 — CD4013 SMD;
- US3 — CD4093 SMD.
Прочие компоненты :
- J1 — ARK2 5 мм;
- J2 — 4-контактный, одинарный;
- J3 — 5-контактный, одинарный;
- JP1…JP3 — 3-контактный, одинарный;
- JP4 — 3-контактный с золотым контактом, двойной.
Монтаж, наладка, подключение
Схема собрана на двусторонней печатной плате размерами 75×50 мм. Схема ее сборки представлена на рисунке выше. Все элементы, кроме потенциометра и разъемов, припаяны на верхней стороне. Нижняя сторона содержит только дорожки.
| Установка перемычек на разъемах | ||
| Разъем | Перемычка | Режим работы схемы |
| JP1 Направление вращения | 1_2 | Направление вращения не меняется |
| 2_3 | Направление вращения определяется сигналом извне | |
| JP2 Направление вращения | 1_2 | Уровень » 0 » для управления направлением вращения |
| 2_3 | Уровень » 1 » для управления направлением вращения | |
| JP3 Синхронизация | 1_2 | Тактовый сигнал, подаваемый извне |
| 2_3 | Тактовый сигнал от собственного генератора | |
| JP4 Режим питания катушек | 1_2 | Катушки двигателя питаются постоянно |
| 3_4 | Включение через внутреннюю схему | |
| 5_6 | Обмотки включаются внешним сигналом | |
Правильно спаянная схема сразу готова к работе и не требует никаких регулировок. Единственным подготовительным этапом является установка четырех перемычек на разъемах JP1…JP4 в соответствии с таблицей.
На контроллер должно поступать постоянное напряжение, хорошо отфильтрованное, желательно стабилизированное, в диапазоне, приемлемом для КМОП-микросхем семейства 4xxx. Зависимость тока потребления схемы от напряжения питания представлена в таблице. Эти значения были измерены при максимальной частоте внутреннего генератора и при отсутствии каких-либо внешних подключений.
| Потребляемый ток от напряжения питания | |
| Напряжение питания, В | Потребляемый ток, мА |
| 3 | 0,3 |
| 5 | 0,7 |
| 9 | 2 |
| 12 | 3,5 |
| 15 | 10 |
Пару слов заслуживают и H-мосты, которые будут работать с этим драйвером. Они должны принимать на свои входы все возможные логические состояния (00, 01, 10, 11) без риска какого-либо повреждения. В некоторых конфигурациях мостов из дискретных элементов запрещено одновременное включение двух входов — их нельзя использовать с данным контроллером. Мосты, выполненные на интегральных схемах (например, L293, L298), устойчивы к такой ситуации.
Loading...
