Шаговые двигатели в схемах на микроконтроллере

March 24, 2014 by admin Комментировать »

Шаговый двигатель (ШД, англ. «stepper motor») — это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. ШД относятся к классу бесколлекторных электродвигателей постоянного тока. Как и любые бесколлекторные двигатели, они имеют высокую надёжность и большой срок службы. Прецизионное механическое позиционирование и установка точного угла поворота осуществляется в ШД без датчика обратной связи, что значительно удешевляет его производство.

Из недостатков — для ШД нужны достаточно сложные электрические схемы управления и «хитрые» алгоритмы функционирования. Кроме того, они предназначены только для статических систем, т.е. тех, которые работают без жёстких механических сотрясений и с относительно постоянной нагрузкой на валу.

На Рис. 2.81, a…B приведены электрические схемы разновидностей ШД.

Рис. 2.81. Разновидности ШД: а) биполярные; б) униполярные; в) многополюсные.

Биполярные ШД (Bipolar Stepper Motors) имеют по одной обмотке в каждой из двух фаз. Ток в обмотках должен переполюсовываться драйвером мостового типа. Итого в биполярном двигателе имеются две обмотки и, соответственно, четыре отводадля внешнего подключения.

Униполярные ШД (Unipolar Stepper Motors) аналогичны биполярным, но имеют отвод от середины каждой из обмоток. Это позволяет изменять направление магнитного поля простыми ключевыми каскадами, а не мостовыми схемами. В униполярном ШД средние выводы обмоток могут электрически соединяться внутри корпуса, поэтому в таком двигателе наружу выходят не 6, а 5 отводов. Иногда бывает и 8 отводов, если каждая полуобмотка сделана отдельной секцией. В последнем случае униполярный ШД легко превратить в биполярный.

Многополюсные ШД (Stepper Motors) характеризуются повышенным числом фаз, обычно 3…5. Соединение обмоток производится по схеме «звезда».

Из доступных радиолюбителям ШД наибольший интерес представляют двигатели от флоппи-дисководов, CD-ROM, DVD-ROM. Типовая точность их позиционирования составляет 0.36; 0.72; 0.9; 1.8; 3.6° на один шаг. Рабочее напряжение 1.6…12 В, сопротивление обмоток 100… 150 Ом. Такие ШД, как правило, являются униполярными двухфазными с 5 или 6 отводами.

Управление работой ШД осуществляется подачей напряжений на обмотки «А», «В» или «А», «В», «С», причём различают полношаговые, двухфазные и полушаговые режимы распределения сигналов на временной оси. Формируются они на выходах MK в виде сетки сдвинутых по фазе импульсов. Очень удобно использовать многоканальный ШИМ, если, конечно, он имеется в конкретном MK.

На Рис. 2.82, а…ж приведены типовые схемы подключения ШД к MK.

Рис. 2.82. Схемы подключения ШД к MK (начало):

а) униполярный ШД M1 может иметь 5, а не 6 отводов, если средние точки обмоток LJ, L2 соединяются вместе внутри его корпуса. Ключи на транзисторах VT1…VT4 защищаются от пробоя диодами VD1… VD4. Сопротивления резисторов R1…R4 зависят от мощности ШД;

б) управление униполярным шаговым двигателем M1 производится программно с трёх выходов МК  сериями импульсов. Транзисторные ключи находятся в драйвере А4/фирмы Sanyo;

в) DA1 — это микросхема драйвера (фирма Fairchild), предназначенная специально для управления ШД в флоппи-дисководах и видеокамерах. Мощность рассеяния 1 Вт, ток нагрузки 1 А, последовательный интерфейс. Входы совместимы с логическими уровнями +3 и +5 В;

г) необычный ШД на соленоиде M1, который через анкерный механизм управляет движением минутной и часовой стрелок промышленных вторичных часов «176М». Направление тока в катушке L/изменяется каждый раз при срабатывании контактов реле K1. Длительность импульса 50…100 мс, общее потребление электроэнергии около 1 кВт/ч в месяц;

 Рис. 2.82. Схемы подключения ШД к MK (окончание):

д) управление биполярным ШД Ml осуществляется двумя идентичными мостовыми схемами A1, A2 на транзисторах структуры п—р—п. Линии MK работают в двух режимах — выход с НИЗКИМ уровнем и вход с Z-состоянием. Диоды VD2…VD5 защищают транзисторы VT2, VT3 от ЭДС самоиндукции обмоток ШД;

е) управление ШД от специализированной микросхемы DA1 фирмы Allegro MicroSystems. С верхнего выхода MK задаётся направление вращения ШД, с нижнего — количество единичных шагов перемещения по числу генерируемых импульсов;

ж) сопротивление каждой из двух обмоток ШД L1, L2 составляет около 75 Ом, поэтому для их коммутации используется мощный драйвер DA1, имеющий выходы с открытыми коллекторами. Согласно даташиту суммарный ток нагрузки по всем выходам DA1 составляет 2.5 А. Резисторы R1..R4 не дают срабатывать ШД при рестарте MK или же они устанавливаются при «слабых» микроконтроллерных портах для увеличения мощности ВЫСОКОГО уровня. Допускается отсутствие резисторов R1…R4. Замена микросхемы DAI — ULN2004A, K1109KT23.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты