Интернет журныл о промышленности в Украине

Крокові двигуни: особливості та практичні схеми управління. Частина 2

  1. Крокові двигуни: особливості та практичні схеми управління. Частина 2 Журнал РАДІОЛОЦМАН, лютий...
  2. Крокові двигуни: особливості та практичні схеми управління. Частина 2

Крокові двигуни: особливості та практичні схеми управління. Частина 2

Журнал РАДІОЛОЦМАН, лютий 2015

Володимир Рентюк, Запоріжжя, Україна

Частина 1.

Частина 2. Схемотехніка систем управління

Вище були розглянуті найбільш важливі загальні питання використання крокових двигунів, які допоможуть в їх освоєнні. Але, як свідчить наша улюблена українська приказка: «Не повірю поки НЕ провірю» ( «Не повірю, поки не перевірю»). Тому перейдемо до практичної сторони питання. Як уже зазначалося, крокові двигуни - це задоволення не з дешевих. Але вони є в старих принтерах, зчитувача гнучких і лазерних дисків, наприклад, SPM-20 (кроковий двигун для позиціонування головки в дисководах 5 "25 Mitsumi) або EM-483 (від принтера Epson Stylus C86), які можна знайти у себе в старому непотребі або купити за копійки на радіобазарі. Приклади таких двигунів представлені на рисунку 8.

Малюнок 8. Крокові двигуни, використовувані в застарілої комп'ютерної техніки.
а) Кроковий двигун SPM-20 для позиціонування головки в
дисководах 5 "25 Mitsumi. (Фото з сайту ).
б) Кроковий двигун EM-483 від принтера Epson Stylus C86. (Фото з сайту ).

Найбільш простими для початкового освоєння є уніполярні двигуни. Причина криється в простоті і дешевизні їх драйвера управління обмотками. На рисунку 9 наведено практична схема драйвера, використаного автором статті для униполярного крокової двигуна серії P542-M48 [ 6 ].

Природно, що вибір типу транзистора для ключів управління обмотками повинен відбуватися з урахуванням максимального струму комутації, а його підключення враховувати необхідність заряду / розряду ємності затвора. У ряді випадків пряме з'єднання MOSFET з ІМС комутатора може бути неприпустимим. Як правило, в затворах встановлюються послідовно включені резистори невеликих номіналів. Але в ряді випадків необхідно передбачити ще й відповідний драйвер для управління ключами, який забезпечить заряд / розряд їх вхідний ємності. У деяких рішеннях пропонується в якості ключів використовувати біполярні транзистори. Це підходить тільки для дуже малопотужних двигунів з невеликим струмом обмоток. Для розглянутого двигуна з робочим струмом обмоток I = 230 мА струм управління по базі ключа повинен скласти, принаймні, 15 мА (хоча для нормальної роботи ключа необхідно, щоб струм бази дорівнював 1/10 робочого, тобто 23 мА). Але такий струм від мікросхем серії 74HCхх забрати неможливо, тому потрібні додаткові драйвери. Як хороший компроміс, можна використовувати IGBT, що поєднують в собі переваги польових і біполярних транзисторів.

З точки зору автора статті, найоптимальнішим для управління комутацією обмоток двигунів невеликої потужності є використання відповідних по струму і опору відкритого каналу RDC (ON) MOSFET, але з урахуванням рекомендацій, описаних вище. Потужність, що розсіюється на ключах для обраного в якості прикладу двигуна серії P542-M48, при повній зупинці ротора не перевищить

PVT = RDC (ON) × I2 = 0.25 × (0.230) 2 = 13.2 мВт.

транзистори IRLML2803 з RDC (ON) = 0.25 Ом мають допустиму потужність розсіювання 540 мВ і постійний струм стоку 0.93 А при температурі 70 ° С. Так що, вони повністю відповідають вимогам і забезпечать надійну роботу драйвера. У більшості випадків, з огляду на низькі частоти комутації, проведеної вище оцінки цілком достатньо. Оскільки детальний розгляд особливостей роботи ключів не входить в рамки даної статті, то для їх вибору і повного розрахунку можна скористатися методикою, наведеною, наприклад, в [ 7 ].

Ще одним важливим моментом є правильний вибір так званих снаберних діодів, шунтуючих обмотку двигуна (VD1 ... VD4 на рисунку 9). Призначення цих діодів - гасити ЕРС самоіндукції, що виникає при виключенні керуючих ключів. Якщо діоди обрані невірно, то неминучий вихід з ладу транзисторних ключів і пристрої в цілому. Зверніть увагу, що в потужні MOSFET такі діоди, як правило, вже вбудовані.

Режим управління двигуном задається комутатором. Як уже було відзначено вище, найбільш зручним і ефективним є управління з перекриттям фаз (Малюнок 4б). Такий режим легко реалізується за допомогою тригерів. Практична схема універсального комутатора, який використовував автор статті як в ряді налагоджувальних модулів (в тому числі, і з наведеним вище драйвером), так і для практичних застосувань, наведена на рисунку 10.

Схема на рисунку 10 придатна для будь-яких типів двигунів (уніполярних і біполярних). Частота обертання двигуна задається зовнішнім тактовим генератором (шпаруватість будь-яка), сигнал з якого подається на вхід «КРОКИ», а напрямок обертання встановлюється через вхід «НАПРЯМОК». Обидва сигнали мають логічні рівні і, якщо для їх формування використовуються виходи з відкритим колектором, то будуть потрібні відповідні резистори підтяжки (на рисунку 10 вони не показані). Тимчасова діаграма роботи комутатора наведена на рисунку 11.

Хочу звернути увагу читачів: в Інтернеті ви могли зустріти схожу схему, виконану нема на D-тригерах, а на JK-тригерах. Будьте уважні! У ряді цих схем допущена помилка в підключенні ІМС. Якщо немає необхідності в реверсі, то схема комутатора може бути значно спрощена (див. Малюнок 12), при цьому частота обертання залишиться незмінною, а діаграма управління буде аналогічною тій, яка приведена на рисунку 11 (осцилограми до перемикання черговості фаз).

Оскільки особливих вимог до сигналу «КРОКИ» не пред'являється, для його формування може використовуватися будь-який відповідний за рівнями вихідного сигналу генератор. Для своїх налагоджувальних модулів автор використовував генератор на базі ІМС таймера 555 (Малюнок 13).

Для харчування власне двигуна можна використовувати схему, наведену на рисунку 14, а схему комутатора і генератора живити або від окремого джерела живлення +5 В або через додатковий малопотужний стабілізатор. Землі силовий і сигнальної частин в будь-якому випадку необхідно розділити.

Схема на рисунку 14 забезпечує подачу двох стабільних за рівнем напруг для живлення обмоток двигуна: 12 В в робочому режимі і 6 У в режимі утримання. (Формули, необхідні для розрахунку вихідної напруги, наведені в [ 8 ]). Робочий режим включається подачею високого логічного рівня на контакт «ТОРМОЗ» роз'єму Х1. Допустимість зниження напруги харчування визначається тим, що, як уже зазначалося в першій частині статті, момент утримання крокових двигунів перевищує момент обертання. Так, для розглянутого двигуна P542-M48 момент утримання з редуктором 25: 6 дорівнює 19.8 Н · см, а момент обертання всього 6 Н · см. Цей підхід дозволяє при зупинці двигуна зменшити споживання потужності з 5.52 Вт до 1.38 Вт! Повне відключення двигуна здійснюється подачею високого логічного рівня на контакт «вмикання / вимикання» роз'єму Х1.

Якщо схема управління має вихід на транзисторах з відкритим колектором, то в ключах VT1, VT2 необхідності немає, і виходи можна підключити безпосередньо замість згаданих ключів.

Примітка: У цьому варіанті використання резисторів підтяжки неприпустимо!

Як дросель автор використовував котушку SDR1006-331K (Bourns). Загальна харчування формувача напруги для обмоток двигуна можна зменшити до 16 - 18 В, що чи не позначиться на його роботі. Ще раз звертаю увагу: при самостійному розрахунку не забудьте враховувати, що формувач забезпечує режим з перекриттям фаз, тобто необхідно закладатися на номінальний струм схеми харчування, рівний подвоєному максимальному току обмоток при обраному напрузі живлення.

Завдання управління біполярними двигунами складніша. Основна проблема в драйвері. Для цих двигунів потрібен драйвер мостового типу, і робити його, тим більше в сучасних умовах, на дискретних елементах - невдячне завдання. Так, цього і не потрібно, так як є дуже великий вибір спеціалізованих ІМС. Всі ці ІМС умовно можна звести до двох типів. Перший - дуже популярна у любителів робототехніки ІМС L293D STMicroelectronics [ 9 ] Або її варіанти від Texas Instruments . Вони відносно недорогі і підходять для управління малопотужними двигунами з струмом обмоток до 600 мА. ІМС мають захист від перегріву; встановлювати її необхідно із забезпеченням відводу тепла, яким служить фольга друкованої плати [ 9 ]. Другий тип - це вже знайома читачам по публікації в [ 1 ] ІМС LMD18245 [ 2 ].

Автор використав драйвер L293DD в схемі для управління біполярним двигуном малої потужності типу 20M020D2B 12 В / 0.1 А під час вивчення проблеми використання крокових двигунів. Цей драйвер зручний тим, що містить чотири полумостового ключа, тому для управління біполярним кроковим двигуном потрібно всього одна ІМС. Повна схема, наведена в [ 10 ] І багато разів повторена на інтернет-сайтах, придатна для використання в якості тестової плати. На рисунку 15 показано включення ІМС драйвера (з прив'язкою до комутатора з рисунка 10), оскільки саме ця частина зараз представляє для нас інтерес, а Figure 6 (Bipolar Stepping-Motor Control) з специфікації [ 9 ] Не зовсім зрозуміла початківцю. Вона вводить в оману, наприклад, тим, що показані зовнішні діоди, які насправді вбудовані в ІМС і прекрасно справляються з обмотками малопотужних двигунів. Природно, що драйвер L293D може працювати з будь-яким комутатором. Вимикається драйвер логічним нулем по входу R.

Примітка: ІМС L293, в залежності від виробника і суфіксів, що вказують на тип корпусу, мають відмінності в нумерації і кількості висновків!

Для більш потужних двигунів автор статті використав драйвери LMD18245. Повна схема тестового модуля наведена на рисунку 16.

На відміну від L293DD, LMD18245 є не чотирьох-, а двоканальним драйвером, тому для реалізації схеми управління потрібні дві ІМС. Драйвер LMD18245 виконаний по DMOS технології, містить схеми захисту від перегріву, короткого замикання і виконаний в зручному 15-вивідному корпусі ТО-220, що дозволяє легко відводити від його корпусу зайве тепло. Як задає генератора використовувалася схема, наведена раніше на рисунку 13, але зі збільшеним до 4.7 кОм опором резистора R2. Для подачі одиночних імпульсів використовується кнопка BH1, що дозволяє зрушити ротор двигуна на один крок. Напрямок обертання ротора визначається положенням перемикача S1. Включення і вимикання двигуна здійснюється вимикачем S2. В положення «ВИМК» ротор двигуна звільняється, і його обертання імпульсами управління стає неможливим. Режим утримання зменшує максимальний струм, споживаний обмотками двигуна, з двох до одного ампера. Якщо імпульси управління не подаються, то ротор двигуна залишається в зафіксованому положенні зі зниженою вдвічі потужністю споживання. Якщо ж імпульси подаються, то обертання двигуна в цьому режимі здійснюється з пониженим на малих швидкостях обертання моментом. Необхідно зауважити, що оскільки при полношаговом управлінні «two-phase-on» включені обидві обмотки, струм двигуна подвоюється, а схема драйвера повинна розраховуватися виходячи з вимог забезпечення заданого струму двох обмоток (резистори R3, R8).

Схема містить описаний раніше двонаправлений двофазний формувач на D-тригерах (Малюнок 10). Максимальний струм драйвера задається резистором, включеним в ланцюг контакту 13 ІМС LMD18245 (резистори R3, R8), і двійковим кодом на контактах ланцюга управління струму (висновки 8, 7, 6, 4). Формула для розрахунку максимального струму приведена в специфікації на драйвер [ 2 ]. Обмеження струму здійснюється імпульсним методом. При досягненні максимально заданої величини струму виконується його «нарізка» ( «chopping»). Параметри цієї «нарізки» задаються паралельної RC ланцюжком, підключеної до висновку 3 драйвера. Перевагою ІМС LMD18245 є те, що токозадающій резистор, не включений безпосередньо в ланцюг двигуна, має досить великий номінал і маленьку рассеиваемую потужність. Для даної схеми максимальний струм в амперах, відповідно до наведеної в [ 2 ] Формулою, становить:

де:

VDAC REF - опорна напруга ЦАП (в розглянутій схемі 5 В);
D - задіяні розряди ЦАП (в цьому режимі використовуються всі 16 розрядів);
RS - опір струмообмежувального резистора (R3 = R8 = 10 кОм).

Відповідно, в режимі утримання (оскільки використовуються 8 розрядів ЦАП), максимальний струм складе 1 А.

На закінчення необхідно відзначити, що драйвер LMD18245 дозволяє реалізувати і мікрошаговий управління. Як згадувалося вище, такий режим зменшує, і навіть пригнічує паразитний резонанс ротора. Підтримка такого режиму для зазначеного драйвера здійснюється мікропроцесором, керуючим входами ЦАП.

Як можна бачити з запропонованої статті, крокові двигуни хоч і складніше в управлінні, ніж колекторні, але не настільки, щоб відмовлятися від них. Як говорили ще стародавні римляни: «Дорогу здолає той, хто йде». Природно, що на практиці для багатьох додатків управління кроковими двигунами доцільно робити на основі мікроконтролерів, які легко сформують потрібні команди для драйверів і виконають роль комутаторів. Додаткову інформацію та більш детальний розгляд проблем, пов'язаних із застосуванням крокових двигунів, крім як за згаданими вище посиланнях [ 3 , 4 , 7 ], Можна почерпнути з стала вже класикою монографії Кеніо Такаші [ 11 ] І на спеціалізованих інтернет-сайтах, наприклад, [ 12 ].

Є ще один момент, на який автор статті хотів би звернути увагу читачів. Крокові двигуни, як втім, і всі двигуни постійного струму, оборотні. Що мається на увазі? Якщо прикласти зовнішнє вращающее зусилля до ротора, то з обмоток статора можна зняти ЕРС, тобто двигун стає генератором, причому вельми і вельми ефективним. Автор статті експериментував з цим варіантом використання крокових двигунів під час роботи консультантом по силовій електроніці в компанії, що займається вітроенергетикою. Необхідно було на простих макетах відпрацювати ряд практичних рішень. За спостереженням автора статті, ефективність крокової двигуна в такому застосуванні була вище, ніж у аналогічного за параметрами і габаритами колекторного двигуна постійного струму. Але це вже інша історія.

література:

  1. Рентюк В. « Управління двигунами постійного струму »
  2. LMD18245 3A, 55V DMOS Full-Bridge Motor Driver, Texas Instruments Inc., April 2013
  3. Ємельянов А. В., Шилін А. Н. Крокові двигуни: навчальний посібник. Волг. ГТУ, Волгоград, 2005
  4. en.nanotec.com
  5. DHS 56 series TECO Electro Devices Co. Ltd.
  6. Geared stepper motor P542-M48 series, Mclennan Servo Supplies Ltd.
  7. Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. Енциклопедія пристроїв на польових транзисторах. М., СОЛОН-Р, 2002
  8. LM2675 SIMPLE SWITCHER Power Converter High Efficiency 1A Step-Down Voltage Regulator, Texas Instruments Inc., Rev. June 2005
  9. L293, L293D PUSH-PULL FOUR CHANNEL DRIVER WITH DIODES STMicroelectronics, July 2003
  10. Rentyuk Vladimir «Control stepper motors in both directions» EDN March 18 2010
  11. Кеніо Такаші. Крокові двигуни та мікропроцесорні системи управління: Пер. з англ., М .: Вища школа, 1987 - 199 с.
  12. stepmotor.ru

Крокові двигуни: особливості та практичні схеми управління. Частина 2

Журнал РАДІОЛОЦМАН, лютий 2015

Володимир Рентюк, Запоріжжя, Україна

Частина 1.

Частина 2. Схемотехніка систем управління

Вище були розглянуті найбільш важливі загальні питання використання крокових двигунів, які допоможуть в їх освоєнні. Але, як свідчить наша улюблена українська приказка: «Не повірю поки НЕ провірю» ( «Не повірю, поки не перевірю»). Тому перейдемо до практичної сторони питання. Як уже зазначалося, крокові двигуни - це задоволення не з дешевих. Але вони є в старих принтерах, зчитувача гнучких і лазерних дисків, наприклад, SPM-20 (кроковий двигун для позиціонування головки в дисководах 5 "25 Mitsumi) або EM-483 (від принтера Epson Stylus C86), які можна знайти у себе в старому непотребі або купити за копійки на радіобазарі. Приклади таких двигунів представлені на рисунку 8.

Малюнок 8. Крокові двигуни, використовувані в застарілої комп'ютерної техніки.
а) Кроковий двигун SPM-20 для позиціонування головки в
дисководах 5 "25 Mitsumi. (Фото з сайту ).
б) Кроковий двигун EM-483 від принтера Epson Stylus C86. (Фото з сайту ).

Найбільш простими для початкового освоєння є уніполярні двигуни. Причина криється в простоті і дешевизні їх драйвера управління обмотками. На рисунку 9 наведено практична схема драйвера, використаного автором статті для униполярного крокової двигуна серії P542-M48 [ 6 ].

Природно, що вибір типу транзистора для ключів управління обмотками повинен відбуватися з урахуванням максимального струму комутації, а його підключення враховувати необхідність заряду / розряду ємності затвора. У ряді випадків пряме з'єднання MOSFET з ІМС комутатора може бути неприпустимим. Як правило, в затворах встановлюються послідовно включені резистори невеликих номіналів. Але в ряді випадків необхідно передбачити ще й відповідний драйвер для управління ключами, який забезпечить заряд / розряд їх вхідний ємності. У деяких рішеннях пропонується в якості ключів використовувати біполярні транзистори. Це підходить тільки для дуже малопотужних двигунів з невеликим струмом обмоток. Для розглянутого двигуна з робочим струмом обмоток I = 230 мА струм управління по базі ключа повинен скласти, принаймні, 15 мА (хоча для нормальної роботи ключа необхідно, щоб струм бази дорівнював 1/10 робочого, тобто 23 мА). Але такий струм від мікросхем серії 74HCхх забрати неможливо, тому потрібні додаткові драйвери. Як хороший компроміс, можна використовувати IGBT, що поєднують в собі переваги польових і біполярних транзисторів.

З точки зору автора статті, найоптимальнішим для управління комутацією обмоток двигунів невеликої потужності є використання відповідних по струму і опору відкритого каналу RDC (ON) MOSFET, але з урахуванням рекомендацій, описаних вище. Потужність, що розсіюється на ключах для обраного в якості прикладу двигуна серії P542-M48, при повній зупинці ротора не перевищить

PVT = RDC (ON) × I2 = 0.25 × (0.230) 2 = 13.2 мВт.

транзистори IRLML2803 з RDC (ON) = 0.25 Ом мають допустиму потужність розсіювання 540 мВ і постійний струм стоку 0.93 А при температурі 70 ° С. Так що, вони повністю відповідають вимогам і забезпечать надійну роботу драйвера. У більшості випадків, з огляду на низькі частоти комутації, проведеної вище оцінки цілком достатньо. Оскільки детальний розгляд особливостей роботи ключів не входить в рамки даної статті, то для їх вибору і повного розрахунку можна скористатися методикою, наведеною, наприклад, в [ 7 ].

Ще одним важливим моментом є правильний вибір так званих снаберних діодів, шунтуючих обмотку двигуна (VD1 ... VD4 на рисунку 9). Призначення цих діодів - гасити ЕРС самоіндукції, що виникає при виключенні керуючих ключів. Якщо діоди обрані невірно, то неминучий вихід з ладу транзисторних ключів і пристрої в цілому. Зверніть увагу, що в потужні MOSFET такі діоди, як правило, вже вбудовані.

Режим управління двигуном задається комутатором. Як уже було відзначено вище, найбільш зручним і ефективним є управління з перекриттям фаз (Малюнок 4б). Такий режим легко реалізується за допомогою тригерів. Практична схема універсального комутатора, який використовував автор статті як в ряді налагоджувальних модулів (в тому числі, і з наведеним вище драйвером), так і для практичних застосувань, наведена на рисунку 10.

Схема на рисунку 10 придатна для будь-яких типів двигунів (уніполярних і біполярних). Частота обертання двигуна задається зовнішнім тактовим генератором (шпаруватість будь-яка), сигнал з якого подається на вхід «КРОКИ», а напрямок обертання встановлюється через вхід «НАПРЯМОК». Обидва сигнали мають логічні рівні і, якщо для їх формування використовуються виходи з відкритим колектором, то будуть потрібні відповідні резистори підтяжки (на рисунку 10 вони не показані). Тимчасова діаграма роботи комутатора наведена на рисунку 11.

Хочу звернути увагу читачів: в Інтернеті ви могли зустріти схожу схему, виконану нема на D-тригерах, а на JK-тригерах. Будьте уважні! У ряді цих схем допущена помилка в підключенні ІМС. Якщо немає необхідності в реверсі, то схема комутатора може бути значно спрощена (див. Малюнок 12), при цьому частота обертання залишиться незмінною, а діаграма управління буде аналогічною тій, яка приведена на рисунку 11 (осцилограми до перемикання черговості фаз).

Оскільки особливих вимог до сигналу «КРОКИ» не пред'являється, для його формування може використовуватися будь-який відповідний за рівнями вихідного сигналу генератор. Для своїх налагоджувальних модулів автор використовував генератор на базі ІМС таймера 555 (Малюнок 13).

Для харчування власне двигуна можна використовувати схему, наведену на рисунку 14, а схему комутатора і генератора живити або від окремого джерела живлення +5 В або через додатковий малопотужний стабілізатор. Землі силовий і сигнальної частин в будь-якому випадку необхідно розділити.

Схема на рисунку 14 забезпечує подачу двох стабільних за рівнем напруг для живлення обмоток двигуна: 12 В в робочому режимі і 6 У в режимі утримання. (Формули, необхідні для розрахунку вихідної напруги, наведені в [ 8 ]). Робочий режим включається подачею високого логічного рівня на контакт «ТОРМОЗ» роз'єму Х1. Допустимість зниження напруги харчування визначається тим, що, як уже зазначалося в першій частині статті, момент утримання крокових двигунів перевищує момент обертання. Так, для розглянутого двигуна P542-M48 момент утримання з редуктором 25: 6 дорівнює 19.8 Н · см, а момент обертання всього 6 Н · см. Цей підхід дозволяє при зупинці двигуна зменшити споживання потужності з 5.52 Вт до 1.38 Вт! Повне відключення двигуна здійснюється подачею високого логічного рівня на контакт «вмикання / вимикання» роз'єму Х1.

Якщо схема управління має вихід на транзисторах з відкритим колектором, то в ключах VT1, VT2 необхідності немає, і виходи можна підключити безпосередньо замість згаданих ключів.

Примітка: У цьому варіанті використання резисторів підтяжки неприпустимо!

Як дросель автор використовував котушку SDR1006-331K (Bourns). Загальна харчування формувача напруги для обмоток двигуна можна зменшити до 16 - 18 В, що чи не позначиться на його роботі. Ще раз звертаю увагу: при самостійному розрахунку не забудьте враховувати, що формувач забезпечує режим з перекриттям фаз, тобто необхідно закладатися на номінальний струм схеми харчування, рівний подвоєному максимальному току обмоток при обраному напрузі живлення.

Завдання управління біполярними двигунами складніша. Основна проблема в драйвері. Для цих двигунів потрібен драйвер мостового типу, і робити його, тим більше в сучасних умовах, на дискретних елементах - невдячне завдання. Так, цього і не потрібно, так як є дуже великий вибір спеціалізованих ІМС. Всі ці ІМС умовно можна звести до двох типів. Перший - дуже популярна у любителів робототехніки ІМС L293D STMicroelectronics [ 9 ] Або її варіанти від Texas Instruments . Вони відносно недорогі і підходять для управління малопотужними двигунами з струмом обмоток до 600 мА. ІМС мають захист від перегріву; встановлювати її необхідно із забезпеченням відводу тепла, яким служить фольга друкованої плати [ 9 ]. Другий тип - це вже знайома читачам по публікації в [ 1 ] ІМС LMD18245 [ 2 ].

Автор використав драйвер L293DD в схемі для управління біполярним двигуном малої потужності типу 20M020D2B 12 В / 0.1 А під час вивчення проблеми використання крокових двигунів. Цей драйвер зручний тим, що містить чотири полумостового ключа, тому для управління біполярним кроковим двигуном потрібно всього одна ІМС. Повна схема, наведена в [ 10 ] І багато разів повторена на інтернет-сайтах, придатна для використання в якості тестової плати. На рисунку 15 показано включення ІМС драйвера (з прив'язкою до комутатора з рисунка 10), оскільки саме ця частина зараз представляє для нас інтерес, а Figure 6 (Bipolar Stepping-Motor Control) з специфікації [ 9 ] Не зовсім зрозуміла початківцю. Вона вводить в оману, наприклад, тим, що показані зовнішні діоди, які насправді вбудовані в ІМС і прекрасно справляються з обмотками малопотужних двигунів. Природно, що драйвер L293D може працювати з будь-яким комутатором. Вимикається драйвер логічним нулем по входу R.

Примітка: ІМС L293, в залежності від виробника і суфіксів, що вказують на тип корпусу, мають відмінності в нумерації і кількості висновків!

Для більш потужних двигунів автор статті використав драйвери LMD18245. Повна схема тестового модуля наведена на рисунку 16.

На відміну від L293DD, LMD18245 є не чотирьох-, а двоканальним драйвером, тому для реалізації схеми управління потрібні дві ІМС. Драйвер LMD18245 виконаний по DMOS технології, містить схеми захисту від перегріву, короткого замикання і виконаний в зручному 15-вивідному корпусі ТО-220, що дозволяє легко відводити від його корпусу зайве тепло. Як задає генератора використовувалася схема, наведена раніше на рисунку 13, але зі збільшеним до 4.7 кОм опором резистора R2. Для подачі одиночних імпульсів використовується кнопка BH1, що дозволяє зрушити ротор двигуна на один крок. Напрямок обертання ротора визначається положенням перемикача S1. Включення і вимикання двигуна здійснюється вимикачем S2. В положення «ВИМК» ротор двигуна звільняється, і його обертання імпульсами управління стає неможливим. Режим утримання зменшує максимальний струм, споживаний обмотками двигуна, з двох до одного ампера. Якщо імпульси управління не подаються, то ротор двигуна залишається в зафіксованому положенні зі зниженою вдвічі потужністю споживання. Якщо ж імпульси подаються, то обертання двигуна в цьому режимі здійснюється з пониженим на малих швидкостях обертання моментом. Необхідно зауважити, що оскільки при полношаговом управлінні «two-phase-on» включені обидві обмотки, струм двигуна подвоюється, а схема драйвера повинна розраховуватися виходячи з вимог забезпечення заданого струму двох обмоток (резистори R3, R8).

Схема містить описаний раніше двонаправлений двофазний формувач на D-тригерах (Малюнок 10). Максимальний струм драйвера задається резистором, включеним в ланцюг контакту 13 ІМС LMD18245 (резистори R3, R8), і двійковим кодом на контактах ланцюга управління струму (висновки 8, 7, 6, 4). Формула для розрахунку максимального струму приведена в специфікації на драйвер [ 2 ]. Обмеження струму здійснюється імпульсним методом. При досягненні максимально заданої величини струму виконується його «нарізка» ( «chopping»). Параметри цієї «нарізки» задаються паралельної RC ланцюжком, підключеної до висновку 3 драйвера. Перевагою ІМС LMD18245 є те, що токозадающій резистор, не включений безпосередньо в ланцюг двигуна, має досить великий номінал і маленьку рассеиваемую потужність. Для даної схеми максимальний струм в амперах, відповідно до наведеної в [ 2 ] Формулою, становить:

де:

VDAC REF - опорна напруга ЦАП (в розглянутій схемі 5 В);
D - задіяні розряди ЦАП (в цьому режимі використовуються всі 16 розрядів);
RS - опір струмообмежувального резистора (R3 = R8 = 10 кОм).

Відповідно, в режимі утримання (оскільки використовуються 8 розрядів ЦАП), максимальний струм складе 1 А.

На закінчення необхідно відзначити, що драйвер LMD18245 дозволяє реалізувати і мікрошаговий управління. Як згадувалося вище, такий режим зменшує, і навіть пригнічує паразитний резонанс ротора. Підтримка такого режиму для зазначеного драйвера здійснюється мікропроцесором, керуючим входами ЦАП.

Як можна бачити з запропонованої статті, крокові двигуни хоч і складніше в управлінні, ніж колекторні, але не настільки, щоб відмовлятися від них. Як говорили ще стародавні римляни: «Дорогу здолає той, хто йде». Природно, що на практиці для багатьох додатків управління кроковими двигунами доцільно робити на основі мікроконтролерів, які легко сформують потрібні команди для драйверів і виконають роль комутаторів. Додаткову інформацію та більш детальний розгляд проблем, пов'язаних із застосуванням крокових двигунів, крім як за згаданими вище посиланнях [ 3 , 4 , 7 ], Можна почерпнути з стала вже класикою монографії Кеніо Такаші [ 11 ] І на спеціалізованих інтернет-сайтах, наприклад, [ 12 ].

Є ще один момент, на який автор статті хотів би звернути увагу читачів. Крокові двигуни, як втім, і всі двигуни постійного струму, оборотні. Що мається на увазі? Якщо прикласти зовнішнє вращающее зусилля до ротора, то з обмоток статора можна зняти ЕРС, тобто двигун стає генератором, причому вельми і вельми ефективним. Автор статті експериментував з цим варіантом використання крокових двигунів під час роботи консультантом по силовій електроніці в компанії, що займається вітроенергетикою. Необхідно було на простих макетах відпрацювати ряд практичних рішень. За спостереженням автора статті, ефективність крокової двигуна в такому застосуванні була вище, ніж у аналогічного за параметрами і габаритами колекторного двигуна постійного струму. Але це вже інша історія.

література:

  1. Рентюк В. « Управління двигунами постійного струму »
  2. LMD18245 3A, 55V DMOS Full-Bridge Motor Driver, Texas Instruments Inc., April 2013
  3. Ємельянов А. В., Шилін А. Н. Крокові двигуни: навчальний посібник. Волг. ГТУ, Волгоград, 2005
  4. en.nanotec.com
  5. DHS 56 series TECO Electro Devices Co. Ltd.
  6. Geared stepper motor P542-M48 series, Mclennan Servo Supplies Ltd.
  7. Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. Енциклопедія пристроїв на польових транзисторах. М., СОЛОН-Р, 2002
  8. LM2675 SIMPLE SWITCHER Power Converter High Efficiency 1A Step-Down Voltage Regulator, Texas Instruments Inc., Rev. June 2005
  9. L293, L293D PUSH-PULL FOUR CHANNEL DRIVER WITH DIODES STMicroelectronics, July 2003
  10. Rentyuk Vladimir «Control stepper motors in both directions» EDN March 18 2010
  11. Кеніо Такаші. Крокові двигуни та мікропроцесорні системи управління: Пер. з англ., М .: Вища школа, 1987 - 199 с.
  12. stepmotor.ru

Крокові двигуни: особливості та практичні схеми управління. Частина 2

Журнал РАДІОЛОЦМАН, лютий 2015

Володимир Рентюк, Запоріжжя, Україна

Частина 1.

Частина 2. Схемотехніка систем управління

Вище були розглянуті найбільш важливі загальні питання використання крокових двигунів, які допоможуть в їх освоєнні. Але, як свідчить наша улюблена українська приказка: «Не повірю поки НЕ провірю» ( «Не повірю, поки не перевірю»). Тому перейдемо до практичної сторони питання. Як уже зазначалося, крокові двигуни - це задоволення не з дешевих. Але вони є в старих принтерах, зчитувача гнучких і лазерних дисків, наприклад, SPM-20 (кроковий двигун для позиціонування головки в дисководах 5 "25 Mitsumi) або EM-483 (від принтера Epson Stylus C86), які можна знайти у себе в старому непотребі або купити за копійки на радіобазарі. Приклади таких двигунів представлені на рисунку 8.

Малюнок 8. Крокові двигуни, використовувані в застарілої комп'ютерної техніки.
а) Кроковий двигун SPM-20 для позиціонування головки в
дисководах 5 "25 Mitsumi. (Фото з сайту ).
б) Кроковий двигун EM-483 від принтера Epson Stylus C86. (Фото з сайту ).

Найбільш простими для початкового освоєння є уніполярні двигуни. Причина криється в простоті і дешевизні їх драйвера управління обмотками. На рисунку 9 наведено практична схема драйвера, використаного автором статті для униполярного крокової двигуна серії P542-M48 [ 6 ].

Природно, що вибір типу транзистора для ключів управління обмотками повинен відбуватися з урахуванням максимального струму комутації, а його підключення враховувати необхідність заряду / розряду ємності затвора. У ряді випадків пряме з'єднання MOSFET з ІМС комутатора може бути неприпустимим. Як правило, в затворах встановлюються послідовно включені резистори невеликих номіналів. Але в ряді випадків необхідно передбачити ще й відповідний драйвер для управління ключами, який забезпечить заряд / розряд їх вхідний ємності. У деяких рішеннях пропонується в якості ключів використовувати біполярні транзистори. Це підходить тільки для дуже малопотужних двигунів з невеликим струмом обмоток. Для розглянутого двигуна з робочим струмом обмоток I = 230 мА струм управління по базі ключа повинен скласти, принаймні, 15 мА (хоча для нормальної роботи ключа необхідно, щоб струм бази дорівнював 1/10 робочого, тобто 23 мА). Але такий струм від мікросхем серії 74HCхх забрати неможливо, тому потрібні додаткові драйвери. Як хороший компроміс, можна використовувати IGBT, що поєднують в собі переваги польових і біполярних транзисторів.

З точки зору автора статті, найоптимальнішим для управління комутацією обмоток двигунів невеликої потужності є використання відповідних по струму і опору відкритого каналу RDC (ON) MOSFET, але з урахуванням рекомендацій, описаних вище. Потужність, що розсіюється на ключах для обраного в якості прикладу двигуна серії P542-M48, при повній зупинці ротора не перевищить

PVT = RDC (ON) × I2 = 0.25 × (0.230) 2 = 13.2 мВт.

транзистори IRLML2803 з RDC (ON) = 0.25 Ом мають допустиму потужність розсіювання 540 мВ і постійний струм стоку 0.93 А при температурі 70 ° С. Так що, вони повністю відповідають вимогам і забезпечать надійну роботу драйвера. У більшості випадків, з огляду на низькі частоти комутації, проведеної вище оцінки цілком достатньо. Оскільки детальний розгляд особливостей роботи ключів не входить в рамки даної статті, то для їх вибору і повного розрахунку можна скористатися методикою, наведеною, наприклад, в [ 7 ].

Ще одним важливим моментом є правильний вибір так званих снаберних діодів, шунтуючих обмотку двигуна (VD1 ... VD4 на рисунку 9). Призначення цих діодів - гасити ЕРС самоіндукції, що виникає при виключенні керуючих ключів. Якщо діоди обрані невірно, то неминучий вихід з ладу транзисторних ключів і пристрої в цілому. Зверніть увагу, що в потужні MOSFET такі діоди, як правило, вже вбудовані.

Режим управління двигуном задається комутатором. Як уже було відзначено вище, найбільш зручним і ефективним є управління з перекриттям фаз (Малюнок 4б). Такий режим легко реалізується за допомогою тригерів. Практична схема універсального комутатора, який використовував автор статті як в ряді налагоджувальних модулів (в тому числі, і з наведеним вище драйвером), так і для практичних застосувань, наведена на рисунку 10.

Схема на рисунку 10 придатна для будь-яких типів двигунів (уніполярних і біполярних). Частота обертання двигуна задається зовнішнім тактовим генератором (шпаруватість будь-яка), сигнал з якого подається на вхід «КРОКИ», а напрямок обертання встановлюється через вхід «НАПРЯМОК». Обидва сигнали мають логічні рівні і, якщо для їх формування використовуються виходи з відкритим колектором, то будуть потрібні відповідні резистори підтяжки (на рисунку 10 вони не показані). Тимчасова діаграма роботи комутатора наведена на рисунку 11.

Хочу звернути увагу читачів: в Інтернеті ви могли зустріти схожу схему, виконану нема на D-тригерах, а на JK-тригерах. Будьте уважні! У ряді цих схем допущена помилка в підключенні ІМС. Якщо немає необхідності в реверсі, то схема комутатора може бути значно спрощена (див. Малюнок 12), при цьому частота обертання залишиться незмінною, а діаграма управління буде аналогічною тій, яка приведена на рисунку 11 (осцилограми до перемикання черговості фаз).

Оскільки особливих вимог до сигналу «КРОКИ» не пред'являється, для його формування може використовуватися будь-який відповідний за рівнями вихідного сигналу генератор. Для своїх налагоджувальних модулів автор використовував генератор на базі ІМС таймера 555 (Малюнок 13).

Для харчування власне двигуна можна використовувати схему, наведену на рисунку 14, а схему комутатора і генератора живити або від окремого джерела живлення +5 В або через додатковий малопотужний стабілізатор. Землі силовий і сигнальної частин в будь-якому випадку необхідно розділити.

Схема на рисунку 14 забезпечує подачу двох стабільних за рівнем напруг для живлення обмоток двигуна: 12 В в робочому режимі і 6 У в режимі утримання. (Формули, необхідні для розрахунку вихідної напруги, наведені в [ 8 ]). Робочий режим включається подачею високого логічного рівня на контакт «ТОРМОЗ» роз'єму Х1. Допустимість зниження напруги харчування визначається тим, що, як уже зазначалося в першій частині статті, момент утримання крокових двигунів перевищує момент обертання. Так, для розглянутого двигуна P542-M48 момент утримання з редуктором 25: 6 дорівнює 19.8 Н · см, а момент обертання всього 6 Н · см. Цей підхід дозволяє при зупинці двигуна зменшити споживання потужності з 5.52 Вт до 1.38 Вт! Повне відключення двигуна здійснюється подачею високого логічного рівня на контакт «вмикання / вимикання» роз'єму Х1.

Якщо схема управління має вихід на транзисторах з відкритим колектором, то в ключах VT1, VT2 необхідності немає, і виходи можна підключити безпосередньо замість згаданих ключів.

Примітка: У цьому варіанті використання резисторів підтяжки неприпустимо!

Як дросель автор використовував котушку SDR1006-331K (Bourns). Загальна харчування формувача напруги для обмоток двигуна можна зменшити до 16 - 18 В, що чи не позначиться на його роботі. Ще раз звертаю увагу: при самостійному розрахунку не забудьте враховувати, що формувач забезпечує режим з перекриттям фаз, тобто необхідно закладатися на номінальний струм схеми харчування, рівний подвоєному максимальному току обмоток при обраному напрузі живлення.

Завдання управління біполярними двигунами складніша. Основна проблема в драйвері. Для цих двигунів потрібен драйвер мостового типу, і робити його, тим більше в сучасних умовах, на дискретних елементах - невдячне завдання. Так, цього і не потрібно, так як є дуже великий вибір спеціалізованих ІМС. Всі ці ІМС умовно можна звести до двох типів. Перший - дуже популярна у любителів робототехніки ІМС L293D STMicroelectronics [ 9 ] Або її варіанти від Texas Instruments . Вони відносно недорогі і підходять для управління малопотужними двигунами з струмом обмоток до 600 мА. ІМС мають захист від перегріву; встановлювати її необхідно із забезпеченням відводу тепла, яким служить фольга друкованої плати [ 9 ]. Другий тип - це вже знайома читачам по публікації в [ 1 ] ІМС LMD18245 [ 2 ].

Автор використав драйвер L293DD в схемі для управління біполярним двигуном малої потужності типу 20M020D2B 12 В / 0.1 А під час вивчення проблеми використання крокових двигунів. Цей драйвер зручний тим, що містить чотири полумостового ключа, тому для управління біполярним кроковим двигуном потрібно всього одна ІМС. Повна схема, наведена в [ 10 ] І багато разів повторена на інтернет-сайтах, придатна для використання в якості тестової плати. На рисунку 15 показано включення ІМС драйвера (з прив'язкою до комутатора з рисунка 10), оскільки саме ця частина зараз представляє для нас інтерес, а Figure 6 (Bipolar Stepping-Motor Control) з специфікації [ 9 ] Не зовсім зрозуміла початківцю. Вона вводить в оману, наприклад, тим, що показані зовнішні діоди, які насправді вбудовані в ІМС і прекрасно справляються з обмотками малопотужних двигунів. Природно, що драйвер L293D може працювати з будь-яким комутатором. Вимикається драйвер логічним нулем по входу R.

Примітка: ІМС L293, в залежності від виробника і суфіксів, що вказують на тип корпусу, мають відмінності в нумерації і кількості висновків!

Для більш потужних двигунів автор статті використав драйвери LMD18245. Повна схема тестового модуля наведена на рисунку 16.

На відміну від L293DD, LMD18245 є не чотирьох-, а двоканальним драйвером, тому для реалізації схеми управління потрібні дві ІМС. Драйвер LMD18245 виконаний по DMOS технології, містить схеми захисту від перегріву, короткого замикання і виконаний в зручному 15-вивідному корпусі ТО-220, що дозволяє легко відводити від його корпусу зайве тепло. Як задає генератора використовувалася схема, наведена раніше на рисунку 13, але зі збільшеним до 4.7 кОм опором резистора R2. Для подачі одиночних імпульсів використовується кнопка BH1, що дозволяє зрушити ротор двигуна на один крок. Напрямок обертання ротора визначається положенням перемикача S1. Включення і вимикання двигуна здійснюється вимикачем S2. В положення «ВИМК» ротор двигуна звільняється, і його обертання імпульсами управління стає неможливим. Режим утримання зменшує максимальний струм, споживаний обмотками двигуна, з двох до одного ампера. Якщо імпульси управління не подаються, то ротор двигуна залишається в зафіксованому положенні зі зниженою вдвічі потужністю споживання. Якщо ж імпульси подаються, то обертання двигуна в цьому режимі здійснюється з пониженим на малих швидкостях обертання моментом. Необхідно зауважити, що оскільки при полношаговом управлінні «two-phase-on» включені обидві обмотки, струм двигуна подвоюється, а схема драйвера повинна розраховуватися виходячи з вимог забезпечення заданого струму двох обмоток (резистори R3, R8).

Схема містить описаний раніше двонаправлений двофазний формувач на D-тригерах (Малюнок 10). Максимальний струм драйвера задається резистором, включеним в ланцюг контакту 13 ІМС LMD18245 (резистори R3, R8), і двійковим кодом на контактах ланцюга управління струму (висновки 8, 7, 6, 4). Формула для розрахунку максимального струму приведена в специфікації на драйвер [ 2 ]. Обмеження струму здійснюється імпульсним методом. При досягненні максимально заданої величини струму виконується його «нарізка» ( «chopping»). Параметри цієї «нарізки» задаються паралельної RC ланцюжком, підключеної до висновку 3 драйвера. Перевагою ІМС LMD18245 є те, що токозадающій резистор, не включений безпосередньо в ланцюг двигуна, має досить великий номінал і маленьку рассеиваемую потужність. Для даної схеми максимальний струм в амперах, відповідно до наведеної в [ 2 ] Формулою, становить:

де:

VDAC REF - опорна напруга ЦАП (в розглянутій схемі 5 В);
D - задіяні розряди ЦАП (в цьому режимі використовуються всі 16 розрядів);
RS - опір струмообмежувального резистора (R3 = R8 = 10 кОм).

Відповідно, в режимі утримання (оскільки використовуються 8 розрядів ЦАП), максимальний струм складе 1 А.

На закінчення необхідно відзначити, що драйвер LMD18245 дозволяє реалізувати і мікрошаговий управління. Як згадувалося вище, такий режим зменшує, і навіть пригнічує паразитний резонанс ротора. Підтримка такого режиму для зазначеного драйвера здійснюється мікропроцесором, керуючим входами ЦАП.

Як можна бачити з запропонованої статті, крокові двигуни хоч і складніше в управлінні, ніж колекторні, але не настільки, щоб відмовлятися від них. Як говорили ще стародавні римляни: «Дорогу здолає той, хто йде». Природно, що на практиці для багатьох додатків управління кроковими двигунами доцільно робити на основі мікроконтролерів, які легко сформують потрібні команди для драйверів і виконають роль комутаторів. Додаткову інформацію та більш детальний розгляд проблем, пов'язаних із застосуванням крокових двигунів, крім як за згаданими вище посиланнях [ 3 , 4 , 7 ], Можна почерпнути з стала вже класикою монографії Кеніо Такаші [ 11 ] І на спеціалізованих інтернет-сайтах, наприклад, [ 12 ].

Є ще один момент, на який автор статті хотів би звернути увагу читачів. Крокові двигуни, як втім, і всі двигуни постійного струму, оборотні. Що мається на увазі? Якщо прикласти зовнішнє вращающее зусилля до ротора, то з обмоток статора можна зняти ЕРС, тобто двигун стає генератором, причому вельми і вельми ефективним. Автор статті експериментував з цим варіантом використання крокових двигунів під час роботи консультантом по силовій електроніці в компанії, що займається вітроенергетикою. Необхідно було на простих макетах відпрацювати ряд практичних рішень. За спостереженням автора статті, ефективність крокової двигуна в такому застосуванні була вище, ніж у аналогічного за параметрами і габаритами колекторного двигуна постійного струму. Але це вже інша історія.

література:

  1. Рентюк В. « Управління двигунами постійного струму »
  2. LMD18245 3A, 55V DMOS Full-Bridge Motor Driver, Texas Instruments Inc., April 2013
  3. Ємельянов А. В., Шилін А. Н. Крокові двигуни: навчальний посібник. Волг. ГТУ, Волгоград, 2005
  4. en.nanotec.com
  5. DHS 56 series TECO Electro Devices Co. Ltd.
  6. Geared stepper motor P542-M48 series, Mclennan Servo Supplies Ltd.
  7. Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. Енциклопедія пристроїв на польових транзисторах. М., СОЛОН-Р, 2002
  8. LM2675 SIMPLE SWITCHER Power Converter High Efficiency 1A Step-Down Voltage Regulator, Texas Instruments Inc., Rev. June 2005
  9. L293, L293D PUSH-PULL FOUR CHANNEL DRIVER WITH DIODES STMicroelectronics, July 2003
  10. Rentyuk Vladimir «Control stepper motors in both directions» EDN March 18 2010
  11. Кеніо Такаші. Крокові двигуни та мікропроцесорні системи управління: Пер. з англ., М .: Вища школа, 1987 - 199 с.
  12. stepmotor.ru
Що мається на увазі?
Що мається на увазі?
Що мається на увазі?