Управление биполярным шаговым двигателем. Часть 1. Теория. Схема с контроллером PIC12F629 и драйвером LB1838
Шаговые двигатели интересны тем, что позволяют повернуть вал на определённый угол. Соответственно, с их помощью можно повернуть вал и на определённое число оборотов, потому что N оборотов — это тоже определённый угол, равный 360*N, и, в том числе, на нецелое число оборотов, например на 0.75 оборота, 2.5 оборота, на 3.7 оборота и т.д. Этими возможностями шаговых двигателей определяется и область их применения. В основном они используются для позиционирования различных устройств: считывающих головок в дисководах, печатающих головок в принтерах и плоттерах и т.д.
Естественно такие возможности не могли обойти стороной и радиолюбители. Они с успехом используют шаговики в конструкциях самодельных роботов, самодельных станков с ЧПУ и т.д. Ниже описаны результаты моих опытов с шаговым двигателем, надеюсь, что кому-то это может оказаться полезным.
Итак, что нам понадобится для экспериментов. Во-первых, шаговый двигатель. Я брал 5-ти вольтовый китайский биполярный шаговик с загадочным названием, выдранный из старого 3,5″ дисковода, аналог M20SP-GW15. Во-вторых, поскольку обмотки двигателя потребляют значительный ток (в данном случае до 300 мА), то вполне понятно, что подключить шаговик к контроллеру напрямую не удастся, нужен драйвер.
В качестве драйвера для биполярных шаговых двигателей обычно используют схему так называемого H-моста или специальную микросхему (в которой всё равно встроен H-мост). Можно конечно ваять самому, но я взял готовую микруху (LB1838) из того же старого дисковода. Собственно, кроме всего вышеописанного, для наших экспериментов также понадобятся: PIC-контроллер (был взят PIC12F629, как самый дешёвый) и пара кнопок.
Перед тем, как перейти непосредственно к схеме, давайте немного разберёмся с теорией.
Биполярный шаговый двигатель имеет две обмотки и, соответственно, подключается по четырём проводам. Найти концы обмоток можно простой прозвонкой — концы проводов, относящиеся к одной обмотке, будут между собой звониться, а концы, относящиеся к разным обмоткам, — нет. Концы первой обмотки обозначим буквами «a», «b», а концы второй обмотки буквами «c», «d».
На рассматриваемом экземпляре есть цифровая маркировка контактов возле мотора и цветовая маркировка проводов (бог его знает, может это тоже какой-то стандарт): 1 — красный, 2 — голубой — первая обмотка; 3 — жёлтый, 4 — белый — вторая обмотка.
Для того, чтобы биполярный шаговый двигатель вращался, необходимо запитывать обмотки в порядке, указанном в таблице. Если направление обхода таблицы выбрать сверху вниз по кругу, то двигатель будет вращаться вперёд, если снизу вверх по кругу — двигатель будет вращаться назад:
За один полный цикл двигатель делает четыре шага.
Для правильной работы, должна строго соблюдаться указанная в таблице последовательность коммутаций. То есть, например, после второй комбинации (когда мы подали + на вывод «c» и минус на вывод «d») мы можем подать либо третью комбинацию (отключить вторую обмотку, а на первой подать — на «a» и + на «b»), тогда двигатель повернётся на один шаг вперёд, либо первую комбинацию (двигатель повернётся на один шаг назад).
То, с какой комбинации нужно начинать вращение, определяется тем, какая последняя комбинация подавалась на двигатель перед его выключением (если конечно его руками потом не крутили) и желаемым направлением вращения.
То есть, допустим мы повернули двигатель на 5 шагов вперёд, подавая на него комбинации 2-3-4-1-2, потом обесточили, а потом захотели повернуть ещё на один шаг вперёд. Для этого на обмотки надо подать комбинацию 3. Пусть после этого мы его опять обесточили, а через какое-то время захотели вернуть его на 2 шага назад, тогда нам нужно подать на двигатель комбинации 2-1. И так далее в таком же духе.
Эта таблица, кроме всего прочего, позволяет оценить, что будет происходить с шаговым двигателем, если мы перепутаем порядок подключения обмоток или концы в обмотках.
На этом мы закончим с двигателем и перейдём к драйверу LB1838.
У этой микрухи есть четыре управляющие ноги (IN1, IN2, EN1, EN2), на которые мы как раз и будем подавать сигналы с контроллера, и четыре выходных ноги (Out1, Out2, Out3, Out4), к которым подключаются обмотки двигателя. Обмотки подключаются следующим образом: провод «a» подключается к Out1, провод «b» — к Out2, провод «c» — к Out3, провод «d» — к Out4.
Ниже представлена таблица истинности для микросхемы драйвера (состояние выходов в зависимости от состояния входов):
| IN1 | EN1 | Out1 (a) | Out2(b) | IN2 | EN2 | Out3(c) | Out4(d) |
| Low | High | + | — | Low | High | + | — |
| High | High | — | + | High | High | — | + |
| X | Low | откл | откл | X | Low | откл | откл |
Теперь давайте нарисуем на диаграмме, какую форму должны иметь сигналы IN1, EN1, IN2, EN2 для одного полного цикла вращения (4 шага), т.е. чтобы на выходах появились последовательно все 4 комбинации подключения обмоток:
Если присмотреться к этой диаграмме (слева), то становится очевидно, что сигналы IN1 и IN2 можно сделать абсолютно одинаковыми, то есть на обе этих ноги можно подавать один и тот же сигнал. В этом случае наша диаграмма будет выглядеть так:
Итак, на последней диаграмме нарисовано, какие комбинации уровней сигналов должны быть на управляющих входах драйвера (EN1, EN2, IN1, IN2) для того, чтобы получить соответствующие комбинации подключения обмоток двигателя, а также стрелками указан порядок смены этих комбинаций для обеспечения вращения в нужную сторону.
Вот в общем-то и вся теория. Необходимые комбинации уровней на управляющих входах формируются контроллером (мы будем использовать PIC12F629).
R1..R2 = 1 кОм. Когда соответствующая кнопка не нажата — резистор подтягивает напряжение на входе контроллера к +5 В (высокий уровень). При нажатии на кнопку напряжение на входе подтягивается к земле (низкий уровень).
С1, С2 = 0,1 мкФ — керамические конденсаторы.
С3 = 470 мкФ х 16В — электролитический конденсатор.
Программа управления реализует следующий алгоритм: при нажатии кнопки КН1 двигатель поворачивается на один шаг в одну сторону, а при нажатии кнопки КН2 — на один шаг в другую сторону.
Собственно говоря, можно прикрутить сюда программный UART и реализовать управление от компьютера (передавать с компа скорость, количество шагов и направление вращения).
Источник
Драйвер шагового двигателя A4988
Товары
Для управления шаговыми двигателями используют специальные устройства – драйверы шаговых двигателей. Популярный драйвер шагового двигателя А4988 работает от напряжения 8-35 В и может обеспечить ток до 1 А на фазу без радиатора.
Обзор драйвера A4988
Рисунок 1. Драйвер биполярных двигателей A4988
Технические характеристики A4988
Назначение контактов драйвера A4988
Рисунок 2. Выводы драйвера A4988
Значение микрошага устанавливается комбинацией сигналов на входах MS1, MS2, и MS3. Есть пять вариантов дробления шага (см. с таблицу 1).
Таблица 1. Комбинация значений для выбора микрошага
Подключение драйвера к Arduino
Рисунок 3. Схема подключения A4988 к плате Arduino
Схема подключения драйвера A4988 для управления биполярным шаговым двигателем показана на рисунке 3. Вывод RESET подключен к выводу SLEEP, чтобы на нем был высокий уровень HIGH. Загрузим на плату Arduino скетч из листинга 1, который управляет движением биполярного шагового двигателя с постоянной скоростью на один оборот в одну сторону, затем в другую, и далее в цикле.
Листинг 1 Если после загрузки скетча не происходит движения двигателя, проверьте правильность подключения обмоток к выводам драйвера A4988. К выводам 2B и 2A (1A и 1B) подключаются провода двигателя, которые «прозваниваются» тестером.
Пример использования
Рисунок 4. Схема подключения для управления скоростью и направлением движения
Приступим к написанию скетча. Нажатие на кнопку включает/выключает двигатель, подавая сигнал LOW/HIGH на вход ENABLE драйвера A4988. С помощью переключателя выбираем направление вращения двигателя (сигнал с переключателя подается напрямую на вход DIR драйвера A4988). C помощью потенциометра мы выбираем один из режимов микрошага. Содержимое скетча представлено в листинге 2. двигателя с постоянной скоростью на один оборот в одну сторону, затем в другую, и далее в цикле.
Часто задаваемые вопросы FAQ
Источник
ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКИ
Блог технической поддержки моих разработок
Драйверы шагового двигателя: униполярный, биполярный, L298N.
Как правило, логические сигналы для управления шаговым двигателем формирует микроконтроллер. Ресурсов современных микроконтроллеров вполне хватает для этого даже в самом ”тяжелом” режиме – микрошаговом.
Для подключения шаговых двигателей через слаботочные логические сигналы микроконтроллеров необходимы усилители сигналов – драйверы.
В функцию драйверов входит:
Речь в этой статье идет о простых драйверах, достаточных для большинства приложений. Существуют драйверы с гораздо большими возможностями:
Схемы таких драйверов достаточно сложные, а в этих функциях в большинстве приложениях нет необходимости.
По схеме подключения шаговые двигатели делятся на униполярные и биполярные. Драйверы для этих двух вариантов двигателей принципиально отличаются.
Драйвер униполярного шагового двигателя.
В униполярном режиме могут работать двигатели, имеющие следующие конфигурации обмоток.
Напомню принцип управления униполярным шаговым двигателем. Четыре обмотки с общим проводом, подключенным к одному полюсу источника питания. Если другие выводы обмоток последовательно коммутировать к другому полюсу источника, то ротор двигателя будет вращаться.
Для коммутации обмоток таким способом достаточно всего четырех ключей, замыкающих обмотки на землю. Схемы коммутации обмоток двух предыдущих вариантов двигателей выглядят так.
Если последовательно замыкать ключи 1, 2, 3, 4, то ротор двигателя будет вращаться.
Схема драйвера униполярного шагового двигателя.
Практически ключи можно выполнить на биполярных транзисторах, но предпочтительнее использовать низкопороговые MOSFET транзисторы. Я применяю транзисторы IRF7341. Это MOSFET транзисторы с параметрами:
Крайне удобный вариант для использования в драйвере униполярного шагового двигателя.
На биполярных транзисторах ключи с такими параметрами создать не возможно. Есть много других вариантов MOSFET транзисторов для ключей, например IRF7313 ( 6 А, 30 В, 0,029 Ом).
Схема ключа на MOSFET транзисторе для одной фазы выглядит так.
Ключ управляется непосредственно от микроконтроллера логическими уровнями KMOП или TTL ( 0 / +5 В). При управляющем сигнале высокого уровня (+5 В) ключ открыт, и через обмотку фазы идет ток. Диод шунтирует обмотку двигателя в обратном направлении. Он необходим для защиты транзистора от бросков напряжения самоиндукции при выключении фазы. Для управления двигателями на значительных скоростях вращения, лучше использовать высокочастотные диоды, например, FR207.
Вот фрагмент схемы подключения униполярного шагового двигателя к микроконтроллеру.
Защиты от коротких замыканий в этой схеме нет. Реализация защиты значительно усложняет драйвер. А замыканий обмоток шаговых двигателей практически не бывает. Я не встречался с таким явлением. Да и на фоне неприятности по поводу сгоревшего дорогого двигателя, замена транзистора не выглядит проблемой.
Кстати, механическое заклинивание вала шагового двигателя не вызывает недопустимых токов в ключах драйвера и защиты не требует.
А это изображение платы контроллера униполярного шагового двигателя с PIC контроллером фирмы Microchip.
Простая плата с восьми разрядным микроконтроллером PIC18F2520 управляет:
Несмотря на простоту контроллера, реализованы следующие режимы управления:
К достоинствам управления шаговым двигателем в униполярном режиме следует отнести:
Драйвер биполярного шагового двигателя.
В биполярном режиме могут работать двигатели, имеющие любые конфигурации обмоток.
У биполярного двигателя по одной обмотке для каждой фазы. Обычно две обмотки AB и CD. В первых двух вариантах четыре обмотки соединяются так, что получается две. Обмотки по очереди подключаются к источнику питания в одной полярности, затем в другой.
Драйвер биполярного двигателя должен обеспечивать сложную коммутацию. Каждая обмотка:
Схема коммутации одной обмотки биполярного двигателя выглядит так.
Для обеспечения двух полярных коммутаций от одного источника питания требуется 4 ключа. При замыкании 1 и 2 ключей обмотка подключается к источнику питания в прямой полярности. Замыкание 3 и 4 ключей подает на обмотку обратную полярность напряжения.
Сложность драйвера биполярного шагового двигателя вызвана не только большим числом ключей ( 4 ключа на обмотку, 8 ключей на двигатель), но и:
Сквозные токи могут возникать из-за не одинакового быстродействия нижнего и верхнего ключа. К примеру, нижний ключ уже открылся, а верхний – не успел закрыться.
Схема драйвера биполярного шагового двигателя.
Реализовать схему драйвера биполярного шагового двигателя на дискретных элементах довольно сложно. Могу показать мою схему, которая подключает биполярный двигатель к униполярному драйверу. Эта схема используется для управления биполярными двигателями от контроллера, приведенного в качестве примера в предыдущей главе.
Схема достаточно простая. Проблема сквозных токов решается за счет резисторов 0.22 Ом в коммутируемых цепях. В момент коммутаций MOSFET транзисторов, верхний и нижний ключ оказываются одновременно открытыми на короткое время. Эти резисторы и ограничивают сквозной ток. К сожалению, они ограничивают и рабочий ток двигателя. Поэтому, несмотря на мощные транзисторы, драйвер по такой схеме можно использовать для токов коммутации не более 2 А. Схема не требует диодов для защиты от эдс самоиндукции обмоток, потому что эти диоды интегрированы в MOSFET транзисторы.
Гораздо удобнее и практичнее использовать интегральные драйверы биполярного шагового двигателя. Самым распространенным из них является микросхема L298N.
Драйвер биполярного шагового двигателя L298N.
Описания этой микросхемы на русском языке практически нет. Поэтому привожу параметры L298N достаточно подробно, по официальным материалам производителя этой микросхемы – компании STMicroelectronics (datasheet l298n.pdf).
L298N это полный мостовой драйвер для управления двунаправленными нагрузками с токами до 2 А и напряжением до 46 В.
Структурная схема L298N выглядит так.
Микросхема выполнена в 15ти выводном корпусе с возможностью крепления радиатора охлаждения.
Назначение выводов L298N.
Предельно допустимые параметры L298N.
| Обозначение | Параметр | Значение |
| Vs | Напряжение питания | 50 В |
| Vss | Напряжение питания логики | 7 В |
| Vi, Ven | Напряжение логических входов | -0,3. 7 В |
| Io | Выходной ток (для каждого канала) 2 А | |
| Vsens | Напряжение датчиков тока | -1. 2,3 В |
| Ptot | Мощность рассеивания (температура корпуса 75°C) | 25 Вт |
| Top | Рабочая температура кристалла | -25. 130 °C |
| Tstg | Температура хранения | -40. 150 °C |
Параметры расчетов тепловых режимов.
| Обозначение | Параметр | Значение |
| Tth j-case | Тепловое сопротивление кристалл-корпус | 3 ºC/Вт |
| Tth j-amb | Тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда | 35 ºC/Вт |
Электрические характеристики драйвера L298N.
Схема подключения шагового двигателя к микроконтроллеру с помощью драйвера L298N.
Диаграмма работы этой схемы в полношаговом режиме выглядит так.
Если не используются разрешающие входы и датчики тока, схема выглядит так.
По функциям это аналог контроллера описанного в главе про униполярные двигатели, только для биполярного. Он также собран на PIC контроллере фирмы Microchip и управляет двумя биполярными шаговыми двигателями с током фаз до 2 А. Функциональные возможности и режимы управления двигателем те же.
К достоинствам управления шаговым двигателем в биполярном режиме следует отнести:
Источник