Шаговый двигатель и драйвер для него
Здесь вы узнаете, что такое шаговый двигатель, познакомитесь с принципом его работы, а также рассмотрите простые схемы и драйвера управления шаговым двигателем. На практике проанализируете работу и управление драйвером шагового электродвигателя с помощью параллельного порта персонального компьютера.
Шаговые двигатели широко используются в приложениях, требующих огромную точность. В отличие от электродвигателя постоянного тока у него отсутствуют щетки и коммутатор - для этого у него имеется несколько отдельных обмоток, которые коммутируются внешней электронной управляющей схемой или как ее принято называть одним словом - драйвером. Вращение ротора в них осуществляется с помощью коммутации обмоток последовательно - шаг за шагом, без обратной связи. Здесь можно увидеть огромный минус всех шаговых двигателей - в случае механической перегрузки, когда ротор не двигается, шаги будут путаться и движение становится непредсказуемым. По виду обмоток, шаговые двигатели бывают: униполярными и биполярными. По строению их можно классифицировать еще на как минимум три вида:
У шаговых двигателей первого типа зубчатые обмотки и ротор сделаны из стали. Максимальная сила тяги появляется в момент перекрытия зубьев обоих сторон. В электродвигателях с постоянным магнитом, имеется постоянный магнит, который ориентируется в зависимости от полярности обмотки. В гибридных сочетают две технологии одномоментно. Независимо от вида устройства для создания одного полного оборота вала равному 360 градусов необходима целая сотня шагов коммутаций. Для обеспечения плавного и стабильного движения используют подходящую схему управления (драйвер), в соответствии с параметрами шагового двигателя (крутящий момент, инертность ротора, резонанс и т.п.). Кроме того схема драйвера может использовать различные способы коммутации. Последовательный метод коммутации по одной обмотке называют полным шагом, но если коммутация происходит поочередно одна и две обмотки, то это принято называть полушагом. Бывают так же синусоидальные микрошаги, что дает им высокую точность и плавность хода. Шаговый двигатель используется для изготовлении печатных плат, микродрели, автоматической кормушки и в конструкциях роботомеханизированных аппаратов. Если вы еще не сталкивались с шаговыми двигателями, то прочитайте внимательно эту статью.
Он имеет пять или шесть проводов. В соответствии со схемой запускается разом только одна четвертая обмоток. Линии Vcc обычно соединяются с плюсом источника питания. Концы обмоток 1a, 1b, 2a, и 2b соединяются при коммутации через управляющие транзисторы только с землей, в связи, с чем их схема драйвера достаточно проста. 
Полярность его обмоток изменяется во время процесса коммутации. За один раз активируется 50% обмоток, что обеспечивает в сравнении с выше рассмотренным гораздо большую эффективность. У биполярных шаговых двигателей имеется только четыре провода, которые соединяютсяполумостом. При коммутации полумосты прикладывают к концам обмоток с отрицательным или положительным напряжением. Их запускают и с помощью биполярного драйвера: для этого необходимо соединить только линии обмоток 1a, 1b, 2a и 2b. 
Необходимые коммутации полу и полного шага и с обоими видами обмоток отображает таблица на рисунке ниже. Т.к в случае драйвера униполярного шагового двигателя происходит только отпирание управляющих транзисторов, то эти шаги в ней представлены логическими числами 1 и 0. Управление биполярным ШД может потребовать гораздо больше сигналов, и его шаги представлены выходной полярностью схемы управления. 
 Шаговые двигатели отличаются от обычных управляемых двигателей постоянного тока тем что, совершают дискретное вращение под воздействием импульсных управляющих сигналов. В конкретном шаговом двигателе, который мы будем рассматривать, требуется 48 управляющих импульсов чтобы сделать полный оборот на 360 градусов. Еще одним важным преимущество шаговых двигателей можно считать то, что их скорость вращения может быть достигнута почти мгновенно при реверсировании направления вращения. В состав шагового двигателя входит ротор, представляющий обычный постоянный магнит, вращающийся внутри, и статор на четыре катушки, являющиеся частью корпуса и неподвижные. Ротор вращается от поступающих импульсных последовательностей подаваемых к одной или двум катушкам одномоментно. Для схемы драйвера шаговым двигателем потребуется контроллер. Контроллер это такая большая специализированная микросхема, которая подает постоянное напряжение к любой из четырех катушек статора в зависимости от заложенной программы. В нашей схеме такой микросхемой является ULN2003 или ее российский аналог К1109КТ22, состоящий из множества мощных ключей с защитными диодами. Последнии дают возможность подключать различные индуктивные нагрузки без дополнительной защиты от всплесков обратного напряжения. Однополярный двигатель обладает пятью или шестью контактов в зависимости от типа. Если он имеет шесть контактов, то потребуется соединить выводы 1 и 2 красного цвета вместе и подключить их к плюсу напряжения питание. Оставшиеся выводы a1 желтого, b1 черного, a2 оранжевого и b2 коричневого цвета и подключить к контроллеру в соответствии со схемой.
Существует несколько способов, которые можно использовать, для управления шаговым двигателем. 
Для управления шаговым двигателем с компьютером нам потребуется только компьютер с LPT разъемом или специализированном контроллере, который можно недорого приобрести и вставить в PCI слот материнской платы и программа. Программу вы можете скачать по зеленой ссылке чуть выше. При управление шаговым двигателем с компьютера вы будете иметь намного больше возможностей при конструировании различных радиолюбительских самоделок или приспособлений. 
В программе управления драйвером очень понятный и дружественный интерфейс для работы с шаговым двигателем, который дает возможность точно управлять скоростью шагового двигателя и направлением его вращения в режиме реального времени, а также вы сможете выбрать различные способы управления.
Схема драйвера дает возможность изменять скорость вращения вала и направление его вращения. Частота микроконтроллера формируется внешним генератором на 4 МГц. На радиокомпонентах R1 – R3, С1 и транзисторе VT1 собран генератор прямоугольных импульсов, частоту которого можно регулировать сопротивлением R2. Напряжение с емкости конденсатора С1 поступает на вывод RB5 микроконтроллера. После того как потенциал превысит пороговый уровень, на выводе RB7 образуется высокий потенциал. Поэтому, первый транзистор открывается и разряжает емкость, а затем алгоритм повторяется.  При регулирование сопротивления R2 изменяется скорость вращения шагового двигателя от 27 до 128 оборотов в минуту. Учтите, что при повышении скорости вращения, снижается крутящий момент на валу шагового двигателя. Данная схема не имеет ОС, поэтому скорость вращения зависит только от переменного резистора R2 и от нагрузки на вал. Реверс обмоток двигателя осуществляется через транзисторные ключи VT2-VT5. Для защиты транзисторов от возможных всплесков, в схему введены диоды VD1 — VD4. Изменение направления вращения и остановка задается с помощью тумблеров SA1 — SA3. Прошивку к МК смотри в архиве выше, в папке 029-el
Рассмотрена схема управления шаговым двигателем униполярного типа в режиме полного шага через последовательный интерфейс RS232 компьютера. Драйвер способен управлять двумя шаговыми двигателями через программу специальную терминал
При замыкании кнопок управления SB-1 или SB-2 высокий логический уровень через элемент ИЛИ реализованный на диодах VD-6 и VD-7 следует на затвор полевого транзистора VT-5, отпирая его, и тем самым включая питание двигателя. Диоды можно можно взять почти любые, кремниевые, какие влезут. Полевой транзистор выбираем исходя из напряжения питания и потребляемого тока ШД. Если используется низковольтный ЩД, то и транзистор в схеме берем низковольтный, так как у него ниже сопротивление сток-исток.  Желательно и в роли VT1-VT5, так же применить полевые транзисторы с N-каналом. Тогда сопротивление резисторов в цепи базы (по схеме) можно существенно снизить.
Таймер NE555 предназначен для генерации потока тактовых импульсов управляющими скоростью вращения шагового двигателя. Тогда как логические микросхемы CD4070 аналог К1561ЛП14 и CD4027 аналог K561ТВ формируют последовательность сигналов в нужном порядке, для запуска электродвигателя.  Схема подходит для однополярного шагового двигателя, имеющего шесть управляющих выводов. Изменяя сопротивление переменного резистора можно изменять частоту сигнала, а следовательно и скоростью вращения электродвигателя. Затем импульсы поступают на входы JK-тригеров на микросхеме CD4027, которые формируют управляющие импульсы в нужной последовательности. При помощи переключателя SA1 можно осуществлять реверсирование шагового двигателя. |
    
|
