Cum funcționează un motor pas cu pas? Controler de motor pas cu pas ușor de făcut din piese vechi Driver de casă pentru circuitul motorului pas cu pas

Motoarele pas cu pas sunt folosite astăzi în multe domenii industriale. Motoarele de acest tip se disting prin faptul că permit realizarea unei precizii ridicate de poziționare a corpului de lucru, în comparație cu alte tipuri de motoare. Evident, este necesar un control automat precis pentru a opera un motor pas cu pas. Acesta este exact ceea ce servesc în acest scop. controlere de motoare pas cu pas, asigurând funcționarea neîntreruptă și precisă a acționărilor electrice pentru diverse scopuri.

Aproximativ, principiul de funcționare al unui motor pas cu pas poate fi descris după cum urmează. Fiecare rotație completă a rotorului motorului pas cu pas constă din mai mulți pași. Marea majoritate a motoarelor pas cu pas sunt evaluate la pași de 1,8 grade, făcând 200 de pași pe rotație completă. Acționarea își schimbă poziția cu pas când tensiunea de alimentare este aplicată unei anumite înfășurări statorice. Sensul de rotație depinde de direcția curentului din înfășurare.

Următorul pas este oprirea primei înfășurări, puterea este furnizată celei de-a doua și așa mai departe, ca urmare, după ce fiecare înfășurare a fost prelucrată, rotorul va face o revoluție completă. Dar aceasta este o descriere grosieră, de fapt, algoritmii sunt ceva mai complexi, iar acest lucru va fi discutat în continuare.

Algoritmi de control al motoarelor pas cu pas

Controlul motorului pas cu pas poate fi implementat folosind unul dintre cei patru algoritmi principali: comutare alternantă a fazelor, controlul suprapunerii fazelor, controlul în jumătate de treaptă sau controlul micropasului.

În primul caz, în fiecare moment de timp, doar una dintre faze primește putere, iar punctele de echilibru ale rotorului motorului la fiecare pas coincid cu punctele cheie de echilibru - polii sunt exprimați clar.

Controlul suprapunerii de fază permite rotorului să ajungă în poziții între polii statorului, ceea ce crește cuplul cu 40% în comparație cu controlul fără suprapunere de fază. Unghiul de pas este menținut, dar poziția de fixare este deplasată - este situat între proeminențele polilor statorului. Acești primi doi algoritmi sunt utilizați în echipamentele electrice unde nu este necesară o precizie foarte mare.

Controlul în jumătate de pas este o combinație a primilor doi algoritmi: după un pas, fie o fază (înfășurare), fie două primesc putere. Dimensiunea pasului este redusă la jumătate, precizia de poziționare este mai mare și probabilitatea de rezonanță mecanică în motor este redusă.

În sfârșit, modul micropas. Aici, curentul în faze se modifică în magnitudine, astfel încât poziția fixării rotorului pe treaptă să fie în punctul dintre poli și, în funcție de raportul dintre mărimile curenților în fazele pornite simultan, mai multe astfel de trepte. pot fi obținute. Prin ajustarea raportului de curent și ajustând numărul de rapoarte de lucru, se obțin micropași - cea mai precisă poziționare a rotorului.

Vezi mai multe detalii cu diagrame aici:

Pentru a implementa practic algoritmul ales, utilizați driver de motor pas cu pas. Driverul conține o parte de alimentare și un controler.

Partea de putere a driverului este cea a cărei sarcină este să transforme impulsurile de curent furnizate fazelor în mișcări ale rotorului: un impuls - un pas precis sau micropas.

Direcția și magnitudinea curentului - direcția și magnitudinea pasului. Adică, sarcina părții de putere este să furnizeze un curent de o anumită mărime și direcție înfășurării statorului corespunzătoare, să mențină acest curent pentru o perioadă de timp și, de asemenea, să pornească și să oprească rapid curenții, astfel încât caracteristicile de viteză și putere ale unitatea corespund sarcinii.

Cu cât partea de putere a șoferului este mai avansată, cu atât cuplul care poate fi obținut pe arbore este mai mare. În general, tendința de progres în îmbunătățirea motoarelor pas cu pas și a driverelor acestora este de a obține un cuplu de operare semnificativ și o precizie ridicată de la motoarele de dimensiuni mici, menținând în același timp o eficiență ridicată.

Controler de motor pas cu pas

Un controler de motor pas cu pas este o parte inteligentă a sistemului, care se bazează de obicei pe un microcontroler cu capacitatea de a fi reprogramat. Controlerul este responsabil pentru ce moment, la ce înfășurare, pentru cât timp și la ce magnitudine va fi furnizat curentul. Controlerul controlează funcționarea părții de putere a șoferului.

Controlerele avansate se conectează la un PC și pot fi ajustate în timp real folosind un PC. Posibilitatea de reprogramare multiplă a microcontrolerului elimină necesitatea ca utilizatorul să achiziționeze un nou controler de fiecare dată când sarcina este ajustată - este suficientă reconfigurarea celui existent, aceasta este flexibilitatea, controlerul poate fi reorientat cu ușurință programatic pentru a efectua noi funcții; .

Piața oferă astăzi o gamă largă de controlere de motoare pas cu pas de la diverși producători, care diferă prin capacitatea lor de a extinde funcțiile. Controlerele programabile necesită înregistrarea unui program, iar unele includ blocuri logice programabile, cu ajutorul cărora este posibilă configurarea flexibilă a algoritmului de control al motorului pas cu pas pentru un anumit proces tehnologic.

Capacitățile controlerului

Controlul motorului pas cu pas cu ajutorul unui controler vă permite să obțineți o precizie ridicată de până la 20.000 de micropași pe rotație. Mai mult, controlul poate fi efectuat fie direct de pe computer, fie printr-un program cusut în dispozitiv sau folosind un program de pe un card de memorie. Dacă parametrii se modifică în timpul executării unei sarcini, computerul poate sonda senzorii, monitoriza parametrii în schimbare și poate schimba rapid modul de funcționare al motorului pas cu pas.

Există unități de control pentru motorul pas cu pas disponibile în comerț la care vă conectați: o sursă de curent, butoane de control, o sursă de ceas, un potențiometru pentru setarea pasului etc. Astfel de unități vă permit să integrați rapid un motor pas cu pas în echipament pentru a efectua sarcini ciclice repetitive. cu control manual sau automat . Capacitatea de sincronizare cu dispozitive externe și de a suporta pornirea, oprirea și controlul automate este un avantaj incontestabil al unității de control a motorului pas cu pas.

Unitatea poate fi controlată direct de la un computer, dacă, de exemplu, trebuie să reproduceți un program sau în modul manual fără control extern suplimentar, adică autonom, atunci când direcția de rotație a arborelui motorului pas cu pas este setată de un senzor de marșarier, iar viteza este reglată de un potențiometru. Unitatea de control este selectată în funcție de parametrii motorului pas cu pas care se presupune a fi utilizat.

În funcție de natura obiectivului, se alege metoda de control al motorului pas cu pas. Dacă trebuie să configurați un control simplu al unei acționări electrice de putere redusă, atunci când în fiecare moment se aplică un impuls unei bobine statorice: o revoluție completă necesită, să zicem, 48 de pași, iar rotorul se va mișca cu 7,5 grade cu fiecare pas. Modul un singur impuls este potrivit în acest caz.

Pentru a obține un cuplu mai mare, se utilizează un impuls dublu - un impuls este aplicat simultan la două bobine adiacente. Și dacă sunt necesari 48 de pași pentru o revoluție completă, atunci sunt necesare din nou 48 de astfel de impulsuri duble, fiecare va duce la un pas de 7,5 grade, dar cu un cuplu cu 40% mai mare decât în ​​modul cu un singur impuls. Combinând ambele metode, puteți obține 96 de impulsuri prin împărțirea pașilor - obțineți 3,75 grade pe pas - acesta este un mod de control combinat (în jumătate de pas).

O scurtă introducere în teorie și tipuri de drivere, sfaturi pentru selectarea driverului optim pentru un motor pas cu pas.

Dacă dorițicumpărați driver de motor pas cu pas , faceți clic pe informatorul din dreapta

Câteva informații care vă pot ajuta selectați driverul motorului pas cu pas.

Un motor pas cu pas este un motor cu un circuit de control complex care necesită un dispozitiv electronic special - un driver de motor pas cu pas.

Driverul motorului pas cu pas primește semnale logice STEP/DIR la intrare, care sunt de obicei reprezentate de niveluri ridicate și scăzute ale tensiunii de referință de 5 V și, în conformitate cu semnalele primite, modifică curentul în înfășurările motorului, determinând rotirea arborelui. în direcția corespunzătoare la un unghi dat. >Semnalele STEP/DIR sunt generate de un controler CNC sau de un computer personal care rulează un program de control precum Mach3 sau LinuxCNC.

Sarcina șoferului este de a schimba curentul în înfășurări cât mai eficient posibil și, deoarece inductanța înfășurărilor și rotorul motorului pas cu pas hibrid interferează constant cu acest proces, driverele diferă foarte mult în caracteristicile lor și calitatea rezultatului. circulaţie. Curentul care curge în înfășurări determină mișcarea rotorului: mărimea curentului stabilește cuplul, dinamica acestuia afectează uniformitatea etc.

Tipuri (tipuri) de drivere SD

Driverele sunt împărțite în mai multe tipuri în funcție de metoda de pompare a curentului în înfășurări:

1) Drivere de tensiune constantă

Aceste drivere aplică un nivel de tensiune constant înfășurărilor alternative, curentul rezultat depinzând de rezistența înfășurării și, la viteze mari, de inductanță. Aceste drivere sunt extrem de ineficiente și pot fi folosite doar la viteze foarte mici.

În acest tip de driver, curentul din înfășurare este mai întâi ridicat la nivelul dorit folosind o tensiune înaltă, apoi sursa de înaltă tensiune este oprită, iar curentul dorit este menținut de o sursă de joasă tensiune. Astfel de drivere sunt destul de eficiente, printre altele reduc încălzirea motoarelor și încă pot fi găsite uneori în echipamentele de ultimă generație. Cu toate acestea, astfel de drivere acceptă doar modurile pas și jumătate.

3) Drivere cu PWM.

În prezent, driverele de motor pas cu pas PWM sunt cele mai populare aproape toate driverele de pe piață sunt de acest tip. Aceste drivere furnizează un semnal PWM de foarte înaltă tensiune înfășurării motorului pas cu pas, care este întrerupt atunci când curentul atinge nivelul necesar. Valoarea curentă la care are loc oprirea este setată fie de un potențiometru, fie de un comutator DIP, uneori, această valoare este programată folosind un software special. Aceste drivere sunt destul de inteligente și sunt echipate cu multe funcții suplimentare, acceptă diferite diviziuni de pas, ceea ce vă permite să creșteți poziționarea discretă și netezimea mișcării. Cu toate acestea, driverele PWM sunt, de asemenea, foarte diferite unele de altele. Pe lângă caracteristici precum tensiunea de alimentare și curentul maxim de înfășurare, acestea au o frecvență PWM diferită. Este mai bine dacă frecvența driverului este mai mare de 20 kHz și, în general, cu cât este mai mare, cu atât mai bine. Frecvențele sub 20 kHz înrăutățesc caracteristicile de funcționare ale motoarelor și se încadrează în intervalul sonor, motoarele pas cu pas încep să emită un scârțâit neplăcut. Driverele de motoare pas cu pas, urmând motoarele în sine, sunt împărțite în unipolare și bipolare. Constructorii de mașini-unelte începători sunt sfătuiți cu insistență să nu experimenteze cu acționări, ci să aleagă pe acelea pentru care pot primi maximum de suport tehnic, informații și pentru care produsele sunt cel mai larg reprezentate pe piață. Aceștia sunt driverele motoarelor pas cu pas hibride bipolare.

Cum să alegi un driver de motor pas cu pas (SM)

Primul parametru Ceva la care merită să acordați atenție atunci când decideți să alegeți un driver de motor pas cu pas este cantitatea de curent pe care o poate furniza driverul. De regulă, este reglat într-un interval destul de larg, dar driverul trebuie să fie selectat unul care poate produce un curent egal cu curentul de fază al motorului pas cu pas selectat. Este de dorit, desigur, ca curentul maxim al driverului să fie cu încă 15-40% mai mare. Pe de o parte, aceasta va oferi o rezervă în cazul în care doriți să obțineți mai mult cuplu de la motor sau să instalați un motor mai puternic în viitor, pe de altă parte, nu va fi redundant: producătorii „ajustează” uneori evaluările. de componente radio-electronice la un anumit tip/dimensiune de motoare, astfel încât un driver de 8A prea puternic care conduce un motor NEMA 17 (42 mm), de exemplu, poate provoca vibrații excesive.

Al doilea punct este tensiunea de alimentare. Un parametru foarte important și ambiguu. Influența sa este destul de multifațetă - tensiunea de alimentare afectează dinamica (cuplul la viteze mari), vibrațiile, încălzirea motorului și a șoferului. De obicei, tensiunea maximă de alimentare a driverului este aproximativ egală cu curentul maxim I înmulțit cu 8-10. Dacă tensiunea maximă de alimentare specificată a driverului diferă brusc de aceste valori, merită să ne întrebăm în continuare care este motivul unei astfel de diferențe. Cu cât este mai mare inductanța motorului, cu atât este mai mare tensiunea necesară driverului. Există o formulă empirică U = 32 * sqrt(L), unde L este inductanța înfășurării motorului pas cu pas. Valoarea lui U obținută din această formulă este foarte aproximativă, dar vă permite să navigați atunci când alegeți un driver: U ar trebui să fie aproximativ egală cu valoarea maximă a tensiunii de alimentare a driverului. Dacă obțineți U egal cu 70, atunci driverele EM706, AM882, YKC2608M-H trec acest criteriu.

Al treilea aspect– prezența intrărilor optoizolate. În aproape toate driverele și controlerele produse în fabrici, în special cele de marcă, optocupler este necesar, deoarece driverul este un dispozitiv electronic de putere, iar defectarea cheii poate duce la un impuls puternic asupra cablurilor prin care sunt furnizate semnalele de control și arderea. a unui controler CNC scump. Cu toate acestea, dacă decideți să alegeți un driver SD al unui model necunoscut, ar trebui să vă întrebați suplimentar despre prezența optoizolării intrărilor și ieșirilor.

Al patrulea aspect– prezența mecanismelor de suprimare a rezonanței. Rezonanța motorului pas cu pas este un fenomen care apare întotdeauna; diferența este doar în frecvența de rezonanță, care depinde în primul rând de momentul de inerție al sarcinii, tensiunea de alimentare a driverului și curentul de fază setat al motorului. Când apare rezonanța, motorul pas cu pas începe să vibreze și să piardă cuplul, până când arborele se oprește complet. Pentru a suprima rezonanța, sunt utilizați algoritmi de micropasare și compensare a rezonanței încorporați. Rotorul unui motor pas cu pas care oscilează în rezonanță generează micro-oscilații ale fem-ului indus în înfășurări, iar prin natura și amplitudinea acestora, driverul determină dacă există rezonanță și cât de puternică este aceasta. În funcție de datele primite, șoferul schimbă ușor pașii motorului în timp unul față de celălalt - astfel de denivelări artificiale nivelează rezonanța. Un mecanism de suprimare a rezonanței este încorporat în toate driverele din seria Leadshine DM, AM și EM. Driverele cu suprimare a rezonanței sunt drivere de înaltă calitate și, dacă bugetul vă permite, este mai bine să le cumpărați. Cu toate acestea, chiar și fără acest mecanism, șoferul rămâne un dispozitiv complet funcțional - cea mai mare parte a șoferilor vânduți - fără compensare de rezonanță, și totuși zeci de mii de mașini funcționează fără probleme în întreaga lume și își îndeplinesc cu succes sarcinile.

Al cincilea aspect– partea de protocol. Trebuie să vă asigurați că driverul rulează pe protocolul de care aveți nevoie și că nivelurile semnalului de intrare sunt compatibile cu nivelurile logice de care aveți nevoie. Această verificare este al cincilea punct, deoarece, cu rare excepții, marea majoritate a driverelor funcționează folosind protocolul STEP/DIR/ENABLE și sunt compatibile cu niveluri de semnal de 0..5 V, trebuie doar să vă asigurați, pentru orice eventualitate.

Al șaselea aspect– prezența funcțiilor de protecție. Acestea includ protecția împotriva tensiunii de alimentare în exces, curentul înfășurării (inclusiv scurtcircuitul înfășurării), inversarea tensiunii de alimentare și conectarea incorectă a fazelor motorului pas cu pas. Cu cât mai multe astfel de funcții, cu atât mai bine.

Al șaptelea aspect– prezența modurilor de micropasare. Acum aproape fiecare șofer are multe moduri de micropas. Cu toate acestea, există excepții de la fiecare regulă, iar în driverele Geckodrive există un singur mod - diviziuni în pas 1/10. Acest lucru este motivat de faptul că diviziunile mai mari nu aduc o precizie mai mare, ceea ce înseamnă că nu sunt necesare. Cu toate acestea, practica arată că micropasul este util deloc prin creșterea discretității poziționării sau a preciziei, ci prin faptul că, cu cât diviziunea pasului este mai mare, cu atât mișcarea axului motorului este mai lină și cu atât rezonanța este mai mică. În consecință, toate celelalte lucruri fiind egale, merită să folosiți împărțirea cu cât mai mult, cu atât mai bine. Diviziunea maximă admisă a pașilor va fi determinată nu numai de tabelele Bradis încorporate în driver, ci și de frecvența maximă a semnalelor de intrare - de exemplu, pentru un driver cu o frecvență de intrare de 100 kHz, nu are rost să utilizați un diviziune de 1/256, deoarece viteza de rotație va fi limitată la 100.000 / (200 * 256) * 60 = 117 rpm, ceea ce este foarte scăzut pentru un motor pas cu pas. În plus, un computer personal va avea dificultăți în a genera semnale cu o frecvență mai mare de 100 kHz. Dacă nu intenționați să utilizați un controler CNC hardware, atunci 100 kHz va fi cel mai probabil plafonul dvs., ceea ce corespunde unei diviziuni de 1/32.

Al optulea aspect– disponibilitatea funcțiilor suplimentare. Pot exista multe dintre ele, de exemplu, o funcție pentru detectarea unei „blocare” - o oprire bruscă a arborelui atunci când este blocat sau o lipsă de cuplu într-un motor pas cu pas, ieșiri pentru indicarea erorilor externe etc. Toate acestea nu sunt necesare, dar pot face viața mult mai ușoară atunci când construiești o mașină.

Al nouălea și cel mai important aspect– calitatea șoferului. Nu are practic nimic de-a face cu caracteristicile etc. Există multe oferte pe piață și, uneori, caracteristicile șoferilor de la doi producători coincid aproape până la o zecimală și, după ce le-au instalat unul câte unul pe mașină, devine clar că unul dintre producători în mod clar nu își face treaba, și va avea mai mult noroc în producerea fierelor de călcat ieftine. Este destul de dificil pentru un începător să determine în prealabil nivelul șoferului pe baza unor date indirecte. Puteți încerca să vă concentrați pe numărul de funcții inteligente, cum ar fi „detectarea blocării” sau suprimarea rezonanței și, de asemenea, să utilizați o metodă dovedită - concentrați-vă pe mărci.

Când proiectam o altă mașină CNC, sau pur și simplu o mașină de frezat și găurit cu 3 axe pentru plăci de circuite imprimate și lucrări mici de frezare, am avut o dorință neliniștită de a rezolva totul „pe rafturi”.
Mulți vor spune că subiectul nu este nou, sunt multe proiecte, multe soluții tehnice și software. Dar, înotând în această mare de informații, am încercat să elimin toată „apa” și să obțin „concluzia”.
Iată ce a ieșit din asta...

Sarcina de a construi o mașină se reduce de obicei la trei sarcini secundare - mecanică, electronică, software. Aparent, va trebui să scriu și trei articole.
Deoarece revista noastră este încă despre electronică practică, voi începe cu electronică și puțin cu mecanică!

Conduce

Este necesar să mutați freza în sine în 3 direcții - XYZ, ceea ce înseamnă că aveți nevoie de 3 unități - 3 motoare cu transmisia de rotație a arborelui motorului în mișcare liniară.
Despre transfer...
Pentru o mașină de frezat în care există forțe laterale de tăiere a materialului, este indicat să nu folosiți transmisii cu curea, care sunt foarte populare în imprimantele 3D. Voi folosi o transmisie șurub-piuliță. Cea mai ieftină angrenaj este un șurub obișnuit din oțel și o piuliță fără joc, de preferință din bronz. Mai corect - un șurub cu filet trapezoidal și o piuliță din caprolon. Cel mai bun (și, din păcate, cel mai scump) șurub cu bile sau șurub cu bile. Vă voi spune mai multe despre asta mai târziu...
Fiecare viteză are propriul coeficient, propriul pas - adică cât de liniar se va mișca freza de-a lungul axei într-o rotație a motorului, de exemplu, cu 4 mm.

motor (motor)

Am identificat un motor pas cu pas (SM) ca motor pentru unitate.
De ce stepper? Ce este asta oricum?
Există motoare AC și DC, cu perii și fără perii și așa-numitele motoare „pas”. În orice caz, trebuie să asigurăm o anumită precizie de poziționare, de exemplu 0,01 mm. Cum să faci asta? Dacă motorul are o acționare directă - arborele motorului este conectat direct la elice, atunci pentru a asigura o astfel de precizie este necesar să îl rotiți printr-un anumit unghi. În acest caz, cu pasul angrenajului de 4 mm și o precizie de mișcare dorită de 0,01 mm, aceasta este... doar 1/400 de rotație, sau 360/400 = 0,9 grade! Prostii, hai să luăm un motor obișnuit...

Cu un motor „obișnuit” nu există nicio modalitate de a face acest lucru fără feedback. Fără a intra în prea multe detalii, circuitul de control al motorului trebuie să „știe” ce unghi s-a întors axa. Desigur, puteți instala o cutie de viteze - vom pierde viteza și, totuși, nu există nicio garanție, niciun feedback! Un senzor de unghi de rotație este instalat pe ax. Această soluție este fiabilă, dar costisitoare.

O alternativă este un motor pas cu pas (citiți singuri cum funcționează). Putem presupune că într-o „comandă” își va roti axa cu un anumit grad, de obicei 1,8 sau 0,9 grade (precizia nu este de obicei mai slabă de 5%) - exact ceea ce este necesar. Dezavantajul acestei soluții este că, sub sarcină mare, motorul va sări peste comenzi - „pași” și se poate opri complet. Problema este rezolvată prin instalarea unui motor evident puternic. Majoritatea mașinilor amatoare sunt fabricate folosind motoare pas cu pas.

Alegerea unui motor pas cu pas

2 infasurari, cu curent minim, inductanta minima si cuplu maxim - adica cel mai puternic si economic motor.

Cereri contradictorii. Curentul scăzut înseamnă rezistență ridicată, ceea ce înseamnă multe spire ale firului de înfășurare a motorului, ceea ce înseamnă inductanță ridicată. Și un cuplu mare înseamnă un curent mare și multe spire. Alegem în favoarea unui curent mai mare și a unei inductanțe mai mici. Și momentul trebuie ales în funcție de sarcină, dar mai multe despre asta mai târziu.

Caracteristicile unor motoare sunt prezentate în tabel:

Pentru o mașină mică cu un spațiu de lucru care măsoară 300x300x100 mm și o freză ușoară, motoarele cu un cuplu de 0,3 Nm și mai mare sunt destul de potrivite. Curentul optim este de la 1,5 la 2,5 Amperi, FL42STH38-1684 este destul de potrivit

Driver de motor pas cu pas

Există un motor. Acum avem nevoie de un driver pentru a comuta tensiunea de pe înfășurările motorului într-un anumit mod, fără a depăși curentul setat.

Cea mai simplă soluție este o sursă de curent dat și două perechi de comutatoare cu tranzistori pentru fiecare înfășurare. Și patru diode de protecție. Și un circuit logic pentru a schimba direcția. Și... Această soluție se face de obicei pe microcircuitul ULN2003A pentru motoare cu curent scăzut, are multe dezavantaje, nu mă voi opri asupra lor.

O alternativă este microcircuitele specializate all-in-one - cu logici, tranzistori și diode de protecție în interior (sau în exterior). Și astfel de microcircuite controlează curentul înfășurărilor și îl reglează folosind PWM și pot implementa, de asemenea, modul „în jumătate de pas”, iar unele moduri 1/4 pas și 1/8 pas etc. Aceste moduri pot îmbunătăți precizia de poziționare, crește netezimea mișcării și reduce rezonanța. De obicei, modul „în jumătate de pas” este suficient, ceea ce va crește precizia teoretică a poziționării liniare (în exemplul meu, până la 0,005 mm).

Ce se află în interiorul unui CI driver de motor pas cu pas? Unitate logică și de control, surse de alimentare, PWM cu circuite pentru generarea cuplului și a timpului de comutare a înfășurării, comutatoare de ieșire pe tranzistoare cu efect de câmp, comparatoare de feedback - curentul este controlat de căderea de tensiune între rezistențele (Rs) din circuitul de putere a înfășurării . Curentul motorului este stabilit de tensiunea de referință.

Pentru a implementa aceste funcții, există și alte soluții de circuit, de exemplu, folosind microcontrolere PIC sau ATMEGA (din nou cu tranzistoare externe și diode de protecție). După părerea mea, nu au un avantaj semnificativ față de microcircuite „gata făcute” și nu le voi folosi în acest proiect.

Bogăție de alegere

Astăzi există destul de multe microcircuite diferite și destul de multe plăci gata făcute și module de driver SD. Puteți cumpăra unul gata făcut sau puteți „reinventa roata”, aici fiecare decide în felul său.

Dintre cele gata făcute, cele mai comune și mai ieftine drivere se bazează pe cipuri Allegro A4988 (până la 2A), Texas Instruments DRV8825 (până la 2,5A).
Deoarece modulele au fost dezvoltate inițial pentru a fi utilizate în imprimante 3D, cum ar fi proiectul Rep-rap al proiectului Arduino, nu sunt module complete (de exemplu, au nevoie și de putere logică (+5V), care este alimentată de la așa-numita rampă. ).

Există și soluții bazate pe DRV8811 (până la 1,9 A), A3982 (până la 2 A), A3977 (până la 2,5 A), DRV8818 (până la 2,5 A), DRV8825 (până la 2,5 A), Toshiba TB6560 (până la 2,5 A), la 3 A) și altele.

Deoarece sunt interesat să fac ceva eu ​​însumi, plus posibilitatea de a „gusta” microcircuitele Allegro A3982 și A3977, am decis să fac eu însumi câțiva șoferi.

Nu mi-au plăcut soluțiile gata făcute pe A4988, în primul rând datorită miniaturizării dimensiunii plăcii de circuit imprimat în detrimentul unei răciri bune. Rezistența tipică a tranzistoarelor deschise din A4388 la un curent de 1,5A este de 0,32+0,43 Ohm, plus o rezistență de „măsurare” de 0,1-0,22 Ohm - se dovedește a fi aproximativ 0,85 Ohm. Și există două astfel de canale și, deși funcționează în impulsuri, trebuie disipați 2-3 wați de căldură. Ei bine, nu cred într-o placă multistrat și un radiator de răcire minuscul - fișa de date arată o placă mult mai mare.

Firele motorului trebuie menținute scurte și driverul instalat lângă motor. Există 2 soluții tehnice în ingineria audio: un cablu de semnal lung la amplificator + fire scurte la sistemul de difuzoare, sau un cablu de semnal scurt la amplificator + fire lungi la sistemul de difuzoare. Ambele soluții au avantajele și dezavantajele lor. La fel este și cu motoarele. Am ales fire de control lungi și fire scurte la motor.

Semnale de control - „pas” (pas), „direcție” (dir), „activare” (activare), indicarea stării semnalelor de control. Unele circuite nu folosesc semnalul „Activare”, dar acest lucru duce la încălzirea inutilă atât a cipului, cât și a motorului în modul inactiv.

O sursă de alimentare 12-24 volți, alimentare logică (+5V) - pe placă. Dimensiunile plăcii sunt suficiente pentru o răcire bună, imprimare față-verso cu o zonă mare de „cupru”, capacitatea de a lipi un radiator pe cip (utilizat pentru răcirea memoriei plăcilor video).

Driver SD pe cip Allegro A3982

Tensiune de alimentare: 8…35 V Tensiune de alimentare logică: 3,3…5 V Curent de ieșire (maxim, depinde de mod și de răcire): ±2 A Rezistență tipică a tranzistoarelor deschise (la un curent de 1,5 A): 0,33+0,37 Ohm

Driver SD pe cip Allegro A3977

Principalele caracteristici și diagrama bloc:

Tensiune de alimentare: 8…35 V Tensiune de alimentare logică: 3,3…5 V Curent de ieșire (maxim, depinde de mod și de răcire): ±2,5 A Rezistență tipică a tranzistoarelor deschise (la un curent de 2,5 A): 0,33 +0,45 Ohm

Schemă și prototip

Proiectat în mediul DipTrace. Driverul A3982 este inclus conform diagramei din documentația producătorului. Modul de jumătate de pas este activat. În plus, pentru funcționarea fiabilă a semnalelor de control și indicare, am folosit un cip logic 74NS14 (cu declanșatoare Schmitt). A fost posibil să se facă izolare galvanică folosind optocuple, dar pentru o mașină mică am decis să nu o fac. Circuitul de pe A3977 diferă doar prin jumperi adiționali în modul pas și un conector de alimentare mai puternic, dar nu a fost încă implementat în hardware.

PCB

Procesul de fabricație este LUT, față-verso. Dimensiuni 37x37 mm, elemente de fixare - ca motoarele, 31x31 mm.

Pentru comparație, în stânga este munca mea, în dreapta este driverul pentru A4988.

- Deși motoarele bipolare pas cu pas sunt relativ scumpe, ele oferă un cuplu mare pentru dimensiunea lor fizică. Cu toate acestea, cele două înfășurări ale motorului necesită opt tranzistoare de control conectate în patru punți H. Fiecare tranzistor trebuie să reziste la suprasarcini și scurtcircuite și să restabilească rapid funcționalitatea. Și driverul, în consecință, necesită circuite complexe de protecție cu un număr mare de componente pasive.

Figura 1

Figura 1. Un singur circuit integrat într-un pachet de montare la suprafață și mai multe componente pasive pot conduce un motor pas cu pas bipolar.

Controlul motorului pas cu pas bipolar

Driver de motor pas cu pas DIY- Figura 1 prezintă un circuit alternativ de driver de motor bazat pe amplificatorul audio Maxim's Class D. Cipul MAX9715 într-un pachet miniatural de montare pe suprafață poate furniza până la 2,8 W de putere într-o sarcină tipică de 4 sau 8 ohmi. Fiecare dintre cele două ieșiri ale microcircuitului este formată din punți H formate din MOSFET-uri puternice, controlând perechi de linii OUTR+, OUTR- și OUTL+, OUTL-, care sunt conectate la înfășurările A și B ale motorului pas cu pas. Fiecare pereche generează un semnal de impuls modulat pe lățime diferențială cu o frecvență de comutare nominală de 1,22 MHz. Nivelul scăzut de zgomot generat de circuit elimină nevoia de filtre de ieșire.

Condensatoare de decuplare

Condensatorii C1, C3, C4 și C6 servesc ca decuplatoare pentru intrările de putere și polarizare, în timp ce C5 și C7 oferă funcții de stocare pentru amplificatoare de ieșire de mare putere de clasă D. Condensatorii C8 și C9 limitează lățimea de bandă a amplificatorului la 16 Hz, iar granulele de ferită L2. și L3 atenuează interferența electrică de la cablurile lungi. Filtrul în formă de U C1, C2, L1 suprimă zgomotul la intrarea de putere a cipului IC1. Semnalele de intrare ale microcircuitelor Step_A și Step_B, care controlează canalele dreapta și respectiv stânga ale motorului, pot fi generate de orice controler adecvat. Circuitele interne protejează amplificatorul de scurtcircuite și supraîncălzire în cazul unui motor pas cu pas defect sau al conectării incorecte a bornelor acestuia.

Tabelul 1

Ilustrația secvenței pulsului

Tabelul 1 ilustrează secvența de impulsuri Step_A și Step_B care controlează rotația unui motor pas cu pas tipic într-o direcție prin aplicarea continuă a combinațiilor de semnal de la 0 la 4. Pasul 4 readuce arborele motorului în poziția inițială, completând o rotație de 360°. Pentru a schimba direcția de rotație a motorului, începeți să formați o diagramă de timp a impulsurilor din partea de jos a tabelului și deplasați-vă în sus de-a lungul acesteia. Aplicând o tensiune de nivel logic scăzut la intrarea SHDN a microcircuitului (pin 8), puteți opri ambele canale ale amplificatorului. Formele de undă la intrările și ieșirile circuitului sunt prezentate în Figura 2.

În acest articol voi descrie întregul ciclu de fabricație al unui driver de motor pas cu pas pentru experimente. Aceasta nu este opțiunea finală, este concepută pentru a controla un motor electric și este necesară doar pentru lucrări de cercetare diagrama driverului final al motorului pas cu pas va fi prezentată într-un articol separat.

Pentru a realiza un controler de motor pas cu pas, este necesar să înțelegem principiul de funcționare al mașinilor electrice pas cu pas și modul în care acestea diferă de alte tipuri de motoare electrice. Există o mare varietate de mașini electrice: curent continuu, curent alternativ. Motoarele electrice cu curent alternativ sunt împărțite în sincrone și asincrone. Nu voi descrie fiecare tip de motor electric deoarece este dincolo de scopul acestui articol, voi spune doar că fiecare tip de motor are propriile sale avantaje și dezavantaje. Ce este un motor pas cu pas și cum să-l controlezi?

Un motor pas cu pas este un motor sincron fără perii cu înfășurări multiple (de obicei patru) în care curentul aplicat uneia dintre înfășurările statorului determină blocarea rotorului. Activarea secvențială a înfășurărilor motorului determină mișcări unghiulare (trepte) discrete ale rotorului. Schema circuitului electric a unui motor pas cu pas oferă o idee despre structura acestuia.

Și această imagine arată tabelul de adevăr și o diagramă a funcționării unui stepper în modul pas complet. Există și alte moduri de funcționare a motoarelor pas cu pas (semi-pas, micropas etc.)

Se pare că, dacă repetați această secvență de semnale ABCD, puteți roti rotorul motorului electric într-o direcție.
Cum să rotiți rotorul în cealaltă direcție? Da, este foarte simplu, trebuie să schimbați secvența semnalului de la ABCD la DCBA.
Cum să rotiți rotorul la un anumit unghi specificat, de exemplu 30 de grade? Fiecare model de motor pas cu pas are un astfel de parametru precum numărul de pași. Stepper-urile pe care le-am scos din imprimantele matriceale au acest parametru 200 și 52, adică. pentru a face o rotație completă de 360 ​​de grade, unele motoare trebuie să treacă prin 200 de pași, iar altele 52. Se pare că, pentru a roti rotorul la un unghi de 30 de grade, trebuie să parcurgeți:
-în primul caz, 30:(360:200)=16.666... ​​​​(pași) pot fi rotunjite la 17 trepte;
-in cel de-al doilea caz 30:(360:52)=4,33... (pasi), puteti rotunji pana la 4 pasi.
După cum puteți vedea, există o eroare destul de mare, putem concluziona că cu cât motorul are mai mulți pași, cu atât eroarea este mai mică. Eroarea poate fi redusă dacă utilizați un mod de funcționare în jumătate de pas sau micropas sau mecanic - utilizați o cutie de viteze reducătoare în acest caz, viteza de deplasare are de suferit;
Cum se controlează viteza rotorului? Este suficient să modificați durata impulsurilor furnizate intrărilor ABCD cu cât impulsurile sunt mai lungi de-a lungul axei timpului, cu atât viteza de rotație a rotorului este mai mică;
Cred că aceste informații vor fi suficiente pentru a avea o înțelegere teoretică a funcționării motoarelor pas cu pas toate celelalte cunoștințe pot fi obținute prin experimentare.
Și deci să trecem la circuite. Ne-am dat seama cum să lucrăm cu un motor pas cu pas, tot ce rămâne este să-l conectăm la Arduino și să scriem un program de control. Din păcate, este imposibil să conectați direct înfășurările motorului la ieșirile microcontrolerului nostru dintr-un motiv simplu - lipsa energiei. Orice motor electric trece un curent destul de mare prin înfășurările sale și o sarcină de cel mult40 mA (parametri ArduinoMega 2560) . Ce să faci dacă este nevoie să controlezi o sarcină de, de exemplu, 10A și chiar o tensiune de 220V? Această problemă poate fi rezolvată dacă un circuit electric de putere este integrat între microcontroler și motorul pas cu pas, atunci va fi posibil să se controleze cel puțin un motor electric trifazat care deschide o trapă de mai multe tone într-un siloz de rachete :-). În cazul nostru, nu este nevoie să deschidem trapa către silozul de rachete, trebuie doar să facem ca motorul pas cu pas să funcționeze, iar driverul motorului pas cu pas ne va ajuta în acest sens. Puteți, desigur, să cumpărați soluții gata făcute sunt multe pe piață, dar îmi voi face propriul șofer. Pentru a face acest lucru, voi avea nevoie de tranzistori cu efect de câmp Mosfet cu cheie de pornire, așa cum am spus deja, acești tranzistori sunt ideali pentru asocierea Arduino cu orice încărcătură.
Figura de mai jos prezintă schema circuitului electric a unui controler de motor pas cu pas.

Am folosit tastele de porniretranzistoare IRF634B tensiune maximă sursă-dren 250V, curent de scurgere 8.1A, acest lucru este mai mult decât suficient pentru cazul meu.Cu circuitul mai mult sau mai puțin realizat, vom desena o placă de circuit imprimat. Am desenat în editorul Windows Paint încorporat, voi spune că aceasta nu este cea mai bună idee, data viitoare voi folosi un editor PCB specializat și simplu. Mai jos este un desen al plăcii de circuit imprimat finit.

În continuare, imprimăm această imagine în oglindă pe hârtie folosind o imprimantă laser. Cel mai bine este să maximizați luminozitatea tipăririi și să utilizați hârtie lucioasă, mai degrabă decât hârtie de birou obișnuită. Luăm o foaie și imprimăm peste imaginea existentă. Apoi, aplicăm imaginea rezultată pe o bucată de folie de fibră de sticlă pregătită anterior și o călcăm bine timp de 20 de minute. Fierul de călcat trebuie încălzit la temperatura maximă.
Cum se prepară textolit? În primul rând, trebuie să o tăiați la dimensiunea imaginii plăcii de circuit imprimat (foarfece metalice sau un ferăstrău) și, în al doilea rând, șlefuiți marginile cu șmirghel fin, astfel încât să nu rămână bavuri. De asemenea, trebuie să șlefuiți suprafața foliei pentru a îndepărta oxizii; Apoi, suprafața tratată cu șmirghel trebuie șters cu un tampon de bumbac înmuiat în solvent (folosește solventul 646, miroase mai puțin).
După încălzire cu un fier de călcat, tonerul din hârtie este copt pe suprafața foliei laminate din fibră de sticlă sub forma unei imagini a pistelor de contact. Dupa aceasta operatie placa cu hartie trebuie racita la temperatura camerei si pusa intr-o baie de apa pentru aproximativ 30 de minute. În acest timp, hârtia va deveni moale și trebuie să fie rulată cu grijă de pe suprafața PCB cu vârful degetelor. Pe suprafață vor rămâne semne negre netede sub formă de urme de contact. Dacă nu ați putut transfera imaginea de pe hârtie și aveți defecte, atunci ar trebui să spălați tonerul de pe suprafața PCB cu un solvent și să repetați totul din nou. Am înțeles bine prima dată.
După obținerea unei imagini de înaltă calitate a pistelor, este necesar să decupăm excesul de cupru pentru aceasta, vom avea nevoie de o soluție de gravare pe care o vom pregăti singuri. Anterior, pentru gravarea plăcilor cu circuite imprimate, am folosit sulfat de cupru și sare de masă obișnuită în raport de 0,5 litri de apă fierbinte, 2 linguri pline de sulfat de cupru și sare de masă. Toate acestea au fost amestecate bine în apă și soluția a fost gata. Dar de data asta am încercat o altă rețetă, foarte ieftină și accesibilă.
Metoda recomandată pentru prepararea soluției de gravare:
În 100 ml de peroxid de hidrogen farmaceutic 3%, dizolvați 30 g de acid citric și 2 lingurițe de sare de masă. Această soluție ar trebui să fie suficientă pentru a grava o suprafață de 100 cm2. Nu este nevoie să vă zgarciți cu sare atunci când pregătiți soluția. Deoarece joacă rolul unui catalizator și practic nu este consumat în timpul procesului de gravare.
După pregătirea soluției, placa de circuit imprimat trebuie coborâtă într-un recipient cu soluția și observați procesul de gravare aici, principalul lucru este să nu o expuneți excesiv. Soluția va mânca suprafața de cupru neacoperită cu toner de îndată ce se întâmplă acest lucru, placa trebuie îndepărtată și spălată cu apă rece, apoi trebuie să fie uscată și tonerul trebuie îndepărtat de pe suprafața pistelor folosind vată și un solvent. Dacă placa dumneavoastră are găuri pentru atașarea componentelor radio sau a elementelor de fixare, acum este momentul să le găuriți. Am omis această operațiune deoarece acesta este doar un prototip de driver de motor pas cu pas, destinat stăpânirii tehnologiilor care sunt noi pentru mine.
Să începem să cositorim potecile. Acest lucru trebuie făcut pentru a vă ușura munca la lipire. Obișnuiam să cositoram cu lipit și colofoniu, dar voi spune că acesta este modul „murdar”. Există mult fum și zgură din colofoniu de pe placă, care vor trebui spălate cu un solvent. Am folosit o altă metodă, conservarea cu glicerină. Glicerina se vinde în farmacii și costă bănuți. Suprafața plăcii trebuie șters cu un tampon de bumbac înmuiat în glicerină și lipirea trebuie aplicată cu un fier de lipit în mișcări precise. Suprafața pistelor este acoperită cu un strat subțire de lipire și rămâne curată, excesul de glicerină poate fi îndepărtat cu un tampon de bumbac sau spălat cu apă și săpun. Din păcate, nu am o fotografie a rezultatului obținut după cositorire, dar calitatea rezultată este impresionantă.
Apoi, trebuie să lipiți toate componentele radio pe placă. Am folosit pensete pentru a lipi componentele SMD. Glicerina a fost folosită ca flux. A ieșit foarte îngrijit.
Rezultatul este evident. Desigur, după producție, placa arăta mai bine în fotografie, după numeroase experimente (pentru asta a fost creată).

Deci, driverul nostru de motor pas cu pas este gata! Acum să trecem la partea cea mai interesantă - experimentele practice. Lipim toate firele, conectăm sursa de alimentare și scriem un program de control pentru Arduino.
Mediul de dezvoltare Arduino este bogat în diverse biblioteci, este prevăzută o bibliotecă specială, Stepper.h, pentru lucrul cu un motor pas cu pas, pe care îl vom folosi. Nu voi descrie modul de utilizare a mediului de dezvoltare Arduino și descriu sintaxa limbajului de programare, puteți consulta aceste informații pe site-ul http://www.arduino.cc/, există și o descriere a tuturor bibliotecilor cu exemple; , inclusiv o descriere a lui Stepper.h.

Lista programelor:
/*
* Program de testare pentru stepper
*/
#include
#define PASI 200

Stepper stepper (PAȘI, 31, 33, 35, 37);

void setup()
{
stepper.setSpeed(50);
}

buclă goală ()
{
stepper.step(200);
întârziere (1000);
}

Acest program de control forțează arborele motorului pas cu pas să facă o rotație completă, după o pauză de o secundă, și se repetă la infinit. Puteți experimenta cu viteza de rotație, direcția de rotație și unghiurile de rotație.