Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №2

Журнал «Домашняя лаборатория»

ПИТАНИЕ ОБМОТОК ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Для питания обычного двигателя постоянного тока требуется лишь источник постоянного напряжения, а необходимые коммутации обмоток выполняются коллектором. С шаговым двигателем всё сложнее. Все коммутации должен выполнять внешний контроллер. В настоящее время примерно в 95 % случаев для управления шаговыми двигателями используются микроконтроллеры. В простейшем случае для управления шаговым двигателем в полношаговом режиме требуются всего два сигнала, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Направление вращения зависит от того, какая фаза опережает. Скорость определяется частотой следования импульсов.

В полушаговом режиме всё немного

сложнее и требуется уже минимум 4 сигнала. Все сигналы управления шаговым двигателем можно сформировать программно, однако, это вызовет большую загрузку управляющего микропроцессора контроллера. Поэтому чаще применяют специальные микросхемы драйверов шагового двигателя, которые уменьшают количество требуемых от процессора динамических сигналов. Типично эти микросхемы требуют сигнал тактовой частоты, которая является частотой повторения шагов и статический сигнал, который задает направление вращения. Иногда еще присутствует сигнал включения полушагового режима. Для микросхем драйверов, которые работают в микрошаговом режиме, требуется большее количество сигналов. Распространенным является случай, когда необходимые последовательности сигналов управления фазами формируются с помощью одной микросхемы, а необходимые токи фаз обеспечивает другая микросхема. Хотя в последнее время появляется все больше драйверов, реализующих все функции в одной микросхеме.

Мощность, которая требуется от коммутатора, зависит от размеров двигателя и составляет доли ватта для маленьких двигателей и до 10–20 ватт для больших двигателей. Максимальный уровень рассеиваемой мощности ограничен нагревом двигателя. Рабочая температура ШД обычно указывается производителем, но общепринято, что нормальной является температура корпуса 90 градусов. Поэтому при конструировании устройств с шаговыми двигателями, непрерывно работающими на максимальном токе, необходимо принимать меры, исключающие касание корпуса двигателя обслуживающим персоналом. В отдельных случаях возможно применение охлаждающего радиатора. Иногда это позволяет применить двигатель меньших размеров и добиться лучшего отношения мощность/стоимость.

Для данного размера шагового двигателя место, занимаемое обмотками, ограничено. Поэтому очень важно сконструировать коммутатор так, чтобы для заданных параметров обмоток обеспечить наилучшую эффективность.

Схема коммутатора должна выполнять три главных задачи: иметь возможность включать и выключать ток в обмотках, а также менять его направление; поддерживать заданное значение тока; обеспечивать как можно более быстрое нарастание и спад тока для хороших скоростных характеристик

Способы изменения направления тока в обмотках. При работе шагового двигателя требуется изменение направления магнитного поля независимо для каждой фазы. Изменение направления магнитного поля может быть выполнено разными способами. В униполярных двигателях обмотки имеют отвод от середины или имеются две отдельные обмотки для каждой фазы. Направление магнитного поля меняется путем переключения половинок обмоток или целых обмоток. В этом случае требуются только два простых ключа А и В для каждой фазы (рис. 16).

Рис. 16. Питание обмотки униполярного двигателя

В биполярных двигателях направление тока меняется путем переполюсовки выводов обмоток. Для такой переполюсовки требуется полный Н-мост (рис. 17). Управление ключами в том и другом случае должно осуществляться логической схемой, реализующей нужный алгоритм работы. Предполагается, что источник питания схем имеет номинальное для обмоток двигателя напряжение. Это простейший способ управления током обмоток биполярного двигателя.

Рис. 17. Питание

обмотки биполярного двигателя

Нужно отметить, что при раздельном управлении транзисторами моста возможны ситуации, когда источник питания закорочен ключами. Поэтому логическая схема управления должна быть построена таким образом, чтобы исключить эту ситуацию даже в случае сбоев управляющего контроллера.

Обмотки двигателя представляют собой индуктивность. При подключении обмотки к источнику питания ток будет с некоторой скоростью нарастать, а при отключении обмотки произойдет выброс напряжения, обусловленного ЭДС самоиндукции. Этот выброс способен повредить ключи, в качестве которых используются биполярные или полевые транзисторы. Для ограничения этого выброса устанавливают специальные защитные цепочки. На схемах рис. 16 и 17 эти цепочки образованы диодами, значительно реже применяют конденсаторы или их комбинацию с диодами. Применение конденсаторов может привести к появлению электрического резонанса, что иногда приводит к увеличению момента на некоторой скорости.

На рис. 16 потребовалось 4 диода по той причине, что половинки обмоток униполярного двигателя расположены на общем сердечнике и магнитно связаны между собой. Они работают как автотрансформатор и выбросы возникают на выводах обеих обмоток. Если в качестве ключей применены МОП-транзисторы, то достаточно только двух внешних диодов, так как у них внутри уже имеются диоды (включенные параллельно каналу сток-исток). В интегральных микросхемах, содержащих мощные выходные каскады с открытым коллектором или открытым стоком, также часто имеются такие диоды.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Структурная схема лабораторной установки приведена на рис. 18. Установка состоит из контроллера, управляемого с помощью интерфейса Centronics IBM-совместимого компьютера, и шагового двигателя M1 типа ШДА-1. Используемый ШД является униполярным, с двумя парами обмоток, соединенных одними из выводов попарно. Два таких "общих" вывода соединены вместе и подключены к источнику питания напряжением +U. Оставшиеся четыре вывода обмоток, обозначенных как Ф1-Ф4, подключены к контроллеру.

Рис. 18. Структурная схема лабораторной установки

Контроллер выполнен на двух печатных платах, соединенных вместе плоским кабелем. Первая из них содержит блок управления, вторая — блок ключей, коммутирующих обмотки двигателя и индикаторы. Принципиальные схемы указанных блоков приведены на рис. 19 и рис. 20 соответственно.

Рассмотрим устройство блока управления. На микросхеме DA1 выполнен стабилизатор напряжения, обеспечивающий питание микросхем DD1-DD5 стабилизированным напряжением +5 В. Диод VD1 служит для защиты схемы от выхода из строя при подключении источника питания неправильной полярности. Конденсаторы С1-С3 необходимы для фильтрации напряжения источника питания и для защиты от проникновения помех по цепям питания в схему блока управления.

Тактовый генератор служит источником импульсов для реверсивного счетчика и выполнен по стандартной схеме мультивибратора на двух инверторах DD1.1 и DD1.2. Элемент DD1.3 является буферным. К его выходу подключен индикаторный светодиод HL1 "Такт", который используется для визуального наблюдения за частотой импульсов тактового генератора. Импульсы с выхода тактового генератора также поступают на один из входов "+1" или "-1" реверсивного счетчика на микросхеме DD2. Выбор входа осуществляется перестановкой положения перемычки S1 "Направление", расположенной на плате блока управления. От положения этой перемычки зависит направление вращения ШД в автономном режиме работы установки.