3d-принтер и ЧПУ станок в одном устройстве своими руками

Блог для тех, у кого чешутся руки и есть желание заниматься цифровой техникой и не только цифровой и не только техникой.

Страницы

воскресенье, 1 июня 2014 г.

3. Изготовление драйвера шагового двигателя (для экспериментов).

Получается если повторять эту последовательность сигналов ABCD можно вращать ротор электромотора в одну сторону.
А как вращать ротор в другую сторону? Да очень просто, нужно изменить последовательность сигналов с ABCD на DCBA.
А как поворачивать ротор на конкретный заданный угол, например 30 градусов? У каждой модели шагового электромотора есть такой параметр как число шагов. У шаговиков которые я вытащил из матричных принтеров этот параметр 200 и 52, т.е. чтобы совершить полный оборот 360 градусов одним двигателям нужно пройти 200 шагов а другим 52. Получается чтобы повернуть ротор на угол 30 градусов, нужно пройти:
-в первом случае 30:(360:200)=16,666. (шагов) можно округлить до 17 шагов;
-во втором случае 30:(360:52)=4,33. (шага), можно округлить до 4 шагов.
Как видите есть достаточно большая погрешность, можно сделать вывод что чем больше шагов у мотора тем меньше погрешность. Погрешность можно уменьшать если использовать полушаговый или микрошаговый режим работы или механическим способом — использовать понижающий редуктор в этом случае страдает скорость движения.
Как управлять скоростью вращения ротора? Достаточно изменить длительность импульсов подаваемых на входы ABCD, чем длиннее импульсы по оси времени, тем меньше скорость вращения ротора.
Полагаю этой информации будет достаточно чтобы иметь теоретическое представление о работе шаговых электромоторов, все остальные знания можно будет получить экспериментируя.
И так перейдем к схемотехнике. Как работать с шаговым двигателем мы разобрались, осталось подключить его к Arduino и написать управляющую программу. К сожалению напрямую подключить обмотки мотора к выходам нашего микроконтроллера невозможно по одной простой причине — нехватка мощности. Любой электромотор пропускает через свои обмотки достаточно большой ток, а к микроконтроллеру можно подключить нагрузку не более 40 mA (параметры ArduinoMega 2560). Что же делать если есть необходимость управлять нагрузкой например 10A да еще и напряжением 220В? Эту проблему можно решить если между микроконтроллером и шаговым двигателем интегрировать силовую электрическую схему, тогда можно будет управлять хоть трехфазным электромотором который открывает многотонный люк в ракетную шахту :-). В нашем случае люк в ракетную шахту открывать не нужно, нам нужно всего лишь заставить работать шаговый мотор и в этом нам поможет драйвер шагового двигателя. Можно конечно купить готовые решения, на рынке их очень много, но я буду делать свой собственный драйвер. Для этого мне понадобятся силовые ключевые полевые транзисторы Mosfet, как я уже говорил эти транзисторы идеально подходят для сопряжения Arduino с любыми нагрузками.
На рисунке ниже представлена электрическая принципиальная схема контроллера шагового двигателя.

В качестве силовых ключей я применил транзисторы IRF634B максимальное напряжение исток-сток 250В, ток стока 8,1А, этого более чем достаточно для моего случая. Со схемой более менее разобрались будем рисовать печатную плату. Рисовал в встроенном в Windows редакторе Paint, скажу это не самая лучшая затея, в следующий раз буду использовать какой-нибудь специализированный и простой редактор печатных плат. Ниже представлен рисунок готовой печатной платы.

Далее это изображение в зеркальном отражении распечатываем на бумаге при помощи лазерного принтера. Яркость печати лучше всего сделать максимальной, а бумагу нужно использовать не обычную офисную а глянцевую, подойдут обычные глянцевые журналы. Берем лист и печатаем поверх имеющегося изображения. Далее получившуюся картинку прикладываем к заранее подготовленному куску фольгированного стеклотекстолита и хорошенько проглаживаем утюгом в течении 20 минут. Утюг нужно нагреть до максимальной температуры.
Как подготовить текстолит? Во первых его нужно отрезать по размеру изображения печатной платы (при помощи ножниц по металлу или ножовкой по металлу), во вторых зашкурить края мелкой наждачной бумагой, чтобы не осталось заусенцев. Также необходимо пройтись наждачкой по поверхности фольги, снять окислы, фольга приобретет ровный красноватый оттенок. Далее поверхность обработанную наждачной бумагой нужно протереть ваткой смоченной в растворитель (используйте 646 растворитель он меньше воняет).
После прогрева утюгом, тонер с бумаги запекается на поверхность фольгированного стеклотекстолита в виде изображения контактных дорожек. После этой операции плату с бумагой необходимо остудить до комнатной температуры и положить в ванночку с водой примерно на 30 минут. За это время бумага раскиснет и ее нужно аккуратно скатать подушечками пальцев с поверхности текстолита. На поверхности останутся ровные черные следы в виде контактных дорожек. Если у вас не получилось перенести изображение с бумаги и у вас есть огрехи, тогда следует смыть тонер с поверхности текстолита растворителем и повторить все заново. У меня все получилось с первого раза.
После получения качественного изображения дорожек, необходимо вытравить лишнюю медь, для этого нам понадобится травильный раствор который мы приготовим сами. Раньше для травления печатных плат я использовал медный купорос и обычную поваренную соль в соотношении на 0,5 литра горячей воды по 2 столовые ложки с горкой медного купороса и поваренной соли. Все это тщательно размешивалось в воде и раствор готов. Но в этот раз попробовал иной рецепт, очень дешевый и доступный.
Рекомендуемый способ приготовления травильного раствора:
В 100 мл аптечной 3% перекиси водорода растворяется 30 г лимонной кислоты и 2 чайные ложки поваренной соли. Этого раствора должно хватить для травления площади 100 см2. Соль при подготовке раствора можно не жалеть. Так как она играет роль катализатора и в процессе травления практически не расходуется.
После приготовления раствора, печатную плату необходимо опустить в емкость с раствором и наблюдать за процессом травления, тут главное не передержать. Раствор съест непокрытую тонером поверхность меди, как только это произойдет плату необходимо достать и промыть холодной водой, далее ее нужно просушить и снять с поверхности дорожек тонер при помощи ватки и растворителя. Если в вашей плате предусмотрены отверстия для крепления радиодеталей или крепежа, самое время просверлить их. Я опустил эту операцию по причине того что это всего лишь макетный драйвер шагового двигателя, предназначенный для освоения новых для меня технологий.
Приступаем к лужению дорожек. Это необходимо сделать чтобы облегчить себе работу при пайке. Раньше я лудил при помощи припоя и канифоли, но скажу это «грязный» способ. От канифоли много дыма и шлака на плате который нужно будет смывать растворителем. Я применил другой способ, лужение глицерином. Глицерин продается в аптеках и стоит копейки. Поверхность платы необходимо протереть ваткой смоченной в глицерине и наносить припой паяльником точными мазками. Поверхность дорожек покрывается тонким слоем припоя и остается чистой, лишний глицерин можно удалить ваткой или промыть плату в воде с мылом. К сожалению у меня нет фотографии полученного результата, после лужения, но получившееся качество впечатляет.
Далее необходимо припаять все радиодетали на плату, для пайки SMD компонентов я использовал пинцет. В качестве флюса использовал глицерин. Получилось очень даже аккуратно.
Результат налицо. Конечно после изготовления плата выглядела лучше, на фото она уже после многочисленных экспериментов (для этого она и создавалась).

Листинг программы:

/*
* Тестовая программа для шаговика
*/
#include
#define STEPS 200

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

void setup()
<
stepper.setSpeed(50);
>

void loop()
<
stepper.step(200);
delay(1000);
>

Данная управляющая программа заставляет делать один полный оборот вала шагового двигателя, после перерыва длительностью в одну секунду, повторяется до бесконечности. Можно поэкспериментировать со скоростью вращения, направлением вращения а также углами поворотов.
Драйвер шагового двигателя (версия 2)

Драйвер биполярных шаговых двигателей

Ниже представлена принципиальная схема драйвера биполярных шаговых двигателей с двумя L298 (усиленный) 48В, 4А.

Данный драйвер может использоваться для управления практически любых 2-фазных биполярных гибридных шаговиков с 4 выводами и может обеспечить ток работы до 4 ампер при максимальном напряжении 35В.

Драйвер поддерживает режимы работы full step и half step которые можно выбрать с помощю джапмпера H/F. Джампер CTRL предназначен для установки типа двигателя униполярный/биполярный, в позиции биполярного ШИМ работает на выходы INHIBIT в противном случае на выходы ABCD. Питание драйвера 12-35В для двигателя и 15-24В для схемы, диоды D1-D8 быстрые на 3 ампера, желательно Шоттки. Цепочкой R9 и C15 можно подбирать частоту ШИМ, при указанных номиналах она выше диапазона слышимых звуков, так что движок не жужжит. Потенциометром RV1 устанавливается рабочий ток двигателя.

Если будете гонять на максимальной мощности , то нужно обязательно посадить его на хороший радиатор и поставить кулер, также не забудьте намазать термопастой.

Схема и плата нарисованы в программе Proteus 7.7.

Схема протестированна и показала полную работоспособность драйвера

Используемые радиоэлементы:

Как работает шаговый электродвигатель?

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

• В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
• Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
• Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
• Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
• Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
• Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
• Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
• Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

• Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
• Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
• Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
• Сложности управления из-за особенности схемы

Устройство и принцип работы

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора. Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от 5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом

Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси. Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс или серию импульсов в определенной последовательности. В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата. При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

• Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
• Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
• При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
• При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
• Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
• Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Популярные схемы управления ШД

Является одним из наиболее помехозащищенных способов работы. При этом прямой и инверсный сигнал напрямую подключается к соответствующим полюсам. В такой схемы должно применяться экранирование сигнального проводника. Прекрасно подходит для нагрузки с низкой мощностью.

Схема управления от контроллера с выходом типа «открытый коллектор»

В данной схеме происходит объединение положительных вводов контроллера, которые подключаются к положительному полюсу. В случае питания выше 9В требуется включение в схему специального резистора для ограничения тока. Позволяет задавать необходимое количество шагов со строго установленной скоростью, определить ускорение и т.д.

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль) происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному USB порту.

Полезное видео