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)

Шаговые двигатели: особенности и практические схемы управления. Часть 2

Владимир Рентюк, Запорожье, Украина

Часть 2. Схемотехника систем управления

Выше были рассмотрены наиболее важные общие вопросы использования шаговых двигателей, которые помогут в их освоении. Но, как гласит наша любимая украинская поговорка: «Не повірю поки не провірю» («Не поверю, пока не проверю»). Поэтому перейдем к практической стороне вопроса. Как уже отмечалось, шаговые двигатели – это удовольствие не из дешевых. Но они имеются в старых принтерах, считывателях гибких и лазерных дисков, например, SPM-20 (шаговый двигатель для позиционирования головки в дисководах 5″25 Mitsumi) или EM-483 (от принтера Epson Stylus C86), которые можно найти у себя в старом хламе или купить за копейки на радиобазаре. Примеры таких двигателей представлены на Рисунке 8.

а) б)
Рисунок 8.	Шаговые двигатели, используемые в устаревшей компьютерной технике. а) Шаговый двигатель SPM-20 для позиционирования головки в дисководах 5″25 Mitsumi. (Фото с сайта). б) Шаговый двигатель EM-483 от принтера Epson Stylus C86. (Фото с сайта).

Наиболее простыми для начального освоения являются униполярные двигатели. Причина кроется в простоте и дешевизне их драйвера управления обмотками. На Рисунке 9 приведена практическая схема драйвера, использованного автором статьи для униполярного шагового двигателя серии P542-M48 [6].

Рисунок 9.	Драйвер униполярного шагового двигателя. (Дополнительная информация по подключению на Рисунках 10 и 12).

Естественно, что выбор типа транзистора для ключей управления обмотками должен происходить с учетом максимального тока коммутации, а его подключение учитывать необходимость заряда/разряда емкости затвора. В ряде случаев прямое соединение MOSFET с ИМС коммутатора может быть недопустимым. Как правило, в затворах устанавливаются последовательно включенные резисторы небольших номиналов. Но в ряде случае необходимо предусмотреть еще и соответствующий драйвер для управления ключами, который обеспечит заряд/разряд их входной емкости. В некоторых решениях предлагается в качестве ключей использовать биполярные транзисторы. Это подходит только для очень маломощных двигателей с небольшим током обмоток. Для рассматриваемого двигателя с рабочим током обмоток I = 230 мА ток управления по базе ключа должен составить, по крайней мере, 15 мА (хотя для нормальной работы ключа необходимо, чтобы ток базы равнялся 1/10 рабочего, то есть 23 мА). Но такой ток от микросхем серии 74HCхх забрать невозможно, поэтому потребуются дополнительные драйверы. Как хороший компромисс, можно использовать IGBT, сочетающие в себе достоинства полевых и биполярных транзисторов.

С точки зрения автора статьи, самым оптимальным для управления коммутацией обмоток двигателей небольшой мощности является использование подходящих по току и сопротивлению открытого канала R_DC(ON) MOSFET, но с учетом рекомендаций, описанных выше. Мощность, рассеиваемая на ключах для выбранного в качестве примера двигателя серии P542-M48, при полной остановке ротора не превысит

P_VT = R_DC(ON) × I 2 = 0.25 × (0.230) 2 = 13.2 мВт.

Транзисторы IRLML2803 с R_DC(ON) = 0.25 Ом имеют допустимую мощность рассеяния 540 мВ и постоянный ток стока 0.93 А при температуре 70 °С. Так что, они полностью соответствуют требованиям и обеспечат надежную работу драйвера. В большинстве случаев, учитывая низкие частоты коммутации, проведенной выше оценки вполне достаточно. Поскольку детальное рассмотрение особенностей работы ключей не входит в рамки данной статьи, то для их выбора и полного расчета можно воспользоваться методикой, приведенной, например, в [7].

Еще одним важным моментов является правильный выбор так называемых снаберных диодов, шунтирующих обмотку двигателя (VD1…VD4 на Рисунке 9). Назначение этих диодов – гасить ЭДС самоиндукции, возникающую при выключении управляющих ключей. Если диоды выбраны неверно, то неизбежен выход из строя транзисторных ключей и устройства в целом. Обратите внимание, что в мощные MOSFET такие диоды, как правило, уже встроены.

Режим управления двигателем задается коммутатором. Как уже было отмечено выше, наиболее удобным и эффективным является управление с перекрытием фаз (Рисунок 4б). Такой режим легко реализуется при помощи триггеров. Практическая схема универсального коммутатора, который использовал автор статьи как в ряде отладочных модулей (в том числе, и с приведенным выше драйвером), так и для практических применений, приведена на Рисунке 10.

Рисунок 10.	Схема универсального коммутатора шагового двигателя (с реверсом).

Схема на Рисунке 10 пригодна для любых типов двигателей (униполярных и биполярных). Частота вращения двигателя задается внешним тактовым генератором (скважность любая), сигнал с которого подается на вход «ШАГИ», а направление вращения устанавливается через вход «НАПРАВЛЕНИЕ». Оба сигнала имеют логические уровни и, если для их формирования используются выходы с открытым коллектором, то потребуются соответствующие резисторы подтяжки (на Рисунке 10 они не показаны). Временная диаграмма работы коммутатора приведена на Рисунке 11.

Рисунок 11.	Временная диаграмма универсального коммутатора с реверсом. Верхние две осциллограммы – Q1 D2-2, Q2 D2-2; нижние две – Q1 D2-1, Q2 D2-1. Маркеры показывают область изменения очередности включения фаз.

Хочу обратить внимание читателей: в Интернете вы могли встретить похожую схему, выполненную не на D-триггерах, а на JK-триггерах. Будьте внимательны! В ряде этих схем допущена ошибка в подключении ИМС. Если нет необходимости в реверсе, то схема коммутатора может быть значительно упрощена (см. Рисунок 12), при этом частота вращения останется неизменной, а диаграмма управления будет аналогичной той, которая приведена на Рисунке 11 (осциллограммы до переключения очередности фаз).

Рисунок 12.	Упрощенная схема коммутатора шагового двигателя (без реверса).

Поскольку особых требований к сигналу «ШАГИ» не предъявляется, для его формирования может использоваться любой подходящий по уровням выходного сигнала генератор. Для своих отладочных модулей автор использовал генератор на базе ИМС таймера 555 (Рисунок 13).

Рисунок 13.	Регулируемый генератор импульсов для коммутатора шагового двигателя.

Для питания собственно двигателя можно использовать схему, приведенную на Рисунке 14, а схему коммутатора и генератора питать или от отдельного источника питания +5 В или через дополнительный маломощный стабилизатор. Земли силовой и сигнальной частей в любом случае необходимо разделить.

Рисунок 14.	Схема питания шагового двигателя с режимами удержания и выключения.

Схема на Рисунке 14 обеспечивает подачу двух стабильных по уровню напряжений для питания обмоток двигателя: 12 В в рабочем режиме и 6 В в режиме удержания. (Формулы, необходимые для расчета выходного напряжения, приведены в [8]). Рабочий режим включается подачей высокого логического уровня на контакт «ТОРМОЗ» разъема Х1. Допустимость снижения напряжения питания определяется тем, что, как уже отмечалось в первой части статьи, момент удержания шаговых двигателей превышает момент вращения. Так, для рассматриваемого двигателя P542-M48 момент удержания с редуктором 25:6 равен 19.8 Н·см, а момент вращения всего 6 Н·см. Этот подход позволяет при остановке двигателя уменьшить потребление мощности с 5.52 Вт до 1.38 Вт! Полное отключение двигателя осуществляется подачей высокого логического уровня на контакт «ВКЛ/ВЫКЛ» разъема Х1.

Если схема управления имеет выход на транзисторах с открытым коллектором, то в ключах VT1, VT2 необходимости нет, и выходы можно подключить непосредственно вместо упомянутых ключей.

Примечание: В этом варианте использование резисторов подтяжки недопустимо!

В качестве дросселя автор использовал катушку SDR1006-331K (Bourns). Общее питание формирователя напряжения для обмоток двигателя можно уменьшить до 16 – 18 В, что не скажется на его работе. Еще раз обращаю внимание: при самостоятельном расчете не забудьте учитывать, что формирователь обеспечивает режим с перекрытием фаз, то есть необходимо закладываться на номинальный ток схемы питания, равный удвоенному максимальному току обмоток при выбранном напряжении питания.

Задача управления биполярными двигателями более сложна. Основная проблема в драйвере. Для этих двигателей требуется драйвер мостового типа, и делать его, тем более в современных условиях, на дискретных элементах – неблагодарная задача. Да, этого и не требуется, так как имеется очень большой выбор специализированных ИМС. Все эти ИМС условно можно свести к двум типам. Первый – весьма популярная у любителей робототехники ИМС L293D STMicroelectronics [9] или ее варианты от Texas Instruments. Они относительно недороги и подходят для управления маломощными двигателями с током обмоток до 600 мА. ИМС имеют защиту от перегрева; устанавливать ее необходимо с обеспечением теплоотвода, которым служит фольга печатной платы [9]. Второй тип – это уже знакомая читателям по публикации в [1] ИМС LMD18245 [2].

Автор использовал драйвер L293DD в схеме для управления биполярным двигателем малой мощности типа 20M020D2B 12 В/0.1 А во время изучения проблемы использования шаговых двигателей. Этот драйвер удобен тем, что содержит четыре полумостовых ключа, поэтому для управления биполярным шаговым двигателем требуется всего одна ИМС. Полная схема, приведенная в [10] и многократно повторенная на интернет-сайтах, пригодна для использования в качестве тестовой платы. На Рисунке 15 показано включение ИМС драйвера (с привязкой к коммутатору из Рисунка 10), поскольку именно эта часть сейчас представляет для нас интерес, а Figure 6 (Bipolar Stepping-Motor Control) из спецификации [9] не совсем понятна начинающему пользователю. Она вводит в заблуждение, например, тем, что показаны внешние диоды, которые на самом деле встроены в ИМС и прекрасно справляются с обмотками маломощных двигателей. Естественно, что драйвер L293D может работать с любым коммутатором. Выключается драйвер логическим нулем по входу R.

Примечание: ИМС L293, в зависимости от изготовителя и суффиксов, указывающих на тип корпуса, имеют различия в нумерации и количестве выводов!

Рисунок 15.	Схема подключения драйвера L293DD.

Для более мощных двигателей автор статьи использовал драйверы LMD18245. Полная схема тестового модуля приведена на Рисунке 16.

Рисунок 16.	Схема управления биполярным шаговым двигателем с использованием драйвера LMD18245.

В отличие от L293DD, LMD18245 является не четырех-, а двухканальным драйвером, поэтому для реализации схемы управления требуются две ИМС. Драйвер LMD18245 выполнен по DMOS технологии, содержит схемы защиты от перегрева, короткого замыкания и выполнен в удобном 15-выводном корпусе ТО-220, что позволяет легко отводить от его корпуса излишнее тепло. В качестве задающего генератора использовалась схема, приведенная ранее на Рисунке 13, но с увеличенным до 4.7 кОм сопротивлением резистора R2. Для подачи одиночных импульсов используется кнопка BH1, позволяющая сдвинуть ротор двигателя на один шаг. Направление вращения ротора определяется положением переключателя S1. Включение и выключение двигателя осуществляется выключателем S2. В положение «ВЫКЛ» ротор двигателя освобождается, и его вращение импульсами управления становится невозможным. Режим удержания уменьшает максимальный ток, потребляемый обмотками двигателя, с двух до одного ампера. Если импульсы управления не подаются, то ротор двигателя остается в зафиксированном положении с пониженной вдвое мощностью потребления. Если же импульсы подаются, то вращение двигателя в этом режиме осуществляется с пониженным на малых скоростях вращения моментом. Необходимо заметить, что поскольку при полношаговом управлении «two-phase-on» включены обе обмотки, ток двигателя удваивается, а схема драйвера должна рассчитываться исходя из требований обеспечения заданного тока двух обмоток (резисторы R3, R8).

Схема содержит описанный ранее двунаправленный двухфазовый формирователь на D-триггерах (Рисунок 10). Максимальный ток драйвера задается резистором, включенным в цепь контакта 13 ИМС LMD18245 (резисторы R3, R8), и двоичным кодом на контактах цепи управления тока (выводы 8, 7, 6, 4). Формула для расчета максимального тока приведена в спецификации на драйвер [2]. Ограничение тока осуществляется импульсным методом. При достижении максимально заданной величины тока выполняется его «нарезка» («chopping»). Параметры этой «нарезки» задаются параллельной RC цепочкой, подключенной к выводу 3 драйвера. Достоинством ИМС LMD18245 является то, что токозадающий резистор, не включенный непосредственно в цепь двигателя, имеет достаточно большой номинал и маленькую рассеиваемую мощность. Для рассматриваемой схемы максимальный ток в амперах, согласно приведенной в [2] формуле, составляет:

V_{DAC REF} – опорное напряжение ЦАП (в рассматриваемой схеме 5 В);
D – задействованные разряды ЦАП (в этом режиме используются все 16 разрядов);
R_S – сопротивление токоограничивающего резистора (R3 = R8 = 10 кОм).

Соответственно, в режиме удержания (поскольку используются 8 разрядов ЦАП), максимальный ток составит 1 А.

В заключение необходимо отметить, что драйвер LMD18245 позволяет реализовать и микрошаговое управление. Как упоминалось выше, такой режим уменьшает, и даже подавляет паразитный резонанс ротора. Поддержка такого режима для указанного драйвера осуществляется микропроцессором, управляющим входами ЦАП.

Как можно видеть из предложенной статьи, шаговые двигатели хоть и сложнее в управлении, чем коллекторные, но не настолько, чтобы отказываться от них. Как говорили еще древние римляне: «Дорогу осилит идущий». Естественно, что на практике для многих приложений управление шаговыми двигателями целесообразно делать на основе микроконтроллеров, которые легко сформируют нужные команды для драйверов и выполнят роль коммутаторов. Дополнительную информацию и более детальное рассмотрение проблем, связанных с применением шаговых двигателей, кроме как по упомянутым выше ссылкам [3, 4, 7], можно почерпнуть из ставшей уже классикой монографии Кенио Такаши [11] и на специализированных интернет-сайтах, например, [12].

Есть еще один момент, на который автор статьи хотел бы обратить внимание читателей. Шаговые двигатели, как впрочем, и все двигатели постоянного тока, обратимы. Что имеется ввиду? Если приложить внешнее вращающее усилие к ротору, то с обмоток статора можно снять ЭДС, то есть двигатель становится генератором, причем весьма и весьма эффективным. Автор статьи экспериментировал с этим вариантом использования шаговых двигателей во время работы консультантом по силовой электронике в компании, занимающейся ветроэнергетикой. Необходимо было на простых макетах отработать ряд практических решений. По наблюдению автора статьи, эффективность шагового двигателя в таком применении была выше, чем у аналогичного по параметрам и габаритам коллекторного двигателя постоянного тока. Но это уже другая история.