Управление биполярным шаговым двигателем. Часть 1. Теория. Схема с контроллером PIC12F629 и драйвером LB1838

Шаговые двигатели интересны тем, что позволяют повернуть вал на определённый угол. Соответственно, с их помощью можно повернуть вал и на определённое число оборотов, потому что N оборотов — это тоже определённый угол, равный 360*N, и, в том числе, на нецелое число оборотов, например на 0.75 оборота, 2.5 оборота, на 3.7 оборота и т.д. Этими возможностями шаговых двигателей определяется и область их применения. В основном они используются для позиционирования различных устройств: считывающих головок в дисководах, печатающих головок в принтерах и плоттерах и т.д.

Естественно такие возможности не могли обойти стороной и радиолюбители. Они с успехом используют шаговики в конструкциях самодельных роботов, самодельных станков с ЧПУ и т.д. Ниже описаны результаты моих опытов с шаговым двигателем, надеюсь, что кому-то это может оказаться полезным.

Итак, что нам понадобится для экспериментов. Во-первых, шаговый двигатель. Я брал 5-ти вольтовый китайский биполярный шаговик с загадочным названием, выдранный из старого 3,5″ дисковода, аналог M20SP-GW15. Во-вторых, поскольку обмотки двигателя потребляют значительный ток (в данном случае до 300 мА), то вполне понятно, что подключить шаговик к контроллеру напрямую не удастся, нужен драйвер.

В качестве драйвера для биполярных шаговых двигателей обычно используют схему так называемого H-моста или специальную микросхему (в которой всё равно встроен H-мост). Можно конечно ваять самому, но я взял готовую микруху (LB1838) из того же старого дисковода. Собственно, кроме всего вышеописанного, для наших экспериментов также понадобятся: PIC-контроллер (был взят PIC12F629, как самый дешёвый) и пара кнопок.

Перед тем, как перейти непосредственно к схеме, давайте немного разберёмся с теорией.

Биполярный шаговый двигатель имеет две обмотки и, соответственно, подключается по четырём проводам. Найти концы обмоток можно простой прозвонкой — концы проводов, относящиеся к одной обмотке, будут между собой звониться, а концы, относящиеся к разным обмоткам, — нет. Концы первой обмотки обозначим буквами «a», «b», а концы второй обмотки буквами «c», «d».

На рассматриваемом экземпляре есть цифровая маркировка контактов возле мотора и цветовая маркировка проводов (бог его знает, может это тоже какой-то стандарт): 1 — красный, 2 — голубой — первая обмотка; 3 — жёлтый, 4 — белый — вторая обмотка.

Для того, чтобы биполярный шаговый двигатель вращался, необходимо запитывать обмотки в порядке, указанном в таблице. Если направление обхода таблицы выбрать сверху вниз по кругу, то двигатель будет вращаться вперёд, если снизу вверх по кругу — двигатель будет вращаться назад:

За один полный цикл двигатель делает четыре шага.

Для правильной работы, должна строго соблюдаться указанная в таблице последовательность коммутаций. То есть, например, после второй комбинации (когда мы подали + на вывод «c» и минус на вывод «d») мы можем подать либо третью комбинацию (отключить вторую обмотку, а на первой подать — на «a» и + на «b»), тогда двигатель повернётся на один шаг вперёд, либо первую комбинацию (двигатель повернётся на один шаг назад).

То, с какой комбинации нужно начинать вращение, определяется тем, какая последняя комбинация подавалась на двигатель перед его выключением (если конечно его руками потом не крутили) и желаемым направлением вращения.

То есть, допустим мы повернули двигатель на 5 шагов вперёд, подавая на него комбинации 2-3-4-1-2, потом обесточили, а потом захотели повернуть ещё на один шаг вперёд. Для этого на обмотки надо подать комбинацию 3. Пусть после этого мы его опять обесточили, а через какое-то время захотели вернуть его на 2 шага назад, тогда нам нужно подать на двигатель комбинации 2-1. И так далее в таком же духе.

Эта таблица, кроме всего прочего, позволяет оценить, что будет происходить с шаговым двигателем, если мы перепутаем порядок подключения обмоток или концы в обмотках.

На этом мы закончим с двигателем и перейдём к драйверу LB1838.

У этой микрухи есть четыре управляющие ноги (IN1, IN2, EN1, EN2), на которые мы как раз и будем подавать сигналы с контроллера, и четыре выходных ноги (Out1, Out2, Out3, Out4), к которым подключаются обмотки двигателя. Обмотки подключаются следующим образом: провод «a» подключается к Out1, провод «b» — к Out2, провод «c» — к Out3, провод «d» — к Out4.

Ниже представлена таблица истинности для микросхемы драйвера (состояние выходов в зависимости от состояния входов):

IN1	EN1	Out1 (a)	Out2(b)	IN2	EN2	Out3(c)	Out4(d)
Low	High	+	—	Low	High	+	—
High	High	—	+	High	High	—	+
X	Low	откл	откл	X	Low	откл	откл

Теперь давайте нарисуем на диаграмме, какую форму должны иметь сигналы IN1, EN1, IN2, EN2 для одного полного цикла вращения (4 шага), т.е. чтобы на выходах появились последовательно все 4 комбинации подключения обмоток:

Если присмотреться к этой диаграмме (слева), то становится очевидно, что сигналы IN1 и IN2 можно сделать абсолютно одинаковыми, то есть на обе этих ноги можно подавать один и тот же сигнал. В этом случае наша диаграмма будет выглядеть так:

Итак, на последней диаграмме нарисовано, какие комбинации уровней сигналов должны быть на управляющих входах драйвера (EN1, EN2, IN1, IN2) для того, чтобы получить соответствующие комбинации подключения обмоток двигателя, а также стрелками указан порядок смены этих комбинаций для обеспечения вращения в нужную сторону.

Вот в общем-то и вся теория. Необходимые комбинации уровней на управляющих входах формируются контроллером (мы будем использовать PIC12F629).

R1..R2 = 1 кОм. Когда соответствующая кнопка не нажата — резистор подтягивает напряжение на входе контроллера к +5 В (высокий уровень). При нажатии на кнопку напряжение на входе подтягивается к земле (низкий уровень).

С1, С2 = 0,1 мкФ — керамические конденсаторы.

С3 = 470 мкФ х 16В — электролитический конденсатор.

Программа управления реализует следующий алгоритм: при нажатии кнопки КН1 двигатель поворачивается на один шаг в одну сторону, а при нажатии кнопки КН2 — на один шаг в другую сторону.

Собственно говоря, можно прикрутить сюда программный UART и реализовать управление от компьютера (передавать с компа скорость, количество шагов и направление вращения).

Схема драйвера для биполярные шаговые двигатели

Этот драйвер реализует полношаговый режим с одной включенной фазой и способен управлять двигателем с током до 0,5А.

Формирование управляющей последовательности осуществляется м/сх U1, U2. Сигналами на выводах 3, 14, 2 и 15 м/сх U2 обеспечивается попеременная коммутация фаз:

Ключи Q1-Q2, Q3-Q4, Q5-Q6, Q7-Q8 образуют полный H-мост, необходимый для переполюсовки выводов обмоток в биполярных двигателях . Диоды D1-D8 — защитные от выбросов напряжения при отключении обмотки. Управляющие импульсы могут подаваться непосредственно на вход C счетчика U1 (вывод 15) или на вход 13 элемента U3.4, что позволяет задействовать выключатель S1 — при его замыкании импульсы блокируются, двигатель останавливается, удерживая положение вала. Выключатель S2 управляет сменой направления вращения. На элементах U3.1-U3.3 собран генератор импульсов, которые могут подаваться на вход 13 элемента U3.4 для тестирования драйвера.

Подключение двигателя ДШ-200-0,08:

К статье прилагаются файлы:

Внимание! Запрещается воспроизведение данной статьи или ее части без согласования с автором. Если вы желаете разместить эту статью на своем сайте или издать в печатном виде, свяжитесь с автором.
Автор статьи: Вершинин И.В.

ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКИ

Блог технической поддержки моих разработок

Драйверы шагового двигателя: униполярный, биполярный, L298N.

Как правило, логические сигналы для управления шаговым двигателем формирует микроконтроллер. Ресурсов современных микроконтроллеров вполне хватает для этого даже в самом ”тяжелом” режиме – микрошаговом.

Для подключения шаговых двигателей через слаботочные логические сигналы микроконтроллеров необходимы усилители сигналов – драйверы.

В функцию драйверов входит:

• обеспечение необходимого тока и напряжения на фазных обмотках двигателя;
• коммутация обмоток;
  • включение;
  • выключение;
  • смена полярности;
• защита коммутирующих элементов от напряжения самоиндукции обмоток.

Речь в этой статье идет о простых драйверах, достаточных для большинства приложений. Существуют драйверы с гораздо большими возможностями:

• обеспечение быстрого нарастания тока при включении и быстрого спада при выключении;
• уменьшение тока для фиксации положения остановленного двигателя;
• защитные функции;
• формирование тока и напряжения обмоток для микрошагового режима;
• и многие другие.

Схемы таких драйверов достаточно сложные, а в этих функциях в большинстве приложениях нет необходимости.

По схеме подключения шаговые двигатели делятся на униполярные и биполярные. Драйверы для этих двух вариантов двигателей принципиально отличаются.

Драйвер униполярного шагового двигателя.

В униполярном режиме могут работать двигатели, имеющие следующие конфигурации обмоток.

Напомню принцип управления униполярным шаговым двигателем. Четыре обмотки с общим проводом, подключенным к одному полюсу источника питания. Если другие выводы обмоток последовательно коммутировать к другому полюсу источника, то ротор двигателя будет вращаться.

Для коммутации обмоток таким способом достаточно всего четырех ключей, замыкающих обмотки на землю. Схемы коммутации обмоток двух предыдущих вариантов двигателей выглядят так.

Если последовательно замыкать ключи 1, 2, 3, 4, то ротор двигателя будет вращаться.

Схема драйвера униполярного шагового двигателя.

Практически ключи можно выполнить на биполярных транзисторах, но предпочтительнее использовать низкопороговые MOSFET транзисторы. Я применяю транзисторы IRF7341. Это MOSFET транзисторы с параметрами:

• максимально допустимый ток 4 А;
• предельное напряжение 55 В;
• сопротивление в открытом состоянии 0,05 Ом;
• порог включения 1 В;
• выполнены в миниатюрном корпусе SO-8;
• в корпусе два транзистора.

Крайне удобный вариант для использования в драйвере униполярного шагового двигателя.

• Нет необходимости в радиаторах охлаждения ключей;
• очень низкое падение напряжения на открытом транзисторе;
• малые размеры;
• всего два 8ми выводных корпуса для драйвера двухфазного шагового двигателя.

На биполярных транзисторах ключи с такими параметрами создать не возможно. Есть много других вариантов MOSFET транзисторов для ключей, например IRF7313 ( 6 А, 30 В, 0,029 Ом).

Схема ключа на MOSFET транзисторе для одной фазы выглядит так.

Ключ управляется непосредственно от микроконтроллера логическими уровнями KMOП или TTL ( 0 / +5 В). При управляющем сигнале высокого уровня (+5 В) ключ открыт, и через обмотку фазы идет ток. Диод шунтирует обмотку двигателя в обратном направлении. Он необходим для защиты транзистора от бросков напряжения самоиндукции при выключении фазы. Для управления двигателями на значительных скоростях вращения, лучше использовать высокочастотные диоды, например, FR207.

Вот фрагмент схемы подключения униполярного шагового двигателя к микроконтроллеру.

Защиты от коротких замыканий в этой схеме нет. Реализация защиты значительно усложняет драйвер. А замыканий обмоток шаговых двигателей практически не бывает. Я не встречался с таким явлением. Да и на фоне неприятности по поводу сгоревшего дорогого двигателя, замена транзистора не выглядит проблемой.

Кстати, механическое заклинивание вала шагового двигателя не вызывает недопустимых токов в ключах драйвера и защиты не требует.

А это изображение платы контроллера униполярного шагового двигателя с PIC контроллером фирмы Microchip.

Простая плата с восьми разрядным микроконтроллером PIC18F2520 управляет:

• двумя шаговыми двигателями с током фазы до 3 А;
• двумя ШИМ ключами для электромагнитов;
• считывает состояние 4х датчиков;
• обменивается данными по сети с центральным контроллером.

Несмотря на простоту контроллера, реализованы следующие режимы управления:

• полно-шаговый, одна фаза на полный шаг;
• полно-шаговый, две фазы на полный шаг;
• полу-шаговый;
• фиксацию положения двигателя при остановке.

К достоинствам управления шаговым двигателем в униполярном режиме следует отнести:

• простой, дешевый, надежный драйвер.

• в униполярном режиме крутящий момент примерно на 40 % меньше по сравнению с биполярным режимом.

Драйвер биполярного шагового двигателя.

В биполярном режиме могут работать двигатели, имеющие любые конфигурации обмоток.

У биполярного двигателя по одной обмотке для каждой фазы. Обычно две обмотки AB и CD. В первых двух вариантах четыре обмотки соединяются так, что получается две. Обмотки по очереди подключаются к источнику питания в одной полярности, затем в другой.

Драйвер биполярного двигателя должен обеспечивать сложную коммутацию. Каждая обмотка:

• подключается в прямой полярности к источнику напряжения;
• отключается от источника напряжения;
• подключается с противоположной полярностью.

Схема коммутации одной обмотки биполярного двигателя выглядит так.

Для обеспечения двух полярных коммутаций от одного источника питания требуется 4 ключа. При замыкании 1 и 2 ключей обмотка подключается к источнику питания в прямой полярности. Замыкание 3 и 4 ключей подает на обмотку обратную полярность напряжения.

Сложность драйвера биполярного шагового двигателя вызвана не только большим числом ключей ( 4 ключа на обмотку, 8 ключей на двигатель), но и:

• сложное управление верхними ключами ( 1 и 4) от логических сигналов “привязанных” к земле;
• проблемы со сквозными токами при одновременном открывании ключей одного плеча ( 1,3 или 2,4).

Сквозные токи могут возникать из-за не одинакового быстродействия нижнего и верхнего ключа. К примеру, нижний ключ уже открылся, а верхний – не успел закрыться.

Схема драйвера биполярного шагового двигателя.

Реализовать схему драйвера биполярного шагового двигателя на дискретных элементах довольно сложно. Могу показать мою схему, которая подключает биполярный двигатель к униполярному драйверу. Эта схема используется для управления биполярными двигателями от контроллера, приведенного в качестве примера в предыдущей главе.

Схема достаточно простая. Проблема сквозных токов решается за счет резисторов 0.22 Ом в коммутируемых цепях. В момент коммутаций MOSFET транзисторов, верхний и нижний ключ оказываются одновременно открытыми на короткое время. Эти резисторы и ограничивают сквозной ток. К сожалению, они ограничивают и рабочий ток двигателя. Поэтому, несмотря на мощные транзисторы, драйвер по такой схеме можно использовать для токов коммутации не более 2 А. Схема не требует диодов для защиты от эдс самоиндукции обмоток, потому что эти диоды интегрированы в MOSFET транзисторы.

Гораздо удобнее и практичнее использовать интегральные драйверы биполярного шагового двигателя. Самым распространенным из них является микросхема L298N.

Драйвер биполярного шагового двигателя L298N.

Описания этой микросхемы на русском языке практически нет. Поэтому привожу параметры L298N достаточно подробно, по официальным материалам производителя этой микросхемы – компании STMicroelectronics (datasheet l298n.pdf).

L298N это полный мостовой драйвер для управления двунаправленными нагрузками с токами до 2 А и напряжением до 46 В.

• Драйвер разработан для управления компонентами с индуктивными нагрузками, такими как электромагниты, реле, шаговые двигатели.
• Сигналы управления имеют TTL совместимые уровни.
• Два входа разрешения дают возможность отключать нагрузку независимо от входных сигналов микросхемы.
• Предусмотрена возможность подключения внешних датчиков тока для защиты и контроля тока каждого моста.
• Питание логической схемы и нагрузки L298N разделены. Это позволяет подавать на нагрузку напряжение другой величины, чем питание микросхемы.
• Микросхема имеет защиту от перегрева на уровне + 70 °C.

Структурная схема L298N выглядит так.

Микросхема выполнена в 15ти выводном корпусе с возможностью крепления радиатора охлаждения.

Назначение выводов L298N.

1	Sense A	Между этими выводами и землей подключаются резисторы — датчики тока для контроля тока нагрузки. Если контроль тока не используется, они соединяются с землей.
15	Sense B
2	Out 1	Выходы моста A.
3	Out 2
4	Vs	Питание нагрузки. Между этим выводом и землей должен быть подключен низкоимпедансный конденсатор емкостью не менее 100 нФ.
5	In 1	Входы управления мостом A. TTL совместимые уровни.
7	In 2
6	En A	Входы разрешения работы мостов. TTL совместимые уровни. Низкий уровень сигналов запрещает работу моста.
11	En B
8	GND	Общий вывод.
9	Vss	Питание логической части микросхемы (+ 5 В). Между этим выводом и землей должен быть подключен низкоимпедансный конденсатор емкостью не менее 100 нФ.
10	In 3	Входы управления мостом B. TTL совместимые уровни.
12	In 4
13	Out 3	Выходы моста B.
14	Out 4

Предельно допустимые параметры L298N.

2 А

Обозначение	Параметр	Значение
Vs	Напряжение питания	50 В
Vss	Напряжение питания логики	7 В
Vi, Ven	Напряжение логических входов	-0,3. 7 В
Io	Выходной ток (для каждого канала) не повторяющийся импульс 100 мкс импульсы (80% включен, 20% выключен, включен 10 мс) при постоянном токе
Vsens	Напряжение датчиков тока	-1. 2,3 В
Ptot	Мощность рассеивания (температура корпуса 75°C)	25 Вт
Top	Рабочая температура кристалла	-25. 130 °C
Tstg	Температура хранения	-40. 150 °C

Параметры расчетов тепловых режимов.

Обозначение	Параметр	Значение
Tth j-case	Тепловое сопротивление кристалл-корпус	3 ºC/Вт
Tth j-amb	Тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда	35 ºC/Вт

Электрические характеристики драйвера L298N.

13 . 22 мА
50 . 70 мА
4 мА

24 . 36 мА
7 . 12 мА
6 мА

0,95. 1,35. 1,7 В
2 . 2,7 В

0,85. 1,2. 1,6 В
1,7 . 2,3 В

1,8 . 4,9 В

Обозначение	Параметр	Значение
Vs	Напряжение питания (вывод 4)	Vih+2.5 . 46 В
Vss	Питание логики	4,5. 5 . 7 В
Is	Потребляемый ток покоя (вывод 4) Ven=H, Vi=L Ven=H, Vi=H Ven=L
Iss	Потребляемый ток покоя (вывод 9) Ven=H, Vi=L Ven=H, Vi=H Ven=L
Vil	Входное напряжение низкого уровня (выводы 5, 7, 10, 12, 6, 11)	-0,3 . 1,5 В
Vih	Входное напряжение высокого уровня (выводы 5, 7, 10, 12, 6, 11)	2,3 . Vss В
Iil	Входной ток низкого уровня (выводы 5, 7, 10, 12, 6, 11)	-10 мкА
Iih	Входной ток высокого уровня (выводы 5, 7, 10, 12, 6, 11)	30 . 100 мкА
Vce sat (h)	Напряжение насыщения верхнего ключа при токе 1 А при токе 2 А
Vce sat (l)	Напряжение насыщения нижнего ключа при токе 1 А при токе 2 А
Vce sat	Общее падение напряжения на открытых ключах при токе 1 А при токе 2 А
Vsens	Напряжение датчиков тока (выводы 1, 15)	-1 . 2 В
Fc	Частота коммутаций	25 . 40 кГц

Схема подключения шагового двигателя к микроконтроллеру с помощью драйвера L298N.

Диаграмма работы этой схемы в полношаговом режиме выглядит так.

Если не используются разрешающие входы и датчики тока, схема выглядит так.

По функциям это аналог контроллера описанного в главе про униполярные двигатели, только для биполярного. Он также собран на PIC контроллере фирмы Microchip и управляет двумя биполярными шаговыми двигателями с током фаз до 2 А. Функциональные возможности и режимы управления двигателем те же.

К достоинствам управления шаговым двигателем в биполярном режиме следует отнести:

• крутящий момент примерно на 40 % больше по сравнению с униполярным режимом.
• можно подключать шаговые двигатели с любой конфигурацией обмоток.