Частина 1. Загальні питання

Отже, що таке крокові двигуни (англ. «Stepper motor» або «stepping motor»)? Кроковий двигун - це безколекторний двигун постійного струму, найбільш загальний різновид якого представлені на малюнку 1. В деякій технічній літературі його помилково відносять до багатофазних (частіше двофазних) двигунів. Це не зовсім вірно. Дійсно, і це буде розглянуто нижче, є такий режим управління, який з деякою натяжкою можна віднести до фазового, але це абсолютно не означає «фазовість» такого двигуна в загальному розумінні цього терміна, застосовне до двигунів змінного струму.

 

крокові двигуни   Fig 1b   Fig 1c

                       а)                                          б)                                            в)

Малюнок 1. Типові крокові двигуни:
а) біполярний гібридний;
б) уніполярний на постійних магнітах;
в) з лінійним переміщенням ротора.

Купити кроковий двигун на сайті Olden electronics


Яка ж основна відмінна особливість крокового двигуна? Справа в тому, що його конструкція розроблена таким чином, що зрушення ротора відбувається стрибкоподібно, тобто покрокове, у відповідь на імпульс струму в його обмотках, створюваний прикладеним до них напругою. Початковий крок задається конструктивно, і може бути зменшений схемними хитрощами, але не може бути збільшений. В загальному випадку, природно в зоні номінальних робочих значень, важливий сам факт наявності імпульсу, а не його тривалість або амплітуда струму. У чомусь він нагадує крокові реле, але якщо в реле «покроковість» задається електромагнітом і храповиком, то в двигунах такого механізму немає. Все засноване на взаємодії магнітних полів ротора, який виконаний у вигляді постійного магніту з N-полюсами, і статора, який містить обмотки (в одному з типів двигуна вони доповнені постійними магнітами), що формують змінний магнітний потік відповідно до керуючого імпульсами.

Що робить крокові двигуни такими привабливими для розробників, і що недосяжно з двигунами інших типів? Кроковий двигун має значно більшу надійність і, що зовсім важливо для цілого ряду практичних застосувань, він, на відміну від колекторного двигуна, практично не збільшує рівень паразитних електромагнітних радіоперешкод. Причина криється саме у відсутності рухомого контакту струмознімача. Однак відсутність колектора, який перемикає, для формування моменту обертання напрямок струму в обмотках, вимагає зовнішнього управління - комутатора. Тут, повторю французьке прислів'я - «За кожне задоволення потрібно платити».

Ще одна тонкість - крокові двигуни, на відміну від всіх інших типів двигунів, можуть давати не тільки звичний обертальний рух ротора, але й кроковий лінійно – зворотно поступальний, що використовується, наприклад, в приводах дисководів і принтерів, а також у актуаторах - керованих точних клапанах (Малюнок 1в).

Але головна перевага крокових двигунів - це точність позиціонування ротора і можливість його тривалого утримання в потрібному положенні без перевантаження двигуна. Момент утримання у крокових двигунів перевищує момент обертання, тому утримувати ротор можна струмом меншого рівня. Практична реалізація цієї можливості буде продемонстрована на конкретних прикладах. Оскільки момент обертання таких двигунів максимальний на малих швидкостях (до цього ми ще повернемося), то в цілому ряді застосувань можна відмовитися від дорогих редукторів. Перераховане вище і є найхарактерніша особливість і відмінність крокових двигунів від колекторних двигунів постійного струму. Це робить крокові двигуни незамінними в системах точних приводів, коли потрібно виконувати умови з позиціонування, а це - робототехніка, верстати, автомати та ін. Справедливості ради відзначимо і основні недоліки. Їх три: висока ціна, відносна складність управління порівняно з колекторними двигунами і низька швидкість обертання.

В даний час є три основних типи крокових двигунів.

  • Двигуни з змінним магнітним опором

​Обертаючий момент створюється магнітними потоками статора і ротора, які відповідним чином орієнтовані одна відносно одної. Статор такого двигуна виготовлений з матеріалу з високою магнітною проникністю і має декілька полюсів. Полюса мають як статор, так і ротор. Цей тип двигуна нечутливий до напрямку струму в обмотках. Обертаючий момент пропорційний величині магнітного поля, яке пропорційне струму в обмотці і кількості витків. Таким чином, момент, що розвивається двигуном, залежить тільки від параметрів обмоток. Такі двигуни використовуються для роботи на відносно високих швидкостях.

  • Двигуни з постійними магнітами

Двигуни з постійними магнітами складаються з статора, який має обмотки, і ротора, що містить постійні магніти. Чергуються полюса ротора мають прямолінійну форму і розташовані паралельно осі двигуна. Завдяки намагніченості ротора в таких двигунах забезпечується більший магнітний потік і, як наслідок, більший момент, ніж у двигунів з змінним магнітним опором. Цей тип двигунів схильний до впливу зворотної ЕРС (електричної рушійної сили) з боку ротора, що обмежує їх максимальну швидкість. Крім того, через конструктивні особливості двигуни цього типу мають великий крок, зазвичай 18° або 7.5°, тому в ряді застосувань використовується редуктор, часто вже інтегрований з двигуном.

  • Гібридні двигуни

Є найбільш дорогими, проте забезпечують значно меншу початкову величину кроку, більший момент і більшу швидкість, ніж двигуни з постійними магнітами. Ці двигуни поєднують в собі кращі риси перших двох різновидів. Ротор такого двигуна має зубці, розташовані в осьовому напрямку. Конструкція і внутрішній устрій типового гібридного крокового двигуна показані на малюнку 2. Типове число зубців гібридного двигуна від 100 до 400 (кут кроку 3.6° - 0.9°). Статор гібридного двигуна також має зубці, забезпечуючи більшу кількість еквівалентних полюсів на яких розташовані обмотки. Зазвичай використовуються 4 основних полюси для 3.6 ° і 8 основних полюсів для 1.8 ° або 0.9 °. Більшість двигунів цього типу має 100 полюсів (50 пар), і з урахуванням двофазного виконання повна кількість полюсів одно 200, а кут кроку дорівнює 1.8 ° (360/200).

Fig 2

Малюнок 2. Типова конструкція гібридного крокового двигуна. 

Крім відмінностей в загальній конструкції, крокові двигуни відрізняються ще й схемою включення обмоток. Є три варіанти їх конфігурацій (Малюнок 3), залежно від якої двигуни діляться на уніполярні (англ. «Unipolar») і біполярні (англ. «Bipolar»).

Уніполярний двигун (Малюнок 3а), має ввімкнену одну обмотку в кожній фазі, з відведенням від середини кожної обмотки. Це дозволяє змінювати напрямок магнітного поля, створюваного обмоткою, перемиканням її половинок. Як правило, уніполярний двигун має 6 виводів, але середні виводи обмоток можуть бути об'єднані всередині самого двигуна, тому такий двигун може мати й 5 виводів. Таким чином, якщо вам в руки потрапив невідомий двигун з шість чи п'ятьма виводами - це гарантовано уніполярний кроковий двигун.

Біполярний двигун (Малюнок 3б), має дві обмотки, які вмикаються по черзі в кожній фазі. Деякі двигуни мають чотири розщеплені обмотки (Малюнок 3в); з цієї причини їх помилково називають 4-фазними двигунами. 

Fig 3aFig 3bFig 3b

а)                                           б)                                            в)

Малюнок 3. Схеми ввімкнення обмоток статора крокових двигунів.

Що важливо знати і враховувати в частині особливостей включення обмоток статора? Легко помітити, що уніполярний кроковий двигун можна використовувати в біполярному включенні; двигун з розщепленими обмотками, у відповідному з'єднанні обмоток, можна використовувати і як уніполярний, і як біполярний.

Крім того, двигун з таким варіантом виконання обмоток може використовуватися з паралельним і послідовним включенням обмоток. Це дозволяє збільшити момент, що розвивається двигуном у разі низької напруги живлення (паралельне ввімкнення обмоток), або зменшити струм споживання зі збільшенням опору обмотки (послідовне ввімкнення обмоток).

Фазування обмоток важлива - вона визначає напрямок обертання двигуна, і взагалі його працездатність. Звертаю увагу читачів, що поки ніякої стандартизації кольорів виводів крокових двигунів немає, так що фазування іноді доводиться встановлювати емпірично. Але, якщо ви її і переплутаєте, то нічого критичного ні з двигуном, ні з системою управління не відбудеться.

Неважко побачити, що в двигуні з біполярним включенням обмоток одночасно працюють всі обмотки, і момент, що розвивається двигуном, буде вищим. Виграш в моменті обертання становить приблизно 40%.

Є декілька варіантів управління кроковим двигуном (Малюнок 4). Звертаю увагу читачів, що на малюнках наведена не форма напруги, що ви зазвичай зустрінете в літературі і в Інтернет сайтах, а форма струму. Це важливо! В управлінні кроковим двигуном важливий саме струм, а не прикладена до обмоток напруга, яка має прямокутну форму.

Fig 4aFig 4b

         а)                                                                  б)

Fig 4cFig 4d

        в)                                                                  г)

Малюнок 4. Режими керування кроковим двигуном. (Показані тимчасові діаграми зміни струму в обмотках біполярного крокового двигуна) 

Розглянемо поки загальні особливості. Отже, на Малюнку 4 показана форма струму в обмотках двигуна відносно нуля для чотирьох основних варіантів управління. Найбільш простий варіант - це перемінна комутація фаз, за якої вони не перекриваються, і в кожний момент часу включена тільки одна фаза (Малюнок 4а). Цей режим називають хвильовим (англ. «Wave drive mode») або повнокроковим режимом управління з однією фазою («one phase on full step mode»).

Точки рівноваги ротора для кожного кроку збігаються з «природними» точками рівноваги у знеструмленому двигуні. Недоліком цього способу управління є те, що для біполярного двигуна в один і той же момент часу використовується тільки 50% обмоток, а для уніполярного - 25%. Це означає, що в такому режимі не може бути отриманий повний можливий момент обертання.

Найчастіше використовується управління з перекриттям фаз, коли в один і той же час включені обидві обмотки (Малюнок 4б). У загальному випадку саме його і називають повнокроковим режимом управління (англ. «Full step mode» або «two-phase-on»).

У цьому способі управління ротор фіксується в проміжних позиціях між полюсами статора, забезпечуючи приблизно на 40% більший момент, ніж у попередньому варіанті з одною включеною фазою. Цей спосіб управління забезпечує такий же кут кроку, як і хвильовий, але позиція точок рівноваги ротора зміщена на півкроку, що часто не є критичним. Іноді це необхідно враховувати для двигунів з великим кроком, оскільки знеструмлений двигун, наприклад з кроком 18° після зупинки зміститься на 9°. Щоб ротор такого двигуна не зміщувався у разі виключення, на двигун в режимі зупинки подають деякий струм утримання, який збереже задане положення ротора. Саме ця властивість крокового двигуна дозволяє обходитися без спеціальних електромагнітних або механічних гальмівних муфт і утримуючих систем.

Третій основний спосіб управління є комбінацією двох описаних раніше і називається напівкроковим режимом («half step mode» або «one and two-phase-on»). У цьому режимі двигун за один імпульс управління робить крок, рівний половині основного (Малюнок 4в). Цей режим вимагає більш складної схеми управління, але дозволяє здійснювати більш точне позиціонування ротора і зменшує негативний вплив його механічного резонансу. Іншими словами, використовуючи двигун з кутовим кроком 1.8°, ми отримуємо крок, рівний 0.9°.

Ще меншу градацію, вірніше, дроблення кроку, дають мікрокрокові системи управління («micro stepping mode»), засновані на поступовому зміні струму в обмотках (Малюнок 4г). Такі системи досить складні. Вони вимагають застосування не тільки спеціальних ІМС (інтегральних мікросхем) драйверів з ЦАП (Цифро-аналоговими перетворювачами), а й мікропроцесорного управління. Саме цей режим часто призводить до плутанини, в результаті якої крокові двигуни зараховують до багатофазних двигунів змінного струму.

Побачити «вживу» всі тонкощі процесу управління можна на сайті компанії Nanotec Electronic [4].Анімація, наведена на сайті, дозволяє побачити «реальну» роботу віртуального біполярного двигуна для полношагового (Fullstep) і мікрокрокової (Microstep) режимів управління. Інтерфейс сайту досить простий. Скріншот прикладу анімації наведено на Малюнку 5. Побачити «наживо» всі тонкощі процесу управління можна на сайті компанії Nanotec Electronic. Анімація, наведена на сайті, дозволяє побачити «реальну» роботу віртуального біполярного двигуна для повнокрокового (Fullstep) і мікрокрокового (Microstep) режиму управління. Інтерфейс сайту досить простий. Скріншот прикладу анімації наведено на Малюнку 5.

Fig 5

Малюнок 5. Анімація, що ілюструє роботу біполярного двигуна. (С сайту компанії Nanotec Electronic).

На Малюнку 4 недарма наведена форма струму в обмотках, а не керуючої напруги. Як відомо, струм в індуктивності (а обмотка двигуна є індуктивністю) не може змінюватися стрибком, а росте по експоненті до значення IMAX = VDC/R:

F 1

Потрібний для цього час визначається постійної часу ланцюга Т=L/R. Тут L - індуктивність обмотки двигуна, а R - загальний опір в ланцюзі обмотки.

Що з цього випливає? Випливає те, що за деякою тривалості імпульсу струм в обмотці не досягне свого номінального значення, і момент на двигуні буде знижений, а за якихось значеннях тривалості його ротор взагалі не зрушить з місця. Ось цей ефект і обмежує швидкість обертання крокового двигуна.

Проблема вирішується трьома способами.

Перший полягає в тому, що на деякий початковий час напруга на обмотці збільшується, а потім зменшується до номінального значення VDC= IMAXRL, де IMAX - максимальний номінальний струм обмотки, а RL - активний опір обмотки. Це складно, тому що вимагає спеціальних схем управління з додатковими ключами й джерелами живлення.

Класичним і найпростішим методом виявляється включення послідовно з обмоткою двигуна додаткового опору з одночасним кратним збільшенням напруги живлення VDC. Це і прискорить накопичення струму в індуктивності, і не призведе до виходу двигуна з ладу, так як вимога по максимальному струму обмоток не буде порушено.

У класичній теорії зазвичай використовується режим L/5R, але на практиці можуть зустрічатися і інші варіанти. Недоліком цього способу форсування струму є необхідність використання потужних резисторів і енергетичні втрати, тому його застосовують переважно для малопотужних двигунів. Щоб полегшити читачеві освоєння цього методу, розглянемо один приклад.

У специфікації двигуна P542-M48 зазначено момент для режиму L/4R, його опір обмотки RL = 52.4 Ом, номінальна напруга VDC = 12 В. Звертаю увагу читачів, що за вказівкою L/4R мається на увазі загальний опір, тобто сума власного опору обмотки RL і додаткового резистора номіналом 3RL, рівного в нашому випадку 157.2 Ом. Таким чином, під час підвищення напруги живлення до 4 VDC на додаткових резисторах за малими швидкостями обертання і, особливо, під час зупинки двигуна буде розсіюватися потужність:

F 2

Фактично, з урахуванням допустимого коефіцієнта навантаження для резисторів, нам доведеться використовувати додатковий резистор опором 160 Ом з розсіюваною потужністю не менше 10 Вт.

Виходом з положення може бути використання імпульсних стабілізаторів з обмеженням максимального струму. На двигун від імпульсного перетворювача подається підвищена у кілька разів напруга, яка формує прискорений процес заряду індуктивності обмоток. Після досягнення заданої величини струму перетворювач переходить з режиму стабілізації напруги в режим стабілізації струму і утримує струм обмотки на заданому рівні.

Саме цей режим живлення обмоток показаний на Малюнку 4 (видна нарізка). Це рішення не можна назвати дешевим, але його ККД (коефіцієнт корисною дії) незрівнянно вищий, і в ряді випадків це єдиний можливий для реалізації варіант. Справу спрощує те, що зазвичай цей режим вже вбудований в керуючу ІМС драйвера. Порівняння методів управління струмом в обмотках двигуна показано на Малюнку 6.

Fig 6

Малюнок 6. Форма струму в обмотках крокового двигуна при різних варіантах живлення.

Ще однією перешкодою на шляху використання крокових двигунів є явище механічного резонансу, оскільки ротор не відразу встановлюється в нову позицію, а, будучи своєрідним маятником, здійснює затухаючі коливання. Під час кожного кроку відбувається поштовх ротора, який, як і будь-яка вільно підвішена механічна система, починає коливатися, і двигун на деяких частотах обертання втрачає свій момент.

Для придушення коливань ротора використовуються або механічні методи (різного роду системи, що демпфують, пригальмовують, фрикційні або безфрикційні), або використовується мікрокроковий режим управління. Системи управління з дробленням кроку завдяки поступового зміщення ротора (основний крок дробиться на деякі задані системою управління величину, зазвичай 1/8, 1/16 або 1/32) зменшують механічні коливання ротора, зводячи їх практично до нуля.

Крім описаних вище проблем, пов'язаних з індуктивним характером крокового двигуна, як навантаження для джерела живлення, обмеження за початковою стартовою швидкості пов'язано і з конструктивними особливостями, а саме з масою ротора, тобто його інерцією, про що також згадувалося під час розгляду способів комутації обмоток. Іншими словами, двигун іноді необхідно розганяти до необхідної швидкості. У деяких специфікаціях до крокових двигунів наводяться дві важливі для розробника криві, що показують залежності моменту, що розвивається на валу двигуна, від швидкості обертання (Малюнок 7).

Fig 7

Малюнок 7. Залежність моменту від швидкості обертання ротора двигуна серії DSH56.

Внутрішня крива (крива старту, або «pull-in torque») показує, за якому максимальному для даної швидкості зовнішньому гальмуючому моменту кроковий двигун здатний рушити без попереднього прискорення, тобто без розгону. Ця крива перетинає вісь швидкостей в точці, званою максимальною частотою старту. На більш низьких швидкостях кроковий двигун ще може синхронізувати себе з частотою кроку, подолавши дію зовнішніх сил і інерцію ротора.

Необхідно зауважити (а це часто замовчується виробниками), що цей параметр задається для певного режиму роботи і включення обмоток двигуна (в даному випадку він заданий для напівкрокового режиму в уніполярному включенні обмоток двигуна), а навантаження двигуна під час виміру цього параметра є фрикційною, а не інерційною. Тобто, ротор двигуна штучно загальмований, що зменшує його небажані коливання під впливом імпульсу струму в обмотці, і, отже, швидкість обертання двигуна буде вища.

Режим управління для цього параметра так само важливий, оскільки в напівкроковому режимі резонансні явища вже зменшені. Зовнішня крива (крива розгону, або «pull-outtorque») показує, За яким максимальним моментом для даної швидкості кроковий двигун взагалі здатний підтримувати обертання без пропуску кроків, але вже з урахуванням того, що проведений плавний розгін двигуна.

Крива показує максимальну швидкість для даного двигуна без навантаження. Цей параметр залежить від струму в обмотках двигуна і способу управління обмотками. Зазвичай рекомендують використовувати «запас міцності» за цими параметрами від 50% до 100% в порівнянні з необхідним обертальним моментом. Це необхідно враховувати для гарантії отримання заданих характеристик.

Таким чином, повторюся (оскільки це важливо), може знадобитися розгін двигуна на малих швидкостях до необхідної робочої швидкості, а процес зупинки включає зменшення швидкості обертання двигуна до її деякого мінімального значення з перекладом на утримання. В іншому випадку гарантувати точність позиціонування ротора може бути неможливо. Більш того, внаслідок інерційності системи може статися навіть руйнування редуктора, якщо він використовується. Також не можна забувати про пригальмовування, яке в будь-якому випадку виявляється не просто корисним, а за часту і необхідним для точного позиціонування в системах зі складними приводами, що використовують редуктори або передачі, але це вже відноситься не безпосередньо до крокового двигуна, а до системи приводу в цілому.

Частина 2. Схемотехніка систем управління

Раніше було розглянуто найбільш важливі загальні питання що до використання крокових двигунів, які допоможуть у їх освоєнні. Але, як говорить наша улюблена українська приказка: «Не повірю, доки не перевірю». Тому перейдемо до практичної сторони питання. Як вже зазначалося, крокові двигуни - це задоволення не з дешевих. Але вони є в старих принтерах, зчитувачах гнучких і лазерних дисків, наприклад, SPM-20 (кроковий двигун для позиціонування голівки в дисководах 5 "25 Mitsumi) або EM-483 (від принтера Epson Stylus C86), які можна знайти у себе в старому непотребі або купити за копійки на радіобазарі. Приклади таких двигунів показані на рисунку 8.

Fig 8aкроковий двигун

а)                                                                    б)

Малюнок 8. Крокові двигуни, використовувані в застарілій комп'ютерній техніці. а) Кроковий двигун SPM-20 для позиціонування головки в дисководах 5 "25 Mitsumi. б) Кроковий двигун EM-483 від принтера Epson Stylus C86.

Найбільш простими для початкового освоєння є уніполярні двигуни.Причина криється в простоті і дешевизні їх драйвера управління обмотками.На Малюнку 9 наведена практична схема драйвера, використаного автором статті для уніполярного крокового двигуна серії P542-M48

Fig 9

 

Малюнок 9. Драйвер уніполярного крокового двигуна. (Додаткова інформація щодо підключення на Малюнках 10 і 12).

 

Природно, що вибір типу транзистора для ключів керування обмотками повинен здійснюватись з урахуванням максимального струму комутації, а його підключення враховувати необхідність заряду / розряду ємності затвору. У багатьох випадках пряме з'єднання MOSFET з ІМС комутатора може бути неприпустимим. Як правило, в затворах встановлюються послідовно включені резистори невеликих номіналів. Але в багатьох випадках необхідно передбачити ще й відповідний драйвер для управління ключами, який забезпечить заряд / розряд їх вхідні ємності. У деяких рішеннях пропонується в якості ключів використовувати біполярні транзистори. Це підходить тільки для дуже малопотужних двигунів з невеликим струмом обмоток. Для розглянутого двигуна з робочим струмом обмоток I = 230 мА струм управління по базі ключа повинен скласти, принаймні, 15 мА (хоча для нормальної роботи ключа необхідно, щоб струм бази дорівнював 1/10 робочого, тобто 23 мА). Але такий струм від мікросхем серії 74HCхх взяти неможливо, тому потрібні додаткові драйвери. Як хороший варіант, можна використовувати IGBT, що поєднують в собі риси польових і біполярних транзисторів.

З погляду автора статті, найоптимальнішим для управління комутацією обмоток двигунів невеликої потужності є використання підходящих по струму і опору відкритого каналу R DC (ON) MOSFET, але з урахуванням рекомендацій, описаних вище. Потужність, що розсіюється на ключах для обраного в якості прикладу двигуна серії P542-M48, в разі повної зупинки ротора не перевищить

P VT = R DC (ON) × I 2 = 0.25 × (0.230) 2 = 13.2 мВт.

Транзистори IRLML2803 з R DC (ON) = 0.25 Ом мають допустиму потужність розсіювання 540 мВ і постійний струм стоку 0.93 А за температури 70 ° С. Так що, вони повністю відповідають вимогам і забезпечать надійну роботу драйвера. У більшості випадків, враховуючи низькі частоти комутації, проведеної вище оцінки цілком достатньо. 

Ще одним важливим моментів є правильний вибір так званих снаберних діодів, шунтуючих обмотку двигуна (VD1 ... VD4 на Малюнку 9). Призначення цих діодів - гасити ЕРС самоіндукції, що виникає під час вимикання керуючих ключів. Якщо діоди вибрані невірно, то неминучий вихід з ладу транзисторних ключів і пристрою в цілому. Зверніть увагу, що в потужних MOSFET такі діоди, як правило, вже вбудовані.

Режим управління двигуном задається комутатором. Як вже було зазначено вище, найбільш зручним і ефективним є управління з перекриттям фаз (Малюнок 4б). Такий режим легко реалізується за допомогою тригерів. Практична схема універсального комутатора, який використовував автор статті як у ряді налагоджувальних модулів (в тому числі, і з наведеним вище драйвером), так і для практичних застосувань, наведена на Малюнку 10.

Fig 10

 

Малюнок 10. Схема універсального комутатора крокового двигуна (з реверсом).

Схема на Малюнку 10 придатна для будь-яких типів двигунів (уніполярних і біполярних). Частота обертання двигуна задається зовнішнім тактовим генератором (шпаруватість будь-яка), сигнал з якого подається на вхід «КРОКИ», а напрямок обертання встановлюється через вхід «НАПРЯМОК». Обидва сигнали мають логічні рівні і, якщо для їхнього формування використовуються виходи з відкритим колектором, то будуть потрібні відповідні резистори підтяжки (на Малюнку 10 вони не показані). Тимчасова діаграма роботи комутатора наведена на Малюнку 11.

 Fig 11

Малюнок 11. Тимчасова діаграма універсального комутатора з реверсом. Верхні два осцилограми - Q1 D2-2, Q2 D2-2; нижні дві - Q1 D2-1, Q2 D2-1. Маркери показують область зміни черговості включення фаз.

Хочу звернути увагу читачів: в Інтернеті ви могли зустріти схожу схему, виконану не на D-тригерах, а на JK-тригерах.Будьте уважні!У ряді цих схем допущена помилка в підключенні ІМС. Якщо немає необхідності в реверсі, то схема комутатора може бути значно спрощена (див. Малюнок 12), у цьому разі частота обертання залишиться незмінною, а діаграма управління буде аналогічною тій, що наведена на Малюнку 11 (осцилограми до перемикання черговості фаз).

Fig 12

 

 

Малюнок 12. Спрощена схема комутатора крокового двигуна (без реверса).

Оскільки особливих вимог до сигналу «КРОКИ» не вимагається, для його формування може використовуватися будь-який відповідний за рівнями вихідного сигналу генератор. Для своїх налагоджувальних модулів автор використав генератор на базі ІМС таймера 555 (Малюнок 13).

Fig 13

Малюнок 13. Регульований генератор імпульсів для комутатора крокового двигуна.

Для живлення власне двигуна можна використовувати схему, наведену на рисунку 14, а схему комутатора і генератора живити або від окремого джерела живлення +5 В або через додатковий малопотужний стабілізатор. Землі силовий і сигнальної частин у будь-якому випадку необхідно розділити.

Fig 14

Малюнок 14. Схема живлення крокового двигуна з режимами утримання і вимикання.

Схема на Малюнку 14 забезпечує подачу двох стабільних за рівнем напруг для живлення обмоток двигуна: 12 В в робочому режимі і 6 В, які утримуються. Робочий режим включається подачею високого логічного рівня на контакт «ТОРМОЗ» роз'єму Х1. Допустимість зниження напруги живлення визначається тим, що, як вже зазначалося в першій частині статті, момент утримання крокових двигунів перевищує момент обертання. Так, для розглянутого двигуна P542-M48 момент утримання з редуктором 25: 6 дорівнює 19.8 Н • см, а момент обертання всього 6 Н • см. Цей підхід дозволяє під час зупинки двигуна зменшити споживання потужності до 5.52 Вт до 1.38 Вт! Повне відключення двигуна здійснюється подачею високого логічного рівня на контакт «ВКЛ / ВИКЛ» роз'єму Х1.

Якщо схема управління має вихід на транзисторах з відкритим колектором, то в ключах VT1, VT2 необхідності немає, і виходи можна підключити безпосередньо замість згаданих ключів.

Примітка: У цьому варіанті використання резисторів підтяжки неприпустимо!

Як дросель автор використовував котушку SDR1006-331K. Загальне живлення формувача напруги для обмоток двигуна можна зменшити до 16 - 18 В, що не позначиться на його роботі. Ще раз звертаю увагу: у разі самостійного розрахунку не забудьте врахувати, що формувач забезпечує режим з перекриттям фаз, тобто необхідно закладатися на номінальний струм схеми живлення, рівний подвоєному максимальному струму обмоток за обраній напрузі живлення.

Завдання управління біполярними двигунами більш складна. Основна проблема в драйвері. Для цих двигунів потрібно драйвер мостового типу, і робити його, тим більше в сучасних умовах, на дискретних елементах - невдячна справа. Так, цього й не потрібно, тому що є дуже великий вибір спеціалізованих ІМС. Всі ці ІМС умовно можна звести до двох типів.

Перший - досить популярна у любителів робототехніки ІМС L293D STMicroelectronics або її варіанти від Texas Instruments. Вони відносно недорогі і підходять для управління малопотужними двигунами з струмом обмоток до 600 мА. ІМС мають захист від перегріву; встановлювати її необхідно із забезпеченням тепловідводу, яким служить фольга друкованої плати. Другий тип - це вже знайома читачам ІМС LMD18245.

Автор використав драйвер L293DD у схемі для управління біполярним двигуном малої потужності типу 20M020D2B 12 В / 0.1 А під час вивчення проблеми використання крокових двигунів. Цей драйвер зручний тим, що містить чотири Напівмостові ключі, тому для управління біполярним кроковим двигуном потрібно всього одна ІМС. Повна схема придатна для використання в якості тестової плати. На Малюнку 15 показано включення ІМС драйвера (з прив'язкою до комутатора з рисунка 10), оскільки саме ця частина зараз для нас цікава, а Figure 6 (Bipolar Stepping-Motor Control) не зовсім зрозуміла починаючому користувачеві. Вона вводить в оману, наприклад, тим, що показані зовнішні діоди, які насправді вбудовані в ІМС і чудово відпрацьовують своє з обмотками малопотужних двигунів. Природно, що драйвер L293D може працювати з будь-яким комутатором. Вимикається драйвер логічним нулем по входу R.

Примітка: ІМС L293, залежно від виробника і суфіксів, що вказують на тип корпусу, мають відмінності в нумерації і кількості виводів!

Fig 15

Малюнок 15.Схема підключення драйвера L293DD.

Для більш потужних двигунів автор статті використовував драйвери LMD18245. Повна схема тестового модуля наведена на Малюнку 16.

Fig 16

Малюнок 16. Схема управління біполярним кроковим двигуном з використанням драйвера LMD18245.

На відміну від L293DD, LMD18245 є не чотирьох -, а двоканальним драйвером, тому для реалізації схеми управління потрібні дві ІМС. Драйвер LMD18245 виконаний за DMOS технології, містить схеми захисту від перегріву, короткого замикання і виконаний у зручному 15-вивідному корпусі ТО-220, що дозволяє легко відводити від його корпусу зайве тепло. Як задає генератора використовувалася схема, наведена раніше на Малюнку 13, але зі збільшеним до 4.7 кОм опором резистора R2. 

Для подачі одиночних імпульсів використовується кнопка BH1, що дозволяє зрушити ротор двигуна на один крок. Напрямок обертання ротора визначається положенням перемикача S1. Включення і виключення двигуна здійснюється вимикачем S2. У положення «ВИМК» ротор двигуна вивільняється, і його обертання імпульсами керування стає неможливим. Режим утримання зменшує максимальний струм, споживаний обмотками двигуна, з двох до одного амперу. 

Якщо імпульси управління не подаються, то ротор двигуна залишається в фіксованому положенні зі зниженою вдвічі потужністю споживання. Якщо ж імпульси подаються, то обертання двигуна в цьому режимі здійснюється з пониженим на малих швидкостях обертання моментом. Необхідно зауважити, що оскільки у разі повно кроковому управлінні «two-phase-on» включені обидві обмотки, струм двигуна подвоюється, а схема драйвера повинна розраховуватися виходячи з вимог забезпечення заданого струму двох обмоток (резистори R3, R8).

Схема містить описаний раніше двонаправлений двофазний формувач на D-тригерах (Малюнок 10). Максимальний струм драйвера задається резистором, включеним в ланцюг контакту 13 ІМС LMD18245 (резистори R3, R8), і двійковим кодом на контактах ланцюга управління струму (висновки 8, 7, 6, 4).  

Обмеження струму здійснюється імпульсним методом. У разі досягненні максимально заданої величини струму виконується його «нарізка» («chopping»). Параметри цієї «нарізки» задаються паралельним RC ланцюжком, підключеним до виводу 3 драйвера. Перевагою ІМС LMD18245 є те, що струмозадаючий резистор, не включений безпосередньо в ланцюг двигуна, має досить великий номінал і маленьку розсіявану потужність. Для розглянутої схеми максимальний струм в амперах, становить:

F 4

де:

  • V DAC REF - опорна напруга ЦАП (в розглянутій схемі 5 В); 
  • D - задіяні розряди ЦАП (в цьому режимі використовуються всі 16 розрядів); 
  • R S - опір струмообмежувального резистора (R3 = R8 = 10 кОм).

Відповідно, в режимі утримання (оскільки використовуються 8 розрядів ЦАП), максимальний струм складе 1 А.

На останок необхідно відзначити, що драйвер LMD18245 дозволяє реалізувати і мікрокрокової управління. Як згадувалося вище, такий режим зменшує, і навіть пригнічує паразитний резонанс ротора. Підтримка такого режиму для зазначеного драйвера здійснюється мікропроцесором, керуючим входами ЦАП.

Як можна бачити з запропонованої статті, крокові двигуни хоч і складніші в управлінні, ніж колекторні, але не настільки, щоб відмовлятися від них. Як говорили ще стародавні римляни: «Дорогу здолає той хто йде». Природно, що на практиці для багатьох додатків управління кроковими двигунами доцільно робити на основі мікроконтролерів, які легко сформують потрібні команди для драйверів і виконають роль комутаторів. Додаткову інформацію та більш детальний розгляд проблем, пов'язаних із застосуванням крокових двигунів.

Є ще один момент, на який автор статті хотів би звернути увагу читачів. Крокові двигуни, як втім, і всі двигуни постійного струму, обертальні. Що мається на увазі? Якщо прикласти зовнішнє обертальне зусилля до ротора, то з обмоток статора можна зняти ЕРС, тобто двигун стає генератором, причому вельми і вельми ефективним. Автор статті експериментував з цим варіантом використання крокових двигунів під час роботи консультантом по силовій електроніці в компанії, що займається вітроенергетикою. Необхідно було на простих макетах відпрацювати ряд практичних рішень. За спостереженням автора статті, ефективність крокового двигуна в такому застосуванні була вищою, ніж у аналогічного за параметрами і габаритами колекторного двигуна постійного струму. Але це вже інша історія.