Простой драйвер шагового двигателя | 2 Схемы

Оглавление:

Предлагается 2 варианта схем простейших драйверов шаговых моторов, реально рабочих, так как информация взята из зарубежных радиоконструкторов (ссылка на оригиналы в конце статьи).

Схема драйвера шагового двигателя

Схема драйвера шагового двигателя не содержит дорогих деталей и программируемых контроллеров. Работа может регулироваться в широком диапазоне с помощью потенциометра PR1. Есть изменение направления вращения двигателя. Катушки шагового двигателя переключаются с помощью четырех МОП-транзисторов T1-T4. Применение в блоке транзисторов большой мощности типа BUZ10 позволит подключить двигатели даже с очень большим током.

Особенности схемы и детали

• управление четырехфазным шаговым двигателем
• плавная регулировка скорости вращения в пределах всего диапазона
• изменение направления вращения мотора
• возможная остановка двигателя
• блок питания 12 В постоянного тока

Детали – IC1: 4070, IC2: 4093, IC3: 4027, T1-T4: BUZ10, BUZ11

Блок драйвер шагового двигателя собран на печатной плате, показанной на рисунке. Монтируем, как правило, начиная с припайки резисторов и панелек для интегральных микросхем, а под конец электролитические конденсаторы и транзисторы большой мощности.

Блок, собранный из проверенных компонентов, не требует настройки и запускается сразу после подачи питания. Со значениями элементов, указанными на схеме, позволяет работать двигателю 5,25” и выполняет изменение скорости вращения в интервале от 40 об./мин. до 5 об./мин.

Биполярный контроллер шаговых двигателей

Схема представляет собой дешевую, и прежде всего легко собираемую альтернативу доступным микропроцессорным биполярным контроллерам шаговых двигателей. Рекомендуется там, где точность управления играет меньшую роль, чем цена и надежность.

Принципиальную схему можно разделить на следующие блоки:

1. последовательный чип, генерирующий битовые строки,
2. локальный генератор тактового сигнала,
3. схема управления питанием катушек,
4. выходные буферы Н-моста,
5. схемы защиты входных сигналов управления.

Контроллер должен питаться постоянным напряжением, хорошо отфильтрованным, желательно стабилизированным.

Теперь пару слов про H-мосты, которые будут работать с этим драйвером. Они должны принимать на своих входах все возможные логические состояния (00, 01, 10, 11), без риска какого-либо повреждения. Просто в некоторых конфигурациях мостов построенных из дискретных элементов, запрещается одновременное включение двух входов – их естественно нельзя использовать с этим контроллером. Мосты выполненные в виде интегральных микросхем (например L293, L298), устойчивы к этому.

И в завершение третий вариант контроллера, на микросхемах STK672-440, имеющий все необходимые защиты и функции смотрите по ссылке.

• Скачать описание на простой драйвер шагового двигателя
• Скачать описание на биполярный контроллер шаговых моторов

Схема драйвера шагового двигателя TB6560

Автор Steel.ne. Материал с форума cnc-club.ru

Внимание! Микросхемы Toshiba TB6560 — устарели.

В 2013 г. их выпуск будет прекращен, и вместо них будут выпускаться микросхемы THB6064 и TB6600.

Микросхема Toshiba TB6560

Это драйвер биполярных шаговых двигателей. На входе управление STEP-DIR, то есть одним пином задается направление вращения, второй пин отсчитывает шаги. Есть возможность использовать микрошаг и некоторые регулировки рабочего тока. Работает до напряжения 40В, выдать может ток до 3.5А. Все. Никакой отдельной регулировки тока удержания, минимум защит.

 

Регулировки

Все регулировки выполняются или внешними элементами (резисторами и конденсаторами) или установкой логических уровней на определенных ногах.

 

1. Установка номинального тока. Регулируется резисторами на ногах 14 и 11 соответственно для обмотки A и B. Включается в разрыв земли моста. С одной стороны — упрощается внутренняя схемотехника (измерение напряжения относительно земли несколько проще), с другой стороны — любой ток, текущий на землю мимо этого резистора не учитывается и приводит к вылетанию транзисторов. К этому вернемся в разделе «Надежность». Поскольку через этот резистор течет весь рабочий ток, то на нем может выделяться до двух ватт тепла. Не забыть про это!

2. Установка рабочего тока. Имеется четыре комбинации, в зависимости от уровней на ножках TQ1 и TQ2 (2 и 1 соответственно). Часто на них ставят джамперы или микропереключатели. Возможны варианты 100%, 75%, 50%, 20% от номинального. Иногда эту группу пинов обзывают Torque control.

3. Частота работы ШИМ (PWM). На самом деле регулировка тока производится отсечкой по достижении установленного значения (chopper-type PWM). Но тем не менее включение и выключение ключей происходит с некоторой частотой, которая, собственно, и задается внешним конденсатором.

4. Режимы микрошага. Выставляются комбинацией уровне на ногах M1 и M2. Возможны варианты — шаг, полушаг, 1/8 шага и 1/16 шага за один импульс STEP. Диаграммы токов, что будут на обмотках, можно глянуть в даташите. Не забываем, что чем мельче шаг, тем меньше усилие на валу двигателя.

5. Decay mode – режим гашения тока. Выставляется, как и рабочий ток, уровнями на ножках Dcy1 и Dcy2 (25 и 24 соответственно). В чем его пафос? Когда ток в обмотке достиг нужного уровня, то ключи моста закрываются. При этом, поскольку обмотка двигателя обладает значительной индуктивностью, ток в обмотке никуда не девается и ищет выход. По умолчанию он рассасывается через паразитные диоды ключей и через внешние диоды, которые обычно ставят для защиты от индуктивных скачков напряжения. Когда мы работаем в режиме шага или полушага, проблем от этого обычно не возникает. Ну рассасывается и ладно. Все равно при следующем шаге подадим обратное напряжение, все нормализуется. А вот в режиме микрошага, нам надо точно соблюдать соотношение токов в обмотках. И может получиться, что ток в обмотках будет спадать не так быстро, как нам надо. Некоторые до 1-2 тысячи шагов в секунду двигатели гоняют. И тут нам на помощь приходит принудительное гашение тока.

Посмотрим на режимы работы транзисторов в мосту:

Charge mode – рабочий режим. Мост открыт, ток в обмотке растет.

Slow mode – когда произошла отсечка по току, то открываются два нижних транзистора. Чтобы было куда деваться току из обмотки. Паразитные диоды в транзисторах обладают неважными характеристиками, поэтому чтобы их не перегружать, открывают транзисторы, которые уже более продуктивно пропускают через себя ток. Катушка получается фактически замкнута сама на себя.

Fast mode – в этом режиме на катушку подается обратное напряжение. В этом случае ток гасится максимально эффективно.

Все эти пляски происходят с частотой ШИМ, то есть Charge-Slow-Fast и опять по кругу. Так вот, настройки decoy mode и определяют, когда включится Fast режим. При установке Slow mode он не используется вообще, при увеличении процентов — включается все ранее.

Смотрим на картинку:

Один период управления ШИМ происходит в течение четырех тактов управляющего генератора (частота которого, как мы помним, задается внешним конденсатором). Соответственно fast mode либо не используется, либо включается в последнем такте (25%), либо в двух последних (50%) или сразу (100%) по достижении установленного тока.

Никакого анализа, нужен шаг в этот момент или не нужен не происходит. И эти качели происходят всегда, даже когда двигатель стоит. При этом возникают пульсации тока в обмотке, что вызывает повышенный писк двигателей на частоте управления ШИМ.

Когда надо включать этот режим? Когда двигатели имеют большую индуктивность и требуется высокая скорость микрошага. В остальных случаях он бесполезен.

Надежность.

Эти драйверы не прощают ошибок. Если хотя бы один провод двигателя замкнется на землю — вылетают со спецэффектами. Это происходит как раз потому, что токоизмерительные резисторы включены в разрыв земли, и любой ток, не проходящий через этот резистор не учитывается, что приводит к моментальному выходу из строя верхних транзисторов.

Также если перепутать провода при подключении, также недопустимы межфазные замыкания. При этом ток через транзистор обмотки А потечет через резистор обмотки В, что также приведет к выгоранию. Очень критичен порядок подачи питающих напряжений — сначала низкое (5 вольт на питание логики) и только потом — высокое (на питание двигателей). На последних платах с этим драйвером я даже заметил отдельные стабилизаторы 5вольт для каждого драйвера, что практически исключает отсутствие низкого напряжения при начале работы. Включать драйвера без подключения двигателя можно, проблем не будет. Крутить двигатели при отсутствии питания драйверов — запрещено. Двигатели вполне могут создать напряжение выше допустимых 40 вольт. При нормальной работе напряжение самоиндукции утилизируется источником питания или демпферными схемами. При отключенном источнике питания — только пробитыми транзисторами.

Схема привода двигателя постоянного тока

Схемы привода двигателя постоянного тока могут быть упакованы в небольшие модули, подобные изображенной здесь плате.

Моторные приводы, как следует из названия, используются для привода двигателей и управления их скоростью, а также направлением вращения. ИС драйвера двигателя представляют собой базовые усилители тока, которые отвечают за подачу требуемой мощности на двигатель. Однако термин «моторный привод» может также в совокупности относиться к общей системе, предназначенной для управления движением различных двигателей. Эти системы также могут быть построены из отдельных компонентов, особенно когда требуются более высокие мощности.

В этой статье мы рассмотрим схемы привода двигателя на системном уровне, где компоненты привода интегрированы в одну систему с двигателем и схемой управления. Сама секция драйвера обычно представляет собой мостовую схему с определенной конфигурацией привода; мы рассмотрим эти конфигурации вождения в этой статье.

Цепи и системы электропривода объединяют несколько компонентов в единый блок или узел. На самом высоком уровне моторные приводы включают в себя набор функциональных блоков, показанных на схеме ниже.

Часть микроконтроллера срабатывает, когда задающая схема начинает работать, и она может обрабатывать данные, полученные от задающей схемы, если есть какая-либо обратная связь по положению или скорости (например, с резольвером двигателя). Схема драйвера включает в себя все схемы, необходимые для возбуждения схемы драйвера, хотя возбуждение может обеспечиваться микроконтроллером, если схема драйвера может запускаться на логических уровнях. Это может иметь место в схемах драйвера двигателя MOSFET со средней выходной мощностью.

Топология привода двигателя с Н-мостом

Наиболее распространенной топологией схемы привода двигателя постоянного тока является Н-мост. Эта схема показана ниже, и ее Н-образная топология дала ей название. Двигатели постоянного тока могут работать как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки с использованием H-моста, контролируя направления управляющих токов в каждом из полевых МОП-транзисторов в цепи.

МОП-транзисторы являются наиболее распространенными компонентами, используемыми для реализации конструкции Н-моста. Включение Q1 и Q4 заставляет двигатель работать в одном направлении, в то время как замыкание Q2 и Q3 заставляет двигатель двигаться в противоположном направлении. Та же схема драйвера может работать с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), что позволяет динамически управлять скоростью во время работы.

Альтернативные приводы двигателей с контроллерами

Схема привода H-Bridge состоит из электронных компонентов, которые соединяют ШИМ или аналогичные входы цифрового управления с затворами MOSFET. Он выполняет две основные функции:

• Управление затворами путем преобразования входных напряжений в соответствующие уровни.
• Подайте достаточное количество тока для быстрой зарядки и разрядки ворот.

Кроме того, некоторые схемы управления имеют другие функции, такие как:

• Режимы привода определяют, как входная команда преобразуется в сигналы для управления воротами.
• Включает дополнительные функции безопасности, такие как защита от перегрузки по току
• Отрегулируйте продолжительность включения и выключения полевых транзисторов.

Общие схемы контроллера драйвера приведены в таблице и на изображении ниже. Здесь стоит упомянуть, что все МОП-транзисторы, используемые на стороне низкого напряжения, являются N-канальными, но на стороне высокого напряжения могут использоваться как P-канальные, так и N-канальные устройства.

Проблемы проектирования драйверов двигателей с Н-образным мостом

Хотя процесс проектирования драйверов двигателей на основе Н-образного моста на первый взгляд может показаться простым, он не лишен трудностей. Это может произойти либо на этапе проектирования схемы, либо на этапе разработки прошивки. В схеме Н-моста полевые транзисторы включаются и выключаются по диагонали, но это переключение не может происходить одновременно между всеми полевыми транзисторами.

Dead Time: Всегда будет момент времени, когда все транзисторы будут открыты. Если верхний и нижний выключатели включены, произойдет кратковременная потеря напряжения и мощности или, возможно, короткое замыкание. Мертвое время может быть реализовано, чтобы предотвратить это. Это короткое время, в течение которого все полевые транзисторы H-моста включены. Мертвое время позволяет программисту отложить размыкание самого верхнего переключателя до тех пор, пока не будет замкнут самый нижний.

Частота ШИМ. Еще одним важным элементом, который необходимо правильно задать при проектировании драйвера двигателя, является частота ШИМ. Больше мощности будет потеряно на более низких частотах и ​​наоборот. Однако, если частота ШИМ слишком высока, микроконтроллер может с трудом обеспечить необходимый сигнал ШИМ при требуемом смещении. Кроме того, драйвер затвора и транзисторные ключи могут выйти из строя из-за несовместимости с очень высокой частотой. В прошивке должна быть установлена ​​правильная частота ШИМ, чтобы гарантировать правильную работу контроллера мотора.

Электромагнитные помехи: Наконец, экстремальные электромагнитные помехи также являются проблемой, которая может возникнуть с некоторыми типами двигателей, например с коллекторными двигателями постоянного тока. Это вызвано частым переключением коммутатора, что может вызвать шум в соседних компонентах. В экстремальных случаях проводимые токи могут повредить близлежащие компоненты. Фильтры и ферриты часто используются для экранирования кабелей, которые могут улавливать эти электромагнитные помехи, особенно на более низких частотах, где сосредоточена большая часть мощности.

Выбор полевого МОП-транзистора для цепей управления двигателем H-Bridge

МОП-транзисторы должны иметь некоторые важные характеристики, если они будут использоваться в схемах привода двигателя:

• Способность работать с высоким напряжением и током
• Низкое сопротивление в открытом состоянии
• Минимально возможная индуктивность выводов

Для повышения допустимой нагрузки по току полевых МОП-транзисторов, используемых в схемах привода двигателя, эти компоненты часто размещают последовательно.

Индуктивность выводов и разводка печатной платы важны для определения общей индуктивности на пути привода. Во время запуска чрезмерная индуктивность может привести к недостаточно затухающим колебаниям в цепи возбуждения, что может привести к повреждению или выходу из строя полевых МОП-транзисторов. В результате на полевых МОП-транзисторах требуется некоторая защита от переходного напряжения. Это может быть так же просто, как диод TVS и небольшой резистор, включенный последовательно с затвором, и диод с быстрым восстановлением должен быть подключен к двигателю.

Когда вы будете готовы к проектированию и моделированию схем привода двигателей постоянного тока, убедитесь, что вы используете лучшие в отрасли инструменты проектирования схем и моделирования в PSpice от Cadence. Пользователи PSpice могут получить доступ к мощному симулятору SPICE, а также к специальным возможностям проектирования, таким как создание моделей, инструменты построения графиков и анализа и многое другое.

Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы быть в курсе последних обновлений. Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, поговорите с нашей командой экспертов.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на LinkedIn

Посетите вебсайт

Больше контента от Cadence PCB Solutions

OrCAD
Начать бесплатную пробную версию

НАЧАТЬ СЕЙЧАС

Полное руководство и многое другое!

Что такое драйвер двигателя? Двигатель — это электронное устройство, которое помогает преобразовывать электрическую энергию в механическую. Таким образом, мотор-драйвер позволяет проводить автоматические работы с использованием электроэнергии. У нас есть несколько различных типов электродвигателей. Эти типы включают двигатели постоянного тока, шаговые двигатели и серводвигатели. Их принципы работы и характеристики являются отличительными факторами среди этих двигателей. Выбор правильного типа драйвера двигателя очень важен, поскольку он позволяет вашему двигателю эффективно работать с выбранным вами микроконтроллером. Эта статья поможет вам понять, как работает драйвер двигателя, характеристики, типы и основные компоненты при выполнении соединений. Давай начнем!

Что такое машинист?

Судя по названию, драйвер двигателя означает устройство, которое приводит в движение двигатели. Однако микросхемы драйверов двигателей не могут работать без микроконтроллера.

Драйвер двигателя представляет собой интерфейс между двигателем и микроконтроллером. Причина в том, что микроконтроллер и двигатель работают в разных диапазонах напряжений. Двигатель будет потреблять более высокий уровень тока, чем микроконтроллер.

Модуль драйвера двигателя требуется при подключении двух устройств, работающих при разных уровнях тока, к источнику питания. В этом случае двигатель действует как третье устройство, повышающее или понижающее напряжение питания.

Большинство представленных на рынке приводов двигателей представлены в виде ИС. Существуют разные приводные двигатели; следовательно, они имеют другие характеристики. Затем вы подключаете эти микросхемы драйвера двигателя к контроллеру двигателя через мостовую схему H.

(микроконтроллер типа Arduino)

Критические характеристики драйверов двигателей

• Совместимые двигатели

Невозможно найти моторные приводы, подходящие ко всем электродвигателям. Некоторые производители изготавливают драйверы двигателей специально для определенных типов двигателей. Однако производители облегчают вам задачу, поскольку они предоставляют драйверам список всех совместимых двигателей.

Примечательно, что большинство драйверов совместимы с двигателями постоянного тока и шаговыми двигателями. Тем не менее, серводвигатель заслуживает большего внимания при выборе драйвера двигателя.

• Интерфейс

Многие электроприводы прекрасно работают, если их поместить на интерфейс платы драйвера Arduino. Однако для некоторых беспроводных проектов требуется драйвер беспроводного двигателя. Например, плата контроллера Bluetooth — хорошая плата управления для беспроводного проекта.

• Напряжение и ток

Напряжение и ток являются наиболее важными характеристиками, на которые следует обращать внимание при выборе идеального привода двигателя. При работе над проектом вы уже должны знать, какое напряжение питания и рабочий ток требуется вашему проекту. Драйвер, который вы собираетесь использовать, должен соответствовать необходимому уровню функциональности.

(раздел проекта Arduino.)

Основные компоненты с электроприводом

Вам потребуются серводвигатель, контроллер, блок питания и необходимые разъемы для серводвигателя. Для двигателя постоянного тока вам понадобится контроллер, схема драйвера двигателя, двигатель постоянного тока, блок питания и необходимые прямые соединения.

Этот контроллер может быть микроконтроллером или микропроцессором. Схема управления драйвером двигателя представляет собой усилитель тока, который увеличивает ток от микроконтроллера, помогая управлять двигателем.

Кроме того, мотор вызывает движение. Процесс сопряжения двигателя с контроллером, бесщеточным двигателем и шаговым двигателем часто требует контроллера привода двигателя. Кроме того, блок питания обеспечивает двигатель только необходимым током.

(шаговый электродвигатель)

Различные типы драйверов двигателей

Мы различаем драйверы в зависимости от типа управления, которое они обеспечивают. Например, некоторые обеспечивают управление без скорости, а другие предлагают управление с высокой скоростью. Примечательно, что один двигатель может использовать разные типы драйверов. Однако некоторые специфические драйверы работают для одного двигателя. В таблице ниже показано это явление.

(серводвигатель крупным планом)

Как работает драйвер двигателя?

Сначала микроконтроллер посылает сигналы двигателю. Затем полученные знаки интерпретируются и затем активизируются в двигателе. Двигатель имеет два входа напряжения. Первый контакт включает драйвер, тогда как контакт 2 подает напряжение на двигатель через микросхему двигателя.

Если микропроцессор передает входной сигнал высокого уровня на ИС драйвера, ИС драйвера отправит тот же входной сигнал. Следовательно, это объясняет, что ИС не меняет тип принимаемого сигнала.

(когда двигатель движется по часовой стрелке) (когда двигатель движется против часовой стрелки.)

Источник: Wiki Commons . Затем S1 позволит своему напряжению проходить через двигатель непосредственно к S4. Во время протекания этого тока цепь становится полностью замкнутой. Далее этот ток будет течь из точки V в точку М через переключатели S1 и S4. В результате двигатель остается включенным и вращается по часовой стрелке.

Сначала мы подаем на переключатели входное напряжение. В результате переключатели S1 и S4 в конце концов замкнутся. Более того, это формирует положительное соединение, поскольку мы подключаем два параллельных переключателя. Следовательно, двигатель будет вращаться против часовой стрелки. С другой стороны, чтобы двигатель повернулся против часовой стрелки, мы активируем переключатели S3 и S2.

(интегральная схема)

Зачем нужен драйвер двигателя?

Примечательно, что драйвер необходим, поскольку микроконтроллеру требуется более низкое напряжение, чем двигателям. Из-за этого мы не можем подавать питание напрямую от микроконтроллера к двигателю. На данный момент нам нужен драйвер двигателя между этими электрическими компонентами. Драйвер увеличивает ток от микропроцессора, чтобы он соответствовал току двигателя.

Что такое схема Н-моста?

Соединение двух пар транзисторов в цепь образует Н-образную схему, которую мы называем Н-мостом.

На противоположном конце двигателя разместите каждую пару транзисторов с разной функциональностью. Одна команда получает входное напряжение, а другая пара остается заземленной.

(схема Н-моста)

Источник: Wiki Commons

При положительной полярности переключайте по одной паре транзисторов за раз. Теперь ток течет от источника напряжения к положительной клемме. Затем ток от клеммы +VE течет к клемме -VE, которая, наконец, течет на землю.

Однако при отрицательной полярности происходит обратное, и включается другая пара транзисторов. Во-первых, ток будет течь прямо к отрицательной клемме от источника напряжения. Затем ток от отрицательной клеммы течет прямо к положительной клемме, а затем попадает на землю.

Этот переменный поток тока образует схему Н-моста.

 (фото транзисторов.)

Сборка схем драйвера двигателя

Для создания схемы драйвера вам потребуются следующие материалы.

• Батарея 9В.
• Ардуино УНО.
• Колеса
• Фактический двигатель постоянного тока.
• Провода-перемычки.
• Доска для хлеба

Драйвер L293D — это 16-канальный драйвер двигателя. В нем есть; 4 контакта заземления, четыре входных контакта, четыре выходных контакта, 2 контакта включения и два контакта напряжения.