Драйвера для шаговых моторов своими руками. Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем. Схема простого H-моста на кремниевых транзисторах

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):

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).

Схема :

Готовый девайс :

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 и реализовать управление от компьютера (передавать с компа скорость, количество шагов и направление вращения).

При конструировании очередного станка с ЧПУ, а попросту 3-х осевого фрезерного-сверлильного станочка для печатных плат и мелких фрезерных работ, у меня появилось неугомонное желание разложить всё «по полочкам».
Многие скажут, что тема не нова, существует множество проектов, множество технических и программных решений. Но, плавая в этом море информации, я постарался убрать всю «воду» и получить «сухой остаток».
Вот что из этого получилось…

Задача построения станка обычно сводится к трем подзадачам - механика, электроника, программное обеспечение. Видимо и статьи придется писать тоже три.
Поскольку у нас журнал всё-таки практической электроники, начну с электроники и чуть-чуть с механики!

Привод

Двигатель (мотор)

С «обычным» моторчиком без обратной связи никак не получится. Не вдаваясь в подробности, схема управления двигателем должна «знать», на какой угол повернулась ось. Можно конечно поставить редуктор - потеряем в скорости, и все равно без гарантии, без обратной связи вообще никак! На ось ставится датчик угла поворота. Такое решение надежное, но дорогое.

Альтернатива - шаговый двигатель (как он работает, почитайте сами). Можно считать, что за одну «команду» он повернет свою ось на определенный градус, обычно это 1,8 или 0,9 градуса (точность обычно не хуже 5%) - как раз то, что нужно. Недостаток такого решения - при большой нагрузке двигатель будет пропускать команды - «шаги» и может вообще остановиться. Вопрос решается установкой заведомо мощного двигателя. На шаговых двигателях и делается большинство любительских станочков.

Выбираем шаговый двигатель

Противоречивые требования. Малый ток - значит большое сопротивление, значит много витков провода обмотки двигателя, значит большая индуктивность. А большой момент - это большой ток и много витков. Выбираем в пользу большего тока и меньшей индуктивности. А момент надо выбирать исходя из нагрузки, но об этом потом.

Характеристики некоторых двигателей приведены в таблице:

Драйвер шагового двигателя

Самое простое решение - источник заданного тока и две пары транзисторных ключей на каждую обмотку. И четыре защитных диода. И логическая схема чтобы менять направление. И… Такое решение обычно делают на микросхеме ULN2003A для двигателей с малым током, имеет много недостатков, не буду на них останавливаться.

Альтернатива - специализированные микросхемы «всё в одном» - с логикой, транзисторами и диодами защиты внутри (или снаружи). А еще такие микросхемы контролируют ток обмоток и регулируют его с помощью ШИМ-а, а так же могут реализовывать режим «полушаг», а некоторые режимы 1/4 шага, и 1/8 шага и т. д. Эти режимы позволяют повысить точность позиционирования, повысить плавность движения и снизить резонанс. Обычно достаточно режима «полушаг», что позволит повысить теоретическую точность линейного позиционирования (в моем примере до 0,005 мм).

Что внутри микросхемы драйвера шагового двигателя? Блок логики и управления, источники питания, ШИМ со схемами формирования момента и времени коммутации обмоток, выходные ключи на полевых транзисторах, компараторы обратной связи - ток контролируется по падению напряжения на резисторах (Rs) в цепи питания обмоток. Ток двигателя задается опорным напряжением.

Для реализации этих функций существуют и другие схемные решения, например, с использованием микроконтроллеров PIC или ATMEGA (опять же с внешними транзисторами и защитными диодами). На мой взгляд, они не обладают значительным преимуществом перед «готовыми» микросхемами и я их в данном проекте использовать не буду.

Богатство выбора

Из готовых - наиболее распространённые и недорогие драйверы на микросхемах Allegro A4988 (до 2А), Texas Instruments DRV8825 (до 2,5А).
Поскольку модули изначально разрабатывались для использования в 3D принтерах типа Rep-rap проекта Arduino, они не являются законченными модулями (например, им нужно еще питание логики (+5V), которое подается с так называемой рампы (Ramp).

Еще есть решения на DRV8811 (до 1,9 А), A3982 (до 2 А), A3977 (до 2,5 А), DRV8818 (до 2,5 А) DRV8825 (до 2,5 А), Toshiba TB6560 (до 3 А) и другие.

Поскольку мне интересно что-то сделать самому, плюс появилась возможность «попробовать на вкус» микросхемы Allegro A3982 и A3977, решил сделать пару драйверов самостоятельно.

Готовые решения на A4988 не понравились, прежде всего, из-за миниатюризации размеров печатной платы в ущерб хорошему охлаждению. Типовое сопротивление открытых транзисторов у A4388 при токе 1,5А 0,32+0,43 Ом, плюс 0,1-0,22 Ома «измерительный» резистор - получается около 0,85 Ом. А таких каналов два, и хотя и работают они импульсно, но 2-3 Ватта тепла надо рассеивать. Ну не верю я в многослойную плату и малюсенький радиатор охлаждения - в даташите нарисована плата гораздо больших размеров.

Провода мотора нужно сделать короткими, драйвер устанавливать рядом с двигателем. Существует 2 технических решения в звукотехнике: длинный сигнальный кабель к усилителю + короткие провода к акустической системе, или короткий сигнальный кабель к усилителю + длинные провода, а акустической системе. Оба решения имеют свои плюсы и минусы. С моторами - так же. Я выбрал длинные провода управления и короткие провода к мотору.

Управляющие сигналы - «шаг» (step), «направление» (dir), «включение» (enable), индикация состояния сигналов управления. Некоторые схемы не используют сигнал «Enable», но это приводит в режиме простоя к ненужному нагреву и микросхемы и двигателя.

Одно питание 12-24 вольта, источник питания логики (+5B) - на плате. Размеры платы - достаточные для хорошего охлаждения, двухсторонняя печать с большой областью «меди», возможность приклеить на микросхему радиатор (применяемой для охлаждения памяти видеокарт).

Драйвер ШД на микросхеме Allegro A3982

Драйвер ШД на микросхеме Allegro A3977

Схема и прототип

Печатная плата

У меня много различной оргтехники, которая вышла из строя. Выбрасывать я её не решаюсь, а вдруг пригодится. Из её частей возможно сделать что-нибудь полезное.
К примеру: шаговый двигатель, который так распространен, обычно используется самодельщиками как мини генератор для фонарика или ещё чего. Но я практически никогда не видел, чтобы его использовали именно как двигатель для преобразования электрической энергии в механическую. Оно и понятно: для управления шаговым двигателем нужна электроника. Его просто так к напряжению не подключишь.
И как оказалось - я ошибался. Шаговый двигатель от принтера или ещё от какого устройства, довольно просто запустить от переменного тока.
Я взял вот такой двигатель.

Схема шагового двигателя

• Конденсатор емкостью 470-3300 мкФ.
• Источник переменного тока 12 В.

Сморите видео

Большинство на начальном этапе останавливается на выборе покупного (чаще всего — китайского) контроллера для шаговых двигателей, потому как это экономит время. Но уже после того, как станок готов и запущен, начинает закрадываться ощущение, что что-то не то… Чего-то не хватает или что-то сделано не правильно, или не доделано… Появляется некоторое недовольство, вопросы, связанные с точностью станка с ЧПУ. Люди начинают долго и мучительно читать форумы в поисках волшебного рецепта исцеления своего родного станочка от постоянного непопадания «в десятку» (имеются в виду десятые доли миллиметра, которые должен стабильно отрабатывать даже самый пластилиновый станок с ЧПУ, сделанный своими руками).

Моя бабушка всегда говорит: «Где узко, там и рвется». И так действительно происходит! Это же справедливо и для основы основ станка с ЧПУ — механизма линейного перемещения и электроники управления, а именно — контроллера шагового двигателя. О какой точности можно говорить, если человек поставил дешевый китайский контроллер, включил на нем микрошаг 1/8 или даже 1/16 и пытается выдавить из станка микронные перемещения?

Я ничего не имею против китайских контроллеров. У меня самого стоит сейчас самый дешевый китайский контроллер. Но его я брал осознанно, чтобы понять, чего мне не хватает в промышленном контроллере и что я хочу получить в итоге, создавая контроллер шагового двигателя своими руками.

Первое, что я хочу получить от своего контроллера шагового двигателя — это калиброванный микрошаг, который бы настраивался под конкретный экземпляр шагового двигателя. О нелинейности характеристик шаговых двигателей я уже писал в своей статье про и . Если вам лень перейти по ссылке, то вкратце скажу, что в режиме микрошага вы посылаете двигателю команду повернуться на 1/8 шага (к примеру), а он поворачивается вообще не известно на сколько или вообще не поворачивается! Все это как раз из-за нелинейности характеристики шагового двигателя. Вот почему нельзя использовать микрошаговый режим в обычных китайских контроллерах для повышения точности (разрешающей способности) перемещений своего станка с ЧПУ!

Кто-то, возможно, задастся вопросом — откуда берется эта нелинейность? А все дело в том, что на самом деле шаговый двигатель вообще не предназначен для работы в режиме микрошага ! Шаговый двигатель предназначен только для того, чтобы шагать — ать, два! Это мы — ЧПУшники от своей голытьбы решили привнести в мир цифрового двигателя (двигателя с конечными состояниями) немного аналоговости и придумали «микрошаг», в котором шаговый двигатель «зависает» в некотором промежуточном состоянии между двумя шагами. А производители контроллеров радостно подхватили эту фишку и преподносят микрошаг, как некий стандарт де-факто! И впаривают свои контроллеры невдумчивым потребителям.

Если вы — «счастливый» обладатель контроллера с микрошагом, то сказанное мной выше вы сможете сами очень легко проверить по методу лазерной калибровки, описанному мной выше в статье про калибровку шагового двигателя. Достаточно снять со станка шаговик, приделать к нему лазерную указку, включить в контроллере режим микрошага (хотя он, конечно же, у вас включен!) и подавать ему на вход импульсы STEP. Можно прямо из Mach3 или LinuxCNC, выбрав самую минимальную подачу в ручном режиме или задавая микро-перемещения через G-коды. После каждого микрошага делайте отметки на листе бумаги, закрепленному на стене скотчем, в том месте, куда светит луч лазера. Уже после нескольких микрошагов, вы заметите, что между насечками получилось ну просто неприлично разное расстояние!

Закончим на этом ругать производителей. Они на самом деле ничего плохого не делают. Люди хотели микрошаг — люди его получили! Сосредоточимся лучше на том, чего на самом деле хотели получить конечные пользователи от своего контроллера шагового двигателя? А хотели они получить не деление управляющего шаговыми двигателями сигнала на 8, на 16 и т.д., а деление угла поворота шагового двигателя на указанные делители! Но какое же для этого нужно подавать управляющее напряжение? Отвечу однозначно — хрен его знает! Поясню… Дело в том, что разные производители делают разные двигатели, применяют разные технологии с разным качеством и разной погрешностью. И получается так, что все шаговые двигатели разные! Даже в пределах одного типа и одной партии. Легла где-то в обмотке шагового двигателя проволочка слегка не на ту сторону — характеристика поменялась! У одного двигателя X витков, у другого двигателя X+Y витков в обмотке — опять характеристики разные. Ну и так далее — до фанатизма

Именно поэтому микрошаг нужно настраивать под каждый конкретный двигатель, и это должно настраиваться в контроллере шагового двигателя! И именно такой контроллер я сейчас и разрабатываю.

Схема контроллера шаговых двигателей

Схема моего контроллера будет очень проста. Силовыми элементами, непосредственно управляющими обмотками двигателя, будут являться ключевые MOSFET-транзисторы, подключенные в виде Н-моста. Ключами будет управлять микроконтроллер. Никаких дорогостоящих микросхем-драйверов в моей схеме не будет. Вместо них будет парочка ферритовых колечек из сгоревших энергосберегающих ламп, которые отлично подходят для управления затворами MOSFET-транзисторов. В общем, я стараюсь сделать контроллер шагового двигателя доступным для повторения в домашних условиях. Также одним из его достоинств будет являться высокая ремонтопригодность (например, если сгорит какой-либо MOSFET-транзистор в силовой части, то стоимость замены составит ~20-30 рублей).

Слева представлена схема управления затвором силового MOSFET-ключа моего контроллера шаговых двигателей. Как видно, управление затвором осуществляется через повышающий импульсный трансформатор на ферритовом кольце. Повышающий трансформатор нужен, чтобы силовой ключ полностью открывался от 5-тивольтового сигнала управления, поступающего с выхода микроконтроллера. Для полного гарантированного открытия силовым MOSFET-ам обычно требуется от 10 вольт (более детально характеристику MOSFET-а можно посмотреть на графиках в его datasheet). Особенность такого включения заключается в том, что емкость затвора MOSFET используется в режиме памяти, т.е. при прохождении открывающего импульса через диод D1, транзистор будет открыт сколь угодно долго до тех пор, пока его не закроет открывшийся транзистор Q2, разрядив емкость затвора на «землю». Благодаря такой схеме при управлении ШИМ-сигналом (PWM) удается получить до 100% глубины модуляции (в англоязычных источниках — duty circle или «цикл загрузки»). В стандартной же схеме включения трансформатора затвора (GDT — gate drive transformer), когда положительный импульс открывает MOSFET, а следующий за ним отрицательный импульс восстановления разряжает емкость затвора, удается получить лишь менее 50% периода ШИМ-сигнала.

Программа управления шаговым двигателем

Программа управления шаговым двигателем может быть условно разделена на несколько взаимосвязанных функциональных блоков. Подробнее об этих блоках и о их работе я постараюсь написать в ближайшее время. Следите за обновлениями — проект находится в активной разработке

Post navigation