Driver do-it-yourself untuk motor stepper. Driver dari TI: Kontrol motor listrik apa pun. Skema jembatan-H sederhana pada transistor silikon

Motor stepper menarik karena memungkinkan Anda memutar poros pada sudut tertentu. Dengan demikian, dengan bantuan mereka, Anda dapat memutar poros dengan jumlah putaran tertentu, karena putaran N juga merupakan sudut tertentu sama dengan 360 * N, termasuk jumlah putaran non-bilangan bulat, misalnya, 0,75 putaran, 2,5 putaran, 3.7 omset, dll. Kemampuan motor stepper ini menentukan ruang lingkup penerapannya. Mereka terutama digunakan untuk memposisikan berbagai perangkat: kepala baca di drive disk, kepala cetak di printer dan plotter, dll.

Secara alami, amatir radio tidak dapat mengabaikan peluang seperti itu. Mereka berhasil menggunakan stepper dalam pembuatan robot buatan sendiri, mesin CNC buatan sendiri, dll. Di bawah ini adalah hasil percobaan saya dengan motor stepper Saya harap ini bisa bermanfaat bagi seseorang.

Jadi apa yang kita butuhkan untuk eksperimen. Pertama, motor stepper. Saya mengambil stepper bipolar Cina 5 volt dengan nama misterius, robek dari drive 3,5 "lama, analog dengan M20SP-GW15. Kedua, karena belitan motor mengkonsumsi arus yang signifikan (dalam hal ini hingga 300 mA), itu adalah cukup dapat dimengerti bahwa tidak mungkin menghubungkan stepper ke pengontrol secara langsung, diperlukan driver.

Sebagai penggerak untuk motor stepper bipolar, yang disebut sirkuit H-bridge atau sirkuit mikro khusus (yang masih memiliki H-bridge built in) biasanya digunakan. Tentu saja, Anda dapat memahatnya sendiri, tetapi saya mengambil mikruha (LB1838) yang sudah jadi dari drive lama yang sama. Sebenarnya, selain semua hal di atas, untuk percobaan kami, kami juga memerlukan: pengontrol PIC (PIC12F629 diambil sebagai yang termurah) dan beberapa tombol.

Sebelum kita langsung ke sirkuit, mari kita bahas sedikit teorinya.

Motor stepper bipolar memiliki dua belitan dan, karenanya, dihubungkan melalui empat kabel. Anda dapat menemukan ujung belitan dengan panggilan sederhana - ujung kabel yang terkait dengan belitan yang sama akan berdering satu sama lain, tetapi ujung yang terkait dengan belitan berbeda tidak. Ujung belitan pertama akan dilambangkan dengan huruf "a", "b", dan ujung belitan kedua dengan huruf "c", "d".

Spesimen yang dimaksud memiliki tanda kontak digital di dekat motor dan tanda warna kabel (entahlah, mungkin ini juga semacam standar): 1 - merah, 2 - biru - belitan pertama; 3 - kuning, 4 - putih - belitan kedua.

Agar motor stepper bipolar berputar, belitan harus diberi energi sesuai urutan yang ditunjukkan pada tabel. Jika arah traversal tabel dipilih dari atas ke bawah dalam satu lingkaran, maka mesin akan berputar ke depan, jika dari bawah ke atas dalam satu lingkaran, mesin akan berputar ke belakang:

Dalam satu siklus penuh, mesin membuat empat langkah.

Untuk pengoperasian yang benar, urutan peralihan yang ditentukan dalam tabel harus diperhatikan dengan ketat. Yaitu, misalnya, setelah kombinasi kedua (ketika kita menerapkan + ke keluaran "c" dan minus ke keluaran "d"), kita dapat menerapkan kombinasi ketiga (matikan belitan kedua, dan yang pertama berlaku untuk "a" dan + menjadi "b"), maka motor akan berputar satu langkah ke depan, atau kombinasi pertama (motor akan berputar satu langkah ke belakang).

Kombinasi yang Anda perlukan untuk memulai putaran ditentukan oleh kombinasi terakhir yang diterapkan pada mesin sebelum mematikannya (kecuali, tentu saja, kemudian diputar dengan tangan) dan arah putaran yang diinginkan.

Artinya, katakanlah kita memutar mesin 5 langkah ke depan, menerapkan kombinasi 2-3-4-1-2 padanya, lalu mematikannya, dan kemudian kita ingin maju satu langkah lagi. Untuk melakukan ini, kombinasi 3 harus diterapkan pada belitan, misalkan setelah itu kita matikan energinya lagi, dan setelah beberapa saat kita ingin mengembalikannya 2 langkah ke belakang, maka kita perlu menerapkan kombinasi 2-1 ke mesin. Dan seterusnya dengan semangat yang sama.

Tabel ini, antara lain, memungkinkan kita memperkirakan apa yang akan terjadi pada motor stepper jika kita mencampur urutan sambungan belitan atau ujung belitan.

Di sinilah kita akan menyelesaikan motor dan beralih ke driver LB1838.

Mikruha ini memiliki empat kaki kontrol (IN1, IN2, EN1, EN2), ke mana kami akan mengirim sinyal dari pengontrol, dan empat kaki keluaran (Out1, Out2, Out3, Out4), yang terhubung dengan belitan motor. Belitan dihubungkan sebagai berikut: kabel "a" terhubung ke Out1, kabel "b" ke Out2, kabel "c" ke Out3, kabel "d" ke Out4.

Di bawah ini adalah tabel kebenaran untuk chip driver (keadaan keluaran bergantung pada keadaan masukan):

Sekarang mari kita menggambar pada diagram apa bentuk sinyal IN1, EN1, IN2, EN2 yang harus dimiliki untuk satu siklus rotasi penuh (4 langkah), mis. sehingga keempat kombinasi sambungan belitan muncul secara seri di keluaran:

Jika Anda melihat lebih dekat diagram ini (di sebelah kiri), menjadi jelas bahwa sinyal IN1 dan IN2 dapat dibuat persis sama, yaitu sinyal yang sama dapat diterapkan pada kedua kaki ini. Dalam hal ini, diagram kita akan terlihat seperti ini:

Jadi, diagram terakhir menunjukkan kombinasi level sinyal apa yang harus ada pada input kontrol driver (EN1, EN2, IN1, IN2) untuk mendapatkan kombinasi yang sesuai untuk menghubungkan belitan motor, dan panah menunjukkan urutan di mana kombinasi ini harus diubah untuk memastikan rotasi di sisi yang diinginkan.

Itu pada dasarnya seluruh teori. Kombinasi level yang diperlukan pada input kontrol dibentuk oleh pengontrol (kami akan menggunakan PIC12F629).

Skema:

Perangkat siap:

Program kontrol mengimplementasikan algoritme berikut: saat tombol KN1 ditekan, mesin berputar satu langkah ke satu arah, dan saat tombol KN2 ditekan, mesin berputar satu langkah ke arah lain.

Faktanya, Anda dapat mengencangkannya di sini dan menerapkan kontrol dari komputer (kecepatan transfer, jumlah langkah, dan arah rotasi dari komputer).

Saat mendesain mesin CNC lain, tetapi hanya mesin milling dan bor 3 sumbu untuk papan sirkuit tercetak dan pekerjaan milling kecil, saya memiliki keinginan yang tidak henti-hentinya untuk menyelesaikan semuanya.
Banyak yang akan mengatakan bahwa topiknya tidak baru, ada banyak proyek, banyak solusi teknis dan perangkat lunak. Tapi, berenang di lautan informasi ini, saya mencoba membuang semua "air" dan mendapatkan "sisa kering".
Itulah yang keluar darinya…

Tugas membangun mesin biasanya terdiri dari tiga subtugas - mekanik, elektronik, perangkat lunak. Ternyata, tiga artikel juga harus ditulis.
Karena kami masih memiliki majalah elektronik praktis, saya akan mulai dengan elektronik dan sedikit dari mekanik!

Unit penggerak

Mesin (motor)

Dengan motor "normal" tanpa masukan tidak akan bekerja sama sekali. Tanpa merinci, sirkuit kontrol motor harus "tahu" dari sudut mana poros telah berputar. Tentu saja, Anda dapat memasang gearbox - kami akan kehilangan kecepatan, dan masih tanpa jaminan, tanpa umpan balik sama sekali! Sensor sudut kemudi ditempatkan pada poros. Solusi ini dapat diandalkan, tetapi mahal.

Alternatifnya adalah motor stepper (baca sendiri cara kerjanya). Kita dapat berasumsi bahwa untuk satu "perintah" itu akan memutar porosnya dengan derajat tertentu, biasanya 1,8 atau 0,9 derajat (akurasi biasanya tidak lebih buruk dari 5%) - hanya yang Anda butuhkan. Kerugian dari solusi ini adalah bahwa di bawah beban berat, mesin akan melewati perintah - "langkah" dan mungkin berhenti sama sekali. Masalahnya diselesaikan dengan menginstal mesin yang kuat. Sebagian besar mesin amatir dibuat dengan motor stepper.

Memilih motor stepper

klaim yang bertentangan. Arus kecil berarti resistansi besar, yang berarti banyak belitan kabel belitan motor, yang berarti induktansi besar. Dan momen besar adalah arus besar dan banyak belokan. Kami memilih lebih banyak arus dan lebih sedikit induktansi. Dan momennya harus dipilih berdasarkan bebannya, tapi lebih dari itu nanti.

Karakteristik beberapa mesin ditunjukkan pada tabel:

Pengemudi motor stepper

Solusi paling sederhana adalah sumber arus tertentu dan dua pasang sakelar transistor untuk setiap belitan. Dan empat dioda pelindung. Dan sirkuit logika untuk mengubah arah. Dan... Solusi seperti itu biasanya dibuat pada chip ULN2003A untuk motor arus rendah, ini memiliki banyak kekurangan, saya tidak akan memikirkannya.

Alternatifnya adalah sirkuit mikro all-in-one khusus - dengan logika, transistor, dan dioda perlindungan di dalam (atau di luar). Selain itu, rangkaian mikro tersebut mengontrol arus belitan dan mengaturnya menggunakan PWM, dan mereka juga dapat menerapkan mode "setengah langkah", dan beberapa mode adalah 1/4 langkah, dan 1/8 langkah, dll. Mode ini memungkinkan Anda untuk meningkatkan akurasi pemosisian, meningkatkan kehalusan gerakan, dan mengurangi resonansi. Biasanya, mode "setengah langkah" sudah cukup, yang akan meningkatkan akurasi teoretis dari pemosisian linier (dalam contoh saya, hingga 0,005 mm).

Apa yang ada di dalam IC driver motor stepper? Unit logika dan kontrol, catu daya, PWM dengan sirkuit untuk membentuk momen dan waktu pergantian belitan, sakelar keluaran pada transistor efek medan, pembanding umpan balik - arus dikendalikan oleh penurunan tegangan melintasi resistor (Rs) di belitan sirkuit listrik. Arus motor diberikan oleh tegangan referensi.

Untuk mengimplementasikan fungsi tersebut, ada solusi rangkaian lain, misalnya menggunakan mikrokontroler PIC atau ATMEGA (sekali lagi dengan transistor eksternal dan dioda pelindung). Menurut pendapat saya, mereka tidak memiliki keunggulan signifikan dibandingkan sirkuit mikro "siap pakai", dan saya tidak akan menggunakannya dalam proyek ini.

Kekayaan pilihan

Dari yang sudah jadi, driver yang paling umum dan murah didasarkan pada chip Allegro A4988 (hingga 2A), Texas Instruments DRV8825 (hingga 2,5A).
Karena modul awalnya dirancang untuk digunakan dalam printer 3D seperti proyek Arduino Rep-rap, mereka bukan modul lengkap (misalnya, mereka membutuhkan lebih banyak daya logika (+5V), yang disuplai dari apa yang disebut ramp (Ramp ).

Ada juga solusi berdasarkan DRV8811 (hingga 1,9 A), A3982 (hingga 2 A), A3977 (hingga 2,5 A), DRV8818 (hingga 2,5 A), DRV8825 (hingga 2,5 A), Toshiba TB6560 (hingga sampai 3 A) dan lain-lain.

Karena saya tertarik untuk melakukan sesuatu sendiri, ditambah ada kesempatan untuk "mencicipi" sirkuit mikro Allegro A3982 dan A3977, saya memutuskan untuk membuat sendiri beberapa driver.

Kami tidak menyukai solusi siap pakai berdasarkan A4988, terutama karena miniaturisasi ukuran PCB sehingga merugikan pendinginan yang baik. Resistensi tipikal transistor terbuka di A4388 pada arus 1,5A adalah 0,32 + 0,43 Ohm, ditambah resistor "pengukur" 0,1-0,22 Ohm - ternyata sekitar 0,85 Ohm. Dan ada dua saluran seperti itu, dan meskipun bekerja dalam impuls, panas 2-3 watt harus dihamburkan. Yah, saya tidak percaya pada papan multilayer dan radiator pendingin kecil - papan yang jauh lebih besar tergambar di lembar data.

Kabel motor harus dibuat pendek, driver harus dipasang di sebelah motor. Ada 2 solusi teknis dalam rekayasa suara: kabel sinyal panjang ke amplifier + kabel pendek ke sistem speaker, atau kabel sinyal pendek ke amplifier + kabel panjang ke sistem speaker. Kedua solusi memiliki pro dan kontra. Sama dengan motor. Saya memilih kabel kontrol panjang dan kabel pendek ke motor.

Sinyal kontrol - "langkah" (langkah), "arah" (dir), "aktifkan" (aktifkan), indikasi status sinyal kontrol. Beberapa sirkuit tidak menggunakan sinyal "Aktifkan", tetapi hal ini menyebabkan pemanasan chip dan motor yang tidak perlu dalam mode siaga.

Satu catu daya 12-24 volt, catu daya logika (+5V) - di papan tulis. Dimensi papan cukup untuk pendinginan yang baik, pencetakan dua sisi dengan area "tembaga" yang besar, kemampuan untuk merekatkan heatsink pada chip (digunakan untuk mendinginkan memori kartu video).

Sopir SD pada chip Allegro A3982

Sopir SD pada chip Allegro A3977

Skema dan prototipe

Papan sirkuit tercetak

Saya memiliki banyak peralatan kantor berbeda yang rusak. Saya tidak berani membuangnya, tapi tiba-tiba akan berguna. Dari bagian-bagiannya dimungkinkan untuk membuat sesuatu yang bermanfaat.
Misal: motor stepper yang sudah sangat umum ini biasanya digunakan para DIYers sebagai generator mini untuk senter atau semacamnya. Tapi saya hampir tidak pernah melihatnya digunakan secara khusus sebagai mesin untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Dapat dimengerti: elektronik diperlukan untuk mengontrol motor stepper. Anda tidak bisa memasangnya begitu saja.
Dan ternyata, saya salah. Motor stepper dari printer atau perangkat lain cukup mudah dijalankan di AC.
Saya mengambil mesin ini.

rangkaian motor stepper

• Kapasitor dengan kapasitas 470-3300 mikrofarad.
• Sumber AC 12 V.

Tonton videonya

Sebagian besar pada tahap awal berhenti memilih pengontrol yang dibeli (paling sering Cina) untuk motor stepper, karena menghemat waktu. Tetapi setelah mesin siap dan bekerja, perasaan mulai merayapi bahwa ada sesuatu yang tidak beres ... Ada yang hilang, atau ada yang dilakukan dengan tidak benar, atau tidak selesai ... Ada beberapa ketidakpuasan, pertanyaan terkait dengan keakuratan mesin dengan CNC. Orang-orang mulai membaca forum untuk waktu yang lama dan menyakitkan untuk mencari resep ajaib untuk menyembuhkan mesin asli mereka dari terus-menerus kehilangan "sepuluh besar" (artinya sepersepuluh milimeter, yang bahkan harus dilakukan oleh mesin plastisin CNC paling do-it-yourself). bekerja dengan stabil).

Nenek saya selalu berkata: "Di mana sempit, di sana rusak." Dan inilah yang sebenarnya terjadi! Hal yang sama berlaku untuk dasar-dasar mesin CNC - mekanisme gerakan linier dan kontrol elektronik, yaitu pengontrol motor stepper. Keakuratan macam apa yang dapat kita bicarakan jika seseorang telah memasang pengontrol Cina yang murah, menyalakan langkah mikro 1/8 atau bahkan 1/16 di atasnya dan mencoba menekan gerakan mikron keluar dari mesin?

Saya tidak menentang pengontrol China. Saya sendiri sekarang memiliki pengontrol Cina termurah. Tetapi saya mengambilnya secara sadar untuk memahami kekurangan saya dalam pengontrol industri dan apa yang pada akhirnya ingin saya dapatkan dengan membuat pengontrol motor stepper dengan tangan saya sendiri.

Hal pertama yang ingin saya dapatkan dari pengontrol motor stepper saya adalah microstep yang dikalibrasi, yang akan disetel ke contoh spesifik motor stepper. Saya sudah menulis tentang nonlinier karakteristik motor stepper di artikel saya tentang dan. Jika Anda terlalu malas untuk mengikuti tautan, maka secara singkat saya akan mengatakan bahwa dalam mode microstepping Anda mengirim perintah ke mesin untuk memutar 1/8 langkah (misalnya), dan ternyata sama sekali, tidak diketahui caranya banyak atau tidak berputar sama sekali! Semua ini hanya karena karakteristik motor stepper yang tidak linier. Itu sebabnya Anda tidak dapat menggunakan mode microstepping pada pengontrol China biasa untuk meningkatkan akurasi (resolusi) gerakan mesin CNC Anda!

Seseorang mungkin bertanya - dari mana datangnya ketidaklinieran ini? Dan ini semua tentang apa sebenarnya Motor stepper sama sekali tidak dirancang untuk microstepping.! Motor stepper hanya dimaksudkan untuk digunakan untuk berjalan—oh, dua! Ini kami - CNC dari kemelaratan kami memutuskan untuk membawa sedikit analog ke dunia mesin digital (motor dengan kondisi terbatas) dan muncul dengan "langkah mikro", di mana motor stepper "membeku" dalam keadaan perantara antara dua langkah. Dan produsen pengontrol dengan senang hati mengambil trik ini dan menghadirkan microstep sebagai semacam standar de facto! Dan mereka menjual pengontrol mereka kepada konsumen yang ceroboh.

Jika Anda adalah pemilik pengontrol microstepping yang "beruntung", maka Anda dapat dengan mudah memeriksa apa yang saya katakan di atas menggunakan metode kalibrasi laser yang saya jelaskan di atas dalam artikel kalibrasi motor stepper. Cukup dengan melepas stepper dari mesin, pasang padanya laser penunjuk, nyalakan mode microstep di pengontrol (walaupun, tentu saja, Anda telah mengaktifkannya!) dan masukkan pulsa STEP ke inputnya. Anda dapat langsung dari Mach3 atau LinuxCNC dengan memilih umpan terkecil mode manual atau dengan menentukan gerakan mikro melalui kode-G. Setelah setiap langkah mikro, buat tanda pada selembar kertas, tempelkan ke dinding dengan selotip, di tempat sinar laser bersinar. Setelah beberapa langkah mikro, Anda akan melihat bahwa jarak antara takik ternyata, yah, hanya jarak yang sangat berbeda!

Mari kita selesaikan produsen yang memarahi ini. Mereka tidak benar-benar melakukan sesuatu yang salah. Orang-orang menginginkan microstep - orang mendapatkannya! Mari lebih fokus pada apa yang benar-benar diinginkan pengguna akhir dari pengontrol motor stepper mereka? Dan mereka tidak ingin mendapatkan pembagian sinyal yang mengendalikan motor stepper sebanyak 8, sebanyak 16, dll., tetapi membagi sudut putaran motor stepper ke pembagi yang ditunjukkan! Tapi tegangan kontrol seperti apa yang harus diterapkan untuk ini? Saya akan menjawab dengan tegas - dia tahu! Mari saya jelaskan ... Faktanya adalah itu produsen yang berbeda Mengerjakan mesin yang berbeda, menerapkan teknologi yang berbeda dengan kualitas yang berbeda dan kesalahan yang berbeda. Dan ternyata semua motor stepper berbeda! Bahkan dalam tipe dan batch yang sama. Di suatu tempat di belitan motor stepper, kabel tergeletak sedikit di sisi yang salah - karakteristiknya telah berubah! Satu motor memiliki putaran X, motor lainnya memiliki putaran X + Y pada belitan - lagi-lagi karakteristiknya berbeda. Dan seterusnya - ke fanatisme

Itulah mengapa microstepping perlu disetel untuk setiap motor tertentu, dan ini harus dikonfigurasi di pengontrol motor stepper! Dan ini adalah pengontrol yang sedang saya kembangkan.

Rangkaian pengontrol motor stepper

Rangkaian pengontrol saya akan sangat sederhana. Elemen daya yang secara langsung mengontrol belitan motor akan menjadi transistor MOSFET utama yang dihubungkan dalam bentuk H-bridge. Kunci akan dikendalikan oleh mikrokontroler. Tidak akan ada chip driver yang mahal di sirkuit saya. Sebagai gantinya, akan ada beberapa cincin ferit yang terbuat dari lampu hemat energi yang habis terbakar, yang bagus untuk menggerakkan gerbang MOSFET. Secara umum, saya mencoba menyediakan pengontrol motor stepper untuk pengulangan di rumah. Selain itu, salah satu kelebihannya adalah daya rawat yang tinggi (misalnya, jika ada transistor MOSFET di bagian daya yang terbakar, maka biaya penggantiannya adalah ~ 20-30 rubel).

Di sebelah kiri adalah sirkuit penggerak gerbang dari sakelar MOSFET daya pengontrol motor stepper saya. Seperti yang Anda lihat, gerbang dikendalikan melalui transformator pulsa step-up pada cincin ferit. Diperlukan trafo step up agar saklar daya terbuka penuh dari sinyal kendali 5 volt yang berasal dari keluaran mikrokontroler. Untuk pembukaan yang dijamin penuh, MOSFET daya biasanya membutuhkan 10 volt atau lebih (untuk karakteristik MOSFET yang lebih detail, lihat grafik di lembar datanya). Keunikan dari penyertaan ini adalah kapasitansi gerbang MOSFET digunakan dalam mode memori, mis. ketika pulsa pembuka melewati dioda D1, transistor akan terbuka untuk waktu yang lama hingga ditutup oleh transistor Q2 yang terbuka, melepaskan kapasitansi gerbang ke ground. Berkat skema ini, saat mengontrol sinyal PWM (PWM), dimungkinkan untuk mendapatkan hingga 100% kedalaman modulasi (dalam sumber bahasa Inggris - lingkaran tugas atau "siklus beban"). Di sirkuit transformator penggerak gerbang standar (GDT), ketika pulsa positif membuka MOSFET, dan pulsa pemulihan negatif berikutnya melepaskan kapasitansi gerbang, hanya kurang dari 50% periode sinyal PWM yang dapat diperoleh.

Program kontrol motor stepper

Program kontrol motor stepper dapat dibagi secara kondisional menjadi beberapa blok fungsional yang saling berhubungan. Saya akan mencoba menulis lebih banyak tentang blok ini dan pekerjaan mereka dalam waktu dekat. Nantikan - proyek sedang dalam pengembangan aktif

Navigasi pos