Драйвер управления шаговыми двигателями SMA7029M.

Драйвер управления шаговыми двигателями SMA7029M.

Шаговые двигатели являются одними из самых распространенных типов двигателей в приборах самого широкого применения. Эти двигатели можно встретить во всех типах копиров, в факсах, сканерах, МФУ, кассовых аппаратах и это перечисление можно продолжить.

«Классикой» среди микросхем управления шаговыми двигателями можно считать драйвер SMA7029M (рис. 1, 2). Параметры, особенности, построение и типовое включение этой микросхемы рассматриваются ниже. Микросхема SMA7029M обеспечивает возможность управления униполярными шаговыми двигателями различных типов: 4-х фазными и 2-х фазными. Микросхема позволяет управлять двигателями с высокой скоростью и обеспечивает, высокий КПД двигателя. Для переключения фаз используются встроенные полевые мощные транзисторы.

Компактное исполнение SMA7029M позволяет получать экономичный и технологически простой вариант схемы управления шаговым двигателем. Микросхема поддерживает работу с максимальным напряжением питания до 46В и имеет выходы, рассчитанные на высокие напряжения и большие токи. Встроенные полевые транзисторы, имеющие пробивное напряжение более 100В, позволяют обеспечить очень малое сопротивление цепи во включенном состоянии и очень высокую частоту переключения. В составе микросхемы имеются встроенные защитные диоды.

Микросхема SMA7029M обеспечивает регулировку величины тока через фазы шагового двигателя, а также обеспечивает защиту от превышения этого тока сверх заданного значения. Регулировка тока осуществляется методом широтно-импульсной модуляции — ШИМ (PWM). Величина тока задается путем выбора внешнего токового датчика, в качестве которого используется резистор с очень малым сопротивлением (менее 1 Ом). Кроме того, величина тока может быть задана выбором источника опорного напряжения, выбором делителя в цепи опорного напряжения, выбором параметров частотозадающей RC — цепи. RC-цепь позволяет ограничивать время паузы между импульсами. Все входы микросхемы совместимы с микропроцессорами и логикой на 5В.
Особенности микросхемы SMA7029M состоят в следующем:
— однокристальное построение, имеющее низкую стоимость;
— управление двигателем с напряжением до 46 В и током фаз до 3 А;
— применение третьего поколения встроенных высоковольтных полевых транзисторов;
— напряжение пробоя встроенных силовых транзисторов — 100В;
— малое сопротивление перехода сток-исток встроенных транзисторов в открытом состоянии;
— улучшенные характеристики встроенных защитных диодов;
— управление двигателями с однополярным питанием;
— обеспечение двух режимов управления двигателями: режима полного шага и режима полушага;
— встроенный высокоэффективный и высокоскоростной ШИМ;
— программирование тока фаз методом ШИМ;
— наличие двух каналов управления током фаз двигателя;
— малая рассеиваемая мощность;
— электрически изолированные контакты питания;
— входы, совместимые с микропроцессорами;
— отсутствие необходимости теплового радиатора.
Предельные параметры микросхемы:
— напряжение питания нагрузки (Vbb): 46B;
— выходное напряжение полевого транзистора (VDS): 100В;
— напряжение питания (Vcc): 46B;
— пиковый выходной ток (Ioutm): 3А (менее 100мкс);
— постоянный выходной ток (Iout): 1,5А;
— диапазон входных напряжений (Vin): от -0,3 до 7,0 В;
— опорное напряжение (Vref): 2B;
— диапазон рабочих температур: от -20°С до +85°С;
— диапазон температур при хранении: от -40°С до + 150°С.
Микросхема SMA7029M (см. табл. 1, рис. 1) позволяет обеспечивать управление различными типами двигателей в различных режимах.

Рис. 2. Типовое включение на примере одного канала (В)

В каждом из режимов работы необходимо создавать различную последовательность входных управляющих сигналов. Данная микросхема может обеспечить работу шагового двигателя в режиме волнового управления (WAVE DRIVE). В этом режиме в каждый момент времени ток протекает только через одну из четырех фаз (рис. 3), т.е. открыт только один встроенный транзистор.

Для работы в этом режиме задействуются контакты (рис. 1), управляющие временем задержки (OFF DELAY), на которые подаются сигналы от инвертора с открытым коллектором, т.е. для управления двигателем на эти контакты при работе приходит импульсный цифровой сигнал. Встроенный транзистор, открываемый в данном режиме, определяется соотношением сигналов на входных контактах (INA, INB) и сигналов на контактах времени задержки (OFF DELAY A, OFF DELAY В). Соотношение всех этих сигналов для включения той или иной фазы двигателя приводится в табл. 2 («таблица истинности» для режима волнового управления).

Кроме того, двигатель может использоваться для управления двигателем в режиме полного шага (FULL STEP). В этом режиме в каждый момент времени ток протекает через две фазы, что соответствует шагу двигателя (рис. 4).

В данном режиме для совершения шага открыты два встроенных транзистора, находящихся в разных каналах микросхемы (канал А и канал В). Режим полного шага может управляться всего двумя управляющими сигналами на входе микросхемы: IN(A) и IN(B). Т.е. открываемый транзистор каждого канала определяется только уровнем сигнала на соответствующем контакте. Таблица истинности для режима полного шага отражена в табл. 3.

На контакты, управляющие временем задержки (ОРР DELAY) в этом режиме, подается напряжение постоянного тока, которое создается внешней цепью смещения (R3). Данную микросхему вполне можно приспособить и для применения в режиме полушага (HALF STEP), только для этого потребуется усложнить схему управления драйвером двигателя в SMA7029M.

Sla7029m схема управления шаговым двигателем

Драйвер управления шаговыми двигателями SMA7029M.

Шаговые двигатели являются одними из самых распространенных типов двигателей в приборах самого широкого применения. Эти двигатели можно встретить во всех типах копиров, в факсах, сканерах, МФУ, кассовых аппаратах и это перечисление можно продолжить.

«Классикой» среди микросхем управления шаговыми двигателями можно считать драйвер SMA7029M (рис. 1, 2). Параметры, особенности, построение и типовое включение этой микросхемы рассматриваются ниже. Микросхема SMA7029M обеспечивает возможность управления униполярными шаговыми двигателями различных типов: 4-х фазными и 2-х фазными. Микросхема позволяет управлять двигателями с высокой скоростью и обеспечивает, высокий КПД двигателя. Для переключения фаз используются встроенные полевые мощные транзисторы.

Компактное исполнение SMA7029M позволяет получать экономичный и технологически простой вариант схемы управления шаговым двигателем. Микросхема поддерживает работу с максимальным напряжением питания до 46В и имеет выходы, рассчитанные на высокие напряжения и большие токи. Встроенные полевые транзисторы, имеющие пробивное напряжение более 100В, позволяют обеспечить очень малое сопротивление цепи во включенном состоянии и очень высокую частоту переключения. В составе микросхемы имеются встроенные защитные диоды.

Микросхема SMA7029M обеспечивает регулировку величины тока через фазы шагового двигателя, а также обеспечивает защиту от превышения этого тока сверх заданного значения. Регулировка тока осуществляется методом широтно-импульсной модуляции — ШИМ (PWM). Величина тока задается путем выбора внешнего токового датчика, в качестве которого используется резистор с очень малым сопротивлением (менее 1 Ом). Кроме того, величина тока может быть задана выбором источника опорного напряжения, выбором делителя в цепи опорного напряжения, выбором параметров частотозадающей RC — цепи. RC-цепь позволяет ограничивать время паузы между импульсами. Все входы микросхемы совместимы с микропроцессорами и логикой на 5В.
Особенности микросхемы SMA7029M состоят в следующем:
— однокристальное построение, имеющее низкую стоимость;
— управление двигателем с напряжением до 46 В и током фаз до 3 А;
— применение третьего поколения встроенных высоковольтных полевых транзисторов;
— напряжение пробоя встроенных силовых транзисторов — 100В;
— малое сопротивление перехода сток-исток встроенных транзисторов в открытом состоянии;
— улучшенные характеристики встроенных защитных диодов;
— управление двигателями с однополярным питанием;
— обеспечение двух режимов управления двигателями: режима полного шага и режима полушага;
— встроенный высокоэффективный и высокоскоростной ШИМ;
— программирование тока фаз методом ШИМ;
— наличие двух каналов управления током фаз двигателя;
— малая рассеиваемая мощность;
— электрически изолированные контакты питания;
— входы, совместимые с микропроцессорами;
— отсутствие необходимости теплового радиатора.
Предельные параметры микросхемы:
— напряжение питания нагрузки (Vbb): 46B;
— выходное напряжение полевого транзистора (VDS): 100В;
— напряжение питания (Vcc): 46B;
— пиковый выходной ток (Ioutm): 3А (менее 100мкс);
— постоянный выходной ток (Iout): 1,5А;
— диапазон входных напряжений (Vin): от -0,3 до 7,0 В;
— опорное напряжение (Vref): 2B;
— диапазон рабочих температур: от -20°С до +85°С;
— диапазон температур при хранении: от -40°С до + 150°С.
Микросхема SMA7029M (см. табл. 1, рис. 1) позволяет обеспечивать управление различными типами двигателей в различных режимах.

Рис. 2. Типовое включение на примере одного канала (В)

В каждом из режимов работы необходимо создавать различную последовательность входных управляющих сигналов. Данная микросхема может обеспечить работу шагового двигателя в режиме волнового управления (WAVE DRIVE). В этом режиме в каждый момент времени ток протекает только через одну из четырех фаз (рис. 3), т.е. открыт только один встроенный транзистор.

Для работы в этом режиме задействуются контакты (рис. 1), управляющие временем задержки (OFF DELAY), на которые подаются сигналы от инвертора с открытым коллектором, т.е. для управления двигателем на эти контакты при работе приходит импульсный цифровой сигнал. Встроенный транзистор, открываемый в данном режиме, определяется соотношением сигналов на входных контактах (INA, INB) и сигналов на контактах времени задержки (OFF DELAY A, OFF DELAY В). Соотношение всех этих сигналов для включения той или иной фазы двигателя приводится в табл. 2 («таблица истинности» для режима волнового управления).

Кроме того, двигатель может использоваться для управления двигателем в режиме полного шага (FULL STEP). В этом режиме в каждый момент времени ток протекает через две фазы, что соответствует шагу двигателя (рис. 4).

В данном режиме для совершения шага открыты два встроенных транзистора, находящихся в разных каналах микросхемы (канал А и канал В). Режим полного шага может управляться всего двумя управляющими сигналами на входе микросхемы: IN(A) и IN(B). Т.е. открываемый транзистор каждого канала определяется только уровнем сигнала на соответствующем контакте. Таблица истинности для режима полного шага отражена в табл. 3.

На контакты, управляющие временем задержки (ОРР DELAY) в этом режиме, подается напряжение постоянного тока, которое создается внешней цепью смещения (R3). Данную микросхему вполне можно приспособить и для применения в режиме полушага (HALF STEP), только для этого потребуется усложнить схему управления драйвером двигателя в SMA7029M.

Владимир Рентюк, Запорожье, Украина

Часть 2. Схемотехника систем управления

Выше были рассмотрены наиболее важные общие вопросы использования шаговых двигателей, которые помогут в их освоении. Но, как гласит наша любимая украинская поговорка: «Не повірю поки не провірю» («Не поверю, пока не проверю»). Поэтому перейдем к практической стороне вопроса. Как уже отмечалось, шаговые двигатели – это удовольствие не из дешевых. Но они имеются в старых принтерах, считывателях гибких и лазерных дисков, например, SPM-20 (шаговый двигатель для позиционирования головки в дисководах 5″25 Mitsumi) или EM-483 (от принтера Epson Stylus C86), которые можно найти у себя в старом хламе или купить за копейки на радиобазаре. Примеры таких двигателей представлены на Рисунке 8.

а)	б)

Рисунок 8. Шаговые двигатели, используемые в устаревшей компьютерной технике.
а) Шаговый двигатель SPM-20 для позиционирования головки в
дисководах 5″25 Mitsumi. ( Фото с сайта).
б) Шаговый двигатель EM-483 от принтера Epson Stylus C86. (Фото с сайта).

Наиболее простыми для начального освоения являются униполярные двигатели. Причина кроется в простоте и дешевизне их драйвера управления обмотками. На Рисунке 9 приведена практическая схема драйвера, использованного автором статьи для униполярного шагового двигателя серии P542-M48 [6].

Рисунок 9.	Драйвер униполярного шагового двигателя. (Дополнительная информация по подключению на Рисунках 10 и 12).

Естественно, что выбор типа транзистора для ключей управления обмотками должен происходить с учетом максимального тока коммутации, а его подключение учитывать необходимость заряда/разряда емкости затвора. В ряде случаев прямое соединение MOSFET с ИМС коммутатора может быть недопустимым. Как правило, в затворах устанавливаются последовательно включенные резисторы небольших номиналов. Но в ряде случае необходимо предусмотреть еще и соответствующий драйвер для управления ключами, который обеспечит заряд/разряд их входной емкости. В некоторых решениях предлагается в качестве ключей использовать биполярные транзисторы. Это подходит только для очень маломощных двигателей с небольшим током обмоток. Для рассматриваемого двигателя с рабочим током обмоток I = 230 мА ток управления по базе ключа должен составить, по крайней мере, 15 мА (хотя для нормальной работы ключа необходимо, чтобы ток базы равнялся 1/10 рабочего, то есть 23 мА). Но такой ток от микросхем серии 74HCхх забрать невозможно, поэтому потребуются дополнительные драйверы. Как хороший компромисс, можно использовать IGBT, сочетающие в себе достоинства полевых и биполярных транзисторов.

С точки зрения автора статьи, самым оптимальным для управления коммутацией обмоток двигателей небольшой мощности является использование подходящих по току и сопротивлению открытого канала R_DC(ON) MOSFET, но с учетом рекомендаций, описанных выше. Мощность, рассеиваемая на ключах для выбранного в качестве примера двигателя серии P542-M48, при полной остановке ротора не превысит

P_VT = R_DC(ON) × I 2 = 0.25 × (0.230) 2 = 13.2 мВт.

Транзисторы IRLML2803 с R_DC(ON) = 0.25 Ом имеют допустимую мощность рассеяния 540 мВ и постоянный ток стока 0.93 А при температуре 70 °С. Так что, они полностью соответствуют требованиям и обеспечат надежную работу драйвера. В большинстве случаев, учитывая низкие частоты коммутации, проведенной выше оценки вполне достаточно. Поскольку детальное рассмотрение особенностей работы ключей не входит в рамки данной статьи, то для их выбора и полного расчета можно воспользоваться методикой, приведенной, например, в [7].

Еще одним важным моментов является правильный выбор так называемых снаберных диодов, шунтирующих обмотку двигателя (VD1…VD4 на Рисунке 9). Назначение этих диодов – гасить ЭДС самоиндукции, возникающую при выключении управляющих ключей. Если диоды выбраны неверно, то неизбежен выход из строя транзисторных ключей и устройства в целом. Обратите внимание, что в мощные MOSFET такие диоды, как правило, уже встроены.

Режим управления двигателем задается коммутатором. Как уже было отмечено выше, наиболее удобным и эффективным является управление с перекрытием фаз (Рисунок 4б). Такой режим легко реализуется при помощи триггеров. Практическая схема универсального коммутатора, который использовал автор статьи как в ряде отладочных модулей (в том числе, и с приведенным выше драйвером), так и для практических применений, приведена на Рисунке 10.

Рисунок 10.	Схема универсального коммутатора шагового двигателя (с реверсом).

Схема на Рисунке 10 пригодна для любых типов двигателей (униполярных и биполярных). Частота вращения двигателя задается внешним тактовым генератором (скважность любая), сигнал с которого подается на вход «ШАГИ», а направление вращения устанавливается через вход «НАПРАВЛЕНИЕ». Оба сигнала имеют логические уровни и, если для их формирования используются выходы с открытым коллектором, то потребуются соответствующие резисторы подтяжки (на Рисунке 10 они не показаны). Временная диаграмма работы коммутатора приведена на Рисунке 11.

Рисунок 11.	Временная диаграмма универсального коммутатора с реверсом. Верхние две осциллограммы – Q1 D2-2, Q2 D2-2; нижние две – Q1 D2-1, Q2 D2-1. Маркеры показывают область изменения очередности включения фаз.

Хочу обратить внимание читателей: в Интернете вы могли встретить похожую схему, выполненную не на D-триггерах, а на JK-триггерах. Будьте внимательны! В ряде этих схем допущена ошибка в подключении ИМС. Если нет необходимости в реверсе, то схема коммутатора может быть значительно упрощена (см. Рисунок 12), при этом частота вращения останется неизменной, а диаграмма управления будет аналогичной той, которая приведена на Рисунке 11 (осциллограммы до переключения очередности фаз).

Рисунок 12.	Упрощенная схема коммутатора шагового двигателя (без реверса).

Поскольку особых требований к сигналу «ШАГИ» не предъявляется, для его формирования может использоваться любой подходящий по уровням выходного сигнала генератор. Для своих отладочных модулей автор использовал генератор на базе ИМС таймера 555 (Рисунок 13).

Рисунок 13.	Регулируемый генератор импульсов для коммутатора шагового двигателя.

Для питания собственно двигателя можно использовать схему, приведенную на Рисунке 14, а схему коммутатора и генератора питать или от отдельного источника питания +5 В или через дополнительный маломощный стабилизатор. Земли силовой и сигнальной частей в любом случае необходимо разделить.

Рисунок 14.	Схема питания шагового двигателя с режимами удержания и выключения.

Схема на Рисунке 14 обеспечивает подачу двух стабильных по уровню напряжений для питания обмоток двигателя: 12 В в рабочем режиме и 6 В в режиме удержания. (Формулы, необходимые для расчета выходного напряжения, приведены в [8]). Рабочий режим включается подачей высокого логического уровня на контакт «ТОРМОЗ» разъема Х1. Допустимость снижения напряжения питания определяется тем, что, как уже отмечалось в первой части статьи, момент удержания шаговых двигателей превышает момент вращения. Так, для рассматриваемого двигателя P542-M48 момент удержания с редуктором 25:6 равен 19.8 Н·см, а момент вращения всего 6 Н·см. Этот подход позволяет при остановке двигателя уменьшить потребление мощности с 5.52 Вт до 1.38 Вт! Полное отключение двигателя осуществляется подачей высокого логического уровня на контакт «ВКЛ/ВЫКЛ» разъема Х1.

Если схема управления имеет выход на транзисторах с открытым коллектором, то в ключах VT1, VT2 необходимости нет, и выходы можно подключить непосредственно вместо упомянутых ключей.

Примечание: В этом варианте использование резисторов подтяжки недопустимо!

В качестве дросселя автор использовал катушку SDR1006-331K (Bourns). Общее питание формирователя напряжения для обмоток двигателя можно уменьшить до 16 – 18 В, что не скажется на его работе. Еще раз обращаю внимание: при самостоятельном расчете не забудьте учитывать, что формирователь обеспечивает режим с перекрытием фаз, то есть необходимо закладываться на номинальный ток схемы питания, равный удвоенному максимальному току обмоток при выбранном напряжении питания.

Задача управления биполярными двигателями более сложна. Основная проблема в драйвере. Для этих двигателей требуется драйвер мостового типа, и делать его, тем более в современных условиях, на дискретных элементах – неблагодарная задача. Да, этого и не требуется, так как имеется очень большой выбор специализированных ИМС. Все эти ИМС условно можно свести к двум типам. Первый – весьма популярная у любителей робототехники ИМС L293D STMicroelectronics [9] или ее варианты от Texas Instruments. Они относительно недороги и подходят для управления маломощными двигателями с током обмоток до 600 мА. ИМС имеют защиту от перегрева; устанавливать ее необходимо с обеспечением теплоотвода, которым служит фольга печатной платы [9]. Второй тип – это уже знакомая читателям по публикации в [1] ИМС LMD18245 [2].

Автор использовал драйвер L293DD в схеме для управления биполярным двигателем малой мощности типа 20M020D2B 12 В/0.1 А во время изучения проблемы использования шаговых двигателей. Этот драйвер удобен тем, что содержит четыре полумостовых ключа, поэтому для управления биполярным шаговым двигателем требуется всего одна ИМС. Полная схема, приведенная в [10] и многократно повторенная на интернет-сайтах, пригодна для использования в качестве тестовой платы. На Рисунке 15 показано включение ИМС драйвера (с привязкой к коммутатору из Рисунка 10), поскольку именно эта часть сейчас представляет для нас интерес, а Figure 6 (Bipolar Stepping-Motor Control) из спецификации [9] не совсем понятна начинающему пользователю. Она вводит в заблуждение, например, тем, что показаны внешние диоды, которые на самом деле встроены в ИМС и прекрасно справляются с обмотками маломощных двигателей. Естественно, что драйвер L293D может работать с любым коммутатором. Выключается драйвер логическим нулем по входу R.

Примечание: ИМС L293, в зависимости от изготовителя и суффиксов, указывающих на тип корпуса, имеют различия в нумерации и количестве выводов!

Рисунок 15.	Схема подключения драйвера L293DD.

Для более мощных двигателей автор статьи использовал драйверы LMD18245. Полная схема тестового модуля приведена на Рисунке 16.

Рисунок 16.	Схема управления биполярным шаговым двигателем с использованием драйвера LMD18245.

В отличие от L293DD, LMD18245 является не четырех-, а двухканальным драйвером, поэтому для реализации схемы управления требуются две ИМС. Драйвер LMD18245 выполнен по DMOS технологии, содержит схемы защиты от перегрева, короткого замыкания и выполнен в удобном 15-выводном корпусе ТО-220, что позволяет легко отводить от его корпуса излишнее тепло. В качестве задающего генератора использовалась схема, приведенная ранее на Рисунке 13, но с увеличенным до 4.7 кОм сопротивлением резистора R2. Для подачи одиночных импульсов используется кнопка BH1, позволяющая сдвинуть ротор двигателя на один шаг. Направление вращения ротора определяется положением переключателя S1. Включение и выключение двигателя осуществляется выключателем S2. В положение «ВЫКЛ» ротор двигателя освобождается, и его вращение импульсами управления становится невозможным. Режим удержания уменьшает максимальный ток, потребляемый обмотками двигателя, с двух до одного ампера. Если импульсы управления не подаются, то ротор двигателя остается в зафиксированном положении с пониженной вдвое мощностью потребления. Если же импульсы подаются, то вращение двигателя в этом режиме осуществляется с пониженным на малых скоростях вращения моментом. Необходимо заметить, что поскольку при полношаговом управлении «two-phase-on» включены обе обмотки, ток двигателя удваивается, а схема драйвера должна рассчитываться исходя из требований обеспечения заданного тока двух обмоток (резисторы R3, R8).

Схема содержит описанный ранее двунаправленный двухфазовый формирователь на D-триггерах (Рисунок 10). Максимальный ток драйвера задается резистором, включенным в цепь контакта 13 ИМС LMD18245 (резисторы R3, R8), и двоичным кодом на контактах цепи управления тока (выводы 8, 7, 6, 4). Формула для расчета максимального тока приведена в спецификации на драйвер [2]. Ограничение тока осуществляется импульсным методом. При достижении максимально заданной величины тока выполняется его «нарезка» («chopping»). Параметры этой «нарезки» задаются параллельной RC цепочкой, подключенной к выводу 3 драйвера. Достоинством ИМС LMD18245 является то, что токозадающий резистор, не включенный непосредственно в цепь двигателя, имеет достаточно большой номинал и маленькую рассеиваемую мощность. Для рассматриваемой схемы максимальный ток в амперах, согласно приведенной в [2] формуле, составляет:

V_{DAC REF} – опорное напряжение ЦАП (в рассматриваемой схеме 5 В);
D – задействованные разряды ЦАП (в этом режиме используются все 16 разрядов);
R_S – сопротивление токоограничивающего резистора (R3 = R8 = 10 кОм).

Соответственно, в режиме удержания (поскольку используются 8 разрядов ЦАП), максимальный ток составит 1 А.

В заключение необходимо отметить, что драйвер LMD18245 позволяет реализовать и микрошаговое управление. Как упоминалось выше, такой режим уменьшает, и даже подавляет паразитный резонанс ротора. Поддержка такого режима для указанного драйвера осуществляется микропроцессором, управляющим входами ЦАП.

Как можно видеть из предложенной статьи, шаговые двигатели хоть и сложнее в управлении, чем коллекторные, но не настолько, чтобы отказываться от них. Как говорили еще древние римляне: «Дорогу осилит идущий». Естественно, что на практике для многих приложений управление шаговыми двигателями целесообразно делать на основе микроконтроллеров, которые легко сформируют нужные команды для драйверов и выполнят роль коммутаторов. Дополнительную информацию и более детальное рассмотрение проблем, связанных с применением шаговых двигателей, кроме как по упомянутым выше ссылкам [3, 4, 7], можно почерпнуть из ставшей уже классикой монографии Кенио Такаши [11] и на специализированных интернет-сайтах, например, [12].

Есть еще один момент, на который автор статьи хотел бы обратить внимание читателей. Шаговые двигатели, как впрочем, и все двигатели постоянного тока, обратимы. Что имеется ввиду? Если приложить внешнее вращающее усилие к ротору, то с обмоток статора можно снять ЭДС, то есть двигатель становится генератором, причем весьма и весьма эффективным. Автор статьи экспериментировал с этим вариантом использования шаговых двигателей во время работы консультантом по силовой электронике в компании, занимающейся ветроэнергетикой. Необходимо было на простых макетах отработать ряд практических решений. По наблюдению автора статьи, эффективность шагового двигателя в таком применении была выше, чем у аналогичного по параметрам и габаритам коллекторного двигателя постоянного тока. Но это уже другая история.

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

• В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
• Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
• Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
• Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
• Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
• Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
• Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
• Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

• Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
• Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
• Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
• Сложности управления из-за особенности схемы

Устройство и принцип работы

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора. Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от 5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом

Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси. Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс или серию импульсов в определенной последовательности. В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата. При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

• Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
• Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
• При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
• При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
• Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
• Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Популярные схемы управления ШД

Является одним из наиболее помехозащищенных способов работы. При этом прямой и инверсный сигнал напрямую подключается к соответствующим полюсам. В такой схемы должно применяться экранирование сигнального проводника. Прекрасно подходит для нагрузки с низкой мощностью.

Схема управления от контроллера с выходом типа «открытый коллектор»

В данной схеме происходит объединение положительных вводов контроллера, которые подключаются к положительному полюсу. В случае питания выше 9В требуется включение в схему специального резистора для ограничения тока. Позволяет задавать необходимое количество шагов со строго установленной скоростью, определить ускорение и т.д.

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль) происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному USB порту.