Motoarele pas cu pas au fost folosite de multă vreme cu succes într-o mare varietate de dispozitive. Acestea pot fi găsite în unități de disc, imprimante, plotere, scanere, faxuri, precum și într-o varietate de echipamente industriale și speciale. În prezent, multe tipuri diferite de motoare pas cu pas sunt produse pentru toate ocaziile. Cu toate acestea, alegerea tipului potrivit de motor este încă jumătate din luptă. Este la fel de important să alegeți circuitul corect de driver și algoritmul de funcționare al acestuia, care este adesea determinat de programul microcontrolerului. Scopul acestui articol este de a sistematiza informații despre proiectarea motoarelor pas cu pas, cum să le controlăm, circuitele driverului și algoritmii. Ca exemplu, este oferită o implementare practică a unui driver de motor pas cu pas simplu și ieftin bazat pe un microcontroler AVR.

Ce s-a întâmplat motor pas cu pas, și de ce este nevoie?

Un motor pas cu pas este un dispozitiv electromecanic care convertește impulsurile electrice în mișcări mecanice discrete. Deci, poate, este posibil să se dea o definiție strictă. Probabil, toată lumea a văzut cum arată un motor pas cu pas la exterior: practic nu este diferit de alte tipuri de motoare. Cel mai adesea este un corp rotund, un arbore, mai multe cabluri (Fig. 1).

Orez. unu. Aspect motoare pas cu pas din familia DSHI-200.

Cu toate acestea, motoarele pas cu pas au unele proprietăți unice ceea ce le face uneori extrem de comode de utilizat sau chiar indispensabile.

Cât de bun este un motor pas cu pas?

• unghiul de rotație al rotorului este determinat de numărul de impulsuri care se aplică motorului
• motorul oferă cuplu complet în modul de oprire (dacă înfășurările sunt alimentate)
• poziționare de precizie și repetabilitate. Motoarele pas cu pas bune au o precizie de 3-5% din dimensiunea pasului. Această eroare nu se acumulează de la pas la pas
• capacitate de pornire/oprire/inversare rapidă
• fiabilitate ridicată datorită absenței periilor, durata de viață a motorului pas cu pas este determinată de fapt de durata de viață a rulmenților
• dependenţa neechivocă a poziţiei de impulsurile de intrare asigură poziţionarea fără feedback
• posibilitatea de a obține viteze de rotație foarte mici pentru o sarcină atașată direct la arborele motorului fără cutie de viteze intermediară
• poate fi acoperită o gamă destul de largă de viteze, viteza este proporțională cu frecvența impulsurilor de intrare

Dar nu totul este atât de bun...

• fenomenul de rezonanță inerent al motorului pas cu pas
• posibilă pierdere a controlului poziției din cauza funcționării în buclă deschisă
• consumul de energie nu scade nici măcar fără sarcină
• greu de lucrat la viteze mari
• densitate redusă de putere
• schema de control relativ complexa

Ce sa aleg?

Motoarele pas cu pas aparțin clasei motoarelor fără perii curent continuu. Ca orice motor fără perii, ele sunt foarte fiabile și au o durată de viață lungă, făcându-le potrivite pentru aplicații critice, cum ar fi aplicațiile industriale. În comparație cu motoarele de curent continuu convenționale, motoarele pas cu pas necesită circuite de control mult mai complexe pentru a efectua toată comutarea înfășurărilor atunci când motorul este în funcțiune. În plus, motorul pas cu pas în sine este un dispozitiv costisitor, așa că acolo unde nu este necesară o poziționare precisă, motoarele convenționale cu perii au un avantaj distinct. Pentru a fi corect, trebuie remarcat faptul că recent controlerele sunt din ce în ce mai folosite pentru a controla motoarele colectoarelor, care practic nu sunt inferioare ca complexitate controlerelor de motoare pas cu pas.

Unul dintre principalele avantaje ale motoarelor pas cu pas este capacitatea de a efectua poziționarea precisă și controlul vitezei fără un senzor de feedback. Acest lucru este foarte important, deoarece astfel de senzori pot costa mult mai mult decât motorul în sine. Cu toate acestea, acest lucru este potrivit doar pentru sistemele care funcționează la accelerație scăzută și cu o sarcină relativ constantă. În același timp, sistemele de feedback sunt capabile să funcționeze cu accelerații mari și chiar cu o natură variabilă a sarcinii. Dacă sarcina motorului pas cu pas depășește cuplul său, atunci informațiile despre poziția rotorului se pierd și sistemul necesită o bază folosind, de exemplu, un comutator de limită sau alt senzor. Sistemele de feedback nu au acest dezavantaj.

Când proiectați sisteme specifice, trebuie să alegeți între un servomotor și un motor pas cu pas. Când sunt necesare poziționări precise și control precis al vitezei, iar cuplul și viteza necesare sunt în limite acceptabile, un motor pas cu pas este soluția cea mai economică. Ca și în cazul motoarelor convenționale, un reducător poate fi folosit pentru a crește cuplul. Cu toate acestea, o cutie de viteze nu este întotdeauna potrivită pentru motoarele pas cu pas. Spre deosebire de motoarele cu perii, unde cuplul crește odată cu viteza, un motor pas cu pas are mai mult cuplu la viteze mici. În plus, motoarele pas cu pas au o viteză maximă mult mai mică în comparație cu motoarele colectoare, ceea ce limitează raportul de transmisie maxim și, în consecință, creșterea cuplului folosind o cutie de viteze. Motoarele pas cu pas gata făcute cu cutii de viteze, deși există, sunt exotice. Un alt fapt care limitează utilizarea cutiei de viteze este reacția sa inerentă.

Capacitatea de a atinge viteze reduse este adesea motivul pentru care dezvoltatorii, nefiind capabili să proiecteze o cutie de viteze, folosesc inutil de des motoare pas cu pas. În același timp, motorul comutatorului are o putere specifică mai mare, un cost redus, o schemă de control simplă și împreună cu o singură treaptă unelte melcate este capabil să ofere același interval de viteză ca un motor pas cu pas. În plus, aceasta oferă un cuplu mult mai mare. Unitățile bazate pe motoare colectoare sunt foarte des folosite în tehnologia militară, iar acest lucru indică indirect parametri buniși fiabilitatea ridicată a acestor unități. Și în aparatele electrocasnice moderne, mașinile, echipamentele industriale, motoarele colectoare sunt destul de comune. Cu toate acestea, motoarele pas cu pas au propriul domeniu de aplicare, deși destul de restrâns, unde sunt indispensabile.

Tipuri de motoare pas cu pas

Există trei tipuri principale de motoare pas cu pas:

• motoare cu reluctanta variabila
• motoare cu magnet permanent
• motoare hibride

Puteți determina chiar și tipul de motor prin atingere: atunci când arborele unui motor cu magnet permanent (sau hibrid) dezactivat se rotește, se simte o rezistență variabilă la rotație, motorul se rotește ca și cum ar fi cu clicuri. În același timp, arborele unui motor cu reluctanță variabilă dezactivat se rotește liber. Motoarele hibride reprezintă o dezvoltare ulterioară a motoarelor cu magnet permanenți și nu diferă de acestea prin modul în care sunt controlate. De asemenea, puteți determina tipul de motor prin configurația înfășurărilor. Motoarele cu reluctanță variabilă au de obicei trei (mai rar patru) înfășurări cu un terminal comun. Motoarele cu magnet permanenți au cel mai adesea două înfășurări independente. Aceste înfășurări pot avea robinete din mijloc. Uneori, motoarele cu magnet permanenți au 4 înfășurări separate.

Într-un motor pas cu pas, cuplul este generat de fluxurile magnetice ale statorului și rotorului, care sunt orientate corespunzător unul față de celălalt. Statorul este realizat din material cu permeabilitate ridicată și are mai mulți poli. Un pol poate fi definit ca o anumită zonă a unui corp magnetizat în care este concentrat câmpul magnetic. Polii au atât un stator, cât și un rotor. Pentru a reduce pierderile de curent turbionar, circuitele magnetice sunt asamblate din plăci separate, similare cu miezul unui transformator. Cuplul este proporțional cu mărimea câmpului magnetic, care este proporțional cu curentul din înfășurare și cu numărul de spire. Astfel, cuplul depinde de parametrii înfășurărilor. Dacă cel puțin o înfășurare a motorului pas cu pas este alimentată, rotorul ia o anumită poziție. Va fi în această poziție până când momentul extern aplicat depășește o anumită valoare, numită moment de reținere. După aceea, rotorul se va întoarce și va încerca să ia una dintre următoarele poziții de echilibru.

Motoare cu reluctanta variabila

Motoarele pas cu pas cu rezistență magnetică variabilă au mai mulți poli pe stator și un rotor în formă de roată din material magnetic moale (Fig. 2). Magnetizarea rotorului este absentă. Pentru simplitate, în figură rotorul are 4 dinți, iar statorul are 6 poli. Motorul are 3 înfășurări independente, fiecare înfășurată pe doi poli statori opuși. Un astfel de motor are un pas de 30 de grade.

Orez. 2. Motor cu rezistență magnetică variabilă.

Când curentul este pornit într-una dintre bobine, rotorul tinde să ia o poziție când fluxul magnetic este închis, adică. dintii rotorului vor fi opusi acelor poli pe care se afla infasurarea sub tensiune. Dacă apoi opriți această înfășurare și porniți următoarea, rotorul își va schimba poziția, închizând din nou fluxul magnetic cu dinții. Astfel, pentru a efectua rotația continuă, este necesar să porniți fazele alternativ. Motorul nu este sensibil la direcția curentului din înfășurări. Un motor adevărat poate avea mai mulți poli de stator și mai mulți dinți de rotor, corespunzând la mai mulți pași pe rotație. Uneori suprafata fiecarui pol stator este dintata, care, impreuna cu dintii corespunzatori ai rotorului, asigura un unghi de pas foarte mic, de ordinul catorva grade. Motoarele cu reluctanta variabila sunt rareori folosite in aplicatii industriale.

Motoare cu magnet permanent

Motoarele cu magnet permanenți constau dintr-un stator care are înfășurări și un rotor care conține magneți permanenți (Figura 3). Polii alternanți ai rotorului au formă rectilinie și sunt paraleli cu axa motorului. Datorită magnetizării rotorului, astfel de motoare asigură un flux magnetic mai mare și, ca urmare, un cuplu mai mare decât motoarele cu rezistență magnetică variabilă.

Orez. 3. Motor cu magnet permanent.

Motorul prezentat în figură are 3 perechi de poli rotor și 2 perechi de poli stator. Motorul are 2 înfășurări independente, fiecare fiind înfășurată pe doi poli statori opuși. Un astfel de motor, ca și motorul cu rezistență magnetică variabilă considerată mai devreme, are o dimensiune a pasului de 30 de grade. Când curentul este pornit într-una dintre bobine, rotorul tinde să ia o poziție în care polii opuși ai rotorului și ai statorului sunt opuși unul altuia. Pentru a implementa rotația continuă, trebuie să porniți fazele alternativ. În practică, motoarele cu magnet permanenți au de obicei 48 - 24 de trepte pe rotație (unghi de trepte 7,5 - 15 grade).

O secțiune a unui motor pas cu magnet permanent real este prezentată în fig. 4.

Orez. 4. Secțiunea unui motor pas cu magneți permanenți.

Pentru a reduce costul proiectării motorului, circuitul magnetic al statorului este realizat sub formă de sticlă ștanțată. În interior sunt piese de stâlp sub formă de lamele. Înfășurările de fază sunt plasate pe două circuite magnetice diferite, care sunt instalate unul deasupra celuilalt. Rotorul este un magnet permanent cilindric multipolar.

Motoarele cu magnet permanenți sunt supuse EMF pe partea din spate a rotorului, care limitează viteza maximă. Motoarele cu reluctanță variabilă sunt utilizate pentru funcționarea cu viteză mare.

motoare hibride

Motoarele hibride sunt mai scumpe decât motoarele cu magnet permanenți, dar oferă pași mai mici, mai mult cuplu și viteze mai mari. Numărul tipic de pași pe rotație pentru motoarele hibride este între 100 și 400 (unghi de pas 3,6 - 0,9 grade). Motoarele hibride combină cele mai bune caracteristici ale motoarelor cu reluctanță variabilă și cu magnet permanenți. Rotorul unui motor hibrid are dinții dispuși pe direcție axială (Fig. 5).

Orez. 5. Motor hibrid.

Rotorul este împărțit în două părți, între care se află un magnet permanent cilindric. Astfel, dinții jumătății superioare a rotorului sunt polii nordici, iar dinții jumătății inferioare sunt sudul. În plus, jumătățile superioare și inferioare ale rotorului sunt rotite una față de alta cu jumătate din unghiul de pas al dinților. Numărul de perechi de poli rotori este egal cu numărul de dinți de pe una dintre jumătățile sale. Piesele polare dintate ale rotorului, ca și statorul, sunt asamblate din plăci separate pentru a reduce pierderile de curenți turbionari. Statorul motorului hibrid este de asemenea dintat, oferind un număr mare de poli echivalenti, spre deosebire de polii principali unde sunt amplasate înfășurările. De obicei, 4 poli principali sunt utilizați pentru 3,6 grade. motoare și 8 poli principali pentru 1,8 și 0,9 grade. motoare. Dinții rotorului oferă mai puțină rezistență circuitului magnetic în anumite poziții ale rotorului, ceea ce îmbunătățește cuplul static și dinamic. Acest lucru este asigurat de aranjarea adecvată a dinților, atunci când o parte a dinților rotorului este strict opusă dinților statorului și o parte este între aceștia. Relația dintre numărul de poli ai rotorului, numărul de poli echivalenti ai statorului și numărul de faze determină unghiul de pas S al motorului:

S \u003d 360 / (Nph * Ph) \u003d 360 / N,

unde Nph - numărul de poli echivalenți pe fază = numărul de poli ai rotorului,
Ph - numărul de faze,
N este numărul total de poli pentru toate fazele împreună.

Rotorul motorului prezentat în figură are 100 de poli (50 de perechi), motorul are 2 faze, deci numărul total de poli este de 200, iar pasul, respectiv, este de 1,8 grade.

Secțiunea longitudinală a motorului pas cu pas hibrid este prezentată în fig. 6. Săgețile arată direcția fluxului magnetic magnet permanent rotor. O parte a fluxului (prezentat ca o linie neagră în figură) trece prin piesele polare ale rotorului, prin golurile de aer și prin piesa polară a statorului. Această parte nu este implicată în crearea momentului.

Orez. 6. Secțiunea longitudinală a unui motor pas cu pas hibrid.

După cum se poate observa în figură, golurile de aer de la piesele polare superioare și inferioare ale rotorului sunt diferite. Acest lucru se realizează prin rotirea pieselor polare cu jumătate din pasul dinților. Prin urmare, există un alt circuit magnetic care conține goluri minime de aer și, ca urmare, are o rezistență magnetică minimă. O altă parte a fluxului se închide de-a lungul acestui circuit (prezentată în figură printr-o linie albă întreruptă), care creează momentul. O parte a lanțului se află într-un plan perpendicular pe figură, prin urmare nu este prezentată. În același plan, se creează fluxul magnetic al bobinei statorului. Într-un motor hibrid, acest flux este parțial închis de piesele polare ale rotorului, iar magnetul permanent îl „vede” slab. Prin urmare, spre deosebire de motoarele de curent continuu, magnetul motorului hibrid nu poate fi demagnetizat la nici un curent de înfășurare.

Distanța dintre dinții rotorului și stator este foarte mică - de obicei 0,1 mm. Acest lucru necesită o precizie ridicată în timpul asamblarii, astfel încât motorul pas cu pas nu trebuie dezasamblat de dragul satisfacerii curiozității, altfel durata sa de viață se poate termina acolo.
Pentru ca fluxul magnetic să nu se închidă prin arborele, care trece în interiorul magnetului, acesta este realizat din clase de oțel nemagnetice. Ele sunt de obicei foarte casante, așa că un arbore, în special un diametru mic, trebuie manipulat cu grijă.

Pentru a obtine momente mari este necesara cresterea atat a campului creat de stator cat si a campului magnetului permanent. Acest lucru necesită un diametru mai mare al rotorului, ceea ce înrăutățește raportul dintre cuplu și momentul de inerție. Prin urmare, motoarele pas cu pas puternice sunt uneori realizate structural din mai multe secțiuni sub formă de ceva. Cuplul și momentul de inerție cresc proporțional cu numărul de secțiuni, iar raportul lor nu se deteriorează.

Există și alte modele de motoare pas cu pas. De exemplu, motoare cu un rotor magnetizat cu disc. Astfel de motoare au un mic moment de inerție al rotorului, care este important în unele cazuri.

Majoritatea motoarelor pas cu pas moderne sunt hibride. De fapt motor hibrid este un motor cu magnet permanent, dar cu un număr mare de poli. Conform metodei de control, astfel de motoare sunt aceleași, doar astfel de motoare vor fi luate în considerare în continuare. Cel mai adesea, în practică, motoarele au 100 sau 200 de trepte pe rotație, respectiv, treapta este de 3,6 grade sau 1,8 grade. Majoritatea controlerelor permit jumătate de pas, unde acest unghi este jumătate, iar unele controlere oferă micropasare.

Motoare pas cu pas bipolare și unipolare

În funcție de configurația înfășurărilor, motoarele sunt împărțite în bipolare și unipolare. Un motor bipolar are o înfășurare în fiecare fază, care trebuie inversată de către driver pentru a schimba direcția câmpului magnetic. Acest tip de motor necesită un driver de punte sau un driver de jumătate de punte cu alimentare dublă. În total, motorul bipolar are două înfășurări și, în consecință, patru ieșiri (Fig. 7a).

Orez. 7. Motor bipolar (a), unipolar (b) și cu patru înfășurări (c).

Un motor unipolar are, de asemenea, o înfășurare în fiecare fază, dar se face un robinet din mijlocul înfășurării. Acest lucru face posibilă schimbarea direcției câmpului magnetic creat de înfășurare prin simpla comutare a jumătăților înfășurării. Acest lucru simplifică foarte mult circuitul driverului. Șoferul ar trebui să aibă doar 4 chei simple. Astfel, într-un motor unipolar, se folosește un mod diferit de schimbare a direcției câmpului magnetic. Bornele din mijloc ale înfășurărilor pot fi combinate în interiorul motorului, astfel încât un astfel de motor poate avea 5 sau 6 borne (Fig. 7b). Uneori, motoarele unipolare au 4 înfășurări separate, din acest motiv sunt numite în mod eronat motoare cu 4 faze. Fiecare înfășurare are cabluri separate, deci sunt 8 fire în total (Fig. 7c). Cu o conexiune adecvată a înfășurărilor, un astfel de motor poate fi utilizat ca unipolar sau bipolar. Un motor unipolar cu două înfășurări și robinete poate fi, de asemenea, utilizat în modul bipolar dacă robinetele sunt lăsate neconectate. În orice caz, curentul de înfășurare trebuie ales astfel încât să nu depășească puterea disipată maximă.

Bipolar sau unipolar?

Dacă comparăm motoarele bipolare și unipolare, atunci bipolarul are o densitate de putere mai mare. Pentru aceeași dimensiune, motoarele bipolare oferă mai mult cuplu.

Momentul creat de motorul pas cu pas este proporțional cu mărimea câmpului magnetic creat de înfășurările statorului. Modul de creștere a câmpului magnetic este creșterea curentului sau a numărului de spire ale înfășurărilor. O limitare naturală la creșterea curentului înfășurărilor este pericolul de saturație a miezului de fier. Cu toate acestea, în practică, această limitare este rareori aplicată. Mult mai semnificativă este limitarea încălzirii motorului din cauza pierderilor ohmice în înfășurări. Doar acest fapt demonstrează unul dintre avantajele motoarelor bipolare. Într-un motor unipolar, doar jumătate din înfășurări sunt utilizate la un moment dat. Cealaltă jumătate ocupă pur și simplu spațiu în fereastra miezului, ceea ce obligă înfășurările să fie realizate cu sârmă de diametru mai mic. În același timp, toate înfășurările funcționează întotdeauna într-un motor bipolar, adică utilizarea lor este optimă. Într-un astfel de motor, secțiunea transversală a înfășurărilor individuale este de două ori mai mare, iar rezistența ohmică este, în consecință, jumătate mai mare. Acest lucru face posibilă creșterea curentului de două ori cu aceleași pierderi, ceea ce oferă un câștig în cuplu de aproximativ 40%. Dacă nu este necesar un cuplu crescut, un motor unipolar vă permite să reduceți dimensiunea sau pur și simplu să lucrați cu mai puține pierderi. În practică, totuși, motoarele unipolare sunt adesea folosite, deoarece necesită circuite de control a înfășurării mult mai simple. Acest lucru este important dacă driverele sunt implementate pe componente discrete. În prezent, există microcircuite de driver specializate pentru motoare bipolare, folosind care driverul nu este mai dificil decât pentru un motor unipolar. De exemplu, acestea sunt cipuri L293E, L298N sau L6202 de la SGS-Thomson, PBL3770, PBL3774 de la Ericsson, NJM3717, NJM3770, NJM3774 de la JRC, A3957 de la Allegro, LMD18T245 de la National Semiconductor.

Diagrame, diagrame...

Există mai multe moduri de a controla fazele unui motor pas cu pas.

Prima metodă este furnizată prin comutarea alternantă a fazelor, în timp ce acestea nu se suprapun, doar o fază este pornită la un moment dat (Fig. 8a). Această metodă se numește „o fază activată” pas complet sau modul de acționare cu val. Punctele de echilibrare ale rotorului pentru fiecare pas sunt aceleași cu punctele de echilibrare ale rotorului „naturale” ale unui motor nealimentat. Dezavantajul acestei metode de control este că pentru un motor bipolar se folosesc 50% din înfășurări în același timp, iar pentru un motor unipolar doar 25%. Aceasta înseamnă că cuplul complet nu poate fi obținut în acest mod.

Orez. 8. Diverse moduri de a controla fazele motorului pas cu pas.

A doua modalitate este controlul suprapus al fazelor: două faze sunt pornite în același timp. Se numește „în două faze” pas complet sau pur și simplu mod pas complet. Cu această metodă de control, rotorul este fixat în poziții intermediare între polii statorului (Fig. 8b) și asigură cu aproximativ 40% mai mult cuplu decât în ​​cazul unei singure fază. Această metodă de control oferă același unghi de pas ca prima metodă, dar poziția punctelor de echilibru a rotorului este deplasată cu o jumătate de pas.

Cel de-al treilea mod este o combinație a primelor două și se numește mod de jumătate de pas, „una și două faze-pornit” jumătate de pas sau pur și simplu mod de jumătate de pas, când motorul face un pas în jumătate din cel principal. Această metodă de control este destul de comună, deoarece un motor cu pas mai mic costă mai mult și este foarte tentant să obțineți 200 de pași pe rotație de la un motor cu 100 de pași. La fiecare al doilea pas este alimentată doar o fază, iar în alte cazuri două sunt alimentate (Fig. 8c). Ca rezultat, deplasarea unghiulară a rotorului este jumătate din unghiul de pas pentru primele două metode de control. Pe lângă reducerea dimensiunii pasului, această metodă de control vă permite să scăpați parțial de fenomenul de rezonanță. În mod obișnuit, jumătate de pas nu oferă un cuplu complet, deși cei mai avansați șoferi implementează un mod de jumătate de pas modificat în care motorul oferă un cuplu aproape complet fără a depăși valoarea nominală de disipare a puterii.

O altă metodă de control se numește modul micropasare sau modul micro pas. Cu această metodă de control, curentul din faze trebuie schimbat în pași mici, asigurându-se astfel că jumătatea de treaptă este împărțită în micropași și mai mici. Când două faze sunt pornite în același timp, dar curenții lor nu sunt egali, atunci poziția de echilibru a rotorului nu se va afla la mijlocul treptei, ci într-un loc diferit, determinat de raportul curenților de fază. Prin modificarea acestui raport, este posibil să se furnizeze un anumit număr de micropași într-un singur pas. Pe lângă creșterea rezoluției, micropasul are și alte avantaje, care vor fi descrise mai jos. În același timp, pentru a implementa modul microstep, sunt necesare drivere mult mai complexe, care fac posibilă setarea curentului în înfășurări cu discretitatea necesară. Modul de jumătate de pas este un caz special al modului de micropas, dar nu necesită formarea unui curent de alimentare a bobinei în trepte, prin urmare este adesea implementat.

Ține-l!

În modul pas complet cu două faze activate, pozițiile punctelor de echilibru ale rotorului sunt deplasate cu jumătate de treaptă. Trebuie remarcat faptul că rotorul ia aceste poziții atunci când motorul funcționează, dar poziția rotorului nu poate rămâne neschimbată după ce curentul de înfășurare este oprit. Prin urmare, atunci când motorul este pornit și oprit, rotorul se va deplasa cu o jumătate de pas. Pentru ca acesta să nu se miște atunci când este oprit, este necesar să se aplice un curent de menținere înfășurărilor. Același lucru este valabil și pentru modurile semi-pas și micropas. Trebuie remarcat faptul că, dacă rotorul motorului s-a rotit în starea oprită, atunci când alimentarea este pornită, rotorul poate fi deplasat cu mai mult de jumătate de pas.

Curentul de menținere poate fi mai mic decât curentul nominal, deoarece un motor cu rotor fix de obicei nu necesită mult cuplu. Cu toate acestea, există aplicații în care motorul trebuie să ofere un cuplu complet atunci când este oprit, ceea ce este posibil cu un motor pas cu pas. Această proprietate a motorului pas cu pas permite în astfel de situații să se facă fără mecanică sisteme de frânare. Deoarece driverele moderne vă permit să reglați alimentarea cu curent a înfășurărilor motorului, setarea curentului de menținere necesar nu este de obicei o problemă. Provocarea este de obicei pur și simplu suportul software adecvat pentru microcontrolerul de control.

modul de jumătate de pas

Principiul de bază al unui motor pas cu pas este crearea unui câmp magnetic rotativ care face ca rotorul să se rotească. Câmpul magnetic rotativ este creat de stator, ale cărui înfășurări sunt alimentate corespunzător.

Pentru un motor cu o înfășurare alimentată, dependența cuplului de unghiul de rotație al rotorului față de punctul de echilibru este aproximativ sinusoidală. Această relație pentru un motor cu două înfășurări care are N trepte pe rotație (unghiul de pas în radiani S = (2*pi)/N) este prezentată în fig. 9.

Orez. 9. Dependența cuplului de unghiul de rotație al rotorului pentru o înfășurare alimentată.

În realitate, natura dependenței poate fi oarecum diferită, ceea ce se explică prin geometria neideală a rotorului și a statorului. Valoarea de vârf a cuplului se numește cuplu de reținere. Formula care descrie dependența cuplului de unghiul de rotație al rotorului este următoarea:

T = - Th*sin((pi/2)/S)*Ф),

unde T - moment, Th - moment de reținere,
S - unghiul pasului,
Ф este unghiul de rotație al rotorului.

Dacă rotorului i se aplică un cuplu extern mai mare decât cuplul de reținere, acesta se va întoarce. Dacă cuplul extern nu depășește cuplul de menținere, atunci rotorul va fi în echilibru în unghiul de pas. Trebuie remarcat faptul că pentru un motor dezactivat, cuplul de menținere nu este egal cu zero datorită acțiunii magneților permanenți ai rotorului. Acest cuplu este de obicei în jur de 10% din cuplul maxim furnizat de motor.

Uneori sunt folosiți termenii „unghi mecanic al rotorului” și „unghi electric al rotorului”. Unghiul mecanic este calculat pe baza faptului că o rotație completă a rotorului este de 2*pi radiani. Când se calculează unghiul electric, se presupune că o rotație corespunde unei perioade a dependenței unghiulare a momentului. Pentru formulele de mai sus, Ф este unghiul mecanic de rotație al rotorului, iar unghiul electric pentru un motor cu 4 trepte pe perioadă a curbei cuplului este ((pi / 2) / S) * Ф sau (N / 4) * Ф, unde N este numărul de pași pe tură. Unghiul electric determină de fapt unghiul de rotație al câmpului magnetic al statorului și vă permite să construiți o teorie indiferent de numărul de pași pe rotație pentru un anumit motor.

Dacă două înfășurări ale motorului sunt alimentate în același timp, atunci momentul va fi egal cu suma momentelor furnizate de înfășurări separat (Fig. 10).

Orez. 10. Dependența cuplului de unghiul de rotație al rotorului pentru două înfășurări alimentate.

În acest caz, dacă curenții din înfășurări sunt aceiași, atunci punctul de cuplu maxim va fi deplasat cu o jumătate de treaptă. Punctul de echilibru al rotorului se va deplasa de asemenea cu o jumătate de treaptă (punctul e din figură). Acest fapt este baza pentru implementarea modului de jumătate de pas. Valoarea de vârf a cuplului (cuplul de menținere) în acest caz va fi rădăcina de două ori mai mare decât cu o înfășurare alimentată.

Th 2 \u003d 2 0,5 *Th 1,

unde Th 2 este momentul de reținere cu două înfășurări sub tensiune,
Th 1 - moment de reținere cu o înfășurare alimentată.

Acest moment este de obicei indicat în caracteristicile unui motor pas cu pas.

Mărimea și direcția câmpului magnetic sunt prezentate în diagrama vectorială (Fig. 11).

Orez. 11. Mărimea și direcția câmpului magnetic pentru diferite moduri de putere de fază.

Axele X și Y coincid cu direcția câmpului magnetic creat de înfășurările primei și celei de-a doua faze a motorului. Când motorul funcționează cu o fază pornită, rotorul poate lua pozițiile 1, 3, 5, 7. Dacă două faze sunt pornite, rotorul poate lua pozițiile 2, 4, 6, 8. În plus, în acest mod, mai multe cuplul, deoarece este proporțional cu lungimea vectorului din figură. Ambele metode de control oferă un pas complet, dar pozițiile de echilibru ale rotorului sunt deplasate cu o jumătate de treaptă. Dacă combinați aceste două metode și aplicați secvențe adecvate de impulsuri înfășurărilor, atunci puteți face ca rotorul să ocupe secvențial pozițiile 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, care corespunde unei jumătăți de pas.

În comparație cu modul de pas complet, modul de jumătate de pas are următoarele avantaje:

• rezoluție mai mare fără motoare mai scumpe
• mai puține probleme cu fenomenul de rezonanță. Rezonanța are ca rezultat doar o pierdere parțială a cuplului, care de obicei nu interferează cu funcționarea normală a acționării.

Dezavantajul modului de jumătate de pas este fluctuația destul de semnificativă a cuplului de la pas la pas. În acele poziții ale rotorului când o fază este alimentată, cuplul este de aproximativ 70% din cuplul complet atunci când două faze sunt alimentate. Aceste fluctuații pot cauza vibrații și zgomot crescute, deși sunt încă mai puține decât în ​​modul pas complet.

Modul de eliminare a fluctuațiilor de cuplu este de a crește cuplul în poziții cu o fază inclusă și astfel să se asigure același cuplu în toate pozițiile rotorului. Acest lucru poate fi realizat prin creșterea curentului în aceste poziții la aproximativ 141% din curentul nominal. Unele drivere, cum ar fi PBL 3717/2 și PBL 3770A de la Ericsson, au intrări logice pentru schimbarea curentului. Trebuie remarcat faptul că valoarea de 141% este teoretică, prin urmare, în aplicațiile care necesită o precizie ridicată în menținerea cuplului, această valoare trebuie selectată experimental pentru o anumită viteză și un anumit motor. Deoarece curentul crește doar atunci când o fază este pornită, puterea disipată este egală cu puterea pasă completă la 100% din curentul nominal. Cu toate acestea, o astfel de creștere a curentului necesită o tensiune de alimentare mai mare, ceea ce nu este întotdeauna posibil. Există o altă abordare. Pentru a elimina fluctuațiile de cuplu atunci când motorul funcționează în modul de jumătate de treaptă, puteți reduce curentul în acele momente când sunt pornite două faze. Pentru a obține un cuplu constant, acest curent trebuie să fie de 70,7% din curentul nominal. Astfel, cipul de driver A3955 de la Allegro implementează un mod de jumătate de pas, de exemplu.

Pentru modul de jumătate de pas, este foarte important să intrați în starea cu o fază oprită. Pentru a forța rotorul să ia poziția corespunzătoare, curentul de întrerupere trebuie redus la zero cât mai repede posibil. Durata decăderii curentului depinde de tensiunea de pe înfășurare în momentul în care își pierde energia stocată. Prin scurtcircuitarea înfășurării în acest moment la o sursă de alimentare care reprezintă tensiunea maximă disponibilă în sistem, se asigură cea mai rapidă decădere a curentului posibil. Pentru a obține o scădere rapidă a curentului atunci când înfășurările motorului sunt alimentate de o punte în H, toate tranzistoarele trebuie să fie închise, în timp ce înfășurarea prin diode este conectată la sursa de alimentare. Rata de dezintegrare curentă va scădea semnificativ dacă un tranzistor punte este lăsat deschis și înfășurarea este scurtcircuitată la tranzistor și diodă. Pentru a crește rata de dezintegrare a curentului la controlul motoarelor unipolare, este de preferat să suprimați supratensiunile EMF autoinduse nu cu diode, ci cu varistoare sau o combinație de diode și o diodă zener, care va limita supratensiunea la un nivel mai mare, dar sigur. pentru tranzistori.

Micro pas

Micropasul se realizează făcând câmpul statorului să se rotească mai ușor decât treptarea totală sau pe jumătate. Rezultatul este mai puține vibrații și funcționare aproape silențioasă până la frecvența zero. În plus, un unghi de înclinare mai mic poate oferi o poziționare mai precisă. Există multe moduri de micropasare diferite, cu dimensiuni de pași variind de la 1/3 dintr-un pas complet la 1/32 sau chiar mai puțin. Motorul pas cu pas este un motor sincron. Aceasta înseamnă că poziția de echilibru a rotorului staționar coincide cu direcția câmpului magnetic al statorului. Când câmpul statorului se rotește, și rotorul se rotește, încercând să ia o nouă poziție de echilibru.

Orez. 12. Dependența cuplului de unghiul de rotație al rotorului în cazul diferitelor valori ale curentului de fază.

Pentru a obține direcția dorită a câmpului magnetic, este necesar să alegeți nu numai Direcția corectă curenții din bobine, dar și raportul corect al acestor curenți.

Dacă două înfășurări ale motorului sunt alimentate simultan, dar curenții din aceste înfășurări nu sunt egali (Fig. 12), atunci cuplul rezultat va fi

Th \u003d (a 2 + b 2) 0,5,

iar punctul de echilibru al rotorului se va deplasa la punct

x = (S / (pi/2)) arctan(b / a),

unde a și b sunt momentul creat de prima și, respectiv, a doua fază,
Acesta este momentul de reținere rezultat,
x - poziția de echilibru a rotorului în radiani,
S - unghiul de pas în radiani.

Deplasarea punctului de echilibru al rotorului indică faptul că rotorul poate fi fixat în orice poziție arbitrară. Pentru a face acest lucru, trebuie doar să setați corect raportul curenților în faze. Acest fapt este utilizat în implementarea modului microstep.
Încă o dată, trebuie remarcat că formulele de mai sus sunt corecte numai dacă dependența cuplului de unghiul de rotație al rotorului este sinusoidală și dacă nu o singură parte a circuitului magnetic al motorului nu este saturată.

În limită, motorul pas cu pas poate funcționa ca motor sincron în regim de rotație continuă. Pentru a face acest lucru, curenții fazelor sale trebuie să fie sinusoidali, deplasați unul față de celălalt cu 90 de grade.

Rezultatul utilizării microstepping-ului este un rotor mult mai neted la frecvențe joase. La frecvențe de 2 până la 3 ori mai mari decât frecvența de rezonanță naturală a rotorului și a sarcinii, micropasul oferă puține beneficii față de jumătate sau pas complet. Motivul pentru aceasta este efectul de filtrare al inerției rotorului și al sarcinii. Sistemul de motor pas cu pas funcționează ca un filtru trece jos. În modul microstep, puteți doar să accelerați și să decelerați și, de cele mai multe ori, lucrați în modul pas complet. În plus, pentru a obține viteze mari în modul microstep, este necesară o rată foarte mare de repetare a micropașilor, care nu poate fi întotdeauna furnizată de microcontrolerul de control. Pentru a preveni tranzitorii și pierderile de trepte, comutarea modurilor de funcționare a motorului (de la micropas în pas complet etc.) trebuie făcută în acele momente când rotorul se află în poziția corespunzătoare unei faze pornite. Unele circuite integrate de driver micropas au un semnal special care informează despre această poziție a rotorului. De exemplu, acesta este driverul Allegro A3955.

În multe aplicații în care sunt necesare deplasări relative mici și rezoluție înaltă, micropasul poate înlocui un angrenaj mecanic. Adesea simplitatea sistemului este factorul decisiv, chiar dacă implică utilizarea unui motor mai mare. Chiar dacă un driver micropas este mult mai complicat decât un driver convențional, sistemul poate fi totuși mai simplu și mai ieftin decât un motor pas cu pas plus o cutie de viteze. Microcontrolerele moderne au uneori DAC-uri încorporate care pot fi folosite pentru a implementa micropasi în loc de controlere speciale. Acest lucru face posibil ca costul echipamentului pentru modurile full-step și microstep să fie aproape același.

Uneori, micropasul este folosit pentru a crește precizia mărimii pasului dincolo de ceea ce este declarat de producătorul motorului. Aceasta folosește numărul nominal de pași. Pentru a îmbunătăți acuratețea, se utilizează corectarea poziției rotorului la punctele de echilibru. Pentru a face acest lucru, mai întâi, se ia o caracteristică pentru un anumit motor, iar apoi, prin modificarea raportului curenților în faze, poziția rotorului este ajustată individual pentru fiecare pas. Această metodă necesită calibrare preliminară și resurse suplimentare ale microcontrolerului de control. În plus, este necesar un senzor de poziție inițială a rotorului pentru a-și sincroniza poziția cu un tabel de factori de corecție.

În practică, în timpul implementării fiecărei etape, rotorul nu se oprește imediat într-o nouă poziție de echilibru, ci efectuează oscilații amortizate în jurul poziției de echilibru. Timpul de așezare depinde de caracteristicile sarcinii și de circuitul driverului. În multe aplicații, astfel de fluctuații sunt nedorite. Puteți scăpa de acest fenomen folosind modul microstep. Pe fig. 13 prezintă mișcările rotorului atunci când funcționează în modurile de pas complet și micro-pas.

Orez. 13. Mișcări ale rotorului în moduri cu pas complet și micro-pas.

Se poate observa că vârfurile și fluctuațiile sunt observate în modul full-step, în timp ce acestea sunt absente în modul microstep. Cu toate acestea, chiar și în acest mod, graficul poziției rotorului diferă de o linie dreaptă. Această eroare se explică prin eroarea de geometrie a pieselor motorului și poate fi redusă prin efectuarea calibrării și compensarea ulterioară prin reglarea curenților de fază.
În practică, există câțiva factori care limitează precizia unității în modul micropas. Unele dintre ele sunt legate de șofer, iar altele sunt direct legate de motor.

De obicei, producătorii de motoare pas cu pas specifică un astfel de parametru ca precizia pasului. Precizia pasului este indicată pentru pozițiile de echilibru ale rotorului cu două faze pornite, ai căror curenți sunt egali. Aceasta corespunde modului cu pas complet cu suprapunere de fază. Pentru microstepping, când curenții de fază nu sunt egali, de obicei nu se oferă date.

Un motor pas cu pas ideal, atunci când este alimentat de faze cu curent sinusoidal și cosinus, ar trebui să se rotească cu o viteză constantă. La motor realîn acest mod se vor observa unele fluctuații de viteză. Acest lucru se datorează instabilității spațiului de aer dintre polii rotorului și statorului, prezenței histerezisului magnetic, care duce la erori în mărimea și direcția câmpului magnetic etc. Prin urmare, pozițiile și momentul de echilibru au unele abateri. Aceste abateri depind de eroarea de forma a dintilor rotorului si statorului si de materialul circuitelor magnetice utilizate.

Unele modele de motoare sunt optimizate pentru cea mai bună precizie a pasului complet și cuplu maxim de reținere. Forma specială a dinților rotorului și statorului este proiectată astfel încât, în poziția de echilibru pentru funcționarea în trepte complete, fluxul magnetic este mult crescut. Acest lucru are ca rezultat o precizie slabă în micropasare. scoruri de top vă permit să obțineți motoare în care cuplul de menținere în starea dezactivată este mai mic.

Abaterile pot fi împărțite în două tipuri: abateri ale mărimii câmpului magnetic, care duc la abateri ale momentului de reținere în modul micropas și abateri ale direcției câmpului magnetic, care duc la abateri în poziția de echilibru. Abaterile cuplului de menținere în micropasare sunt de obicei de 10 până la 30% din cuplul maxim. Trebuie spus că în modul cu pas complet, cuplul de menținere poate fluctua și cu 10 - 20% din cauza distorsiunilor din geometria rotorului și a statorului.

Dacă măsurați pozițiile de echilibru ale rotorului când motorul se rotește în sensul acelor de ceasornic și în sens invers acelor de ceasornic, veți obține rezultate ușor diferite. Această histerezis se datorează în primul rând histerezii magnetice a materialului miezului, deși frecarea contribuie și ea. Histerezisul magnetic duce la faptul că fluxul magnetic depinde nu numai de curentul înfășurărilor, ci și de valoarea anterioară a acestuia. Eroarea creată de histerezis poate fi egală cu mai mulți micropași. Prin urmare, în aplicațiile de înaltă precizie, atunci când vă deplasați într-una dintre direcții, este necesar să treceți în spatele poziției dorite și apoi să reveniți înapoi, astfel încât apropierea de poziția dorită să se efectueze întotdeauna într-o singură direcție.

Este destul de natural ca orice creștere dorită a rezoluției se confruntă cu anumite limitări fizice. Nu credeți că precizia de poziționare este de 7,2 grade. motorul în modul micropas nu este inferioară preciziei de 1,8 grade. motor.

Următoarele limitări fizice reprezintă un obstacol:

• Acumularea cuplului la unghi a motorului de 7,2 grade este de patru ori mai plată decât un motor adevărat de 1,8 grade. Datorită efectului momentului de frecare sau al momentului de inerție al sarcinii, precizia de poziționare va fi deja mai slabă
• după cum se va arăta mai jos, dacă există frecare în sistem, atunci datorită apariției zonelor moarte, precizia de poziționare va fi limitată
• majoritatea motoarelor comerciale nu au un design precis, iar relația dintre cuplu și unghiul rotorului nu este tocmai sinusoidală. Ca urmare, relația dintre faza curentului de alimentare sinusoidal și unghiul de rotație al arborelui va fi neliniară. Ca urmare, rotorul motorului va trece cu precizie de pozițiile fiecărei trepte și jumătate de treaptă și se vor observa abateri destul de semnificative între aceste poziții.

Aceste probleme sunt cele mai pronunțate pentru motoarele cu un număr mare de poli. Cu toate acestea, există motoare care sunt optimizate pentru microstepping chiar și în stadiul de dezvoltare. Polii rotorului și statorului unor astfel de motoare sunt mai puțin pronunțați datorită formei teșite a dinților.

O altă sursă de erori de poziționare este eroarea de cuantizare a DAC, care generează curenții de fază. Faptul este că curentul trebuie să fie format conform unei legi sinusoidale, prin urmare, pentru a minimiza eroarea, un DAC liniar trebuie să aibă o adâncime de biți crescută. Există drivere specializate cu un DAC neliniar încorporat, care vă permite să obțineți imediat rezultatele funcției sin. Un exemplu este driverul A3955 de la Allegro, care are un DAC pe 3 biți încorporat care oferă următoarele valori ale curentului de fază: 100%, 92,4%, 83,1%, 70,7%, 55,5%, 38,2%, 19,5%, 0% . Acest lucru vă permite să lucrați în modul microstep cu o dimensiune a pasului de 1/8, în timp ce eroarea în setarea curentului de fază nu depășește 2%. În plus, acest driver are capacitatea de a controla rata de decădere a curentului a înfășurărilor motorului în timpul funcționării, ceea ce vă permite să reglați driverul pentru un anumit motor pentru a obține cea mai mică eroare de poziționare.

Chiar dacă DAC-ul a generat cu precizie o tensiune de referință sinusoidală, aceasta trebuie amplificată și transformată într-un curent de înfășurare sinusoidal. Multe drivere au o neliniaritate semnificativă aproape de curentul zero, ceea ce provoacă o distorsiune semnificativă a formei de undă și, ca urmare, erori semnificative de poziționare. Dacă sunt utilizate drivere de înaltă calitate, cum ar fi PBM3960 și PBL3771 de la Ericsson, eroarea asociată driverului este foarte mică în comparație cu eroarea motorului.

Uneori, controlerele de motoare pas cu pas vă permit să corectați forma semnalului de ieșire prin adăugarea sau scăderea din sinusul armonicii a treia a acesteia. Cu toate acestea, o astfel de reglare trebuie făcută individual pentru un anumit motor, ale cărui caracteristici trebuie măsurate înainte de aceasta.

Din cauza acestor limitări, micropasul este utilizat în principal pentru a asigura o rotație lină (în special la viteze foarte mici), pentru a elimina fenomenele de zgomot și rezonanță. Microstepping poate reduce, de asemenea, timpul de așezare sistem mecanic, deoarece, spre deosebire de modul full-step, nu există depășiri și oscilații. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, poziționarea exactă în micropas nu poate fi garantată pentru motoarele convenționale.

Curentul de fază sinusoidal poate fi furnizat utilizând drivere speciale. Unele dintre ele, de exemplu A3955, A3957 de la Allegro, conțin deja un DAC și necesită doar coduri digitale de la microcontroler. Altele, cum ar fi L6506, L298 de la SGS-Thomson, necesită tensiuni de referință sinusoidale externe, care trebuie generate de microcontroler folosind DAC-uri. Trebuie spus că prea multe probe de sinus nu duc la o creștere a preciziei de poziționare, deoarece eroarea asociată cu geometria neideală a polilor motorului începe să domine. Mai mult, în acest caz, citirile ar trebui să urmeze cu o frecvență ridicată, ceea ce reprezintă o problemă în formarea programului lor. Când se lucrează la viteze mari, rezoluția DAC-urilor poate fi redusă. În plus, la viteze foarte mari, se recomandă, în general, să lucrezi în modul normal de pas complet, deoarece controlul semnalului armonic își pierde avantajele. Acest lucru se întâmplă din cauza faptului că înfășurările motorului sunt de inductanță, respectiv, orice circuit de driver specific cu o anumită tensiune de alimentare oferă o rată de curgere a curentului maxim bine definită. Prin urmare, pe măsură ce frecvența crește, forma curentului începe să se abate de la sinusoidal și devine triunghiulară la frecvențe foarte înalte.

Cuplu față de viteză, efect de sarcină

Cuplul generat de un motor pas cu pas depinde de mai mulți factori:

• viteză
• curent de înfăşurare
• circuite de driver

Pe fig. 14a arată dependența cuplului de unghiul de rotație al rotorului.

Orez. 14. Apariția zonelor moarte ca urmare a frecării.

Pentru un motor pas cu pas ideal, această dependență este sinusoidală. Punctele S sunt pozițiile de echilibru ale rotorului pentru un motor fără sarcină și corespund mai multor trepte succesive. Dacă arborelui motorului i se aplică un cuplu extern mai mic decât cuplul de reținere, atunci poziția unghiulară a rotorului se va modifica cu un anumit unghi Ф.

Ф = (N/(2*pi))*sin(Ta/Th),

unde Ф - deplasarea unghiulară,
N este numărul de trepte ale motorului pe rotație,
Ta - moment extern aplicat,
Th - moment de reținere.

Deplasarea unghiulară Ф este eroarea de poziționare a motorului încărcat. Dacă arborelui motorului este aplicat un cuplu mai mare decât cuplul de reținere, atunci sub acțiunea acestui moment arborele se va întoarce. În acest mod, poziția rotorului este necontrolată.
În practică, există întotdeauna un cuplu extern aplicat motorului, fie și doar pentru că motorul trebuie să depășească frecarea. Forțele de frecare pot fi împărțite în două categorii: frecare statică sau statică, care necesită un cuplu constant pentru a depăși, și frecare dinamică sau vâscoasă, care depinde de viteză. Luați în considerare frecarea statică. Să presupunem că este nevoie de jumătate din cuplul de vârf pentru a-l depăși. Pe fig. 14a, liniile întrerupte arată momentul frecării. Astfel, pentru rotația rotorului rămâne doar momentul care se află pe grafic în afara liniilor întrerupte. De aici rezultă două concluzii: frecarea reduce cuplul pe arborele motorului și există zone moarteîn jurul fiecărei poziții de echilibru a rotorului (Fig. 14b):

d = 2 (S / (pi/2)) arcsin(T f /T h) = (S / (pi/4)) arcsin(T f / Th),

unde d este lățimea zonei moarte în radiani,
S - unghiul de pas în radiani,
Tf este momentul de frecare,
Th - moment de reținere.

Zonele moarte limitează precizia de poziționare. De exemplu, prezența frecării statice la jumătate din cuplul de vârf al motorului în pași de 90 de grade. va provoca prezența zonelor moarte de 60 de grade. Aceasta înseamnă că treapta motorului poate varia de la 30 la 150 de grade, în funcție de locul în care se oprește rotorul în zona moartă după următorul pas.

Prezența zonelor moarte este foarte importantă pentru micropas. Dacă, de exemplu, există zone moarte cu valoarea d, atunci un micropas mai mic decât d nu va mișca deloc rotorul. Prin urmare, pentru sistemele care utilizează microstepping, este foarte important să se minimizeze frecarea statică.

Când motorul funcționează sub sarcină, există întotdeauna o anumită schimbare între poziția unghiulară a rotorului și orientarea câmpului magnetic al statorului. Mai ales nefavorabilă este situația când motorul începe să decelereze și cuplul de sarcină este inversat. Trebuie remarcat faptul că decalajul sau avansul se referă doar la poziție, nu la viteză. În orice caz, atâta timp cât motorul nu este desincronizat, acest decalaj sau avans nu poate depăși doi pași completi. Acesta este un fapt foarte plăcut.

De fiecare dată când motorul pas cu pas face un pas, rotorul se rotește cu S radiani. În acest caz, momentul minim apare atunci când rotorul se află exact între pozițiile de echilibru adiacente (Fig. 15).

Orez. 15. Cuplul de reținere și cuplul de lucru al motorului pas cu pas.

Acest moment se numește momentul de lucru, înseamnă care este cel mai mare moment pe care motorul îl poate depăși atunci când se rotește la turație mică. Cu o dependență sinusoidală a momentului de unghiul de rotație al rotorului, acest moment este Tr = Th/(2 0,5). Dacă motorul face trepte cu două înfășurări sub tensiune, atunci cuplul de operare este egal cu cuplul de menținere pentru o înfășurare sub tensiune.

Parametrii unui motor pas cu pas depind foarte mult de caracteristicile sarcinii. Pe lângă frecare, o sarcină reală are inerție. Inerția previne schimbarea vitezei. Sarcina inerțială necesită cupluri mari de accelerație și decelerare de la motor, limitând astfel accelerația maximă. Pe de altă parte, creșterea inerției de sarcină crește stabilitatea vitezei.

Un astfel de parametru al unui motor pas cu pas, cum ar fi dependența cuplului de viteză, este cel mai important atunci când alegeți tipul de motor, alegeți o metodă de control al fazei și alegeți un circuit de driver. La proiectarea driverelor de motoare pas cu pas de mare viteză, trebuie să țineți cont de faptul că înfășurările motorului sunt inductive. Această inductanță determină timpul de creștere și scădere a curentului. Prin urmare, dacă înfășurării este aplicată o tensiune de undă pătrată, forma de undă curentă nu va fi undă pătrată. La viteze mici (Fig. 16a), timpul de creștere și scădere a curentului nu este capabil să afecteze foarte mult cuplul, dar la viteze mari, cuplul scade. Acest lucru se datorează faptului că la viteze mari curentul din înfășurările motorului nu are timp să atingă valoarea nominală (Fig. 16b).

Orez. 16. Forma curentului în înfășurările motorului la diferite viteze.

Pentru ca cuplul să scadă cât mai puțin posibil, este necesar să se asigure o rată mare de creștere a curentului în înfășurările motorului, care se realizează prin utilizarea circuitelor speciale pentru alimentarea acestora.

Comportarea cuplului cu creșterea frecvenței de comutare a fazelor este aproximativ după cum urmează: pornind de la o anumită frecvență de tăiere, cuplul scade monoton. În mod obișnuit, pentru un motor pas cu pas sunt date două curbe de cuplu și viteză (Fig. 17).

Orez. 17. Dependența cuplului de turație.

Curba interioară (curba de pornire sau curba de tragere) arată la ce cuplu maxim de frecare pentru o anumită viteză poate porni motorul pas cu pas. Această curbă intersectează axa vitezei într-un punct numit frecvența maximă de pornire sau frecvența de răspuns a accelerației. Acesta definește viteza maximă la care poate porni un motor fără sarcină. În practică, această valoare se află în intervalul 200 - 500 de pași completi pe secundă. Inerția sarcinii afectează foarte mult forma curbei interne. Inerția mare corespunde unei zone mai mici sub curbă. Această zonă se numește zona de început. Curba exterioară (curba de accelerație sau curba de tragere) arată la ce cuplu maxim de frecare pentru o anumită viteză motorul pas cu pas este capabil să mențină rotația fără a sări pași. Această curbă intersectează axa vitezei într-un punct numit frecvența maximă a accelerației. Afișează viteza maximă pt acest motor fara sarcina. La măsurarea vitezei maxime trebuie avut în vedere că, din cauza fenomenului de rezonanță, cuplul este zero și la frecvența de rezonanță. Regiunea care se află între curbe se numește regiune de accelerație.

Trebuie remarcat faptul că circuitul șoferului afectează foarte mult cursul curbei cuplu-viteză, dar această problemă va fi discutată mai jos.

Overclock!

Pentru a opera cu viteză mare din zona de accelerare (Fig. 17), este necesar să porniți cu viteză mică din zona de pornire, apoi să accelerați. Când te oprești, trebuie să acționezi ordine inversă: executați mai întâi frânarea și abia după intrarea în zona de start, puteți opri furnizarea impulsurilor de control. În caz contrar, va exista o pierdere a sincronismului și poziția rotorului se va pierde. Utilizarea accelerației și decelerației permite atingerea unor viteze semnificativ mai mari - viteze de până la 10.000 de pași completi pe secundă sunt utilizate în aplicațiile industriale. Trebuie remarcat faptul că funcționarea continuă a unui motor pas cu pas la viteză mare nu este întotdeauna permisă din cauza încălzirii rotorului. Cu toate acestea, viteza mare poate fi folosită pentru o perioadă scurtă de timp în poziționare.

În timpul accelerației, motorul trece printr-o serie de turații, în timp ce la una dintre turații poți întâlni un fenomen de rezonanță neplăcut. Pentru o accelerație normală, este de dorit să existe o sarcină al cărei moment de inerție este cel puțin egal cu momentul de inerție al rotorului. La un motor neîncărcat, fenomenul de rezonanță este cel mai pronunțat. Metodele de abordare a acestui fenomen vor fi descrise în detaliu mai jos.
La accelerare sau decelerare, este important să alegeți corect legea schimbării vitezei și a accelerației maxime. Accelerația ar trebui să fie mai mică, cu atât inerția sarcinii este mai mare. Criteriu alegerea potrivita modul de accelerare este implementarea accelerației la viteza dorită pentru o anumită sarcină în timp minim. În practică, accelerația și decelerația cu accelerație constantă sunt cele mai des folosite.

Implementarea legii, conform căreia se va efectua accelerarea sau decelerația motorului, este de obicei efectuată de un microcontroler controlat de program, deoarece microcontrolerul este de obicei sursa frecvenței de ceas pentru driverul motorului pas cu pas. . Deși mai devreme au fost utilizate generatoare controlate de tensiune sau divizoare de frecvență programabile în aceste scopuri. Pentru a genera o frecvență de ceas, este convenabil să utilizați un cronometru hardware, care este inclus în aproape orice microcontroler. Când motorul se rotește cu o viteză constantă, este suficient să încărcați temporizatorul cu o valoare constantă a perioadei de repetare a pasului (durata pasului). Dacă motorul accelerează sau decelerează, această perioadă se schimbă cu fiecare pas nou. La accelerarea sau decelerația cu accelerație constantă, frecvența de repetare a pașilor ar trebui să se schimbe liniar, respectiv, valoarea perioadei care trebuie încărcată în cronometru ar trebui să se schimbe conform legii hiperbolice.

Pentru cel mai general caz, este necesar să se cunoască dependența duratei pasului de viteza curentă. Numărul de pași pe care le efectuează motorul în timpul accelerației în timpul t este:

N = 1/2La 2 +Vt, unde N este numărul de pași, t este timpul, V este viteza exprimată în pași pe unitatea de timp, A este accelerația exprimată în pași împărțit la pătratul timpului.

Pentru un pas N \u003d 1, apoi durata pasului t 1 \u003d T \u003d (-V + (V 2 +2A) 0,5) / A

Ca rezultat al pasului, viteza devine egală cu Vnew = (V 2 +2A) 0,5

Calculele care utilizează formulele de mai sus sunt destul de laborioase și necesită un timp semnificativ de CPU. În același timp, vă permit să modificați valoarea accelerației în orice moment. Calculele pot fi foarte simplificate dacă se cere ca accelerația să fie constantă în timpul accelerării și decelerației. În acest caz, puteți scrie dependența duratei pasului de timpul de accelerare:
V = V 0 + At, unde V este viteza curentă, V 0 este viteza inițială (viteza minimă la care începe accelerația), A este accelerația;
1/T = 1/T 0 +At, unde T - durata pasului, T 0 - durata iniţială a pasului, t - timpul curent;

De unde T = T 0 /(1+T 0 At)

Calculele folosind această formulă sunt mult mai ușor de efectuat, totuși, pentru a modifica valoarea accelerației, este necesară oprirea motorului.

Rezonanţă

Motoarele pas cu pas au un efect nedorit numit rezonanță. Efectul se manifestă sub forma unei scăderi bruște a cuplului la anumite viteze. Acest lucru poate duce la pași săriți și pierderea sincronizării. Efectul se manifestă dacă frecvența pasului coincide cu frecvența de rezonanță naturală a rotorului motorului.

Când motorul face un pas, rotorul nu este setat imediat într-o nouă poziție, ci face oscilații amortizate. Cert este că sistemul rotor - câmp magnetic - stator poate fi considerat ca un pendul cu arc, a cărui frecvență de oscilație depinde de momentul de inerție al rotorului (plus sarcina) și de mărimea câmpului magnetic. Datorită configurației complexe a câmpului magnetic, frecvența de rezonanță a rotorului depinde de amplitudinea oscilațiilor. Pe măsură ce amplitudinea scade, frecvența crește, apropiindu-se de o frecvență de amplitudine mică, care se cuantifică mai ușor. Această frecvență depinde de unghiul de pas și de raportul dintre momentul de reținere și momentul de inerție al rotorului. Un moment de reținere mai mare și un moment de inerție mai mic duc la o creștere a frecvenței de rezonanță.
Frecvența de rezonanță se calculează cu formula:

F 0 \u003d (N * T H / (J R + J L)) 0,5 / 4 * pi,

unde F 0 - frecvența de rezonanță,
N este numărul de pași completi pe rotație,
T H - cuplul de menținere pentru metoda de control utilizată și curentul de fază,
J R - momentul de inerție al rotorului,
J L - momentul de inerție al sarcinii.

Trebuie remarcat faptul că frecvența de rezonanță este determinată de momentul de inerție al rotorului motorului însuși plus momentul de inerție al sarcinii conectate la arborele motorului. Prin urmare, frecvența de rezonanță a rotorului unui motor fără sarcină, care este uneori dată ca parametru, are o valoare practică mică, deoarece orice sarcină conectată la motor va modifica această frecvență.
În practică, efectul de rezonanță duce la dificultăți atunci când se operează la o frecvență apropiată de cea de rezonanță. Cuplul la frecvența de rezonanță este zero și, fără a lua măsuri speciale, motorul pas cu pas nu poate trece de frecvența de rezonanță în timpul accelerației. În orice caz, fenomenul de rezonanță poate degrada semnificativ caracteristicile de precizie ale unității.

În sistemele cu amortizare scăzută, există pericolul de a pierde trepte sau de a crește zgomotul atunci când motorul funcționează în apropierea frecvenței de rezonanță. În unele cazuri, pot apărea probleme și la armonicile frecvenței de rezonanță fundamentală.

Când se utilizează non-microstepping, principala cauză a oscilației este rotația intermitentă a rotorului. Când se face un pas, o parte de energie este transmisă rotorului prin impuls. Acest impuls excită vibrații. Energia care este transmisă rotorului în modul de jumătate de pas este de aproximativ 30% din energia unui pas complet. Prin urmare, în modul de jumătate de pas, amplitudinea oscilației este mult mai mică. În modul micropas cu 1/32 din pasul principal, doar aproximativ 0,1% din energia unui pas complet este raportată la fiecare micropas. Prin urmare, în modul microstep, fenomenul de rezonanță este aproape imperceptibil.

Există metode electrice pentru a face față rezonanței. Rotorul oscilant duce la apariția EMF în înfășurările statorului. Dacă scurtați înfășurările care nu sunt utilizate în acest pas, acest lucru va reduce rezonanța.

Și, în sfârșit, există metode de tratare a rezonanței la nivelul algoritmului de funcționare a driverului. De exemplu, puteți folosi faptul că atunci când funcționează cu două faze pornite, frecvența de rezonanță este cu aproximativ 20% mai mare decât cu o fază pornită. Dacă frecvența de rezonanță este cunoscută cu precizie, atunci poate fi trecută prin schimbarea modului de funcționare.

Dacă este posibil, pornirea și oprirea ar trebui să utilizeze frecvențe peste rezonante. Creșterea momentului de inerție al sistemului rotor-sarcină reduce frecvența de rezonanță.

Cu toate acestea, cea mai eficientă măsură de combatere a rezonanței este utilizarea micropasului.

Cu ce ​​să-l hrănesc?

Pentru alimentatie motor conventional curentul continuu necesită doar o sursă tensiune constantă, iar comutarea necesară a înfășurărilor se realizează de către colector. Cu un motor pas cu pas, totul este mai complicat. Toate comutațiile trebuie efectuate de un controler extern. În prezent, în aproximativ 95% din cazuri, microcontrolerele sunt folosite pentru a controla motoarele pas cu pas. În cel mai simplu caz, pentru a controla un motor pas cu pas în modul pas complet, sunt necesare doar două semnale, defazate cu 90 de grade. Sensul de rotație depinde de faza care conduce. Viteza este determinată de rata de repetare a pulsului. În modul de jumătate de pas, totul este ceva mai complicat și necesită cel puțin 4 semnale. Toate semnalele de control al motorului pas cu pas pot fi generate de software, dar acest lucru va cauza o sarcină mare asupra microcontrolerului. Prin urmare, sunt mai des folosite cipuri speciale de driver pentru motorul pas cu pas, care reduc numărul de semnale dinamice necesare de la procesor. De obicei, aceste microcircuite necesită o frecvență de ceas, care este rata de repetare a pașilor, și un semnal static, care stabilește direcția. Uneori există și un semnal pentru pornirea modului de jumătate de pas. Circuitele integrate de driver care funcționează în microstepping necesită mai multe semnale. Un caz comun este atunci când secvențele necesare de semnale de control de fază sunt formate folosind un microcircuit, iar curenții necesari de fază sunt furnizați de un alt microcircuit. Deși recent există tot mai multe drivere care implementează toate funcțiile într-un singur cip.

Puterea necesară de la driver depinde de mărimea motorului și este o fracțiune de watt pentru motoarele mici și până la 10-20 de wați pentru motoare mari. Nivelul maxim de disipare a puterii este limitat de încălzirea motorului. Maxim temperatura de lucru de obicei indicată de producător, dar se poate presupune aproximativ că temperatura carcasei de 90 de grade este normală. Prin urmare, atunci când se proiectează dispozitive cu motoare pas cu pas care funcționează continuu la curent maxim, este necesar să se ia măsuri pentru a împiedica operatorul să atingă carcasa motorului. În unele cazuri, este posibil să utilizați un radiator de răcire. Acest lucru permite uneori un motor mai mic și un raport putere/cost mai bun.

Pentru dimensiune dată motor pas cu pas, spațiul ocupat de înfășurări este limitat. Prin urmare, este foarte important să proiectați driverul în așa fel încât să ofere cea mai bună eficiență pentru parametrii de înfășurare dați.

Circuitul driverului trebuie să îndeplinească trei sarcini principale:

• să poată porni și opri curentul din înfășurări, precum și să-i schimbe direcția
• menține valoarea curentă setată
• asigură cea mai rapidă creștere și scădere a curentului pentru caracteristici bune de viteză

Modalități de a schimba direcția curentului

Funcționarea unui motor pas cu pas necesită o schimbare a direcției câmpului magnetic independent pentru fiecare fază. Se poate schimba direcția câmpului magnetic căi diferite. La motoarele unipolare, înfășurările sunt centrate sau există două înfășurări separate pentru fiecare fază. Direcția câmpului magnetic este schimbată prin comutarea semiînfășurărilor sau a înfășurărilor întregi. În acest caz, sunt necesare doar două chei simple A și B pentru fiecare fază (fig. 18).

Orez. 18. Alimentarea înfășurării unui motor unipolar.

La motoarele bipolare, direcția este schimbată prin inversarea cablurilor de înfășurare. Această inversare a polarității necesită o punte H completă (Fig. 19). Gestionarea cheilor în ambele cazuri ar trebui să fie efectuată de un circuit logic care implementează algoritmul de operare dorit. Se presupune că sursa de alimentare a circuitelor are o tensiune nominală pentru înfășurările motorului.

Orez. 19. Alimentarea înfăşurării motorului bipolar.

Acest cel mai simplu mod controlul curentului înfășurării și, așa cum se va arăta mai târziu, limitează semnificativ capacitățile motorului. Trebuie remarcat faptul că, cu control separat al tranzistoarelor H-bridge, sunt posibile situații când sursa de alimentare este scurtcircuitată de taste. Prin urmare, logica de control trebuie proiectată astfel încât să excludă această situație chiar și în cazul defecțiunilor microcontrolerului de control.

Înfășurările motorului sunt inductive, ceea ce înseamnă că curentul nu poate crește sau scădea la nesfârșit rapid fără a implica o diferență de potențial infinită. Când înfășurarea este conectată la o sursă de alimentare, curentul va crește cu o anumită rată, iar atunci când înfășurarea este deconectată, va apărea o creștere a tensiunii. Această supratensiune poate deteriora cheile, care sunt folosite ca tranzistoare bipolare sau cu efect de câmp. Pentru a limita această eliberare, sunt instalate lanțuri speciale de protecție. Pe diagramele din fig. 18 și 19, aceste lanțuri sunt formate din diode, condensatoare sau combinarea lor cu diode sunt folosite mult mai rar. Utilizarea condensatoarelor provoacă rezonanță electrică, care poate provoca o creștere a cuplului la o anumită viteză. Pe fig. 18 necesita 4 diode pentru că jumătățile înfășurărilor unui motor unipolar sunt situate pe un miez comun și sunt puternic interconectate. Ele funcționează ca un autotransformator și supratensiunile apar la bornele ambelor înfășurări. Dacă MOSFET-urile sunt folosite ca comutatoare, atunci sunt suficiente doar două diode externe, deoarece au deja diode în interior. Circuitele integrate care conțin etape de ieșire cu colector deschis de mare putere conțin adesea astfel de diode. În plus, unele cipuri, cum ar fi ULN2003, ULN2803 și altele asemenea, au ambele diode de protecție în interior pentru fiecare tranzistor. Trebuie remarcat faptul că, în cazul utilizării comutatoarelor de mare viteză, sunt necesare diode cu viteză comparabilă. În cazul utilizării diodelor lente, acestea trebuie să fie manevrate cu condensatoare mici.

Stabilizarea curentului

Pentru a regla cuplul, este necesar să reglați curentul în înfășurări. In orice caz, curentul trebuie limitat pentru a nu depasi puterea disipata pe rezistenta ohmica a infasurarilor. Mai mult decât atât, în modul cu jumătate de treaptă, este încă necesar să se furnizeze o valoare de curent zero în înfășurări în anumite momente, iar în modul micropas, este, în general, necesar să se stabilească valori de curent diferite.

Pentru fiecare motor, producătorul specifică tensiunea nominală de funcționare a înfășurărilor. Prin urmare, cel mai simplu mod de a alimenta înfășurările este utilizarea unei surse de tensiune constantă. În acest caz, curentul este limitat de rezistența ohmică a înfășurărilor și de tensiunea sursei de alimentare (Fig. 20a), astfel încât această sursă de alimentare se numește L / R-power. Curentul din înfășurare crește exponențial la o rată determinată de inductanță, rezistența activă a înfășurării și tensiunea aplicată. Când frecvența crește, curentul nu atinge valoarea nominală și cuplul scade. Prin urmare, această metodă de alimentare este potrivită numai pentru funcționarea cu viteză mică și este utilizată în practică numai pentru motoarele de putere redusă.

Orez. 20. Alimentarea înfășurării cu tensiunea nominală (a) și utilizarea unui rezistor de limitare (b).

Când funcționează la viteze mari, este necesară creșterea ratei de creștere a curentului în înfășurări, ceea ce este posibil prin creșterea tensiunii sursei de alimentare. În acest caz, curentul maxim al înfășurării trebuie limitat de un rezistor suplimentar. De exemplu, dacă se utilizează o tensiune de alimentare care este de 5 ori tensiunea nominală, atunci este necesară o astfel de rezistență suplimentară, astfel încât rezistența totală să fie 5R, unde R este rezistența ohmică a înfășurării (L / 5R-alimentare). Această metodă de alimentare oferă o creștere mai rapidă a curentului și, ca urmare, un cuplu mai mare (Fig. 20b). Cu toate acestea, are un dezavantaj semnificativ: puterea suplimentară este disipată pe rezistor. Dimensiunile mari ale rezistențelor puternice, nevoia de îndepărtare a căldurii și puterea crescută necesară a sursei de alimentare - toate acestea fac această metodă ineficientă și își limitează domeniul de aplicare la motoare mici cu o putere de 1 - 2 wați. Trebuie spus că până la începutul anilor 80 ai secolului trecut, parametrii motoarelor pas cu pas dați de producători se refereau tocmai la această metodă de alimentare.

O creștere și mai rapidă a curentului poate fi obținută dacă se folosește un generator de curent pentru a alimenta motorul. Creșterea curentului se va produce liniar, acest lucru vă va permite să atingeți rapid valoarea curentului nominal. Mai mult, o pereche de rezistențe puternice poate costa mai mult decât o pereche de tranzistoare puternice cu radiatoare. Dar, ca și în cazul precedent, generatorul de curent va disipa putere suplimentară, ceea ce face ca această schemă de alimentare să fie ineficientă.

Există o altă soluție care oferă o rată mare de mișcare a curentului și pierderi reduse de putere. Se bazează pe utilizarea a două surse de alimentare.

Orez. 21. Alimentarea înfăşurării motorului cu tensiune de treaptă.

La începutul fiecărei etape, înfășurările sunt conectate pentru scurt timp la o sursă de tensiune mai mare, care asigură o creștere rapidă a curentului (Fig. 21). Apoi tensiunea de alimentare a înfășurărilor scade (timp t 1 în Fig. 21). Dezavantajul acestei metode este necesitatea a două întrerupătoare, două surse de alimentare și un circuit de control mai complex. În sistemele în care astfel de surse există deja, metoda poate fi destul de ieftină. O altă dificultate este imposibilitatea determinării momentului de timp t 1 pentru cazul general. Pentru un motor cu o inductanță mai mică a înfășurărilor, rata de creștere a curentului este mai mare, iar la un t 1 fix, curentul mediu poate fi mai mare decât curentul nominal, care este plin de supraîncălzirea motorului.

O altă metodă de stabilizare a curentului în înfășurările motorului este reglarea cheie (lățimea pulsului). Driverele moderne de motoare pas cu pas folosesc această metodă. Regulatorul cheie oferă o rată mare de creștere a curentului în înfășurări, împreună cu ușurința de reglare și pierderi foarte mici. Un alt avantaj al circuitului cheie de stabilizare a curentului este că menține constant cuplul motorului, indiferent de fluctuațiile tensiunii de alimentare. Acest lucru permite utilizarea surselor de alimentare simple și ieftine nereglementate.

Pentru a asigura o rată mare de variație a curentului, se utilizează o tensiune de alimentare care este de câteva ori mai mare decât tensiunea nominală. Prin reglarea ciclului de lucru al impulsurilor, tensiunea și curentul medii sunt menținute la nivelul nominal pentru înfășurare. Întreținerea este efectuată ca urmare a acțiunii de feedback. Un rezistor este conectat în serie cu înfășurarea - un senzor de curent R (Fig. 22a). Căderea de tensiune pe acest rezistor este proporțională cu curentul din înfășurare. Când curentul atinge valoarea setată, cheia se oprește, provocând scăderea curentului. Când curentul scade la pragul inferior, cheia se pornește din nou. Acest proces se repetă periodic, păstrând constant curentul mediu.

Orez. 22. Diverse scheme de stabilizare a curentului cheie.

Prin controlul valorii Uref, este posibil să reglați curentul de fază, de exemplu, să îl creșteți în timpul accelerării și decelerației și să îl micșorați când funcționează la o viteză constantă. De asemenea, îl puteți seta cu un DAC sub formă de sinusoid, realizând astfel modul microstep. Această metodă de control al tranzistorului cheie oferă o ondulație de curent constantă în înfășurare, care este determinată de histerezisul comparatorului. Cu toate acestea, frecvența de comutare va depinde de rata de schimbare a curentului din înfășurare, în special de inductanța acestuia și de tensiunea de alimentare. În plus, două astfel de circuite care alimentează diferite faze ale motorului nu pot fi sincronizate, ceea ce poate cauza zgomot suplimentar.

Circuitul cu o frecvență de comutare constantă este lipsit de aceste dezavantaje (Fig. 22b). Tranzistorul cheie este controlat de un declanșator, care este setat de un generator special. Când declanșatorul este setat, tranzistorul cheie se deschide și curentul de fază începe să crească. Odată cu aceasta, crește și căderea de tensiune pe senzorul de curent. Când atinge tensiunea de referință, comparatorul comută, resetând flip-flop-ul. Tranzistorul cheie se oprește și curentul de fază începe să scadă până când declanșatorul este reinstalat de generator. Un astfel de circuit oferă o frecvență de comutare constantă, dar mărimea ondulației curentului nu va fi constantă. Frecvența generatorului este de obicei aleasă de cel puțin 20 kHz, astfel încât motorul să nu creeze un sunet audibil. În același timp, o frecvență de comutare prea mare poate provoca pierderi crescute în miezul motorului și pierderi de comutare ale tranzistorilor. Deși pierderea miezului nu crește la fel de repede cu creșterea frecvenței din cauza scăderii amplitudinii ondulațiilor curente cu creșterea frecvenței. Ondulare de ordinul a 10% din curentul mediu de obicei nu cauzează probleme de pierdere.

Un circuit similar este implementat în interiorul cipului SGS-Thomson L297, a cărui utilizare minimizează numărul de componente externe. Reglarea cheii este implementată de alte microcircuite specializate.

Orez. 23. Forma curentului în înfăşurările motorului pt diferite căi nutriție.

Pe fig. 23 prezintă forma de undă curentă în înfășurările motorului pentru trei surse de alimentare. Cea mai bună în sensul momentului este metoda cheie. În plus, oferă o eficiență ridicată și vă permite să reglați pur și simplu cantitatea de curent.

Dezintegrare rapidă și lentă a curentului

Pe fig. 19 prezintă configurații ale cheilor într-un pod H pentru pornirea diferitelor direcții de curent în înfășurare. Pentru a opri curentul, puteți opri toate cheile podului H sau lăsați o cheie pornită (Fig. 24). Aceste două situații diferă în ceea ce privește rata de dezintegrare a curentului în înfășurare. După deconectarea inductanței de la sursa de alimentare, curentul nu se poate opri instantaneu. Există un EMF de auto-inducție, care are direcția opusă sursei de energie. Când se folosesc tranzistori ca întrerupătoare, trebuie utilizate diode de șunt pentru a asigura conducția în ambele direcții. Rata de schimbare a curentului într-un inductor este proporțională cu tensiunea aplicată. Acest lucru este valabil atât pentru creșterea actuală, cât și pentru scădere. Numai în primul caz, sursa de energie este sursa de energie, iar în al doilea, inductanța în sine emite energia stocată. Acest proces poate avea loc în diferite condiții.

Orez. 24. Dezintegrare lentă și rapidă a curentului.

Pe fig. 24a arată starea comutatoarelor H-bridge când bobina este pornită. Comutatoarele A și D sunt pornite, direcția curentului este indicată de o săgeată. Pe fig. 24b, înfășurarea este oprită, dar tasta A este pornită. FEM de auto-inductanță este scurtcircuitat prin această cheie și dioda VD3. În acest moment, va exista o tensiune mică la bornele înfășurării, egală cu căderea directă peste diodă plus căderea peste comutator (tensiunea de saturație a tranzistorului). Deoarece tensiunea la bornele înfășurării este mică, rata de schimbare a curentului va fi, de asemenea, mică. În mod corespunzător, rata de dezintegrare a câmpului magnetic va fi, de asemenea, mică. Și asta înseamnă că de ceva timp statorul motorului va crea un câmp magnetic, care nu ar trebui să fie în acest moment. Acest câmp va avea un efect de frânare asupra unui rotor în rotație. La turații mari ale motorului, acest efect poate interfera serios cu funcționarea normală a motorului. Scăderea rapidă a curentului la oprire este foarte importantă pentru controlerele de mare viteză care funcționează în modul de jumătate de pas.

Există o altă modalitate de a opri curentul de înfășurare, atunci când toate cheile podului H se deschid (Fig. 24c). În acest caz, EMF de auto-inducție este scurtcircuitat prin diodele VD2, VD3 la sursa de alimentare. Aceasta înseamnă că în timpul decăderii curentului, înfășurarea va avea o tensiune egală cu suma tensiunii de alimentare și căderea directă între cele două diode. În comparație cu primul caz, acesta este un stres mult mai mare. În consecință, dezintegrarea curentului și a câmpului magnetic va fi mai rapidă. O astfel de soluție, folosind tensiunea de alimentare pentru a accelera decăderea curentului, este cea mai simplă, dar nu singura. Trebuie spus că în unele cazuri pot apărea emisii pe sursa de alimentare, pentru a suprima ce lanțuri speciale de amortizoare vor fi necesare. Nu contează cum este furnizată tensiunea crescută pe înfășurare în timpul scăderii curentului. Pentru a face acest lucru, puteți utiliza diode zener sau varistoare. Cu toate acestea, puterea suplimentară va fi disipată pe aceste elemente, care în primul caz a fost redată sursei de alimentare.

Pentru un motor unipolar, situația este mai complicată. Faptul este că jumătățile înfășurării sau două înfășurări separate ale aceleiași faze sunt puternic interconectate. Ca urmare a acestei conexiuni, vor apărea supratensiuni de amplitudine mare pe tranzistorul de închidere. Prin urmare, tranzistoarele trebuie protejate prin circuite speciale. Aceste circuite trebuie să furnizeze o tensiune de strângere destul de mare pentru a se asigura că curentul scade rapid. Cel mai adesea, diodele sunt folosite împreună cu diode Zener sau varistoare. Una dintre modalitățile de implementare a circuitului este prezentată în Fig. 25.

Orez. 25. Un exemplu de implementare a unei scăderi rapide a curentului pentru un motor unipolar.

Cu reglementări cheie, amploarea ondulației curente depinde de rata declinului acesteia. Există diferite opțiuni aici.

Dacă dioda scurtează înfășurarea, se va realiza o dezintegrare lentă a curentului. Acest lucru duce la o scădere a amplitudinii ondulațiilor de curent, ceea ce este foarte de dorit, mai ales atunci când motorul funcționează în modul micropas. Pentru un anumit nivel de ondulare, scăderea lentă a curentului permite funcționarea la frecvențe PWM mai mici, ceea ce reduce încălzirea motorului. Din aceste motive, dezintegrarea lentă a curentului este utilizată pe scară largă. Cu toate acestea, există mai multe motive pentru care o creștere lentă a curentului nu este întotdeauna optimă: în primul rând, din cauza EMF inversă negativă, din cauza tensiunii scăzute de pe înfășurare în timpul scăderii curentului, curentul mediu real al înfășurării poate fi supraestimat; în al doilea rând, atunci când este necesar să se reducă brusc curentul de fază (de exemplu, în modul de jumătate de pas), o scădere lentă nu va permite acest lucru să se facă rapid; în al treilea rând, atunci când este necesară setarea unei valori foarte scăzute a curentului de fază, reglementarea poate fi încălcată din cauza existenței unei limitări a timpului minim al stării de pornire a tastelor.

Rata mare de decădere a curentului, care se realizează prin scurtcircuitarea înfășurării la sursa de alimentare, duce la creșterea ondulației. În același timp, sunt eliminate dezavantajele inerente decăderii lente a curentului. Cu toate acestea, în acest caz, precizia menținerii curentului mediu este mai mică, iar pierderea este, de asemenea, mai mare.

Cele mai avansate circuite integrate de driver au capacitatea de a controla rata de dezintegrare a curentului.

Implementarea practică a driverelor

Driverul motorului pas cu pas trebuie să rezolve două sarcini principale: este formarea secvențelor de timp necesare de semnale și furnizarea curentului necesar în înfășurări. În implementările integrate, aceste sarcini sunt uneori efectuate de cipuri diferite. Un exemplu este chipsetul L297 și L298 de la SGS-Thomson. Cipul L297 conține logica de secvențiere în timp, în timp ce L298 este o punte H duală puternică. Din păcate, există o oarecare confuzie în terminologia referitoare la astfel de microcircuite. Termenul „driver” este adesea aplicat multor microcircuite, chiar dacă funcțiile acestora variază foarte mult. Uneori, cipurile logice sunt numite „traducători”. Acest articol va folosi în continuare următoarea terminologie: „controler” - un microcircuit responsabil pentru formarea secvențelor de timp; „driver” - un circuit puternic de alimentare pentru înfășurările motorului. Cu toate acestea, termenii „șofer” și „controler” se pot referi și la un dispozitiv complet de control al motorului pas cu pas. Trebuie remarcat faptul că recent, din ce în ce mai des, controlerul și driverul sunt combinate într-un singur cip.

În practică, puteți face fără microcircuite specializate. De exemplu, toate funcțiile controlerului pot fi implementate în software și un set de tranzistori discreti poate fi folosit ca driver. Cu toate acestea, în acest caz, microcontrolerul va fi încărcat puternic, iar circuitul driverului se poate dovedi a fi greoi. În ciuda acestui fapt, în unele cazuri, o astfel de soluție va fi rentabilă.
Cel mai simplu driver este necesar pentru a controla înfășurările unui motor unipolar. Pentru aceasta sunt potrivite cele mai simple taste, care pot fi folosite ca tranzistoare bipolare sau cu efect de câmp. MOSFET-urile puternice controlate la nivel logic, cum ar fi IRLZ34, IRLZ44, IRL540 sunt destul de eficiente. Au o rezistență deschisă mai mică de 0,1 ohmi și un curent admisibil de aproximativ 30A. Aceste tranzistoare au omologii autohtoni KP723G, KP727V și, respectiv, KP746G. Există, de asemenea, microcircuite speciale care conțin mai multe comutatoare puternice cu tranzistori în interior. Un exemplu este microcircuitul ULN2003 de la Allegro (analogul nostru este K1109KT23), care conține 7 întrerupătoare cu un curent maxim de 0,5 A. O diagramă schematică a unei celule a acestui microcircuit este prezentată în fig. 26.

Orez. 26. Schema schematică a unei celule a microcircuitului ULN2003.

Microcircuite similare sunt produse de multe companii. Trebuie remarcat faptul că aceste microcircuite sunt potrivite nu numai pentru alimentarea înfășurărilor motorului pas cu pas, ci și pentru alimentarea oricăror alte sarcini. Pe lângă circuitele integrate simple ale driverului, există circuite integrate mai complexe care au un controler integrat, reglare curentă PWM și chiar un DAC pentru microstepping.

După cum sa menționat mai devreme, pentru a controla motoare bipolare Mai mult scheme complexe, cum ar fi podurile H. Astfel de circuite pot fi implementate și pe elemente discrete, deși recent au fost implementate din ce în ce mai mult pe circuite integrate. Un exemplu de implementare discretă este prezentat în fig. 27.

Orez. 27. Implementarea unui driver de punte pe componente discrete.

O astfel de punte H este controlată de două semnale, deci nu permite toate combinațiile posibile. Înfășurarea este alimentată când nivelurile de intrare sunt diferite și scurtcircuitată când nivelurile sunt aceleași. Acest lucru vă permite să obțineți doar o scădere lentă a curentului (frânare dinamică). Driverele de pod integrate sunt produse de multe companii. Un exemplu este L293 (KR1128KT3A) și L298 de la SGS-Thomson.

Până de curând, Ericsson producea un număr mare de microcircuite pentru controlul motoarelor pas cu pas. Cu toate acestea, la 11 iunie 1999, a transferat producția cipurilor sale industriale către New Japan Radio Company (New JRC). În același timp, denumirile microcircuitelor s-au schimbat de la PBLxxxx la NJMxxxx.

Atât întrerupătoarele simple, cât și podurile H pot face parte dintr-un regulator de curent cheie. Schema de management al cheilor poate fi implementată pe componente discrete sau sub forma unui microcircuit specializat. Un microcircuit destul de popular care implementează stabilizarea curentului PWM este L297 de la SGS-Thomson. Împreună cu cipul driver de punte L293 sau L298 formează un sistem complet de control pentru un motor pas cu pas (Fig. 28).

Orez. 28. Schema tipica activarea cipurilor L297 și L298N.

Microcircuitul L297 descarcă foarte mult microcontrolerul de control, deoarece necesită doar frecvența ceasului CLOCK (frecvența de repetare a pașii) și mai multe semnale statice: DIRECȚIE - direcție (semnalul este sincronizat intern, puteți comuta în orice moment), JUMĂTATE / PLIN - jumătate -mod pas / full-step, RESET - setează fazele la starea lor inițială (ABCD = 0101), ENABLE - permite funcționarea microcircuitului, V ref - tensiune de referință, care stabilește curentul de vârf în timpul reglării PWM. În plus, există mai multe semnale suplimentare. Semnalul CONTROL stabilește modul de funcționare al controlerului PWM. Când este scăzut, controlul PWM are loc la ieșirile INH1, INH2, iar când este ridicat - la ieșirile ABCD. SYNC - ieșirea generatorului intern de ceas PWM. Servește la sincronizarea funcționării mai multor microcircuite. Poate fi folosit și ca intrare atunci când este tactat de la un generator extern. HOME - semnal poziție acasă (ABCD = 0101). Este folosit pentru sincronizarea comutării modului HALF/FULL. În funcție de momentul trecerii la modul full-step, microcircuitul poate funcționa în modul cu o fază pornită sau cu două faze pornite.

Reglarea cheii este implementată de multe alte microcircuite. Unele microcircuite au anumite caracteristici, de exemplu, driverul LMD18T245 de la National Semiconductor nu necesită utilizarea unui senzor de curent extern, deoarece este implementat intern pe baza unei singure celule a unui MOSFET cheie.

Unele circuite integrate sunt proiectate special pentru microstepping. Un exemplu este cipul A3955 de la Allegro. Are un DAC neliniar de 3 biți încorporat pentru a seta schimbarea curentului de fază conform unei legi sinusoidale.

Orez. 29. Vector de deplasare curent și rotor.

Deplasarea rotorului în funcție de curenții de fază generați de acest DAC pe 3 biți este prezentată în fig. 29. A3972 are un DAC liniar pe 6 biți încorporat.

Selectarea tipului de șofer

Cuplul și puterea maximă pe care un motor pas cu pas le poate furniza arborelui depind de mărimea motorului, condițiile de răcire, modul de funcționare (raport pornit/oprit), de parametrii înfășurărilor motorului și de tipul de driver utilizat. Tipul de driver folosit afectează foarte mult puterea de pe arborele motorului. Cu aceeași putere disipată, un driver cu stabilizare a curentului pulsat asigură un câștig de cuplu la unele viteze de până la 5-6 ori, în comparație cu alimentarea înfășurărilor cu o tensiune nominală. Acest lucru extinde, de asemenea, gama de viteze admise.

Tehnologia de acționare a motorului pas cu pas este în continuă evoluție. Dezvoltarea vizează obținerea celui mai mare moment pe arbore cu dimensiunile minime ale motorului, capacități mari de turație, Eficiență ridicatăși precizie îmbunătățită. Un element important al acestei tehnologii este utilizarea microstepping-ului.

În practică, timpul de dezvoltare al unui drive bazat pe un motor pas cu pas este de asemenea important. Dezvoltarea unui design specializat pentru fiecare caz specific necesită o investiție semnificativă de timp. Din acest punct de vedere, este de preferat să folosiți scheme de control universal bazate pe stabilizarea curentului PWM, în ciuda costului lor mai mare.

Un exemplu practic de controler de motor pas cu pas bazat pe un microcontroler din familia AVR

În ciuda faptului că în prezent există un număr mare de microcircuite specializate pentru controlul motoarelor pas cu pas, în unele cazuri te poți descurca fără ele. Atunci când cerințele nu sunt prea stricte, controlerul poate fi implementat în întregime în software. În același timp, costul unui astfel de controler este foarte mic.

Controlerul propus este proiectat pentru a controla un motor pas cu pas unipolar cu un curent mediu al fiecărei înfășurări de până la 2,5 A. Controlerul poate fi utilizat cu motoare pas cu pas obișnuite, cum ar fi DSHI-200-1, -2, -3. De asemenea, poate fi folosit pentru a controla motoare mai puțin puternice, cum ar fi cele utilizate pentru poziționarea capetelor în unități de 5 inchi. În același timp, circuitul poate fi simplificat prin abandonarea conexiunii în paralel a tranzistorilor cheie și stabilizarea curentului cheie, deoarece pentru motoarele de putere redusă este suficientă o simplă sursă de alimentare L / R.

Orez. 30. Schema schematică a controlerului motorului pas cu pas.

Baza dispozitivului (Fig. 30) este microcontrolerul U1 tip AT90S2313 de la Atmel. Semnalele de control al înfășurării motorului sunt generate pe porturile PB4 - PB7 prin software. Pentru comutarea înfășurărilor, se folosesc în paralel două tranzistoare cu efect de câmp de tip KP505A, în total 8 tranzistoare (VT1 - VT8). Aceste tranzistoare au un pachet TO-92 și pot comuta curent până la 1,4A, rezistența canalului este de aproximativ 0,3 ohmi. Pentru ca tranzistoarele să rămână închise în timpul semnalului de „resetare” al microcontrolerului (porturile sunt într-o stare de impedanță ridicată în acest moment), rezistențele R11 - R14 sunt conectate între porți și surse. Rezistoarele R6 - R9 sunt instalate pentru a limita curentul de reîncărcare al capacității porții. Acest controler nu pretinde mare caracteristicile vitezei, prin urmare, este destul de mulțumit de scăderea lentă a curentului de fază, care este asigurată de manevrarea înfășurărilor motorului cu diode VD2 - VD5. Pentru a conecta un motor pas cu pas, există un conector XP3 cu 8 pini, care vă permite să conectați un motor care are două ieșiri separate de la fiecare înfășurare (cum ar fi DSHI-200). Pentru motoarele cu înfășurări conectate intern, unul sau doi pini comuni ai conectorului vor rămâne liberi.

Trebuie remarcat faptul că controlerul poate fi utilizat pentru a controla un motor cu un curent mediu mare de fază. Pentru a face acest lucru, este necesar doar să înlocuiți tranzistoarele VT1 - VT8 și diodele VD2 - VD5 cu altele mai puternice. Mai mult, în acest caz, conexiunea paralelă a tranzistorilor nu poate fi utilizată. Cele mai potrivite sunt MOSFET-urile controlate de un nivel logic. De exemplu, acestea sunt KP723G, KP727V și altele.

Stabilizarea curentului se realizează folosind PWM, care este implementat și în software. Pentru aceasta se folosesc doi senzori de curent R15 și R16. Semnalele preluate de la senzorii de curent, prin filtrul trece-jos R17C8 și R18C9, sunt alimentate la intrările comparatoarelor U3A și U3B. LPF previne fals pozitive ale comparatorilor din cauza interferențelor. La a doua intrare a fiecărui comparator trebuie aplicată o tensiune de referință, care determină curentul de vârf în înfășurările motorului. Această tensiune este generată de microcontroler folosind un temporizator încorporat care funcționează în modul PWM pe 8 biți. Pentru a filtra semnalul PWM, se folosește un filtru trece-jos cu două secțiuni R19C10R22C11. În același timp, rezistențele R19, R22 și R23 formează un divizor care stabilește scara pentru reglarea curenților de fază. În acest caz, curentul maxim de vârf corespunzător codului 255 este de 5,11 A, ceea ce corespunde unei tensiuni de 0,511 V la senzorii de curent. Având în vedere faptul că componenta constantă la ieșirea PWM variază de la 0 la 5V, factorul de divizare necesar este de aproximativ 9,7. Ieșirile comparatoarelor sunt conectate la intrările de întrerupere ale microcontrolerului INT0 și INT1.

Pentru a controla funcționarea motorului, există două intrări logice: FWD (înainte) și REW (înapoi), conectate la conectorul XP1. Când una dintre aceste intrări este LOW, motorul începe să se rotească la viteza minimă setată, accelerând treptat la accelerația constantă setată. Accelerația se termină când motorul atinge viteza de funcționare setată. Dacă este dată o comandă de schimbare a sensului de rotație, motorul decelerează cu aceeași accelerație, apoi inversează și accelerează din nou.

Pe lângă intrările de comandă, există două intrări pentru întrerupătoarele de limită conectate la conectorul XP2. Întrerupătorul de limită este considerat declanșat dacă intrarea corespunzătoare este logic LOW. În acest caz, rotirea în acest sens este interzisă. Când întrerupătorul de limită este declanșat în timp ce motorul se rotește, motorul va decelera la accelerația specificată și apoi se va opri.

Intrările de comandă și intrările întrerupătoarelor de limită sunt protejate de supratensiuni prin lanțuri R1VD6, R2VD7, R3VD8 și R4VD9, formate dintr-un rezistor și o diodă zener.

Sursa de alimentare a microcontrolerului este formată folosind microcircuitul stabilizator 78LR05, care îndeplinește simultan funcțiile unui monitor de putere. Când tensiunea de alimentare scade sub pragul setat, acest microcircuit generează un semnal de „resetare” pentru microcontroler. Alimentarea este furnizată stabilizatorului prin dioda VD1, care, împreună cu condensatorul C6, reduce ondulația cauzată de comutarea unei sarcini relativ puternice, care este un motor pas cu pas. Alimentarea plăcii este furnizată printr-un conector XP4 cu 4 pini, ale cărui contacte sunt duplicate.

Versiunea demo a programului vă permite să accelerați și să decelerați motorul cu o accelerație constantă, precum și să rotiți cu o viteză constantă în modul pas complet sau jumătate. Acest program conține tot setul necesar de funcții și poate fi folosit ca bază pentru scrierea programelor specializate. Prin urmare, este logic să luăm în considerare structura sa mai detaliat.

Sarcina principală a programului este formarea secvențelor de impulsuri pentru 4 înfășurări ale motorului. Deoarece sincronizarea este critică pentru aceste secvențe, formarea se realizează în handler-ul de întreruperi timer 0. Putem spune că munca principală a programului se realizează în acest handler. Schema bloc a manipulatorului este prezentată în fig. 31.

Orez. 31. Schema bloc a handler-ului de întreruperi timer 0.

Ar fi cu siguranță mai convenabil să utilizați Timer 1, deoarece este pe 16 biți și poate provoca întreruperi periodice care să coincidă cu auto-zeroarea. Cu toate acestea, el este ocupat să genereze o tensiune de referință pentru comparatoare folosind PWM. Prin urmare, este necesar să resetați temporizatorul 0 în întrerupere, ceea ce necesită o anumită ajustare a valorii încărcate și provoacă unele fluctuații, care, totuși, nu interferează în practică. Intervalul de 25 µs a fost ales ca bază de timp principală, care este formată de temporizator. Cu o astfel de discreție, pot fi formate secvențe de timp ale fazelor, PWM-ul stabilizării curentului în fazele motorului are aceeași perioadă.

Un temporizator software de 16 biți STCNT este utilizat pentru a forma perioada de repetare a pasului. Spre deosebire de temporizatorul 0, valoarea sa de sarcină nu este o constantă, deoarece determină viteza motorului. Astfel, comutarea de fază are loc numai atunci când temporizatorul software depășește.

Secvența fazelor este dată într-un tabel. Există trei tabele diferite în memoria de program a microcontrolerului: pentru modul pas complet fără suprapunere de fază, pas complet cu suprapunere și pentru modul cu jumătate de pas. Toate tabelele au aceeași lungime de 8 octeți. Tabelul dorit este încărcat în RAM la începutul lucrului, ceea ce face mai ușor să comutați între ele regimuri diferite funcţionarea motorului. Selectarea valorilor din tabel se face folosind indicatorul PHASE, astfel încât comutarea direcției de rotație a motorului este, de asemenea, foarte simplă: pentru rotirea înainte, trebuie să creșteți indicatorul, iar pentru rotația inversă, decreșterea.

Variabila cea mai „master” din program este variabila VC cu semn de 24 de biți, care conține valoarea vitezei curente. Semnul acestei variabile determină direcția de rotație, iar valoarea determină frecvența pașilor. O valoare zero pentru această variabilă indică faptul că motorul este oprit. Programul în acest caz oprește curentul tuturor fazelor, deși în multe aplicații în această situație este necesar să lăsați fazele curente pornite și să le reduceți doar puțin curentul, asigurându-se astfel că poziția motorului este menținută. Dacă este necesar, este foarte ușor să faci o astfel de schimbare în logica programului.

Astfel, în cazul depășirii temporizatorului programului STCNT se analizează valoarea variabilei VC, în cazul unei valori pozitive, indicatorul PHASE este incrementat, iar în cazul unei valori negative, acesta este decrementat. Apoi, următoarea combinație de faze este selectată din tabel, care este scoasă la port. Dacă valoarea VC este nulă, indicatorul PHASE nu este modificat și toate valorile nule sunt scoase la port.

Valoarea lui T pentru a încărca temporizatorul STCNT este legată în mod unic de valoarea variabilei VC. Cu toate acestea, conversia frecvenței într-o perioadă durează destul de mult, astfel încât aceste calcule sunt efectuate în programul principal și nu la fiecare pas, ci mult mai rar. În general, aceste calcule trebuie făcute doar periodic în timpul accelerării sau decelerației. În alte cazuri, viteza și, în consecință, perioada de repetare a pașilor, nu se modifică.

Pentru a implementa stabilizarea curentului PWM, fazele trebuie pornite periodic și apoi, când curentul atinge un nivel prestabilit, oprite. Activarea periodică se realizează într-o întrerupere a temporizatorului 0, pentru care, chiar și în absența unui depășire a temporizatorului software STCNT, combinația curentă de faze este scoasă la port. Acest lucru se întâmplă cu o perioadă de 25 µs (care corespunde unei frecvențe PWM de 40 kHz). Comutarea fazelor este controlată de comparatoare, ale căror ieșiri sunt conectate la intrările de întrerupere INT0 și INT1. Întreruperile sunt activate după ce curentul de fază este pornit și dezactivate imediat după comutarea comparatoarelor. Acest lucru le împiedică să fie reprocesate. În manipulatorii de întreruperi, numai fazele corespunzătoare sunt oprite (Fig. 32).

Orez. 32. Schema bloc a manipulatorului de întreruperi INT0 și INT1.

Procesele care au loc în timpul stabilizării curentului PWM sunt prezentate în fig. 33. Trebuie remarcat în special că curentul din senzorul de curent este intermitent chiar dacă curentul înfășurării nu este întrerupt. Acest lucru se datorează faptului că în timpul decăderii curentului, calea sa nu trece prin senzorul de curent (ci trece prin diodă).

Orez. 33. Procesul de stabilizare a curentului PWM.

Trebuie spus că partea analogică a sistemului de stabilizare a curentului PWM pentru fazele motorului este destul de „capricioasă”. Faptul este că semnalul preluat de la senzorul de curent conține o cantitate mare de interferență. Interferența apar mai ales în momentele de comutare a înfășurărilor motorului, atât fazele „proprii”, cât și „străine”. Este necesară o dispunere corectă a PCB-ului pentru funcționarea corectă a circuitului, în special pentru conductorii de împământare. Poate fi necesar să alegeți filtrul trece-jos la intrarea comparatorului sau chiar să introduceți o mică histerezis în comparator. După cum sa menționat mai sus, atunci când se controlează motoare de putere redusă, stabilizarea curentului PWM poate fi complet abandonată prin utilizarea circuitului obișnuit de alimentare cu bobinaj L / R. Pentru a exclude stabilizarea PWM, este suficient să nu conectați intrările INT0 și INT1 ale microcontrolerului, desigur, în acest caz, nu puteți instala deloc un comparator și senzori de curent.

În acest program, frecvența calculării noilor valori ale vitezei și perioadei este aleasă să fie de 15,625 ms. Această valoare nu a fost aleasă întâmplător. Acest interval este de 1/64 de secunde și, cel mai important, conține un număr întreg de perioade de depășire a temporizatorului 0 (25µs). Este convenabil dacă valorile vitezei și accelerației sunt date în unități naturale, adică în pași pe secundă și în pași pe secundă pătrat. Pentru a putea calcula viteza instantanee de 64 de ori pe secundă în aritmetică întregi, trebuie să mergeți la reprezentarea internă a vitezei, mărită de 64 de ori. Înmulțirea și împărțirea cu 64 se reduc la ture simple și, prin urmare, necesită foarte puțin timp. Frecvența specificată a calculelor este furnizată de un alt temporizator software URCNT, care este decrementat în întreruperea temporizatorului 0 (o dată la 25 μs). Acest cronometru este întotdeauna încărcat la o valoare constantă, ceea ce îi oferă o perioadă fixă ​​de depășire de 15,625 ms. Când acest temporizator depășește, este setat indicatorul de biți UPD, care semnalează programului principal că „este timpul să actualizezi valorile vitezei și perioadei”.

Programul principal (Fig. 34) calculează valorile instantanee ale vitezei și ale perioadei pașilor, furnizând curba de accelerație necesară. În acest caz, accelerația și decelerația sunt efectuate cu o accelerație constantă, astfel încât viteza se modifică liniar. În acest caz, perioada se schimbă conform legii hiperbolice, iar calculul acesteia este principala activitate a programului.

Orez. 34. Schema bloc a ciclului principal al programului.

Programul principal actualizează periodic valorile vitezei și perioadei pașilor, frecvența este setată de steag-ul UPD. Programul realizează actualizarea pe baza unei comparații a valorilor a două variabile: viteza instantanee VC și viteza necesară VR.

Valoarea vitezei necesare este definită și în programul principal. Acest lucru se face pe baza analizei semnalelor de control și a semnalelor de la întrerupătoarele de limită. În funcție de aceste semnale, programul principal încarcă variabila VR cu valoarea vitezei necesare. În acest program, este V pentru a merge înainte, -V pentru a vă deplasa înapoi și 0 pentru a opri. În general, setul de viteze (precum și accelerațiile și curenții de fază) poate fi arbitrar mare, în funcție de cerințe.

Dacă vitezele VC și VR sunt egale, atunci motorul pas cu pas funcționează în modul staționar și nu este necesară nicio actualizare. Dacă vitezele nu sunt egale, atunci valoarea VC cu o accelerație dată se apropie de VR, adică. motorul accelerează (sau decelerează) până când se atinge viteza nominală. În cazul în care chiar și semnele VR și VC sunt diferite, motorul încetinește, inversează și apoi atinge viteza necesară. Acest lucru se întâmplă ca de la sine, datorită structurii programului.

Daca la urmatoarea verificare se constata ca vitezele VR si VC nu sunt egale, atunci valoarea acceleratiei A se adauga (sau scade) la valoarea VC.Daca in urma acestei operatii se depaseste viteza ceruta, atunci valoarea obtinuta se corecteaza prin inlocuirea acesteia cu valoarea exacta a vitezei cerute.

Apoi se calculează perioada T (Fig. 35).

Orez. 35. Schema bloc a subrutinei de calcul perioadei.

Mai întâi, se calculează modulul vitezei curente. Apoi există o limită minimă de viteză. Această restricție este necesară din două motive. În primul rând, o viteză infinit de mică corespunde unei perioade infinit de lungi, ceea ce va provoca o eroare în calcule. În al doilea rând, motoarele pas cu pas au o zonă de pornire destul de lungă, deci nu este nevoie să porniți la o viteză foarte mică, mai ales că rotația la viteze mici provoacă zgomot și vibrații crescute. Valoarea vitezei minime VMIN trebuie selectată în funcție de aplicația specifică și tipul de motor. După limitarea vitezei minime, perioada se calculează folosind formula T = 2560000/|VC|. La prima vedere, formula nu este evidentă, dar dacă ținem cont de faptul că perioada trebuie obținută în intervale de 25 µs, iar reprezentarea internă a VC este valoarea sa adevărată înmulțită cu 64, atunci totul cade la loc. Calcularea T necesită o operațiune de diviziune 24/24 nesemnată, pe care AVR-ul la 10 MHz o face în aproximativ 70 µs. Având în vedere că calculele perioadei nu apar mai mult de o dată la 15,625 ms, sarcina procesorului este foarte mică. Sarcina principală este produsă de întreruperea temporizatorului 0 și se realizează în principal pe o ramură scurtă (fără debordare STCNT) cu o durată de aproximativ 3 μs, ceea ce corespunde unei sarcini de procesor de 12%. Aceasta înseamnă că există rezerve semnificative de resurse de calcul.

Placa de circuit imprimat a controlerului motorului pas cu pas este prezentată în fig. 36.

Orez. 36. Placa cu circuite imprimate a controlerului motorului pas cu pas.

Programul demonstrativ prezentat nu are multe dintre caracteristicile care ar trebui să fie prezente într-un controler complet de motor pas cu pas. Implementarea acestor funcții depinde în mare măsură de aplicarea unui anumit motor pas cu pas și cu greu poate fi universalizată. În același timp, programul de mai sus poate servi ca bază pentru scrierea unor programe speciale care au unul sau altul set de capabilități. De exemplu, pe baza acestei plăci au fost create o serie de controlere specializate pentru motoare pas cu pas. Unul dintre modelele unui astfel de controler are următoarele caracteristici:

• frecvența maximă de comutare a fazelor 3 kHz
• accelerație constantă
• sens de rotație programabil
Controler LCD grafic de înaltă rezoluție

Mai devreme sau mai târziu, atunci când construiești un robot, va fi nevoie de mișcări precise, de exemplu, când vrei să faci un manipulator. Există două opțiuni aici - servo, cu feedback de curent, tensiune și poziție, sau o unitate pas cu pas. Servoacționarea este mai economică, mai puternică, dar în același timp are un sistem de control foarte nebanal și nu toată lumea o poate face, dar motor pas cu pas asta e mai aproape de realitate.

motor pas cu pas acesta, după cum sugerează și numele, este un motor care se rotește mișcări discrete. Acest lucru se realizează datorită formei viclene a rotorului și a două (rar patru) înfășurări. Ca urmare, prin alternarea direcției tensiunii în înfășurări, se poate realiza ca rotorul să ocupe pe rând valori fixe.
În medie, un motor pas cu pas are aproximativ o sută de pași pe rotație a arborelui. Dar depinde foarte mult de modelul motorului, precum și de designul acestuia. În plus, există jumătate de pasși micro pas, când se aplică o tensiune PWM înfășurărilor motorului, determinând rotorul să stea între trepte într-o stare de echilibru, care este menținută de un nivel diferit de tensiune pe înfășurări. Aceste trucuri îmbunătățesc drastic precizia, viteza și zgomotul muncii, dar cuplul scade și complexitatea programului de control crește foarte mult - la urma urmei, trebuie să calculați tensiunea pentru fiecare pas.

Unul dintre dezavantajele stepper-urilor, cel puțin pentru mine, este curentul destul de mare. Deoarece tensiunea este aplicată înfășurărilor tot timpul și un astfel de fenomen precum contra-EMF în ea, spre deosebire de motoarele de colector, nu este observat, atunci, de fapt, suntem încărcați de rezistența activă a înfășurărilor și este mic. Așa că fii pregătit pentru faptul că trebuie să îngrădești un șofer puternic MOSFET tranzistoare sau dotate cu microcircuite speciale.

Tipuri de motoare pas cu pas
Dacă nu intri adânc în structura interna, numărul de pași și alte subtilități, apoi din punctul de vedere al utilizatorului există trei tipuri:

• Bipolar- are patru iesiri, contine doua infasurari.
• Unipolar- are șase prize. Conține două înfășurări, dar fiecare înfășurare are un robinet din mijloc.
• Patru înfăşurări- are patru infasurari independente. De fapt, este același unipolar, doar înfășurările sale sunt separate. Nu l-am văzut live, doar în cărți.

De unde pot lua un motor pas cu pas.
În general, stepperele se găsesc în multe locuri. Cel mai gustos loc unități de cinci inci si vechi imprimante matriciale. De asemenea, puteți profita de ele în vechile hard disk-uri de 40 MB, cu excepția cazului în care, desigur, o mână se ridică pentru a schilodi astfel de antichități.
Dar în floppers de trei inci, ne așteaptă o dezamăgire - adevărul este că există un stepper cu un design foarte defectuos - are un singur rulment spate, iar capătul din față al arborelui se sprijină pe un rulment montat pe cadrul de antrenare. Așa că îl puteți folosi doar în montura nativă. Sau îngrădiți o structură de montare de înaltă precizie. Cu toate acestea, s-ar putea să ai noroc și să găsești un flopper atipic cu un motor cu drepturi depline.

Circuit de control al motorului pas cu pas
Am pus mâna pe controlere pas cu pas L297și un pod dublu puternic L298N.

Digresiune lirică, dacă doriți, puteți sări peste ea

• La intrare CW/CCW dăm sensul de rotație - 0 într-un sens, 1 - în celălalt.
• la intrare CEAS- impulsuri. Un impuls, un pas.
• Intrare JUMATATE PLIN setează modul de funcționare - pas complet / jumătate de pas
• RESET resetează driverul la starea implicită ABCD=0101.
• CONTROL determină modul în care este setat PWM-ul, dacă este la zero, atunci PWM-ul este generat prin ieșirile de activare INH1și INH2, iar dacă 1 atunci prin ieșirile către driverul ABCD. Acest lucru poate fi util dacă în loc de L298 care are unde să conecteze intrările de permisiuni INH1/INH2 va exista fie o punte de casă pe tranzistori, fie un alt microcircuit.
• La intrare Vref este necesar să se aplice tensiune de la potențiometru, care va determina capacitatea maximă de suprasarcină. Aplicați 5 volți - tamponul va funcționa la limită, iar în caz de suprasarcină se va arde L298, dați mai puțin - la curentul maxim se va bloca pur și simplu. La început, am condus prost puterea acolo, dar apoi m-am răzgândit și am pus un rezistor trimmer - protecția este încă un lucru util, va fi rău dacă șoferul L298 va arde.
  Dacă nu vă pasă de protecție, atunci, în același timp, puteți arunca și rezistențele care atârnă la ieșirea senzorului. Acestea sunt șunturi curente, de la ei L297 află ce curent trece prin driver L298și decide că va muri și este timpul să tai sau să te întinzi în continuare. Acolo sunt necesare rezistențe mai puternice, în condițiile în care curentul prin driver poate ajunge la 4A, apoi cu o rezistență recomandată de 0,5 ohmi se va produce o cădere de tensiune de aproximativ 2 volți, ceea ce înseamnă că puterea eliberată va fi de aproximativ 4*2. = 8 W - pentru o rezistență ogo! Le-am pus de doi wați, dar aveam și un stepper mic, incapabil să barbierească 4 amperi.

Nikolai Gurylev.

Bună, Yuri Valerievich! Voi descrie modificările din schema > Ce m-a determinat să schimb schema? În schema originală, motorul este controlat de câte două butoane fiecare, dintre care conțin două grupuri de contacte. Un grup furnizează un nivel logic ridicat la intrarea microcircuitelor, celălalt furnizează energie motorului. Având în vedere faptul că unele motoare consumă un curent semnificativ, grupul de contacte care controlează motorul trebuie să fie suficient de puternic și, prin urmare, în ansamblu.

Acest lucru, desigur, nu este convenabil și nu este de dorit, având în vedere reducerea fiabilității dispozitivului din cauza utilizării contactelor mecanice în circuite cu curent ridicat. Propun să controlăm alimentarea motorului cu un tranzistor puternic cu efect de câmp, care la rândul său este controlat de aceleași butoane. Când butoanele SB-1 sau SB-2 sunt închise, un nivel logic ridicat prin elementul logic SAU format de diodele VD-6 și VD-7 intră în poarta tranzistorului cu efect de câmp VT-5, deschizându-l și, prin urmare, închiderea circuitului de putere a motorului. Acest lucru face posibilă separarea circuitelor de alimentare și de control și utilizarea butoanelor miniaturale de curent scăzut pentru control, de exemplu, butoane tactile și, în plus, face posibilă controlul de la un dispozitiv extern (de exemplu, un computer) prin furnizarea nivelurilor logice adecvate. Desigur, printr-un dispozitiv suplimentar de potrivire. Puteți implementa și controlul pas cu pas, dar nu voi complica. La urma urmei, acesta este un dispozitiv SIMPLU. Diodele pot fi folosite orice, silicon, care se potrivesc. Tranzistorul cu efect de câmp trebuie selectat pe baza tensiunii de alimentare și a consumului de curent al motorului utilizat. Tranzistoarele cu efect de câmp sunt acum vândute în multe capacități diferite, cu tensiuni la sursa de scurgere de până la sute de volți și cu curenți de scurgere de până la zeci de amperi. Dacă se folosește un motor de joasă tensiune, atunci este de dorit să alegeți și un tranzistor de joasă tensiune, deoarece au o rezistență mai mică a sursei de scurgere, ceea ce implică o cădere de tensiune mai mică și o pierdere mai mică de încălzire și putere.

Din același motiv, este, de asemenea, de dorit să se utilizeze lucrători de teren cu un canal N ca VT1-VT5. În acest caz, rezistența rezistențelor din circuitul de bază poate fi redusă, acest lucru nu va duce la o supraîncărcare a elementelor logice. Circuitul original nu indică tipul de stabilizator folosit, dar cred că 12 volți va fi pe măsură. Trebuie reținut că driverele puternice de câmp, de regulă, încep să se deschidă intens la o tensiune de poartă de aproximativ 4 volți și se saturează la o tensiune de aproximativ 10 volți. E ca totul. Schema modificată și sigilul modificat sunt atașate.

Pentru funcționarea aproape a tuturor aparatelor electrice, sunt necesare mecanisme speciale de antrenare. Ne propunem să luăm în considerare ce este un motor pas cu pas, designul său, principiul de funcționare și diagramele de conectare.

Ce este un motor pas cu pas?

Un motor pas cu pas este o mașină electrică concepută pentru a transforma energia electrică a rețelei în energie mecanică. Din punct de vedere structural, constă din înfășurări statorice și un rotor magnetic moale sau dur. O caracteristică distinctivă a unui motor pas cu pas este rotația discretă, în care un anumit număr de impulsuri corespunde unui anumit număr de pași. Astfel de dispozitive sunt cele mai utilizate pe scară largă în mașinile-unelte CNC, robotică, stocarea informațiilor și dispozitivele de citire.

Spre deosebire de alte tipuri de mașini, un motor pas cu pas nu se rotește continuu, ci în trepte, din care provine și numele dispozitivului. Fiecare astfel de pas este doar o parte din cifra sa de afaceri totală. Numărul de pași necesari pentru o rotație completă a arborelui va diferi în funcție de schema de conectare, marca motorului și metoda de control.

Avantajele și dezavantajele unui motor pas cu pas

Beneficiile folosirii unui motor pas cu pas includ:

• La motoarele pas cu pas, unghiul de rotație corespunde numărului de semnale electrice aplicate, în timp ce, după oprirea rotației, se mențin cuplul complet și fixarea;
• Pozitionare precisa - asigura 3 - 5% din pasul stabilit, care nu se acumuleaza de la pas la pas;
• Oferă pornire, marșarier, oprire de mare viteză;
• Se distinge prin fiabilitate ridicată datorită absenței componentelor de frecare pentru colectarea curentului, spre deosebire de motoarele de colector;
• Motorul pas cu pas nu necesită feedback pentru poziționare;
• Poate furniza turații scăzute pentru sarcina aplicată direct, fără nicio viteză;
• Cost relativ mai mic comparativ cu același;
• O gamă largă de control al vitezei arborelui este oferită prin modificarea frecvenței impulsurilor electrice.

Dezavantajele utilizării unui motor pas cu pas includ:

• Poate apărea un efect de rezonanță și alunecare a unității pas cu pas;
• Există posibilitatea de a pierde controlul din cauza lipsei de feedback;
• Cantitatea de energie electrică consumată nu depinde de prezența sau absența unei sarcini;
• Dificultăți de control din cauza particularității circuitului

Dispozitiv și principiu de funcționare

Figura 1 prezintă 4 înfășurări care aparțin statorului motorului, iar aranjamentul lor este aranjat astfel încât să fie la un unghi de 90º unul față de celălalt. Din care rezultă că o astfel de mașină se caracterizează printr-o dimensiune a pasului de 90º.

În momentul în care tensiunea U1 este aplicată la prima înfășurare, rotorul se mișcă cu aceeași 90º. În cazul aplicării alternative a tensiunii U2, U3, U4 înfășurărilor corespunzătoare, arborele va continua să se rotească până la completarea unui cerc complet. Apoi ciclul se repetă din nou. Pentru a schimba sensul de rotație, este suficient să schimbați ordinea în care impulsurile sunt furnizate înfășurărilor corespunzătoare.

Tipuri de motoare pas cu pas

Pentru a asigura diverși parametri de funcționare, sunt importante atât dimensiunea treptei cu care se va deplasa arborele, cât și momentul aplicat pentru deplasare. Variațiile acestor parametri sunt obținute datorită designului rotorului în sine, metodei de conectare și proiectării înfășurărilor.

Conform designului rotorului

Elementul rotativ asigură interacțiunea magnetică cu câmpul electromagnetic al statorului. Prin urmare, designul său și caracteristici tehnice determinați direct modul de funcționare și parametrii de rotație ai unității în trepte. Pentru a determina tipul de motor pas cu pas în practică, cu o rețea dezactivată, este necesar să rotiți arborele, dacă simțiți rezistență, atunci aceasta indică prezența unui magnet, în caz contrar, acesta este un design fără rezistență magnetică. .

Reactiv

Un motor pas cu pas reactiv nu este echipat cu un magnet pe rotor, ci este fabricat din aliaje magnetice moi, de regulă, este asamblat din plăci pentru a reduce pierderile prin inducție. Designul în secțiune transversală seamănă cu o roată dințată cu dinți. Polii înfășurărilor statorului sunt alimentați de perechi opuse și creează o forță magnetică pentru a deplasa rotorul, care se deplasează din fluxul alternativ de curent electric în perechile de înfășurare.

Un avantaj semnificativ al acestui design al acționării pas cu pas este absența unui moment de blocare generat de câmp în raport cu armătura. De fapt, acesta este același în care rotația rotorului merge în conformitate cu câmpul statorului. Dezavantajul este reducerea cantității de cuplu. Pas pentru motor turboreactor fluctuează de la 5 la 15 °.

Cu magneți permanenți

În acest caz, elementul mobil al motorului pas cu pas este asamblat dintr-un magnet permanent, care poate avea doi sau mai mulți poli. Rotația rotorului este asigurată de atracția sau respingerea polilor magnetici de către câmpul electric atunci când se aplică tensiune în înfășurările corespunzătoare. Pentru acest design, pasul unghiular este de 45-90°.

hibrid

A fost conceput pentru a combina cele mai bune calități ale celor două modele anterioare, datorită cărora unitatea are un unghi și un pas mai mic. Rotorul său este realizat sub forma unui magnet permanent cilindric, care este magnetizat de-a lungul axei longitudinale. Din punct de vedere structural, arată ca doi poli rotunzi, pe suprafața cărora se află dinți rotori din material magnetic moale. Această soluție a făcut posibilă asigurarea de menținere și cuplu excelentă.

Avantajele unui motor pas cu pas hibrid sunt precizia sa ridicată, netezimea și viteza de mișcare, în pași mici - de la 0,9 la 5 °. Sunt folosite pentru mașini CNC de ultimă generație, echipamente de computer și de birou și robotică modernă. Singurul dezavantaj este costul relativ ridicat.

De exemplu, să analizăm motorul pas cu pas hibrid pentru 200 de pași de poziționare a arborelui. În consecință, fiecare dintre cilindri va avea 50 de dinți, unul dintre ei este un pol pozitiv, al doilea este negativ. În acest caz, fiecare dinte pozitiv este situat vizavi de canelura din cilindrul negativ și invers. Din punct de vedere structural, arată astfel:

Din acest motiv, pe arborele motorului pas cu pas se obțin 100 de poli alternanți cu polaritate excelentă. Statorul are și dinți așa cum se arată în Figura 6 de mai jos, cu excepția golurilor dintre componentele sale.

Datorită acestui design, este posibil să se realizeze o deplasare a aceluiași pol sud față de stator în 50 de poziții diferite. Datorită diferenței de poziție în semipoziția dintre polii nord și sud, se realizează posibilitatea deplasării în 100 de poziții, iar defazarea cu un sfert de diviziune face posibilă dublarea numărului de pași datorită excitației secvențiale , adică până la 200 de trepte ale arborelui unghiular la 1 rotație.

Fiți atenți la figura 6, principiul de funcționare a unui astfel de motor pas cu pas este că, atunci când curentul este furnizat în perechi la înfășurările opuse, polii opuși ai rotorului situat în spatele dinților statorului sunt trași în sus și polii cu același nume sunt respinși în în fața lor în sensul de rotație.

După tipul de înfăşurări

În practică, un motor pas cu pas este un motor polifazat. Netezimea muncii în care depinde direct de numărul de înfășurări - cu cât sunt mai multe, cu atât mai lină are loc rotația, dar și costul mai mare. În acest caz, cuplul nu crește de la numărul de faze, deși pentru funcționarea normală numărul lor minim pe statorul motorului trebuie să fie de cel puțin două. Numărul de faze nu determină numărul de înfășurări, astfel încât un motor pas cu două faze poate avea patru sau mai multe înfășurări.

Unipolar

Un motor pas cu pas unipolar este diferit prin faptul că circuitul de conexiune a înfășurării are o ramură din punctul de mijloc. Acest lucru facilitează schimbarea polilor magnetici. Dezavantajul acestui design este utilizarea doar a unei jumătăți din turațiile disponibile, datorită cărora se obține un cuplu mai mic. Prin urmare, au dimensiuni mari.

Pentru a utiliza întreaga putere a bobinei, terminalul din mijloc este lăsat neconectat. Luați în considerare designul unităților unipolare, acestea pot conține 5 și 6 pini. Numărul lor va depinde dacă firul din mijloc este scos separat de fiecare înfășurare a motorului sau dacă sunt conectați împreună.

Bipolar

Motorul pas cu pas bipolar este conectat la controler prin 4 pini. În acest caz, înfășurările pot fi conectate intern atât în ​​serie, cât și în paralel. Luați în considerare un exemplu al lucrării sale din figură.

În diagrama structurală a unui astfel de motor, vedeți cu o înfășurare de excitație în fiecare fază. Din această cauză, schimbarea direcției curentului necesită utilizarea circuit electronic drivere speciale (cipuri electronice concepute pentru control). Un efect similar poate fi obținut prin pornirea podului H. Comparativ cu cel precedent, dispozitivul bipolar oferă același cuplu într-un pachet mult mai mic.

Conectarea unui motor pas cu pas

Pentru a alimenta înfășurările, veți avea nevoie de un dispozitiv capabil să livreze un impuls de control sau o serie de impulsuri într-o anumită secvență. Astfel de blocuri sunt dispozitive semiconductoare pentru conectarea unui motor pas cu pas, drivere de microprocesor. În care există un set de terminale de ieșire, fiecare dintre ele determină metoda de alimentare și modul de funcționare.

În funcție de schema de conectare, trebuie utilizată una sau alta ieșire a unității pas cu pas. Cu diverse opțiuni de însumare a anumitor terminale la semnalul de ieșire DC, se obține o anumită viteză de rotație, pas sau micropas de mișcare liniară în plan. Deoarece unele sarcini necesită o frecvență joasă, în timp ce altele au nevoie de una înaltă, același motor poate seta parametrul în detrimentul șoferului.

Scheme tipice de conectare a motoarelor pas cu pas

În funcție de câți pini sunt prezentați pe un anumit motor pas cu pas: 4, 6 sau 8 pini, și posibilitatea de a utiliza una sau alta schemă de conectare va diferi. Uitați-vă la imagini, aici sunt opțiuni tipice pentru conectarea unui mecanism pas cu pas:

Cu condiția ca polii principali ai mașinii pas cu pas să fie alimentați de la același driver, conform acestor scheme, pot fi remarcate următoarele caracteristici distinctive ale muncii:

• Ieșirile sunt conectate în mod unic la bornele corespunzătoare ale dispozitivului. Când înfășurările sunt conectate în serie, crește inductanța înfășurărilor, dar reduce curentul.
• Oferă valoarea pașaportului caracteristici electrice. Într-un circuit paralel, curentul crește și inductanța scade.
• Când conectați o fază pe înfășurare, cuplul va scădea cu turații miciși reduce curenții.
• Când este conectat, efectuează toate lucrările electrice și caracteristici dinamice conform pașaportului, curenți nominali. Schema de control este mult simplificată.
• Oferă mult mai mult cuplu și este utilizat pentru viteze mari;
• La fel ca și precedentul, este conceput pentru a crește cuplul, dar este folosit pentru turații mici.

Controlul motorului pas cu pas

Funcționarea unei unități de trepte poate fi efectuată în mai multe moduri. Fiecare dintre acestea diferă în modul în care semnalele sunt aplicate perechilor de poli. În total, se distinge o rază de tragere a metodei de activare a înfășurării.

Val- în acest mod, este excitată o singură înfășurare, spre care sunt atrași polii rotorului. În același timp, motorul pas cu pas nu este capabil să tragă o sarcină mare, deoarece produce doar jumătate din cuplu.

pas complet- în acest mod, are loc comutarea simultană a fazelor, adică ambele sunt excitate simultan. Din aceasta cauza se asigura cuplul maxim, in cazul unei conexiuni in paralel sau in serie a infasurarilor se va crea tensiunea sau curentul maxim.

jumătate de pas- este o combinație a celor două metode anterioare de comutare a înfășurărilor. În timpul implementării căreia, într-un motor pas cu pas, tensiunea este aplicată alternativ mai întâi la o bobină și apoi la două deodată. Acest lucru are ca rezultat o fixare mai bună asupra viteze maxime si mai multi pasi.

Pentru un control mai blând și depășirea inerției rotorului, se utilizează controlul micropas, atunci când sinusoidul semnalului este realizat prin impulsuri micropas. Datorită faptului că forțele de interacțiune a circuitelor magnetice într-un motor pas cu pas se schimbă mai lină și, ca urmare, mișcarea rotorului între poli. Vă permite să reduceți semnificativ smuciturile motorului pas cu pas.

Fără controler

Sistemul H-bridge este utilizat pentru a controla motoarele fără perii. Ceea ce vă permite să comutați polaritatea pentru a inversa motorul pas cu pas. Poate fi realizat pe tranzistoare sau microcircuite care creează un lanț logic pentru mutarea tastelor.

După cum puteți vedea, de la sursa de alimentare V, se aplică tensiune pe punte. Când contactele S1 - S4 sau S3 - S2 sunt conectate în perechi, curentul va curge prin înfășurările motorului. Ceea ce va provoca rotația într-un sens sau altul.

cu controler

Dispozitivul controler vă permite să controlați motorul pas cu pas în diferite moduri. Controlerul se bazează pe unitatea electronică, care formează grupuri de semnale și succesiunea lor trimisă la bobinele statorului. Pentru a preveni posibilitatea deteriorării în cazul unui scurtcircuit sau a unei alte situații de urgență asupra motorului în sine, fiecare ieșire este protejată de o diodă care nu pierde pulsul în sens opus.

Scheme populare de control al motoarelor pas cu pas

Este una dintre cele mai rezistente la zgomot moduri de lucru. În acest caz, semnalul direct și invers este conectat direct la polii corespunzători. Într-un astfel de circuit, trebuie aplicată ecranarea conductorului de semnal. Excelent pentru sarcini de putere redusă.

În acest circuit, intrările pozitive ale controlerului sunt combinate, care sunt conectate la polul pozitiv. În cazul sursei de alimentare de peste 9V, în circuit trebuie inclus un rezistor special pentru a limita curentul. Vă permite să setați numărul necesar de pași cu o viteză strict setată, să determinați accelerația etc.

Cel mai simplu driver de motor pas cu pas

Pentru a asambla un circuit de driver acasă, unele articole de la imprimante vechi, computere și alte echipamente pot fi utile. Veți avea nevoie de tranzistori, diode, rezistențe (R) și un circuit integrat (RG).

Pentru a construi un program, ghidați-vă după următorul principiu: atunci când o unitate logică este aplicată la una dintre ieșirile D (semnalul de rest zero), tranzistorul se deschide și semnalul trece la bobina motorului. Astfel, un pas este finalizat.

Pe baza circuitului, este compilată o placă de circuit imprimat, pe care o puteți încerca să o faceți singur sau să o faceți la comandă. După aceea, piesele corespunzătoare sunt lipite pe placă. Dispozitivul este capabil să controleze stepper-ul de la un computer de acasă conectându-se la un port USB obișnuit.

Video util

Am achiziționat recent un ARDUINO din China. Gânduri despre fabricarea diferitelor dispozitive - marea. M-am săturat să clipesc foarte repede LED-ul de pe placă, îmi doream ceva mai substanțial. Desigur, ar fi necesar să comand un set, dar prețul lui este oarecum exagerat și a trebuit să caut ceva pe internet, să vin eu cu ceva. Drept urmare, am comandat în continuare diverși senzori, relee, indicatoare în aceeași China ... Puțin mai târziu, a venit faimosul indicator 1602. Am învățat să lucrez cu el și, de asemenea, m-am obișnuit rapid cu el. Am vrut să controlez un motor pas cu pas de pe o unitate CD-DVD. Nu am avut chef să aștept un colet din Est timp de 1-2 luni și am decis să încerc să-mi fac eu un șofer. Am găsit acest circuit pentru pornirea unui motor pas cu pas bipolar:

Nu am găsit microcircuite în sălbăticia noastră și nici nu am comandat microcircuite în magazinele online rusești cu prețul a 2-3 drivere gata făcute pentru 1 microcircuit. Microcircuitul este o punte H de tranzistori. Apropo, fie tranzistoarele bipolare compozite (așa-numitele ansambluri Darlington), fie tranzistoarele cu efect de câmp trebuie să fie incluse în pod. Tranzistoarele bipolare unice au nevoie de o acumulare bună, pe care controlerul nu o poate oferi, altfel există o cădere de tensiune foarte mare pe tranzistor din cauza faptului că acesta nu se poate deschide. pentru că un bun prieten se ocupă cu repararea calculatoarelor, atunci nu au fost probleme cu muncitorii de câmp. La început am vrut să o fac pe bipolare, dar rezultă de 2 ori mai mulți tranzistori, ceea ce nu este în totalitate bun pentru dimensiunile driverului și pot rezista mult mai puțin curent. După ce am lipit aproximativ o duzină de tranzistoare cu efect de câmp și am citit fișele de date de pe ele, am căzut din nou în disperare - există circuite pe Internet doar pe perechi de tranzistoare cu efect de câmp de tip n și p. Și pur și simplu nu am găsit un singur circuit pe tranzistoare de același tip. Calculatoarele folosesc tranzistori de tip n. A trebuit să fac un mic dispozitiv pe muncitorii de câmp de pe placa de breadboard, am încercat să controlez LED-urile, a funcționat și am decis să asamblam dispozitivul finit. Șoferul nu trebuie reglat deoarece practic nu este nimic de reglat aici. Singura problemă a fost cu software-ul. Am găsit o fișă de date pentru un motor similar și am setat stările de ieșire conform programelor de lucru. După aceea, rămâne doar să ridicăm întârzierea și toate dispozitivele gata! De fapt, schema pentru înlocuirea cipul L293D.

Datele tranzistorului sunt date exact așa - în multisim nu le-am putut schimba în niciun fel. Am folosit tranzistoare P60N03LDG în pachetul TO-252. Totul este destul de simplu în ea: când se aplică tensiune la una dintre intrările U1 sau U2, 2 tranzistoare se deschid în brațele superioare și inferioare și în cruce. Astfel, polaritatea tensiunii de pe motor este comutată. Și astfel încât tensiunea să nu fie aplicată imediat la 2 intrări (acest lucru va provoca un scurtcircuit în circuitul de alimentare) și a folosit circuitul de comutare L293D. Cu această includere, tranzistorul NPN nu vă permite să deschideți simultan toate cele 4 tranzistoare H-bridge. Apropo, 1 motor va fi controlat de 2 ieșiri Arduino, ceea ce este extrem de important pentru salvarea ieșirilor și intrărilor microcontrolerului. O altă condiție este ca firul negativ al comutatoarelor tranzistorului să fie conectat la borna negativă a plăcii de control. Puterea este furnizată la placa de control de la Arduino, la taste - de la o sursă de alimentare externă. Acest lucru vă permite să conectați motoare suficient de puternice. Totul depinde de caracteristicile tranzistoarelor. Deci, pentru un driver aveți nevoie de 8 tranzistoare cu efect de câmp (P60N03LDG sau orice alt canal n), orice 2 tranzistoare bipolare NPN SMD (le am marcat t04), rezistențe smd de dimensiunea 0805 și 4 jumperi de aceeași dimensiune. (sunt scrise 000 sau doar 0). Toate aceste detalii pot fi găsite pe vechi și inutilizabile plăci de bază. Asigurați-vă că verificați piesele înainte de instalare.

Am răspândit placa în format Layout6. . Remarc că ar trebui să obțineți doar o astfel de vedere - inscripțiile ar trebui să fie lizibile și nu cu susul în jos, țineți cont de acest lucru atunci când imprimați placa, deoarece detaliile vor fi instalate din lateralul șinelor. De asemenea, lipim conectorii de pe placa de bază cu un uscător de păr, tăiem cât mai mulți pini este necesar și îi lipim pe placa noastră - este mult mai convenabil și mai fiabil decât lipirea firelor în placă. Să ne ocupăm de scopul pinii: pini Out1 și Out2 - conectarea înfășurărilor motorului pas cu pas, In1,2 - intrare de la Arduino, ± 5V - putere de control de la Arduino (am făcut un conector dublu pentru că poți conecta puterea la mai multe blocuri deodată cu o buclă), 2 jumperi situate pe cealaltă parte a plăcii, acestea furnizează tensiune la taste. Dimensiunea plăcii - 43x33mm. Cine vrea, poate minimiza și mai mult.

Să ne ocupăm de software-ul pentru motorul pas cu pas. Pentru orice motor pas cu pas, trebuie să găsiți o foaie de date sau, în cel mai rău caz, o diagramă a funcționării acestuia. Am gasit doar o schema, arata cam asa:

Numerele indică numerele pașilor. Pe baza faptului că la comutarea controlerului nivel inalt Dacă șoferul însuși comută cheile necesare pe cea inferioară, atunci scriem, de exemplu, stările numai pentru graficele superioare ale fiecărei înfășurări. Primul pas: prima înfășurare este primul fir + (HIGH), celălalt va trece automat la minus (LOW) de către șofer, vă reamintesc că descriem primul fir al fiecărei înfășurări. A doua înfășurare: primul fir - (LOW), al doilea + (HIGH), al doilea fir va comuta automat de către șofer. Să trecem la prima modificare a programului. Acesta este pasul 2. Descriem starea doar a primelor fire. 1 fir al primei înfășurări a rămas ÎNALT, 1 fir al celui de-al doilea s-a schimbat din LOW în HIGH. Al treilea pas - 1 fir din prima înfășurare s-a schimbat de la HIGH în LOW, 1 fir din al doilea a rămas HIGH. Pasul al patrulea: 1 fir al primei înfășurări a rămas JOS, 1 fir al celei de-a doua înfășurări s-a schimbat de la HIGH în LOW. Puteți descrie din orice pas, principalul lucru este să păstrați secvența. Pentru a face motorul să se rotească în cealaltă direcție, trebuie doar să schimbați valorile oricărei înfășurări din diagramă cu jumătate de ciclu în orice direcție. În acest fel este posibil să scrieți software pentru șoferi. Trebuie doar să cunoașteți diagrama și să descrieți corect starea acesteia pe pinii de ieșire.

Acum conectăm placa la Arduino, motorul. Să renunțăm la această schiță:

// se conectează la pinii arduino 8,9
int input1 = 8;
int input2 = 9;
int stepCount = 5; //întârzierea dintre pași reglează viteza motorului

void setup()
{
pinMode(input1,OUTPUT);
pinMode(input2,OUTPUT);
}

buclă goală ()
{
// primul pas
digitalWrite(input1,LOW);
digitalWrite(input2,HIGH);
delay(stepCount);

//pasul 2
digitalWrite(input1,HIGH);
digitalWrite(input2,HIGH);
delay(stepCount);

//Al treilea pas
digitalWrite(input1,HIGH);
digitalWrite(input2,LOW);
delay(stepCount);

digitalWrite(input1,LOW);
digitalWrite(input2,LOW);
delay(stepCount);

Furnăm energie șoferului, modificăm, dacă este necesar, concluziile unei înfășurări și ne gândim unde să adaptăm acest dispozitiv (puteți deschide ferestrele în seră în timp și temperatură, controlați jaluzelele și multe altele). Vă atrag atenția asupra faptului că motorul se va învârti fără a se opri conform acestei schițe, dacă este necesar, îl conduceți într-o buclă și îl întoarceți la valoarea cerută sau, și mai bine, scrieți o bibliotecă și conectați-o direct. Desigur, acesta nu este un driver atât de grozav ca pe un microcircuit, dar pentru experimente, deși există șoferi normali din China, este mai mult decât suficient. Mult succes și succes în stăpânirea microcontrolerelor. Citiți mai multe despre microcontrolerele ARDUINO.