Драйвер управления шаговым двигателем – Драйвер биполярных шаговых двигателей

Драйвер имеет делитель от полного шага до 1/128. Для 8-битных плат не рекомендуется ставить делитель выше 1/32.

Представлю небольшую выжимку данной статьи, для понимания принципов работы шаговых двигателей и сложностей управления ими.

Шаговый двигатель. Как он работает и зачем ему спад тока?

Шаговый двигатель – это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения.

Однако шаговые двигатели обладают множеством полезных свойств, а главное – они дешевы.

Чем же хорош шаговый двигатель?

• угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель;
• двигатель обеспечивает полный момент в режиме удержания;
• точное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу;
• возможность быстрого старта/остановки/реверсирования;
• надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников;
• однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи;
• возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора;
• может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов;

• шаговым двигателям присуще явление резонанса;
• возможна потеря положения из-за отсутствия обратной связи;
• потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки;
• затруднена работа на высоких скоростях;
• невысокая удельная мощность;
• относительно сложная схема управления;

Существуют три основных типа шаговых двигателей:

• двигатели с переменным магнитным сопротивлением
• двигатели с постоянными магнитами
• гибридные двигатели

В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс можно определить как некоторую область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент зависит от параметров обмоток. Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Он будет находится в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.

Нас интересуют гибридные двигатели, наиболее часто применяемые в 3D принтерах.

Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении.

Как видно на рисунке, воздушные зазоры у верхнего и нижнего полюсного наконечника ротора разные. Это достигается благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубъев. Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальные воздушные зазоры и, как следствие, обладает минимальным магнитным сопротивлением. По этой цепи замыкается другая часть потока (на рисунке показана штриховой белой линией), которая и создает момент. Часть цепи лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку, поэтому не показана. В этой же плоскости создают магнитный поток катушки статора. В гибридном двигателе этот поток частично замыкается полюсными наконечниками ротора, и постоянный магнит его «видит» слабо. Поэтому в отличие от двигателей постоянного тока, магнит гибридного двигателя невозможно размагнитить ни при какой величине тока обмоток.

Величина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая – типично 0.1 мм. Это требует высокой точности при сборке, поэтому шаговый двигатель не стоит разбирать ради удовлетворения любопытства, иначе на этом его срок службы может закончиться.

Чтобы магнитный поток не замыкался через вал, который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных марок стали. Они обычно обладают повышенной хрупкостью, поэтому с валом, особенно малого диаметра, следует обращаться осторожно.

Для получения больших моментов необходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и поле постоянного магнита. При этом требуется больший диаметр ротора, что ухудшает отношение крутящего момента к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногда конструктивно выполняют из нескольких секций в виде этажерки. Крутящий момент и момент инерции увеличиваются пропорционально количеству секций, а их отношение не ухудшается.

Гибридные двигатели подразделяются на 2 типа. В зависимости от конфигурации обмоток двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель (на рисунке ниже под буквой а) имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовывается драйвером. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода.

Так какой лучше?

Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Наиболее важным является ограничение по нагреву двигателя вследствие омических потерь в обмотках. Как раз этот факт и демонстрирует одно из преимуществ биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток. Другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки, т.е. их использование оптимально. В таком двигателе сечение отдельных обмоток вдвое больше, а омическое сопротивление – соответственно вдвое меньше. Это позволяет увеличить ток в корень из двух раз при тех же потерях, что дает выигрыш в моменте примерно 40%. Если же повышенного момента не требуется, униполярный двигатель позволяет уменьшить габариты или просто работать с меньшими потерями. На практике все же часто применяют униполярные двигатели, так как они требуют значительно более простых схем управления обмотками.

А как управлять шаговым двигателем?

Смещение точки равновесия ротора говорит о том, что ротор можно зафиксировать в любой произвольной позиции. Для этого нужно лишь правильно установить отношение токов в фазах. Именно этот факт используется при реализации микрошагового режима.

Результатом использования микрошагового режима является более плавное вращение ротора на низких частотах. Для достижения высоких скоростей в микрошаговом режиме требуется высокая частота повторения микрошагов, которую не всегда может обеспечить управляющий микроконтроллер. Именно из-за этого происходит переход от 8-битной электроники к 32-битной, так как в дельта-принтерах для перемещения вдоль одной оси используется движение сразу 3 двигателей.

При осуществлении каждого шага ротор не сразу останавливается в новом положении равновесия, а осуществляет затухающие колебания вокруг положения равновесия. Время установления зависит от характеристик нагрузки и схемы драйвера. Обычно колебания являются нежелательными. Избавиться от этого явления можно используя микрошаговый режим. Ниже показаны перемещения ротора при работе в полношаговом и микрошаговом режимах.

При вращении ротора у двигателя есть мертвые зоны, которые ограничивают точность позиционирования.

Наличие мертвых зон является очень важным для микрошагового режима. Если, например, имеются мертвые зоны величиной d, то микрошаг величиной менее d вообще не сдвинет ротор с места.

Когда двигатель работает под нагрузкой, всегда существует некоторый сдвиг между угловым положением ротора и ориентацией магнитного поля статора. Особенно неблагоприятной является ситуация, когда двигатель начинает торможение и момент нагрузки реверсируется. Нужно отметить, что запаздывание или опережение относится только к положению, но не к скорости. В любом случае, если синхронность работы двигателя не потеряна, это запаздывание или опережение не может превышать величины двух полных шагов. Это очень приятный факт.

Каждый раз, когда шаговый двигатель осуществляет шаг, ротор поворачивается на S радиан. При этом минимальный момент имеет в место, когда ротор находится между соседними положениями равновесия.

Параметры привода зависят от характеристик нагрузки. Кроме трения, реальная нагрузка обладает инерцией. Инерция препятствует изменению скорости и требует от двигателя больших моментов на разгоне и торможении, ограничивая максимальное ускорение. С другой стороны, увеличение инерционности нагрузки увеличивает стабильность скорости.

При конструировании драйверов шаговых двигателей нужно учитывать, что обмотки двигателя представляют собой индуктивность. Эта индуктивность определяет время нарастания и спада тока. Поэтому если к обмотке приложено напряжение прямоугольной формы, форма тока не будет прямоугольной. При низких скоростях (а) время нарастания и спада тока не способно сильно повлиять на момент, однако на высоких скоростях момент падает. Связано это с тем, что на высоких скоростях ток в обмотках двигателя не успевает достигнуть номинального значения(б).

Поведение момента при увеличении частоты коммутации фаз примерно такое: начиная с некоторой частоты среза момент монотонно падает. Обычно для шагового двигателя приводятся две кривые зависимости момента от скорости.

Внешняя кривая (кривая разгона) показывает, при каком максимальном моменте трения для данной скорости шаговый двигатель способен поддерживать вращение без пропуска шагов. Эта кривая пересекает ось скоростей в точке максимальной частоты разгона. Она показывает максимальную скорость для данного двигателя без нагрузки. Область, которая лежит между кривыми, называется областью разгона.

Для того, чтобы работать на большой скорости из области разгона, необходимо стартовать на низкой скорости из области старта, а затем выполнить разгон. При остановке нужно действовать в обратном порядке: сначала выполнить торможение, и только войдя в область старта можно прекратить подачу управляющих импульсов. В противном случае произойдет потеря синхронности и положение ротора будет утеряно.

Необходимо отметить, что непрерывная работа шагового двигателя на высокой скорости не всегда допустима ввиду нагрева ротора.

При осуществлении разгона или торможения важно правильно выбрать закон изменения скорости и максимальное ускорение. Ускорение должно быть тем меньше, чем выше инерционность нагрузки. Критерий правильного выбора режима разгона – это осуществление разгона до нужной скорости для конкретной нагрузки за минимальное время. Чаще всего применяют разгон и торможение с постоянным ускорением.

Реализация закона, по которому будет производится ускорение или торможение двигателя, обычно производится программно управляющим микроконтроллером, так как именно микроконтроллер обычно является источником тактовой частоты для драйвера шагового двигателя. Для генерации тактовой частоты удобно использовать аппаратный таймер, который имеется в составе того же процессора Arduino – Atmega2560. Когда двигатель вращается с постоянной скоростью, достаточно загрузить в таймер постоянное значение периода повторения шагов (длительность шага). Если же двигатель разгоняется или тормозится, этот период меняется с каждым новым шагом. При разгоне или торможении с постоянным ускорением частота повторения шагов должна изменяться линейно, соответственно значение периода, которое необходимо загружать в таймер, должно меняться по гиперболическому закону.

Резонанс

Когда двигатель совершает шаг, ротор не сразу устанавливается в новую позицию, а совершает затухающие колебания. Дело в том, что система ротор – магнитное поле – статор работает как пружинный маятник, частота колебаний которого зависит от момента инерции ротора (плюс нагрузки) и величины магнитного поля.

Резонансную частоту определяет момент инерции собственно ротора двигателя и момент инерции нагрузки на валу двигателя. Поэтому резонансная частота ротора ненагруженного двигателя, которая приводится среди параметров, имеет маленькую практическую ценность, так как любая нагрузка, подсоединенная к двигателю, изменит эту частоту.

Когда используется не микрошаговый режим, основной причиной появления колебаний является прерывистое вращение ротора. При осуществлении шага ротору толчком сообщается некоторая энергия. Этот толчок возбуждает колебания. Энергия, которая сообщается ротору в полушаговом режиме, составляет около 30% от энергии полного шага. Поэтому в полушаговом режиме амплитуда колебаний существенно меньше. В микрошаговом режиме с шагом 1/32 основного при каждом микрошаге сообщается всего около 0.1% от энергии полного шага. Поэтому в микрошаговом режиме явление резонанса практически незаметно.

Способы изменения направления тока

Для регулировки момента нужно регулировать силу тока в обмотках. В любом случае, ток должен быть ограничен, чтобы не превысить рассеиваимую мощность на омическом сопротивлении обмоток. Более того, в полушаговом режиме требуется в определенные моменты обеспечивать нулевое значение тока в обмотках, а в микрошаговом режиме вообще требуется задание разных значений тока.

При работе на больших скоростях требуется увеличивать скорость нарастания тока в обмотках, что возможно повышением напряжения источника питания. При этом максимальный ток обмотки должен быть ограничен резистором.

Еще одним методом стабилизации тока в обмотках двигателя является ключевое (ШИМ) регулирование. Это позволяет использовать простые и дешевые нестабилизированные источники питания.

Падение напряжения на этом резисторе зависит от тока в обмотке. Когда ток достигает установленного значения, ключ выключается, что приводит к падению тока. Когда ток спадает до нижнего порога, ключ снова включается. Этот процесс повторяется периодически, поддерживая среднее значение тока постоянным.

3dtoday.ru

Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

26 мая 2016

В ассортименте полупроводниковых компонентов производства компании Texas Instruments широко представлены микросхемы драйверов для управления всеми типами электродвигателей, которые, совершенствуясь, находят все более широкое применение в самом различном оборудовании. Компания предлагает решения для создания приводов, работающих в широком диапазоне токов и напряжений, обеспечивающих надежную и удобную эксплуатацию коллекторных, бесколлекторных и шаговых двигателей с полным комплексом защит по току, напряжению и температуре.

Электродвигатели находят широчайшее применение в современном высокотехнологическом укладе жизни. Этот тип электромеханического привода по-прежнему является одним из наиболее распространенных и востребованных. Электродвигатели самого разного назначения являются одной из основных составляющих любого производства, повсеместно используются в офисной и домашней технике, в системах мониторинга и управления зданий и объектов. Очень широкое распространение электродвигатели нашли на современном транспорте. Еще более впечатляющее будущее уготовано электродвигателям в электромобилях и роботах.

С развитием технологий традиционные двигатели совершенствуются и находят все новые области применения. Современные высокоточные станки и робототехника немыслимы без электродвигателей с интеллектуальными системами управления. На земле, в воздухе и под водой электродвигатели остаются широко востребованным преобразователем электрической энергии в механическую.

Типы электродвигателей, способы управления и возникающие сложности

Впервые созданный в 1834 году русским ученым Якоби преобразователь электрической энергии во вращательное движение получил название электродвигатель. С тех пор он был серьезно усовершенствован – появилось множество новых вариантов, но использованные при его создании принципы электромагнетизма по-прежнему являются основой всех модификаций современных электродвигателей.

Проводник с проходящим по нему током (рисунок 1) создает вокруг себя магнитное поле, интенсивность (магнитная индукция) которого пропорциональна количеству витков, в случае использования катушки (N), и величине проходящего по ней тока (I), где, В – вектор магнитной индукции, К – магнитная постоянная, N – число витков, I – сила тока.

Рис. 1. Электромагнетизм в основе работы электродвигателя

Изменение направления тока влияет и на направление магнитного поля проводника.

При этом на помещенный во внешнее магнитное поле проводник с током действует сила Лоренца, вызывающая его вращательное перемещение. Направление вращения легко определяется с помощью известного правила правой руки для проводника с током в магнитном поле (рисунок 2). Сила (F), действующая на проводник в магнитном поле, равна произведению силы тока (I) в проводнике на вектор магнитной индукции поля (B) и длину проводника (L). F = LIB.

Рис. 2. Перемещение проводника с током в магнитном поле (Сила Лоренца)

Коллекторные двигатели

Коллекторные двигатели постоянного тока (Brushed DC или BDC, по терминологии TI) сегодня относятся к одним из наиболее распространенных механизмов электромагнитного вращения.

В магнитном поле собранного из постоянных магнитов статора вращается многосекционный ротор с катушками, которые попарно и попеременно подключаются через коммутируемые коллекторные ламели на оси ротора (рисунок 3). Выбор пары активируемых катушек выполняется на основании закона Лоренца в соответствии с правилом Буравчика. Источник тока всегда подключен к катушкам, силовые линии магнитного поля которых смещены на угол, близкий к 90°, относительно магнитного поля статора.

Рис. 3. Принцип действия коллекторного электродвигателя (BDC)

Электродвигатели подобного типа часто используют статор с постоянными магнитами. Они позволяют легко регулировать скорость вращения и отличаются невысокой стоимостью.

Также широко используется вариант 2-обмоточного электродвигателя подобного типа, но со статорной обмоткой вместо постоянного магнита. Такие модели обладают большим пусковым моментом и могут работать не только на постоянном, но и на переменном токе. Электродвигатели подобного типа почти повсеместно используются в различной бытовой технике.

К недостаткам этой конструкции BDC стоит отнести износ щеточно-коллекторного узла в процессе эксплуатации. Кроме того, из-за искрообразования при коммутации отдельных обмоток ротора отмечается повышенный уровень электромагнитных помех, что не позволяет использовать такие двигатели во взрывоопасных средах.

Особенностью двигателей BDC также является повышенный нагрев ротора, охлаждение которого затруднено в силу конструктивных особенностей двигателя.

Достоинства коллекторных двигателей:

• малая стоимость;
• простая система управления;
• 2-обмоточные коллекторные двигатели, обладающие высоким крутящим моментом и способные работать на постоянном и переменном токе.

Особенности эксплуатации коллекторных двигателей:

• щетки требуют периодического обслуживания, понижают надежность двигателя;
• в процессе коммутации возникают электрические искры и электромагнитные помехи;
• затруднен отвод тепла от перегревающегося ротора.

Бесколлекторные двигатели

Несколько менее распространенными среди двигателей постоянного тока являются модели с бесщеточной конструкцией (BrushLess DC или BLDC), использующие ротор с постоянными магнитами, которые вращаются между электромагнитами статора (рисунок 4). Коммутация тока здесь выполняется электронным способом. Переключение обмоток электромагнитов статора заставляет магнитное поле ротора следовать за его полем.

Рис. 4. Принцип действия бесколлекторного электродвигателя (BLDC)

Текущее положение ротора обычно контролируется энкодерами или датчиком на основе эффекта Холла, либо применяется технология с измерением напряжения противо-ЭДС на обмотках без использования в этом случае отдельного датчика положения ротора (SensorLess).

Коммутация тока обмоток статора выполняется с помощью электронных ключей (вентилей). Именно поэтому бесколлекторные двигатели BLDC часто называют «вентильными». Очередность подключения пары обмоток двигателя происходит в зависимости от текущего положения ротора.

Принцип работы BLDC основан на том, что контроллер коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был сдвинут на угол, близкий к 90° или -90° относительно вектора магнитного поля ротора. Вращающееся при переключении магнитное поле заставляет перемещаться вслед за ним ротор с постоянными магнитами.

При использовании трехфазного сигнала управления подключенными к источнику тока всегда оказываются только две пары обмоток, а одна – отключена. В результате последовательно используется комбинация из шести состояний (рисунок 5).

Рис. 5. Чередование фаз при вращении BLDC

Электродвигатели без датчиков положения ротора отличаются повышенной технологичностью процесса изготовления и более низкой стоимостью. Подобная конструкция упрощает герметизацию внешних подключаемых выводов.

В качестве датчиков скорости и положения ротора в BLDC могут использоваться датчики Холла, которые отличаются небольшой стоимостью, но также и достаточно невысоким разрешением. Повышенное разрешение обеспечивают вращающиеся трансформаторы (резольверы). Они отличаются высокой стоимостью и требуют использования ЦАП, так как выходной сигнал у них синусоидальный. Высоким разрешением, но пониженной надежностью, обладают оптические датчики. На рисунке 6 представлены выходные сигналы датчиков разного типа при вращении ротора двигателя.

Рис. 6. Датчики положения ротора электродвигателей

Преимущества двигателей BLDC:

• высокая эффективность;
• отсутствие щеток, обеспечивающее повышенную надежность, снижение затраты на обслуживание;
• линейность тока/крутящего момента;
• упрощенный отвод тепла.

Особенности применения двигателей BLDC:

• более сложная система управления с обратной связью по положению ротора;
• пульсации крутящего момента.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели (ШД) получили достаточно широкое распространение в системах автоматики и управления. Они являются еще одним типом бесколлекторных двигателей постоянного тока. Конструктивно ШД состоят из статора, на котором размещены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнитных материалов. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют обеспечить больший крутящий момент и жесткую фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

В процессе вращения ротор ШД перемещается шагами под управлением подаваемых на обмотки статора импульсов питания. Шаговые двигатели удобны для использования в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме. Их диапазон перемещения задается определенной последовательностью электрических импульсов. Такие двигатели отличаются высокой точностью, не требуют датчиков и цепей обратной связи. Угол поворота ротора зависит от количества поданных импульсов управления. Точность позиционирования (величина шага) зависит от конструктивных особенностей двигателя, схемы подключения обмоток и последовательности подаваемых на них управляющих импульсов.

В зависимости от конфигурации схемы подключения обмоток шаговые двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет в каждой из двух фаз единую обмотку для обоих полюсов статора, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода. Для управления таким ШД требуется мостовой драйвер или полумостовая схема с 2-полярным питанием. При биполярном управлении одновременно работают две обмотки и крутящий момент примерно на 40% больше. На рисунке 7 представлена последовательность сигналов управления при вращении биполярного ШД.

Рис. 7. Последовательность сигналов управления биполярным ШД

Униполярный двигатель использует в каждой фазе одну обмотку со средним выводом и позволяет использовать более простую схему управления с одним ключом на каждую из четырех полуобмоток.

Четырех обмоточные ШД могут использоваться как в биполярной, так и в униполярной конфигурации.

При протекании тока по одной из катушек ротор стремится изменить положение так, чтобы противоположные полюса ротора и статора установились друг против друга. Для непрерывного вращения ротора катушки попеременно переключают.

На практике используются разные способы подачи питания на четыре обмотки статора. Чаще всего применяют попарное подключение с полношаговым или полушаговым режимом работы. В полношаговом режиме ротор с двумя полюсами, вращающийся в переключаемом магнитном поле двух пар катушек, может занимать четыре положения (рисунок 8).

Рис. 8. Полношаговый режим управления ШД

Получить удвоенную точность позиционирования и восемь позиций позволяет полушаговый режим работы (рисунок 9). Для его реализации добавляется промежуточный шаг с одновременной запиткой всех четырех катушек.

Рис. 9. Полушаговый режим управления ШД

Значительно увеличить количество промежуточных положений и точность позиционирования позволяет режим микрошага. Идея микрошага заключается в подаче на обмотки шагового двигателя вместо импульсов управления непрерывного сигнала, напоминающего по форме ступенчатую синусоиду (рисунок 10). Полный шаг в этом случае делится на маленькие микрошаги, а вращение становится более плавным. Режим микрошага позволяет получить наиболее точное позиционирование. Кроме того, в этом режиме значительно снижается присущая шаговым двигателям вибрация корпуса.

Рис. 10. Управление ШД в режиме микрошага

Достоинства шаговых двигателей:

• невысокая стоимость благодаря отсутствию схем контроля скорости вращения и позиционирования;
• высокая точность позиционирования;
• широкий диапазон скоростей вращения;
• простой интерфейс управления с цифровыми контроллерами;
• очень высокая надежность;
• хороший удерживающий момент.

Особенности применения шаговых двигателей:

• ШД присуще явление резонанса;
• из-за отсутствия обратной связи возможна потеря контроля положения;
• потребление энергии не уменьшается даже при работе без нагрузки;
• затруднена работа на очень высоких скоростях;
• невысокая удельная мощность;
• достаточно сложная схема управления.

Традиционные решения для управления электродвигателями

Современная прецизионная система управления электродвигателем постоянного тока включает в себя микроконтроллер для обработки данных и блок управления питанием обмоток двигателя, часто называемый драйвером. В состав драйвера входит логическая схема для преобразования кодированных посылок в цифровые управляющие сигналы, из которых в блоке Gate Driver формируются аналоговые сигналы для управления силовыми ключами на основе полевых транзисторов (FET). FET могут входить в состав драйвера или размещаться в отдельном блоке. Кроме того, в состав драйвера входят схемы защиты силовых цепей и цепи обратной связи для контроля работы двигателя.

На рисунке 11 представлены варианты блок-схем для интегрированного и предварительного драйверов. Каждое из решений имеет свои преимущества и особенности. Предварительный драйвер (Pre-Driver) имеет значительно облеченный температурный режим, позволяет выбирать внешние силовые ключи в соответствии с мощностью подключаемого двигателя. Полнофункциональный интегрированный драйвер позволяет создавать более компактные системы управления, минимизирует внешние соединения, но значительно усложняет обеспечение необходимого температурного режима.

Рис. 11. Блок-схемы систем управления двигателем

Так, у интегрированного драйвера TI DRV8312 максимальная рабочая температура отдельных элементов на плате может достигать 193°С, а у предварительного драйвера DRV8301 этот показатель не превышает 37°С.

Рис. 12. Смена направления вращения коллекторного двигателя

Одной из наиболее распространенных схем для коммутации обмоток двигателей является мост типа “H”. Название схемы связано с конфигурацией подключения, которая похожа на букву “H”. Эта электронная схема позволяет легко изменять направление тока в нагрузке и, соответственно, направление вращения ротора. Напряжение, прикладываемое к обмоткам через транзисторы моста, может быть как постоянным, так и модулированным с помощью ШИМ. H-мост предназначен, в первую очередь, для смены полярности питания двигателя – реверса (рисунок 12), но также позволяет тормозить вращение, коротко замыкая выводы обмоток (рисунок 13).

Рис. 13. Режимы вращения, быстрого и медленного торможенияс

Важнейшей характеристикой силовых элементов моста, в качестве которых сегодня часто используют полевые транзисторы с изолированным затвором, является величина сопротивления открытого канала между истоком и стоком транзистора – RDSON. Значение RDSON во многом определяет тепловые характеристики блока и энергетические потери. С увеличением температуры RDSON также растет, а ток и напряжение на обмотках уменьшаются.

Использование управляющих сигналов с ШИМ позволяет уменьшить пульсации крутящего момента и обеспечить более плавное вращение ротора двигателя. В идеале частота ШИМ должна быть выше 20 кГц, чтобы избежать акустического шума. Но с увеличением частоты растут потери на транзисторах моста в процессе коммутации.

Из-за индуктивных свойств нагрузки в виде обмоток форма тока в ней не соответствует форме подаваемого напряжения ШИМ. После подачи импульса напряжения ток нарастает постепенно,а в паузах ток плавно затухает из-за возникновения в обмотках противо-ЭДС. Наклон кривой на графике тока, амплитуда и частота пульсаций влияют на рабочие характеристики двигателя (пульсации крутящего момента, шум, мощность и так далее).

Для ускоренного затухания в обмотках электродвигателей возбуждаемого эффектом противо-ЭДС тока используют диоды в обратном включении, шунтирующие переходы «сток-исток» транзисторов, либо закорачивают обмотки через переходы «сток-исток» двух транзисторов, одновременно включенных в разных плечах моста. На рисунке 13 представлены три состояния моста: рабочее, быстрого торможения (Fast Decay) и медленного торможения (Slow Decay).

А наиболее эффективным считается комбинированный режим (Mixed Decay), при котором в паузе между рабочими импульсами сначала работают диоды, шунтирующие сток-исток транзисторов, а затем включаются транзисторы в нижних плечах моста.

Решения для управления электродвигателями от TI

Среди полупроводниковых компонентов, выпускаемых компанией TI, представлен обширный ассортимент различных драйверов для управления электродвигателями постоянного тока. Все они требуют минимума внешних компонентов, позволяют создавать компактные решения для управления двигателями с рабочим напряжением до 60 В, отличаются повышенной надежностью, обеспечивают быстрое и простое проектирование систем привода электродвигателями.

Встроенные в драйверы интеллектуальные функции требуют минимальной поддержки внешнего управляющего микроконтроллера (MCU), обеспечивают расширенные коммутационные возможности для обмоток, поддерживают внешние датчики и цифровые контуры управления. Комплекс защитных функций включает ограничение напряжения питания, защиту от превышения тока и короткого замыкания, понижения напряжения и повышения рабочей температуры.

Весь модельный ряд драйверов TI разбит на три раздела: шаговые, коллекторные и бесколлекторные двигателей постоянного тока. В каждом из них на сайте компании действует удобная система подбора по целому ряду параметров. Есть отдельные драйверы, предназначенные для использования с двигателями разных типов.

Драйверы TI для шаговых двигателей

Большой раздел решений TI для управления двигателями включает драйверы для ШД (рисунок 14), которые выпускаются как со встроенными силовыми ключами на основе FET, так и в виде предварительных драйверов, предоставляющих пользователю подбор необходимых силовых ключей. Всего в модельном ряду компании более 35 драйверов для ШД.

Рис. 14. Драйверы TI для управления шаговыми двигателями

TI предлагает широкий выбор наиболее современных решений для управления перемещением и точным позиционированием с использованием микрошаговых схем управления, обеспечивающих электродвигателей плавным перемещением в широком диапазоне напряжения и тока.

Отдельные драйверы, используя один управляющий контроллер, позволяют управлять сразу двумя двигателями, имея для этого четыре встроенных моста на основе FET. Есть драйверы с встроенными FET, например, DRV8834, которые можно подключить для управления к двум обмоткам шагового двигателя или использовать эти же выводы для управления двумя электродвигателями постоянного тока (рисунок 15).

Рис. 15. Блок-схема драйвера DRV8834

Для более плавного перемещения ротора в драйверах для ШД используется настраиваемый механизм сглаживания импульсов тока (режимы Slow, Fast, Mixed Decay). Система расчета микрошага может быть следующих типов:

• встроенной в драйвер;
• с использованием внешнего опорного сигнала.

Не требуют внешнего контроллера для микрошагового перемещения драйверы DRV881, DRV8818, DRV8821, DRV8824 и DRV8825. Здесь шаг перемещения и алгоритм коммутации обмоток рассчитываются схемой, встроенной в драйвер.

Более простые драйверы DRV8812, DRV8813, DRV8828, DRV8829, DRV8841, DRV8842 и DRV8843 обеспечивают микрошаговое вращение с использованием получаемого от внешнего контроллера опорного напряжения (Vref). Уровень дробления основного шага может достигать 1/128 или 1/256.

Для управления ШД с униполярным подключением обмоток TI предлагает драйверы DRV8803, DRV8804, DRV8805 и DRV8806.

Драйверы TI для BDC

Для управления – коллекторными электродвигателями постоянного тока – предназначено специальное семейство драйверов DRV8x, ряд представителей которого изображен на рисунке 16. Они обеспечивает полную защиту от превышения напряжения и тока, короткого замыкания и перегрева. Благодаря возможностям интерфейса управления эти драйверы обеспечивают простую и эффективную эксплуатацию двигателей. Пользователи могут с помощью одного чипа управлять одним или несколькими двигателями c рабочим напряжением 1,8…60 В.

Рис. 16. Драйверы TI для управления коллекторными двигателями

Драйверы семейства выпускаются как с интегрированными силовыми ключами, так и как предварительные драйверы. Они требуют минимум дополнительных компонентов, обеспечивают компактность решений, сокращают время разработки и позволяют быстрее выпустить новые продукты на рынок.

Спящий режим (Sleep) позволяет минимизировать потребление энергии в режиме простоя и обеспечивает ускоренную активизацию при запуске двигателя. Для управления скоростью вращения могут использоваться внешние сигналы ШИМ или сигналы PHASE/ENABLE для выбора направления вращения и включения ключей выходного моста.

Имеющий четыре выходных моста драйвер DRV8823 способен управлять двумя ШД или одним ШД и двумя BDC, или же четырьмя BDC, используя при этом управляющий интерфейс SPI.

На рисунке 17 представлена функциональная схема простого драйвера DRV8837 для управления одним коллекторным двигателем.

Рис. 17. Блок-схема драйвера DRV8837

Драйверы TI для BLDC

Драйверы TI для бесколлекторных двигателей, или BLDC, могут включать интегрированный силовой мост или использовать внешние силовые транзисторы. Схема формирования 3-фазных сигналов управления также может быть внешней или встроенной.

Семейство драйверов для управления бесколлекторными электродвигателями включает модели c разным принципом управления и с различным крутящим моментом. Эти драйверы, обеспечивающие разные уровни шума при управлении BDLС, идеально подойдут для использования в промышленном оборудовании, автомобильных системах и другой технике. Чтобы гарантировать надежную эксплуатацию электродвигателей, драйверы обеспечивают всеобъемлющий набор защит от превышения тока, напряжения и температуры. На рисунке 18 представлены лишь некоторые из 3-фазных драйверов для BLDC в обширном и постоянно пополняющемся модельном ряду компании TI.

Рис. 18. Драйверы TI для управления бесколлекторными двигателями

Для контроля текущего положения вращающегося ротора могут использоваться внешние датчики разных типов или схема управления с определением позиции ротора по величине противо-ЭДС (Back Electromotive Force, BEMF).

Управление может выполняться с помощью ШИМ, аналоговых сигналов или через стандартные цифровые интерфейсы. Наборы настраиваемых параметров для управления вращением могут храниться во внутренней энергонезависимой памяти.

На рисунке 19 представлен работающий в широком диапазоне температур 40…125°C интеллектуальный драйвер для BLDC со встроенными силовыми ключами на полевых транзисторах, с сопротивлением открытого канала лишь 250 мОм. При диапазоне рабочих напряжений 8…28 В драйвер может обеспечивать номинальный ток 2 А и пиковый ток 3 А.

Рис. 19. Блок-схема драйвера DRV10983

Драйвер не требует внешнего датчика для контроля положения ротора, но может использовать внешний резистор для контроля потребляемой двигателем мощности. DRV10983 отличается незначительным энергопотреблением, составляющим всего 3 мА, в дежурном режиме. А в модели DRV10983Z этот показатель доведен до уровня 180 мкА.

Встроенный интерфейс I2C обеспечивает диагностику и настройку, доступ к регистрам управления работой логической схемы и хранящимся в памяти EEPROM рабочим профилям драйвера.

Расширенный комплект защитных функций обеспечивает остановку двигателя в случае превышения тока и понижения напряжения. Предусмотрено ограничение входного напряжения. Защита по превышению тока работает без использования внешнего резистора. Методы использования защиты настраиваются через специальные регистры.

Заключение

Электродвигатели находят все более широкое применение в самом различном оборудовании, совершенствуются и получают новые возможности во многом благодаря современным системам электропривода.

В ассортименте полупроводниковых компонентов производства компании Texas Instruments широко представлены микросхемы драйверов для управления всеми типами двигателей постоянного тока. На их основе компания предлагает масштабируемые в зависимости от требований по точности, мощности и функциональности решения для создания приводов, работающих в широком диапазоне токов и напряжений, обеспечивающих надежную и удобную эксплуатацию коллекторных, бесколлекторных и шаговых двигателей с полным комплексом защит по току, напряжению и температуре.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

www.compel.ru

Драйвер шагового двигателя (Troyka-модуль) [Амперка / Вики]

Для управления шаговым двигателем при помощи микроконтроллера нужно не только управлять большой нагрузкой, но и обеспечить необходимую последовательность управляющих импульсов. Драйвер шагового двигателя из линейки Troyka-модулей позволяет микроконтроллеру управлять биполярным и униполярным шаговым двигателем.

Элементы платы

Подключение двигателя

На контакты 1, 2 подключается первая обмотка биполярного шагового двигателя. На контакты 3, 4 — вторая обмотка. Униполярный двигатель подключается точно также, просто не используются выводы из середин обмоток.

Питание двигателя

На колодки Vin подаётся напряжение 4,5–25 В постоянного тока. Для питания двигателя рекомендуется использовать отдельный контур питания, не связанный с цепью питания управляющего контроллера.

К примеру, если вы используете Arduino, не рекомендуется использовать питание с пина 5V Arduino. Это может привести к перезагрузке управляющего контроллера, или к перегрузке регулятора напряжения Arduino. В некоторых случаях допускается использовать для питания шагового двигателя пин Vin Arduino. Например, если Arduino запитана от мощного внешнего источника питания 7–12 В, напряжение которого при включении двигателя не падает ниже 7 В.

Контакты подключения 3-проводного шлейфа

Troyka-Stepper подключается к управляющей электронике по трём 3-проводным шлейфам. Назначение контактов 3-проводных шлейфов:

• Питание (V) — красный провод. На него должно подаваться напряжение 3,3–5 В, которое используется для питания логической части драйвера шагового двигателя.

• Земля (G) — чёрный провод. Должен быть соединён с землёй микроконтроллера.

• Сигнальный — жёлтый провод. Через него происходит управление соответствующим пином модуля.

Для управления модулем используется от одного до трёх сигнальных контакта:

• Step. Каждый раз, когда напряжение на этом контакте переходит из низкого уровня напряжения в высокий, шаговый двигатель делает следующий шаг.

• Direction. Направление вращения шагового двигателя зависит от схемы подключения его обмоток и от напряжения на этом пине. Если на пине direction установлен высокий уровень напряжения, двигатель вращается в одну сторону. Если низкий — в другую. Если изменять направление вращения двигателя не нужно, вы можете не подключать этот контакт к микроконтроллеру.

• Enable. Высокий уровень на этом пине включает подачу напряжения на двигатель. При остановке шагового двигателя в определённом положении, питание продолжает поступать на его управляющую обмотку. Это приводит к нагреву шагового двигателя и излишнему расходу электроэнергии. Чтобы отключить подачу питания на двигатель, достаточно выставить низкий уровень напряжения на этом контакте. При остановке двигателя бывает полезно подать на этот контакт ШИМ-сигнал. Это позволит оставить на двигателе небольшое усилие, необходимое для удержания вала в текущем положении. Электроэнергии в таком случае будет тратится значительно меньше. Если нет необходимости управлять включением двигателя, вы можете не подключать этот контакт к микроконтроллеру. Тогда ток через обмотки двигателя будет течь всегда, если есть напряжение питания.

Индикатор вращения двигателя

Светодиодный индикатор. Горит зелёным при шаге в одну сторону, красным – при шаге в другую сторону.

Пример использования

troykaStepper.ino

// Troyka-Stepper подключён к следующим пинам:
const byte stepPin = 7;
const byte directionPin = 8;
const byte enablePin = 11;
 
// Выдержка для регулировки скорости вращения
int delayTime = 20;
 
void setup() {
  // Настраиваем нужные контакты на выход
  pinMode(stepPin, OUTPUT);
  pinMode(directionPin, OUTPUT);
  pinMode(enablePin, OUTPUT);
 
}
 
void loop() {
 
  // Подаём питание на двигатель
  digitalWrite(enablePin, HIGH);
 
  // Задаём направление вращения по часовой стрелке
  digitalWrite(directionPin, HIGH);
 
  // Делаем 50 шагов
  for (int i = 0; i < 50; ++i) {
    // Делаем шаг
    digitalWrite(stepPin, HIGH);
    delay(delayTime);
 
    digitalWrite(stepPin, LOW);
    delay(delayTime);
  }
 
  // Переходим в режим экономичного удержания двигателя...
  analogWrite(enablePin, 100);
  //... на три секунды
  delay(3000);
 
  // Меняем направление вращения
  digitalWrite(directionPin, LOW);
 
  // Включаем двигатель на полную мощность
  digitalWrite(enablePin, HIGH);
 
  // Делаем 50 шагов
  for (int i = 0; i < 50; ++i) {
    digitalWrite(stepPin, HIGH);
    delay(delayTime);
 
    digitalWrite(stepPin, LOW);
    delay(delayTime);
  }
 
  // Ничего не делаем без отключения двигателя
  delay(3000);
 
  // Отключаем двигатель
  digitalWrite(enablePin, LOW);
 
  // Ничего не делаем до перезагрузки
 
  while (true) {
    ;
  }
 
}

Характеристики модуля

Ресурсы

wiki.amperka.ru

Выбираем драйвер шагового двигателя | PureLogic R&D

Наличие опторазвязанных входов

Третий аспект — наличие опторазвязанных входов. Практически во всех драйверах и контроллерах, выпускаемых на заводах, тем более брендовых, опторазвязка стоит обязательно, ведь драйвер — устройство силовой электроники, и пробой ключа может привести к мощному импульсу на кабелях, по которым подаются управляющие сигналы, и выгоранию дорогостоящего ЧПУ-контроллера. Однако, приобретая незнакомую модель, стоит дополнительно поинтересоваться наличием оптоизоляции входов и выходов.

Наличие механизмов подавления резонанса

Четвертый аспект — наличие механизмов подавления резонанса. Резонанс шагового двигателя — явление, которое проявляется всегда. Разница состоит только в резонансной частоте, которая прежде всего зависит от момента инерции нагрузки, напряжения питания драйвера и установленной силы тока фазы мотора. При возникновении резонанса шаговый двигатель начинает вибрировать и терять крутящий момент, вплоть до полной остановки вала. Для подавления резонанса используется микрошаг и встроенные алгоритмы компенсации резонанса. Колеблющийся в резонансе ротор шагового двигателя порождает микроколебания ЭДС-индукции в обмотках, и по их характеру и амплитуде драйвер определяет, есть ли резонанс и насколько он силен. В зависимости от полученных данных драйвер несколько смещает шаги двигателя во времени относительно друг друга — такая искусственная неравномерность нивелирует резонанс. Механизм подавления резонанса встроен во все драйверы Purelogic R&D. Драйверы с подавлением резонанса — высококачественные устройства, и если бюджет позволяет, лучше брать именно такие. Впрочем, и без этого механизма драйвер остается вполне рабочим: основная масса проданных драйверов не имеют компенсации резонанса. Тем не менее, десятки тысяч станков без проблем работают по всему миру и успешно выполняют свои задачи.

Наличие защитных функций

Шестой аспект — наличие защитных функций. Среди них — защита от превышения питающего напряжения, тока обмоток (в т. ч. от короткого замыкания обмоток), переполюсовки питающего напряжения, неправильного подключения фаз шагового мотора. Чем больше таких функций, тем лучше.

Наличие микрошаговых режимов

Седьмой аспект — наличие микрошаговых режимов. Сейчас практически в каждом драйвере есть множество микрошаговых режимов. Однако из каждого правила есть исключения, и в драйверах Geckodrive режим только один – деления шага 1/10. Мотивируется это тем, что большее деление не приносит большей точности, а значит, в нем нет необходимости. Однако практика показывает, что микрошаг полезен вовсе не повышением дискретности позиционирования или точности, а тем, что чем больше деление шага, тем плавней движение вала мотора и меньше резонанс. Соответственно, чем больше деление при прочих равных условиях, тем лучше. Максимально допустимое деление шага будет определяться не только встроенными в драйвер таблицами Брадиса, но и максимальной частотой входных сигналов. Так, для драйвера с входной частотой 100 кГц нет смысла использовать деление 1/256, так как скорость вращения будет ограничена 100 000 / (200 * 256) * 60 = 117 об/мин, что для шагового двигателя очень мало. Кроме того, персональный компьютер тоже с трудом сможет генерировать сигналы с частотой более 100 кГц. Если вы не планируете использовать аппаратный ЧПУ-контроллер, то 100 кГц, скорее всего, будет Вашим потолком, что соответствует делению 1/32.

Наличие дополнительных функций

Восьмой аспект — наличие дополнительных функций. Их может быть множество, например, функция определения «срыва» — внезапной остановки вала при заклинивании или нехватки крутящего момента у шагового двигателя, выходы для внешней индикации ошибок и т. п. Все они не являются необходимыми, но могут сильно облегчить жизнь при построении станка.

Качество драйвера

Девятый, и самый важный аспект — качество драйвера. Оно практически не связано с характеристиками и т. п. Определить уровень драйвера заранее по каким-то косвенным данным новичку достаточно трудно. Можно попробовать ориентироваться на количество интеллектуальных функций, таких как подавление резонанса, морфинг, а также воспользоваться проверенным способом — ориентироваться на бренды и качество технической поддержки.

purelogic.ru