1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Генератор импульсов для шагового двигателя своими руками

Генератор импульсов для шагового двигателя своими руками

Шаговый двигатель представляет собой особый тип двигателя, вал которого перемещается точно на определенный градус с каждым новым поступающим импульсом. Чтобы управлять шаговым двигателем, мы должны организовать определенный порядок формирования управляющего напряжения, которое поступает на выводы обмоток электродвигателя.

Ниже приведено несколько примеров подключения шагового двигателя без применения микроконтроллеров с использованием таймера NE555

Эту достаточно сложную задачу попробуем решить при помощи таймера NE555 и двух интегральных микросхем CD4070 (К1561ЛП14) и CD4027(K561ТВ1).

Таймер 555 будет генерировать поток тактовых импульсов для управления скоростью вращения шагового двигателя. Тогда как микросхемы DD2 и DD3 будут формировать последовательно сигналы в правильном порядке, чтобы электродвигатель начал вращаться.

Вращая ручку переменного резистора можно изменять частоту сигнала, а значит и скоростью вращения.

Далее импульсы подаются на вход двух JK-тригеров (CD4027), которые формируют управляющие импульсы в необходимом порядке. Цепь на микросхеме CD4070 позволяет менять вращение на противоположное при помощи переключателя SA1. Для снижения нагрузки на выходы DD3 использованы 4 транзистора и 4 диода для защиты транзисторов от всплесков самоиндукции.

Схема простого контроллера шагового двигателя приведена на рисунке:

Контроллер состоит из мультивибратора на таймере 555, микросхемы десятичного счётчика 4022 (CD4022, HEF4022 и т. д.) и необязательных светодиодов с резистором для визуализации и наглядности, резистор один т. к. больше одного светодиода в данной схеме светиться не может. Счётчик десятичный т.е. при подаче на его тактовый вход (CLOCK (вывод 14)) импульсов напряжения на выводе соответствующему выходу номер которого совпадает с количеством поданных импульсов, после сброса, появляется напряжение уровня логической единицы, на всех остальных выводах выходов, при этом, устанавливаются напряжения уровня логического нуля. Вывод «11» соединён с выводом «15» для того чтобы ограничить счёт данного счётчика. Когда на тактовый вход приходит четвёртый импульс, после сброса, на выводе «11» (выход out4) появляется напряжение уровня логической единицы которое подаётся на вывод «15» (RESET) — вывод сброса, от этого счётчик происходит сброс счётчика в исходное состояние когда напряжение уровня логической единицы будет на выводе «2» который соответствует выходу out0 (т. е. 0 импульсов пришло на тактовый вход). Если вывод «15» соединить с «землёй» (GND, минус ноль питания) а «14» при этом никуда не соединять то счётчик будет считать 7 импульсов, 8-ой импульс произведёт сброс и счёт пойдёт заново (так можно сделать мигалку с 8 светодиодами). Если убрать мультивибратор и светодиоды то останется только микросхема 4022 и её можно использовать с программируемым устройством для управления шаговым двигателем подавая на тактовый вход этой микросхемы импульсы с программируемого устройства. Вместе с этим контроллером можно использовать например драйвер на эмиттерных повторителях на транзисторах такая схема универсальная, безопасная при неправильном управлении но у неё есть недостатки, можно также использовать микросхему драйвер если она подходит. Схема драйвера:

или использовать к примеру микросхему UNL2003

Шаговый двигатель и драйвер для него

Шаговые двигатели широко используются в приложениях, требующих огромную точность. В отличие от электродвигателя постоянного тока у него отсутствуют щетки и коммутатор — для этого у него имеется несколько отдельных обмоток, которые коммутируются внешней электронной управляющей схемой или как ее принято называть одним словом — драйвером. Вращение ротора в них осуществляется с помощью коммутации обмоток последовательно — шаг за шагом, без обратной связи. Здесь можно увидеть огромный минус всех шаговых двигателей — в случае механической перегрузки, когда ротор не двигается, шаги будут путаться и движение становится непредсказуемым.

По виду обмоток, шаговые двигатели бывают: униполярными и биполярными. По строению их можно классифицировать еще на как минимум три вида:

  1. С переменным магнитным сопротивлением: эти электродвигатели обеспечивают высоченную точность перемещения и очень низкий крутящий момент

С постоянным магнитом — низкий уровень точности, большой крутящий момент, но самая низкая стоимость изготовления

  • Гибридный шаговый двигатель — обеспечивает высокую точность, отличный крутящий момент, но и цена его бывает кусачей
  • У шаговых двигателей первого типа зубчатые обмотки и ротор сделаны из стали. Максимальная сила тяги появляется в момент перекрытия зубьев обоих сторон. В электродвигателях с постоянным магнитом, имеется постоянный магнит, который ориентируется в зависимости от полярности обмотки. В гибридных сочетают две технологии одномоментно.

    Независимо от вида устройства для создания одного полного оборота вала равному 360 градусов необходима целая сотня шагов коммутаций. Для обеспечения плавного и стабильного движения используют подходящую схему управления (драйвер), в соответствии с параметрами шагового двигателя (крутящий момент, инертность ротора, резонанс и т.п.). Кроме того схема драйвера может использовать различные способы коммутации.

    Последовательный метод коммутации по одной обмотке называют полным шагом, но если коммутация происходит поочередно одна и две обмотки, то это принято называть полушагом. Бывают так же синусоидальные микрошаги, что дает им высокую точность и плавность хода.

    Шаговый двигатель используется для изготовлении печатных плат, микродрели, автоматической кормушки и в конструкциях роботомеханизированных аппаратов. Если вы еще не сталкивались с шаговыми двигателями, то прочитайте внимательно эту статью.

    Он имеет пять или шесть проводов. В соответствии со схемой запускается разом только одна четвертая обмоток. Линии Vcc обычно соединяются с плюсом источника питания. Концы обмоток 1a, 1b, 2a, и 2b соединяются при коммутации через управляющие транзисторы только с землей, в связи, с чем их схема драйвера достаточно проста.

    Читать еще:  Что такое шпиндель двигателя забойного

    Полярность его обмоток изменяется во время процесса коммутации. За один раз активируется 50% обмоток, что обеспечивает в сравнении с выше рассмотренным гораздо большую эффективность. У биполярных шаговых двигателей имеется только четыре провода, которые соединяютсяполумостом. При коммутации полумосты прикладывают к концам обмоток с отрицательным или положительным напряжением. Их запускают и с помощью биполярного драйвера: для этого необходимо соединить только линии обмоток 1a, 1b, 2a и 2b.

    Необходимые коммутации полу и полного шага и с обоими видами обмоток отображает таблица на рисунке ниже. Т.к в случае драйвера униполярного шагового двигателя происходит только отпирание управляющих транзисторов, то эти шаги в ней представлены логическими числами 1 и 0. Управление биполярным ШД может потребовать гораздо больше сигналов, и его шаги представлены выходной полярностью схемы управления.

    Шаговые двигатели отличаются от обычных управляемых двигателей постоянного тока тем что, совершают дискретное вращение под воздействием импульсных управляющих сигналов. В конкретном шаговом двигателе, который мы будем рассматривать, требуется 48 управляющих импульсов чтобы сделать полный оборот на 360 градусов.

    Еще одним важным преимущество шаговых двигателей можно считать то, что их скорость вращения может быть достигнута почти мгновенно при реверсировании направления вращения.

    В состав шагового двигателя входит ротор, представляющий обычный постоянный магнит, вращающийся внутри, и статор на четыре катушки, являющиеся частью корпуса и неподвижные. Ротор вращается от поступающих импульсных последовательностей подаваемых к одной или двум катушкам одномоментно.

    Для схемы драйвера шаговым двигателем потребуется контроллер. Контроллер это такая большая специализированная микросхема, которая подает постоянное напряжение к любой из четырех катушек статора в зависимости от заложенной программы. В нашей схеме такой микросхемой является ULN2003 или ее российский аналог К1109КТ22, состоящий из множества мощных ключей с защитными диодами. Последнии дают возможность подключать различные индуктивные нагрузки без дополнительной защиты от всплесков обратного напряжения.

    Однополярный двигатель обладает пятью или шестью контактов в зависимости от типа. Если он имеет шесть контактов, то потребуется соединить выводы 1 и 2 красного цвета вместе и подключить их к плюсу напряжения питание. Оставшиеся выводы a1 желтого, b1 черного, a2 оранжевого и b2 коричневого цвета и подключить к контроллеру в соответствии со схемой.

    Существует несколько способов, которые можно использовать, для управления шаговым двигателем.

    Для управления шаговым двигателем с компьютером нам потребуется только компьютер с LPT разъемом или специализированном контроллере, который можно недорого приобрести и вставить в PCI слот материнской платы и программа. Программу вы можете скачать по зеленой ссылке чуть выше. При управление шаговым двигателем с компьютера вы будете иметь намного больше возможностей при конструировании различных радиолюбительских самоделок или приспособлений.

    В программе управления драйвером очень понятный и дружественный интерфейс для работы с шаговым двигателем, который дает возможность точно управлять скоростью шагового двигателя и направлением его вращения в режиме реального времени, а также вы сможете выбрать различные способы управления.

    Схема драйвера дает возможность изменять скорость вращения вала и направление его вращения. Частота микроконтроллера формируется внешним генератором на 4 МГц. На радиокомпонентах R1 – R3, С1 и транзисторе VT1 собран генератор прямоугольных импульсов, частоту которого можно регулировать сопротивлением R2. Напряжение с емкости конденсатора С1 поступает на вывод RB5 микроконтроллера. После того как потенциал превысит пороговый уровень, на выводе RB7 образуется высокий потенциал. Поэтому, первый транзистор открывается и разряжает емкость, а затем алгоритм повторяется.

    При регулирование сопротивления R2 изменяется скорость вращения шагового двигателя от 27 до 128 оборотов в минуту. Учтите, что при повышении скорости вращения, снижается крутящий момент на валу шагового двигателя. Данная схема не имеет ОС, поэтому скорость вращения зависит только от переменного резистора R2 и от нагрузки на вал. Реверс обмоток двигателя осуществляется через транзисторные ключи VT2-VT5. Для защиты транзисторов от возможных всплесков, в схему введены диоды VD1 — VD4. Изменение направления вращения и остановка задается с помощью тумблеров SA1 — SA3. Прошивку к МК смотри в архиве выше, в папке 029-el

    Рассмотрена схема управления шаговым двигателем униполярного типа в режиме полного шага через последовательный интерфейс RS232 компьютера. Драйвер способен управлять двумя шаговыми двигателями через программу специальную терминал

    При замыкании кнопок управления SB-1 или SB-2 высокий логический уровень через элемент ИЛИ реализованный на диодах VD-6 и VD-7 следует на затвор полевого транзистора VT-5, отпирая его, и тем самым включая питание двигателя. Диоды можно можно взять почти любые, кремниевые, какие влезут. Полевой транзистор выбираем исходя из напряжения питания и потребляемого тока ШД. Если используется низковольтный ЩД, то и транзистор в схеме берем низковольтный, так как у него ниже сопротивление сток-исток.

    Желательно и в роли VT1-VT5, так же применить полевые транзисторы с N-каналом. Тогда сопротивление резисторов в цепи базы (по схеме) можно существенно снизить.

    Таймер NE555 предназначен для генерации потока тактовых импульсов управляющими скоростью вращения шагового двигателя. Тогда как логические микросхемы CD4070 аналог К1561ЛП14 и CD4027 аналог K561ТВ формируют последовательность сигналов в нужном порядке, для запуска электродвигателя.

    Схема подходит для однополярного шагового двигателя, имеющего шесть управляющих выводов. Изменяя сопротивление переменного резистора можно изменять частоту сигнала, а следовательно и скоростью вращения электродвигателя. Затем импульсы поступают на входы JK-тригеров на микросхеме CD4027, которые формируют управляющие импульсы в нужной последовательности. При помощи переключателя SA1 можно осуществлять реверсирование шагового двигателя.

    Читать еще:  Электрическая схема контроллера двигателя bafang

    Урок 25. Управление шаговым двигателем

    Некоторые читатели уже давно просили рассмотреть работу шагового двигателя. Моторчик был приобретен еще полгода назад, алгоритм изучен. Хотелось совместить много всего интересного в одной статье и как обычно, чем больше планируешь, тем ниже шанс доделать устройство. В общем, я решил снова вернуться к этому вопросу и сделать статью как можно проще.

    Представим себе постоянный магнит (ПМ), с осью в центре, относительно которой он может вращаться, синий — север, красный — юг. Рядом с ним электромагнит, который жестко закреплен и пока никуда не подключен, поэтому положение ПМ произвольное.

    В следующий момент, подаем на начало обмотки минус, на конец плюс. Условимся, что по правилу правой руки (буравчика 🙂 ) север у электромагнита будет слева, юг справа, поэтому ПМ развернется севером к электромагниту.

    Если поменять полярность электромагнита — полюса поменяются, ПМ развернется. Таким образом, в зависимости от полярности электромагнита у вращающегося ПМ будет два устойчивых состояния, т.е. шаг будет равен 180 градусов.

    Если добавить еще один электромагнит, то будет уже четыре устойчивых состояния, т.е. шаг будет 90 градусов.

    Картинки весьма условны и не отражают реальной конструкции двигателя, просто на мой взгляд они более наглядны. Двигатели с двумя независимыми обмотками, без выводов от центра обмотки называются биполярными, бывают еще униполярные и четырехобмоточные, но их пока рассматривать не будем.

    Мне достался ST-PM35-15-11C, каждый шаг — 7,5 градусов, т.е. 360/7,5=48 шагов на оборот. Номинальное напряжение 12В, сопротивление обмотки 4 Ома.

    Для управления шаговым двигателем производитель предлагает такую таблицу.

    Таким образом все что нам нужно — это подавать напряжение на провода в соответствии с этой таблицей, там где стоят галочки — подать напряжение, там где не стоят — ноль.

    Программа очень проста — делаем шаг, ждем секунду и так по кругу. При желании можно запилить управление с компа.

    Ради теста можно покрутить это дело в протеусе.

    Естественно, ножки микроконтроллера не в состоянии обеспечить достаточный ток. Поэтому можно поставить транзистор, но на каждые два шага полярность напряжения обмотки меняется на противоположную, значит одного транзистора недостаточно, поэтому на каждый вход нужно будет поставить по два транзистора(пуш пул). Кроме того, при отключении обмотки возникают броски обратного напряжения способные пробить транзистор. Поэтому понадобится защитный диод.

    В общем, для таких ленивых людей как я есть микросхемы которые уже содержат в себе эти транзисторы и диоды, остается лишь подавать управляющие импульсы от микроконтроллера. Например L293D, QUADRUPLE HALF-H DRIVERS — драйвер шагового двигателя. Придумывать ничего не надо, в даташите есть пример для биполярного двигателя.

    Если не понятно, то на ножки:
    8 подаем Vcc2 = от Vсс1 до 36В,
    1,9,16 Vсс1 = от 4.5 до 7,
    4,5,12,13 — землю,
    3,6 — первая обмотка,
    11,14 — вторая обмотка.
    2,7,10,15 к микроконтроллеру.

    Все работает как часы

    24 комментария: Урок 25. Управление шаговым двигателем

    Здравствуйте! Скажите пожалуйста, какой шагогый двигатель можно использовать кроме ST-PM35-15-11C ? Мне нужен подобный двигатель который можно было бы купить на аукционе ebaey

    Если хотите полностью повторить статью то ищите «bipolar stepper motor»

    Для начала не мешало бы уточнить приминение мотора. Если просто искать шаговик то можно гордо купить nema23 с током обмотки в 2 и более ампер. С таким током этот драйвер через минуту скажет пшшшшшш и пойдёт дымок. Для чего нужен мотор?

    Алексей, это как объяснять зачем нужно колесо Принтеры, станки и еще over 9000 где еще. Именно по той причине что вы описали, контролировать ток, напряжение и прочие параметры вы должны самостоятельно. Собственно, забота выбора силовой части тоже лежит на плечах юзера. Это лишь простой пример. Конкретный выбор, можно обсудить на форуме.

    Так я ж вопрос Янису задавал Он хочет купить подобный. А он уверен что характеристики текущего мотора из статьи ему подойдут. Вот и говорю что если на ебее искать по запросу «bipolar stepper motor» то можно купить гордо нема23 в надежде что он такой же и гордо сжечь драйвер. Кстати можно использовать Л297+Л298 векселей будет

    лол, занятно получилось, я уж думал объяснять зачем колесо нужно

    Да понятно это мне) Только вот я не знаю где достать такой двигател.. В ebay его нет как не странно. Вот и ищу подобный ) Пока еще не нашел.

    Очень познавательная статья. Как раз думал как бы автоматизировать кормушку для домашней живности. Ув. админ, не могли бы вы ещё пролить свет на управление бесколлекторным двигателем из старых винчестеров — у него 3 полюса (6 выводов) + 3 датчика Холла (правильно ли я их назвал) — ещё 6 выводов, которые указывают на положение ротора. Есть конечно специальные дрова, но уж с очень большим обвесом и дискретных элементов, да к тому же очень дорогие. Плюс столкнулся с такой проблемой, что при чрезмерной нагрузке на двигатель он автоматом стопорится. Если сделать свои драйвера, да ещё на 1 мк+усиливающие по току транзисторы — было бы прекрасно!

    Привет!! Когда тиристором научимся управлять?? Или симистором, там…

    здравствуйте, имею ШД от принтера, униполярный, не могли бы пример дать как управлять скоростью вращения с помощью обычного потенциометра? может как то с помощью АЦП? изменять напряжение на ноже ацп 0-5В.

    Читать еще:  Газ 31029 неустойчивая работа двигателя

    умножайте значение ацп на коэффициент и используйте полученное число как задержку

    а вы не помогаете с написанием программы? дело в том что есть два шаговых мотора, хочу намоточный станок сделать с укладчиком. не могу понять где копать, так то вроде относительно понятно, не могли бы пример дать ? микроконтроллер использую Atmega16

    12 вольт(вплоть до 36) можно и нужно подавать только на 8 ножку микросхемы L293

    Самодельный ветрогенератор на основе шагового двигателя

    В качестве генератора на ветряк подойдет шаговый двигатель (ШД) для принтера. Даже при небольшой скорости вращения он вырабатывает мощность около 3 Вт. Напряжение может подниматься выше 12 В, что дает возможность заряжать небольшой аккумулятор.

    • Принципы использования
    • Электрическая часть
    • Как сделать ветрогенератор
    • Заключение

    Принципы использования

    Характерная для российского климата турбулентность ветра в приземных слоях приводит к постоянным изменениям его направления и интенсивности. Ветрогенераторы больших размеров, мощность которых превышает 1 Квт будут инерционными. В результате они не успеют полностью раскрутиться при смене направления ветра. Этому также мешает момент инерции в плоскости вращения. Когда боковой ветер действует на работающий ветряк, он испытывает огромные нагрузки, которые могут привести к его быстрому выходу из строя.

    Целесообразно применять ветрогенератор малой мощности, изготовленный своими руками, имеющий незначительную инерционность. С их помощью можно заряжать маломощные аккумуляторы мобильных телефонов или использовать для освещения дачи светодиодами.

    В дальнейшем лучше ориентироваться на потребителей, нетребующих преобразования вырабатываемой энергии, например, для подогрева воды. Нескольких десятков ватт энергии вполне может хватить для поддерживания температуры горячей воды или для дополнительного подогрева системы отопления, чтобы она не перемерзала зимой.

    Электрическая часть

    Генератором в ветряк можно устанавливать шаговый двигатель (ШД) для принтера.

    Даже при небольшой скорости вращения он вырабатывает мощность около 3 Вт. Напряжение может подниматься выше 12 В, что дает возможность заряжать небольшой аккумулятор. Остальные генераторы эффективно работают при скорости вращения более 1000 об./мин, но они не подойдут, поскольку ветряк вращается со скоростью 200-300 об./мин. Здесь необходим редуктор, но он создает дополнительное сопротивление и к тому же имеет высокую стоимость.

    В генераторном режиме у шагового двигателя вырабатывается переменный ток, который легко преобразовать в постоянный, используя пару диодных мостов и конденсаторы. Схему легко собрать своими руками.

    Установив за мостами стабилизатор, получим постоянное выходное напряжение. Для визуального контроля можно еще подключить светодиод. Чтобы уменьшить потери напряжения для его выпрямления применяются диоды Шоттки.

    В дальнейшем можно будет создать ветряк с более мощным ШД. Такой ветрогенератор будет обладать большим моментом трогания. Проблему можно устранить, отключая нагрузку во время пуска и при малых оборотах.

    Как сделать ветрогенератор

    Лопасти можно изготовить своими руками из трубы ПВХ. Нужная кривизна подбирается, если взять ее с определенным диаметром. Заготовку лопасти рисуют на трубе, а затем вырезают отрезным диском. Размах винта составляет около 50 см, а ширина лопастей — 10 см. После следует выточить втулку с фланцем под размер вала ШД.

    Она насаживается на вал двигателя и крепится дополнительно винтами, а к фланцам крепятся пластиковые лопасти. На фото изображено две лопасти, но можно сделать четыре, прикрутив еще две аналогичные под углом 90º. Для большей жесткости под головки винтов следует установить общую пластину. Она плотней прижмет лопасти к фланцу.

    Изделия из пластика долго не служат. Продолжительный ветер со скоростью более 20 м/с такие лопасти не выдержат.

    Далее нужно произвести балансировку. Это делается своими руками: от концов лопастей отрезаются кусочки пластика. Угол их наклона можно изменить посредством нагрева и изгиба.

    Генератор вставляется в кусок трубы, к которому он крепится болтами.

    К трубе с торца крепится флюгер, представляющий собой ажурную и легкую конструкцию из дюралюминия. Ветрогенератор держится на приваренной вертикальной оси, которая вставляется в трубу мачты с возможностью вращения. Под фланец можно установить упорный подшипник или полимерные шайбы, снижающие трение.

    У большей части конструкций ветряк содержит выпрямитель, который крепится к подвижной части. Это делать нецелесообразно из-за увеличения инерционности. Электрическую плату вполне можно разместить внизу, а к ней вывести вниз провода от генератора. Обычно с шагового двигателя выходит до 6 проводов, соответствующих двум катушкам. Для них нужны токосъемные кольца для передачи электроэнергии от подвижной части. На них довольно сложно установить щетки. Механизм токосъема может оказаться сложней, чем сам ветрогенератор. Еще было бы лучше разместить ветряк так, чтобы вал генератора располагался вертикально. Тогда провода не будут заплетаться вокруг мачты. Такие ветрогенераторы сложней, но зато уменьшается инерционность. Коническая передача здесь будет в самый раз. При этом можно увеличить обороты вала генератора, подобрав необходимые шестерни своими руками.

    Закрепив ветряк на высоте 5-8 м, можно начинать проводить испытания и собирать данные о его возможностях, чтобы в дальнейшем установить более совершенную конструкцию.

    В настоящее время становятся популярными вертикально-осевые ветрогенераторы.

    Некоторые конструкции хорошо выдерживают даже ураганы. Хорошо себя зарекомендовали комбинированные конструкции, работающие при любом ветре.

    Заключение

    Маломощный ветрогенератор надежно работает из-за малой инерционности. Его легко изготавливают в домашних условиях и используют преимущественно для подзарядки небольших аккумуляторов. Он может пригодиться в загородном доме, на даче, в походе, когда возникают проблемы с электричеством.



    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector