Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Схема управления шаговым двигателем на транзисторах

Схема управления шаговым двигателем на транзисторах

Для данного положения ротора вращающий момент шаговых двигателей зависит исключительно от тока, поэтому важно уметь с большой точностью регулировать этот ток. Сформулируем общее правило для электродвигателей:

вращающий момент регулируется с помощью тока, а скорость — с помощью напряжения.

Как и для двигателя постоянного тока, рабочие характеристики имеют ограничения на вращающий момент при увеличении скорости, так как индуцированные э.д.с. вызывают в обмотках токи, создающие противоположно направленный момент.

Для шаговых двигателей проблема значительно усложняется, так как, за исключением режима разносной частоты, речь идет о последовательности переходных процессов (электрических и механических). Установление тока в одних обмотках приводит к возникновению индуцированных напряжений в других обмотках за счет взаимных индуктивностей между обмотками. Если эти обмотки замкнуты сами на себя или даже с помощью вспомогательного устройства, в них все равно возникнет ток, который создает вращающий момент (обычно противодействующий). Кроме того, токи не устанавливаются и не исчезают мгновенно. Поэтому вращающий момент зависит как от положения ротора, так и от времени. Эта зависимость играет важную роль, так как электрическая постоянная времени имеет тот же порядок величины, что и время, требуемое для перемещения ротора из одного устойчивого положения в другое.

Рис. 4.29. Влияние переходных процессов по току.

Кривые, приведенные на рис. 4.29, иллюстрируют зависимость вращающего момента от угла поворота ротора в случае, когда питание подается на обмотку и ток в обмотке не исчезает мгновенно, в результате чего может оказаться невозможным изменение положения ротора двигателя.

Следовательно, питание двигателя должно отвечать следующим требованиям:

• ток должен устанавливаться и исчезать в соответствии с законом, выработанным вспомогательным устройством

управления; это условие предполагает использование силовых транзисторов (как биполярных, так и МОП-транзисторов). Тиристор требует сложной цепи блокировки, и его реакция часто недостаточна;

• ток должен устанавливаться очень быстро, поэтому необходимо использовать все способы для уменьшения действительной постоянной времени;

• коммутация тока от нормальной величины до нуля должна быть достаточно быстрой и не должна приводить к перенапряжениям, которые могут вывести транзисторы из строя;

• ток должен регулироваться и поддерживаться на уровне, заданном управляющим устройством;

• неиспользуемые обмотки должны быть обесточены.

4.9.2. Схемы питания однонаправленным током

Этот тип питания пригоден только для синхронных реактивных двигателей с переменным магнитным сопротивлением без постоянного магнита.

Приведем снова уравнение для данного двигателя

Если ток подается только в одну обмотку, а в других обмотках отсутствует и при условии, что производная мала, т. е.

то ток устанавливается с постоянной времени, равной На самом же деле один ток становится равным нулю в тот же момент, когда устанавливается другой, и токи определяются системой уравнений

где внешнее сопротивление, которое можно подключить по желанию. Можно было бы также ввести в цепь питания дополнительное сопротивление. Токи характеризуются двумя постоянными времени, которые являются решениями уравнения

где — коэффициент рассеяния между двумя обмотками:

Если обмотки соединены хорошо мало), постоянные времени равны причем последняя величина может быть значительно меньше первой. Процесс установления тока ускоряется, если величина напряжения питания существенно превышает номинальную.

Рис. 4.30. Демпфирующая обмотка.

Если же, наоборот, обмотки соединены неплотно, оба тока устанавливаются и становятся равными нулю в соответствии со своими постоянными времени.

Метод электрического демпфирования состоит в том, что одновременно с основной обмоткой наматывается вторая обмотка. Таким образом, вторая обмотка идеально связана с основной и ее постоянная времени может регулироваться внешним сопротивлением (рис. 4.30). Эта короткозамкнутая обмотка действует только в течение переходных процессов, значительно уменьшая постоянную времени.

До сих пор мы не учитывали член, являющийся функцией скорости перемещения ротора. Рассмотрим случай, когда Тогда можно написать следующее уравнение:

В фазе ускорения производная положительна и вызывает уменьшение тока, тогда как в следующей фазе происходит увеличение тока. (Это справедливо только при нулевом моменте нагрузки.) Пусть Тогда

Если производная постоянна, пульсации тока будут приблизительно совпадать с т. е. изменения тока соответствуют изменениям скорости. Следовательно, зависимость вращающего момента также изменяется.

Конечно, можно точно рассчитать механические и электрические характеристики двигателя, решив все дифференциальные уравнения численными методами. Это оказывается необходимым, когда колебаниями нельзя пренебречь. В остальных же

случаях можно ограничиться общим описанием системы регулирования тока.

На рис. 4.31 показаны три простейшие схемы питания двигателя. Диод способствует рассеянию магнитной энергии катушки в ее сопротивлении когда транзистор не является перемычкой.

Рис. 4.31, Простейшие схемы питания двигателя однонаправленным током.

Возрастание и уменьшение тока происходят с одной и той же постоянной времени.

Рис. 4.32. Схемы пнтання двигателя с двумя источниками тока.

Сопротивления уменьшают постоянные времени цепи (рис. Поскольку опорный диод (стабилитрон) начинает проводить только при определенном напряжении, то лишь при переключении транзистора возникает напряжение, достаточное для включения опорного диода (рис. 4.31, в). При такой схеме питания отсутствуют токи в неиспользуемых фазах и не возникают нежелательные противодействующие вращающие моменты.

В схеме питания, показанной на рис. 4.32 а, нарастание тока происходит быстрее, чем в предыдущих схемах, так как максимально возможное теоретическое значение тока равно а его значение при нормальной работе равно Шунт позволяет контролировать ток и управлять транзистором . С помощью диода можно устранить токи, циркулирующие между двумя источниками. На рис. 4.32, б приведены характеристики этой схемы, по которым нельзя заранее ничего сказать об уменьшении постоянной времени.

Рис. 4.33. (см. скан) Схемы питания с регулированием тока.

С помощью этой схемы нельзя регулировать ток, а с помощью схем, показанных на рис. 4.33, а и возможно регулирование тока.

Читайте так же:
Сварить и обжарить картошку

В схеме на рис. 4.33, а транзистор предназначен для коммутации, а транзистор для поддержания тока в диапазоне Поэтому транзистор должен обладать большим

быстродействием, чем транзистор Напряжение значительно выше рабочего напряжения. Справа на рис. 4.33 приведены временные зависимости разных токов в схеме. В схеме на рис. транзистор выполняет две функции. Для питания каждой обмотки требуется аналогичная схема, а это может привести к большим затратам. Отметим, однако, что в данной схеме источник входит в цепь регенерации с диодами и что ток быстрее стремится к нулю (в той мере, в какой источник допускает ток в противоположном направлении).

Схема, приведенная на рис. 4.34, рассчитана на то, что ток подается в совокупность фаз, а коммутатор осуществляет их питание в соответствии с заданной последовательностью.

Рис. 4.34. -коммутатор для четырехфазного двигателя.

В данном случае речь идет о питании четырехфазного двигателя.

4.9.3. Схемы питания двигателя с постоянными магнитами

В разд. 4.7.2 описаны способы включения питания двигателей с постоянными магнитами (в зависимости от того, имеют ли они одну обмотку или бифилярную обмотку с общей точкой). В двигателях этого типа во время вращения ротора возникает наведенная э. д. с. как результат изменения потока, создаваемого магнитом в катушках. Это явление не влияет существенно на способ включения питания. Изменения тока сведены к минимуму ограничениями и регулированием тока. Ниже мы рассмотрим схемы питания для однообмоточного и бифилярного двигателей.

Однообмоточный двигатель. В наиболее распространенной схеме питания от одного источника используется Н-схема с четырьмя транзисторами для каждой фазы двигателя (рис. 4.35,а). Она идентична схеме, описанной в гл. 3 для двигателя постоянного тока (рис. 3.39 без катушек индуктивности,

ограничивающих циркулирующие токи). Два транзистора предназначены для ограничения тока и функционируют как прерыватели. В данном случае нельзя уменьшить число транзисторов, как это сделано в схеме на рис. 4.34, и для каждой обмотки возбуждения статора необходимо предусмотреть четыре транзистора и четыре диода.

Рис. 4.35. Н-схема питания с одним источником и схема питания с источником

Если имеется двуполярный источник, то число этих элементов уменьшается в два раза (рис. 4.35, б). В этом случае питание включается в цепь регенерации и спад тока происходит быстрее.

Бифилярный двигатель. Обе обмотки наматываются одновременно, и поэтому их взаимная индуктивность достаточно велика; коэффициент рассеяния очень мал Масса меди в два раза больше, чем в однообмоточном двигателе, поэтому мощность на единицу массы меньше. Кроме того, схема питания требует в два раза меньше компонентов при одном источнике. Следовательно, выбор схемы питания определяется не столько техническими, сколько экономическими соображениями. Практические схемы питания сводятся к теоретическим схемам, приведенным на рис. 4.36, которые различаются только способом регенерации при коммутации транзисторов. Эти две основные схемы могут быть модифицированы путем добавления резисторов, конденсаторов или опорных диодов (стабилитронов)

Рассмотрим обмотку а, состоящую из двух частей 1 и 2. Условные обозначения и направления токов приведены на рис. 4.36. Общие потоки определяются выражениями

а напряжения на зажимах каждой обмотки — следующими уравнениями (при этом считается, что индуктивные сопротивления не зависят от положения ротора):

Величина пропорциональна угловой скорости вращения Очевидно, что, если существуют одновременно, индуктивное сопротивление обеих обмоток мало и каждое равно

Рис. 4.36. Схемы питания бифилярного двигателя.

Если в начальные моменты коммутации можно не учитывать величину токи изменяются по закону, представляющему собой комбинацию двух экспонент с постоянными времени, примерно равными Первая экспонента довольно быстро достигает нуля, и поток резко изменяется. Рассмотрим кратко оба метода регенерации (рис. 4.36) при использовании второго способа включения питания (рис. 4.18). Пусть в момент времени транзистор заперт, а транзистор открыт.

В случае, представленном на рис. 4.36, а, когда диоды подключены к зажимам обмоток, напряжения равны соответственно 0 и Ток убывает по величине от до 0, тогда как ток возрастает с той же постоянной времени. Ток, который создает вращающий момент, равен

Для схемы, приведенной на рис. процесс будет совершенно иным, так как первоначально протекающий через диод отрицателен. Диод запирается в момент, когда . В этот момент включается транзистор Это явление легко объяснить. Из условия сохранения ампер-витков между моментами времени можно написать при при и при Таким образом,

ток при равен . Аналогичные выводы можно сделать, исходя из закона сохранения потока.

Если не учитывать индуцированную э. д. с. в первые моменты после коммутации, уравнения для схемы питания при втором способе регенерации записываются следующим образом:

Рис. 4.37. Изменения токов и для двух способов регенерации.

Изменение тока происходит с постоянной времени В действительности ток изменяется, как показано на рис. 4.37, б. Напряжение на зажимах транзистора в момент времени равно

Рис. 4.38. (см. скан) Схема питания с преобразователем.

Если проанализировать работу этих схем при использовании первого способа включения питания, можно обнаружить, что

в схеме на рис. 4.36, а диод регенерации начинает действовать только во время нарастания тока, которое происходит с постоянной времени Во время отключения тока диод оказывается закрытым и транзистор испытывает перенапряжение, равное Схема, приведенная на рис. 4.36,б, не представляет интереса для этого способа включения питания, так как изменение тока связано с изменением потока; транзистор подвергается сильному перенапряжению, или увеличивается время коммутации.

Этот тип схемы питания (со средней точкой) также допускает регулирование тока с помощью дополнительного транзистора (рис. 4.38) или с помощью транзисторов . В самом деле, только разность влияет на механические характеристики бифилярного шагового двигателя.

Рис. 4.39. (см. скан) Полная схема питания шагового двигателя.

На практике используются значительно более сложные схемы, так как необходимо предусмотреть все вспомогательные цепи, используемые при коммутации, а также цепи антинасыщения и защиты от перенапряжений. На рис. 4.39 приведена одна из таких схем. (Для того чтобы не усложнять схему, на рисунке не показана менее важная цепь антинасыщения.)

Читайте так же:
Польская антенна своими руками

Диоды могут проводить ток, если только напряжения больше напряжения (обычно Токи в этом случае слегка отличаются от теоретических токов (рис. 4.37), так как конденсаторы образуют колебательные контуры с катушками индуктивности и паразитными индуктивностями.

Драйверы шагового двигателя: униполярный, биполярный, L298N.

Контроллер шагового двигателя

Как правило, логические сигналы для управления шаговым двигателем формирует микроконтроллер. Ресурсов современных микроконтроллеров вполне хватает для этого даже в самом ”тяжелом” режиме – микрошаговом.

Для подключения шаговых двигателей через слаботочные логические сигналы микроконтроллеров необходимы усилители сигналов – драйверы.

В функцию драйверов входит:

  • обеспечение необходимого тока и напряжения на фазных обмотках двигателя;
  • коммутация обмоток;
    • включение;
    • выключение;
    • смена полярности;

    Речь в этой статье идет о простых драйверах, достаточных для большинства приложений. Существуют драйверы с гораздо большими возможностями:

    • обеспечение быстрого нарастания тока при включении и быстрого спада при выключении;
    • уменьшение тока для фиксации положения остановленного двигателя;
    • защитные функции;
    • формирование тока и напряжения обмоток для микрошагового режима;
    • и многие другие.

    Схемы таких драйверов достаточно сложные, а в этих функциях в большинстве приложениях нет необходимости.

    По схеме подключения шаговые двигатели делятся на униполярные и биполярные. Драйверы для этих двух вариантов двигателей принципиально отличаются.

    Драйвер униполярного шагового двигателя.

    В униполярном режиме могут работать двигатели, имеющие следующие конфигурации обмоток.

    Униполярные шаговые двигатели

    Напомню принцип управления униполярным шаговым двигателем. Четыре обмотки с общим проводом, подключенным к одному полюсу источника питания. Если другие выводы обмоток последовательно коммутировать к другому полюсу источника, то ротор двигателя будет вращаться.

    Униполярный шаговый двигатель

    Для коммутации обмоток таким способом достаточно всего четырех ключей, замыкающих обмотки на землю. Схемы коммутации обмоток двух предыдущих вариантов двигателей выглядят так.

    Коммутация обмоток

    Если последовательно замыкать ключи 1, 2, 3, 4, то ротор двигателя будет вращаться.

    Схема драйвера униполярного шагового двигателя.

    Практически ключи можно выполнить на биполярных транзисторах, но предпочтительнее использовать низкопороговые MOSFET транзисторы. Я применяю транзисторы IRF7341. Это MOSFET транзисторы с параметрами:

    • максимально допустимый ток 4 А;
    • предельное напряжение 55 В;
    • сопротивление в открытом состоянии 0,05 Ом;
    • порог включения 1 В;
    • выполнены в миниатюрном корпусе SO-8;
    • в корпусе два транзистора.

    Крайне удобный вариант для использования в драйвере униполярного шагового двигателя.

    • Нет необходимости в радиаторах охлаждения ключей;
    • очень низкое падение напряжения на открытом транзисторе;
    • малые размеры;
    • всего два 8ми выводных корпуса для драйвера двухфазного шагового двигателя.

    На биполярных транзисторах ключи с такими параметрами создать не возможно. Есть много других вариантов MOSFET транзисторов для ключей, например IRF7313 ( 6 А, 30 В, 0,029 Ом).

    Схема ключа на MOSFET транзисторе для одной фазы выглядит так.

    Ключ для фазы

    Ключ управляется непосредственно от микроконтроллера логическими уровнями KMOП или TTL ( 0 / +5 В). При управляющем сигнале высокого уровня (+5 В) ключ открыт, и через обмотку фазы идет ток. Диод шунтирует обмотку двигателя в обратном направлении. Он необходим для защиты транзистора от бросков напряжения самоиндукции при выключении фазы. Для управления двигателями на значительных скоростях вращения, лучше использовать высокочастотные диоды, например, FR207.

    Схема подключения униполярного шагового двигателя

    Вот фрагмент схемы подключения униполярного шагового двигателя к микроконтроллеру.

    Защиты от коротких замыканий в этой схеме нет. Реализация защиты значительно усложняет драйвер. А замыканий обмоток шаговых двигателей практически не бывает. Я не встречался с таким явлением. Да и на фоне неприятности по поводу сгоревшего дорогого двигателя, замена транзистора не выглядит проблемой.

    Кстати, механическое заклинивание вала шагового двигателя не вызывает недопустимых токов в ключах драйвера и защиты не требует.

    А это изображение платы контроллера униполярного шагового двигателя с PIC контроллером фирмы Microchip.

    Контроллер шагового двигателя

    Простая плата с восьми разрядным микроконтроллером PIC18F2520 управляет:

    • двумя шаговыми двигателями с током фазы до 3 А;
    • двумя ШИМ ключами для электромагнитов;
    • считывает состояние 4х датчиков;
    • обменивается данными по сети с центральным контроллером.

    Несмотря на простоту контроллера, реализованы следующие режимы управления:

    • полно-шаговый, одна фаза на полный шаг;
    • полно-шаговый, две фазы на полный шаг;
    • полу-шаговый;
    • фиксацию положения двигателя при остановке.

    К достоинствам управления шаговым двигателем в униполярном режиме следует отнести:

    • простой, дешевый, надежный драйвер.
    • в униполярном режиме крутящий момент примерно на 40 % меньше по сравнению с биполярным режимом.

    Драйвер биполярного шагового двигателя.

    В биполярном режиме могут работать двигатели, имеющие любые конфигурации обмоток.

    Варианты обмоток шагового двигателя

    У биполярного двигателя по одной обмотке для каждой фазы. Обычно две обмотки AB и CD. В первых двух вариантах четыре обмотки соединяются так, что получается две. Обмотки по очереди подключаются к источнику питания в одной полярности, затем в другой.

    Драйвер биполярного двигателя должен обеспечивать сложную коммутацию. Каждая обмотка:

    • подключается в прямой полярности к источнику напряжения;
    • отключается от источника напряжения;
    • подключается с противоположной полярностью.

    Схема коммутации одной обмотки биполярного двигателя выглядит так.

    Коммутация обмотки биполярного шагового двигателя

    Для обеспечения двух полярных коммутаций от одного источника питания требуется 4 ключа. При замыкании 1 и 2 ключей обмотка подключается к источнику питания в прямой полярности. Замыкание 3 и 4 ключей подает на обмотку обратную полярность напряжения.

    Сложность драйвера биполярного шагового двигателя вызвана не только большим числом ключей ( 4 ключа на обмотку, 8 ключей на двигатель), но и:

    • сложное управление верхними ключами ( 1 и 4) от логических сигналов “привязанных” к земле;
    • проблемы со сквозными токами при одновременном открывании ключей одного плеча ( 1,3 или 2,4).

    Сквозные токи могут возникать из-за не одинакового быстродействия нижнего и верхнего ключа. К примеру, нижний ключ уже открылся, а верхний – не успел закрыться.

    Схема драйвера биполярного шагового двигателя.

    Реализовать схему драйвера биполярного шагового двигателя на дискретных элементах довольно сложно. Могу показать мою схему, которая подключает биполярный двигатель к униполярному драйверу. Эта схема используется для управления биполярными двигателями от контроллера, приведенного в качестве примера в предыдущей главе.

    Схема драйвера биполярного шагового двигателя

    Схема достаточно простая. Проблема сквозных токов решается за счет резисторов 0.22 Ом в коммутируемых цепях. В момент коммутаций MOSFET транзисторов, верхний и нижний ключ оказываются одновременно открытыми на короткое время. Эти резисторы и ограничивают сквозной ток. К сожалению, они ограничивают и рабочий ток двигателя. Поэтому, несмотря на мощные транзисторы, драйвер по такой схеме можно использовать для токов коммутации не более 2 А. Схема не требует диодов для защиты от эдс самоиндукции обмоток, потому что эти диоды интегрированы в MOSFET транзисторы.

    Гораздо удобнее и практичнее использовать интегральные драйверы биполярного шагового двигателя. Самым распространенным из них является микросхема L298N.

    Драйвер биполярного шагового двигателя L298N.

    Описания этой микросхемы на русском языке практически нет. Поэтому привожу параметры L298N достаточно подробно, по официальным материалам производителя этой микросхемы – компании STMicroelectronics (datasheet l298n.pdf).

    L298N это полный мостовой драйвер для управления двунаправленными нагрузками с токами до 2 А и напряжением до 46 В.

    L298N

    • Драйвер разработан для управления компонентами с индуктивными нагрузками, такими как электромагниты, реле, шаговые двигатели.
    • Сигналы управления имеют TTL совместимые уровни.
    • Два входа разрешения дают возможность отключать нагрузку независимо от входных сигналов микросхемы.
    • Предусмотрена возможность подключения внешних датчиков тока для защиты и контроля тока каждого моста.
    • Питание логической схемы и нагрузки L298N разделены. Это позволяет подавать на нагрузку напряжение другой величины, чем питание микросхемы.
    • Микросхема имеет защиту от перегрева на уровне + 70 °C.

    Структурная схема L298N выглядит так.

    Сируктурная схема L298N

    Микросхема выполнена в 15ти выводном корпусе с возможностью крепления радиатора охлаждения.

    Корпус L298N

    Назначение выводов L298N.

    1Sense AМежду этими выводами и землей подключаются резисторы — датчики тока для контроля тока нагрузки. Если контроль тока не используется, они соединяются с землей.
    15Sense B
    2Out 1Выходы моста A.
    3Out 2
    4VsПитание нагрузки. Между этим выводом и землей должен быть подключен низкоимпедансный конденсатор емкостью не менее 100 нФ.
    5In 1Входы управления мостом A. TTL совместимые уровни.
    7In 2
    6En AВходы разрешения работы мостов. TTL совместимые уровни. Низкий уровень сигналов запрещает работу моста.
    11En B
    8GNDОбщий вывод.
    9VssПитание логической части микросхемы (+ 5 В). Между этим выводом и землей должен быть подключен низкоимпедансный конденсатор емкостью не менее 100 нФ.
    10In 3Входы управления мостом B. TTL совместимые уровни.
    12In 4
    13Out 3Выходы моста B.
    14Out 4


    Предельно допустимые параметры L298N.

    • не повторяющийся импульс 100 мкс
    • импульсы (80% включен, 20% выключен, включен 10 мс)
    • при постоянном токе

    Параметры расчетов тепловых режимов.

    ОбозначениеПараметрЗначение
    Tth j-caseТепловое сопротивление кристалл-корпус3 ºC/Вт
    Tth j-ambТепловое сопротивление кристалл-окружающая среда35 ºC/Вт

    Электрические характеристики драйвера L298N.

    • Ven=H, Vi=L
    • Ven=H, Vi=H
    • Ven=L
    • Ven=H, Vi=L
    • Ven=H, Vi=H
    • Ven=L
    • при токе 1 А
    • при токе 2 А
    • при токе 1 А
    • при токе 2 А
    • при токе 1 А
    • при токе 2 А

    Схема подключения шагового двигателя к микроконтроллеру с помощью драйвера L298N.

    Схема подключения L298N

    Диаграмма работы этой схемы в полношаговом режиме выглядит так.

    Диаграмма работы L298N

    Если не используются разрешающие входы и датчики тока, схема выглядит так.

    Подключение L298N

    Контроллер биполярного шагового двигателя

    По функциям это аналог контроллера описанного в главе про униполярные двигатели, только для биполярного. Он также собран на PIC контроллере фирмы Microchip и управляет двумя биполярными шаговыми двигателями с током фаз до 2 А. Функциональные возможности и режимы управления двигателем те же.

    К достоинствам управления шаговым двигателем в биполярном режиме следует отнести:

    Н-мост и схема работы для управления двигателями

    В различных электронных схемах часто возникает необходимость менять полярность напряжения, прикладываемого к нагрузке, в процессе работы. Схемотехника таких устройств реализуется с помощью ключевых элементов. Ключи могут быть выполнены на переключателях, электромагнитных реле или полупроводниковых приборах. Н-мост на транзисторах позволяет с помощью управляющих сигналов переключать полярность напряжения поступающего на исполнительное устройство.

    Что такое Н-мост

    H-мост

    В различных электронных игрушках, некоторых бытовых приборах и робототехнике используются коллекторные электродвигатели постоянного тока, а также двухполярные шаговые двигатели. Часто для выполнения какого-либо алгоритма нужно с помощью электрического сигнала быстро поменять полярность питающего напряжения с тем, чтобы двигатель технического устройства стал вращаться в противоположную сторону. Так робот-пылесос, наткнувшись на стену, мгновенно включает реверс и задним ходом отъезжает от препятствия. Такой режим реализуется с помощью Н-моста. Схема Н-моста позволяет так же изменять скорость вращения электродвигателя. Для этого на один из двух ключей подаются импульсы от широтно-импульсного модулятора (ШИМ).

    Схемой управления режимами двигателя является h-мост. Это несложная электронная схема, которая может быть выполнена на следующих элементах:

    • Биполярные транзисторы
    • Полевые транзисторы
    • Интегральные микросхемы

    Основным элементом схемы является электронный ключ. Принципиальная схема моста напоминает латинскую букву «Н», отсюда название устройства. В схему входят 4 ключа расположенных попарно, слева и справа, а между ними включена нагрузка.

    H-мост

    На схеме видно, что переключатели должны включаться попарно и по диагонали. Когда включен 1 и 4 ключ, электродвигатель вращается по часовой стрелке. 2 и 3 ключи обеспечивают работу двигателя в противоположном направлении. При включении двух ключей по вертикали слева или справа произойдёт короткое замыкание. Каждая пара по горизонтали закорачивает обмотки двигателя и вращения не произойдёт. На следующем рисунке проиллюстрировано, что происходит, когда мы меняем положение переключателей:

    Схема работы H-моста

    Если мы заменем в схеме переключатели на транзисторы, то получим такой вот (крайне упрощенный) вариант:

    H-мост

    Для того чтобы исключить возможное короткое замыкание h-мост на транзисторах дополняется входной логикой, которая исключает появление короткого замыкания. В современных электронных устройствах мостовые схемы изменения полярности дополняются устройствами, обеспечивающими плавное и медленное торможение перед включением реверсного режима.

    Н-мост на биполярных транзисторах

    Транзисторы в ключевых схемах работают по принципу вентилей в режиме «открыт-закрыт», поэтому большая мощность на коллекторах не рассеивается, и тип применяемых транзисторов определяется, в основном, питающим напряжением. Несложный h-мост на биполярных транзисторах можно собрать самостоятельно на кремниевых полупроводниковых приборах разной проводимости.

    Система управления с использованием Н-моста

    Такое устройство позволяет управлять электродвигателем постоянного тока небольшой мощности. Если использовать транзисторы КТ816 и КТ817 с индексом А, то напряжение питания не должно превышать 25 В. Аналогичные транзисторы с индексами Б или Г допускают работу с напряжением до 45 В и током не превышающим 3 А. Для корректной работы схемы транзисторы должны быть установлены на радиаторы. Диоды обеспечивают защиту мощных транзисторов от обратного тока. В качестве защитных диодов можно использовать КД105 или любые другие, рассчитанные на соответствующий ток.

    Недостатком такой схемы является то, что нельзя подавать на оба входа высокий потенциал, так как открытие обоих ключей одновременно вызовет короткое замыкание источника питания. Для исключения этого в интегральных мостовых схемах предусматривается входная логика, полностью исключающая некорректную комбинацию входных сигналов.

    Система управления с использованием Н-моста

    Схему моста можно изменить, поставив в неё более мощные транзисторы.

    Н-мост на полевых транзисторах

    Кроме использования биполярных транзисторов в мостовых схемах управления питанием, можно использовать полевые (MOSFET) транзисторы. При выборе полупроводниковых элементов обычно учитывается напряжение, ток нагрузки и частота переключения ключей, при использовании широтно-импульсной модуляции. Когда полевой транзистор работает в ключевом режиме, у него присутствуют только два состояния – открыт и закрыт. Когда ключ открыт, то сопротивление канала ничтожно мало и соответствует резистору очень маленького номинала. При подборе полевых транзисторов для ключевых схем следует обращать внимание на этот параметр. Чем больше это значение, тем больше энергии теряется на транзисторе. При минимальном сопротивлении канала выше КПД моста и лучше его температурные характеристики.

    Дополнительным негативным фактором является зависимость сопротивления канала от температуры. С увеличением температуры этот параметр заметно растёт, поэтому при использовании мощных полевых транзисторов следует предусмотреть соответствующие радиаторы или активные схемы охлаждения. Поскольку подбор полевых транзисторов для моста связан с определёнными сложностями, гораздо лучше использовать интегральные сборки. В каждой находится комплементарная пара из двух мощных MOSFET транзисторов, один из которых с P каналом, а другой с N каналом. Внутри корпуса также установлены демпферные диоды, предназначенные для защиты транзисторов.

    Н-мост и схема работы для управления двигателями

    В конструкции использованы следующие элементы:

    • VT 1,2 – IRF7307
    • DD 1 – CD4093
    • R 1=R 2= 100 ком

    Интегральные микросхемы с Н-мостом

    В ключах Н-моста желательно использовать комплементарные пары транзисторов разной проводимости, но с одинаковыми характеристиками. Этому условию в полной мере отвечают интегральные микросхемы, включающие в себя один, два или более h-мостов. Такие устройства широко применяются в электронных игрушках и робототехнике. Одной из самых простых и доступных микросхем является L293D. Она содержит два h-моста, которые позволяют управлять двумя электродвигателями и допускают управление от ШИМ контроллера. Микросхема имеет следующие характеристики:

    • Питание – + 5 В
    • Напряжение питания электромотора – + 4,5-36 В
    • Выходной номинальный ток – 500 мА
    • Ток в импульсе – 1,2 А

    Микросхема L298 так же имеет в своём составе два h-моста, но гораздо большей мощности. Максимальное напряжение питания, подаваемое на двигатель, может достигать + 46 В, а максимальный ток соответствует 4,0 А. Н-мост TB6612FNG допускает подключение двух коллекторных двигателей или одного шагового. Ключи выполнены на MOSFET транзисторах и имеют защиту по превышению температуры, перенапряжению и короткому замыканию. Номинальный рабочий ток равен 1,2 А, а максимальный пиковый – 3,2 А. Максимальная частота широтно-импульсной модуляции не должна превышать 100 кГц.

    Мостовые устройства управления электродвигателями часто называют драйверами. Драйверами так же называют микросхемы, только обеспечивающие управление мощными ключевыми каскадами. Так в схеме управления мощным электродвигателем используется драйвер HIP4082. Он обеспечивает управление ключами, собранными на дискретных элементах. В них используются MOSFET транзисторы IRF1405 с N-каналами. Компания Texas Instruments выпускает большое количество интегральных драйверов предназначенных для управления электродвигателями разных конструкций. К ним относятся:

    • Драйверы для шаговых двигателей – DRV8832, DRV8812, DRV8711
    • Драйверы для коллекторных двигателей – DRV8816, DRV8848, DRV8412/32
    • Драйверы для бесколлекторных двигателей – DRV10963, DRV11873, DRV8332

    На рынке имеется большой выбор интегральных мостовых схем для управления любыми электродвигателями. Сделать конструкцию можно и самостоятельно, применив качественные дискретные элементы.

    Управление шаговым двигателем с помощью валкодера

    Блоки управления шаговыми двигателями обычно содержат несколько логических микросхем или микроконтроллер. Однако в тех случаях, когда сложный закон управления двигателем не требуется, а достаточно лишь вращать его вал в одну или другую сторону, отсчитывая число шагов "на глаз", от сложной логики можно отказаться.

    Для ручного управления шаговым двигателем, открывающим и закрывающим теплицу, я применил валкодер. Но не обычный, с двумя группами контактов, замыкающихся и размыкающихся со сдвигом на полшага, а специально изготовленный, имеющий четыре (по числу обмоток двигателя) группы чередующихся контактов, поочерёдно замыкающихся с подвижным контактом при вращении вала, на котором укреплён подвижный контакт. Неподвижные контакты валкодера соединены с обмотками двигателя через электронные ключи, коммутирующие обмотки.

    Конструкция самодельного валкодера изображена на рис. 1. На кольцо 4 из изоляционного материала намотана обмотка 3, содержащая 28 витков, четырьмя сложенными вместе лакированными одножильными медными проводами. Размеры кольца 4 и диаметр проводов должны быть подобраны так, чтобы на внутренней поверхности кольца витки плотно, практически без зазоров, легли в один слой, а провода чередовались в порядке 1-2-3-4 без перехлёстов.

    Рис. 1. Конструкция самодельного валкодера

    К верхнему закруглённому срезу кольца 4 провода должны прилегать, по возможности, плотнее, зазоры между ними заливают эпоксидной смолой. Внутрь кольца 4 туго вставлена вырезанная из листового изоляционного материала центрирующая шайба 7 с отверстием для латунного вала 1. Шайбу 7 тоже крепят эпоксидной смолой. Такое же отверстие, как в центрирующей шайбе 7, сверлят в основании 2.

    После затвердевания смолы кольцо 4 с обмоткой кладут верхним торцом на лист уложенной на гладкую поверхность мелкозернистой наждачной бумаги и равномерно сошлифовывают провода-контакты и эпоксидные перемычки между ними приблизительно на четверть диаметра провода. Так создают контактную поверхность, по которой скользит стальной шарик 6 подвижного контакта 5. Парасталь-медьобеспечи-вает надёжный контакт и лёгкое скольжение.

    Упругий подвижный контакт 5 с отверстием для шарика 6 припаивают ближе к верхнему концу вала 1. На нижний конец вала 1 надевают две металлические шайбы 8 и пропускают вал через отверстие в центрирующей шайбе 7, затем сквозь кольцо 4 с обмоткой (повёрнутое контактной поверхностью вверх) и, наконец, через отверстие, просверленное в основании 2.

    Подбирая оптимальное положение кольца 4 на основании 2, добиваются, чтобы вал 1 легко вращался, а шарик 6 скользил строго по оголённой поверхности контактов, равномерно прижимаясь к ней. В этом положении кольцо 4 фиксируют на основании 2 эпоксидной смолой. Остаётся только устранить осевое перемещение вала 1, прижав его кронштейном 9. Получился валкодер на 112 положений (рис. 2).

    Он будет поочерёдно подключать к источнику питания обмотки униполярного шагового двигателя, который за один оборот вала валкодера станет делать 112 шагов. Направление шагов будет таким же, как у надетой на вал валкодера ручки управления, а их частота будет определяться скоростью её вращения.

    На рис. 3 показана принципиальная схема блока управления униполярным шаговым двигателем M1 с помощью описанного валкодера, обозначенного на ней S1. Поскольку в блоке четыре одинаковых электронных ключа, рассмотрим только один из них, собранный на транзисторах VT1 и VT2.

    Рис. 3. Принципиальная схема блока управления униполярным шаговым двигателем M1 с помощью валкодера

    Предположим, что в момент подачи питания подвижный контакт валкодера не соединён ни с одним из неподвижных контактов группы A. Поэтому транзистор V71 открыт, а конденсатор C1 разряжен. Транзистор VT2 закрыт, ток через включённую в цепь его стока обмотку двигателя M1 не течёт. Светодиод HL1 погашен.

    В момент соединения подвижного контакта с неподвижным контактом группы А транзистор VT1 закрывается. Конденсатор C2 начинает заряжаться через резисторы R3 и R4. Вызванное током зарядки падение напряжения на резисторе R4 открывает полевой транзистор УТ2 и удерживает его открытым. Через обмотку двигателя течёт ток, а светодиод HL1 включён, сигнализируя об этом. Но когда конденсатор C2 зарядится до такой степени, что напряжение на резисторе R4 упадёт ниже порога открывания транзистора VT2, он закроется. Это ограничит длительность импульсов тока в обмотке, что необходимо в тех случаях, когда ручку валкодера продолжительное время не вращают или делают это слишком медленно.

    Имейте в виду, что отсутствие тока в обмотках двигателя в паузах между шагами экономит электроэнергию и снижает нагрев двигателя и транзисторов в электронных ключах, но ослабляет фиксацию его ротора в статических положениях. Это не имеет большого значения, если надёжная фиксация ротора двигателя в достигнутом положении не требуется или, например, в случаях, когда вращающий момент передают на перемещаемый объект через червячный редуктор.

    При размыкании подвижного и неподвижного контактов транзистор W1 открывается. Через него и диод VD1 разряжается конденсатор C2. Если транзистор VT2 был открыт, он закроется и прекратит ток в обмотке двигателя, а светодиод HL1 погаснет.

    Диод VD2 предназначен для подавления импульсов напряжения самоиндукции, возникающих на обмотке в моменты прекращения текущего через неё тока. Фильтр R1d необходим для предотвращения самовозбуждения устройства. Оно возможно, поскольку валкодер состоит, по существу, из четырёх катушек индуктивности, связанных между собой как индуктивно, так и через межвитковые ёмкости.

    Я испытывал это устройство с шаговыми двигателями PM42L-EPAO и 103-550-0149 и получил хорошие результаты.

    Рис. 4. Схема устройства управления биполярным шаговым двигателем

    Общий вывод обмоток двигателя в рассматриваемом случае подключён к искусственной средней точке напряжения питания Uпит, созданной с помощью узла на транзисторах VT5-VT7. Это уменьшило в два раза подаваемое на обмотки двигателя напряжение, но избавило от необходимости применять дополнительные электронные ключи для коммутации вторых выводов каждой обмотки. Напряжение в точке Z, равное половине U^, устанавливают подборкой резистора R15. Учтите, что при изменении напряжения питания подборку резистора придётся повторить.

    От узла на транзисторах VT5-VT7 можно отказаться, если применить для питания двигателя двухполярный источник с реальной средней точкой, которую следует соединить с цепью Z.

    В любительских условиях паспортные данные на применяемые шаговые двигатели, как правило, отсутствуют. Нет и данных о назначении их выводов, число которых к тому же бывает разное. Я обычно выхожу из затруднительного положения следующим образом.

    Приблизительно такую же процедуру я использую с униполярным двигателем. Он может иметь четыре обмотки с общим пятым выводом или две пары обмоток с отдельным общим выводом каждая (всего шесть выводов). В последнем случае общие провода пар я объединяю в один. Подключая источник питания плюсом к общему проводу всех обмоток, а минусом — поочерёдно к каждой обмотке, определяю их последовательность для шагов в нужном направлении.

    Автор: С. Долганов, г. Барабинск Новосибирской обл.

    Мнения читателей

    Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

    Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

    голоса
    Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector