Шаговый двигатель - что это такое и как им управлять.

Автор: Поздеев Андрей aka moLCHec
Опубликовано 20.07.2007

Сегодня шаговые двигатели (далее ШД) активно используются в различных приводах и позиционирующих системах, что объясняется их невысокой ценой и достаточной надёжностью, также применение шаговых двигателей позволяет обойтись без дорогого контура скорости и положения, при этом не накапливается ошибка положения. Первые модели ШД имели малое число шагов и большие габариты, что сильно ограничивало их использование.
Существует 3 типа ШД:
Реактивные:

Поперечное сечение реактивных ШД.
а) трехфазный б) четырёхфазный.

На постоянных магнитах:

Поперечное сечение четырехфазного ШД на постоянных магнитах.

Гибридные

Конструкция гибридного ШД:
1 - магнитопровод статора, 2 - обмотки, 3 - магнитопровод ротора, 4 - обмотка статора, 5 - постоянный магнит.

Структура ротора гибридного ШД:
1 - шихтовая сталь, 2- постоянный магнит.

Из доступных радиолюбителю являются движки от принтеров которые являются гибридными ШД, других я просто не встречал, поэтому в дальнейшем речь пойдёт о них.
Ну вот из чего состоит ШД и, что он себя представляет разобрались самое время вникать как этим добром управлять. Различают одно и двухфазное возбужде-ние. В дальнейшем я буду рассматривать четырехфазный ШД т.к. именно с ним я работал в трехфазном всё аналогично.

Одним из недостатков ШД является колебательность ротора при установке в новое положение это обусловлено прежде всего инерцией ротора. Согласно теории при двухфазном возбуждении колебания затухают быстрее, чем при однофазном, однако при этом возрастают броски коммутирующего тока. На практике же я не об-наружил существенной разницы, обмотки при двухфазном управлении грели лучше батареи, колебания тока затухали дольше, чем при однофазном. В механике может оно быстрее, однако максимальная шаговая скорость не увеличилась.
Кроме одно- и двухфазного управления существует полушаговый режим. В этом режиме за цикл ротор делает половинный шаг, данный режим осуществляется особым управление обмотками.

Как оно там происходит видно на рисунке ниже:

Сравнение однофазного, двухфазного и полушагового управления:
а) однофазное; б) двухфазное; в) полушаговое.

Также у гибридных двигателей есть режим микрошага для этого на обмотки подаётся синусоидальное напряжение, при этом осуществляется почти плавное перемещение ротора, однако сказывается фиксирующий эффект обусловленный зубцами ротора и статора. При использовании датчиков положения ШД работает аналогично вентильному двигателю.
Теории думаю хватит, будем считать что к чему разобрались. Руки чешутся всё это попробовать. Начнём со схемы, я правда обычно начинаю с печатки, а схема это лишь следствие.

Несколько слов по схеме, в EAGLE почему-то не было ATMEGA8 в DIP корпусе, взял TQFP поэтому номера выводов для DIP корпуса отличны. Транзисторы Т1-Т4 составные BD677A, BD679A, BD681 или КТ829Б, я использовал последние, позже купил BD681, но проверить ещё не успел. При питании ШД от 5В можно применить BD675A, возможны и другие аналоги аналогичной мощности и коэффициентом передачи тока более 750, что обусловлено большими бросками тока в фазах при коммутации. Изначально я поставил КТ814 в результате транзюки нагрелись так что отпаялись, текстолит потемнел, МК естественно отправился в мир иной.
Диоды D1-D4 любые выдерживающие ток от 1А и напряжение от 50В. Светодиоды в принципе любые, сопротивление R3 выбирается в зависимости от тока светодиодов. L1-L4 это обмотки ШД, номера обмоток обозначены условно главное чтоб по порядку. Мой ШД по документации работает при напряжении до 24В, я гонял на 12В и 22В, обмотки и транзисторы при этом греются сильно, так что аккуратнее. Питание на обмотки подаётся через переключатель S4, он должен быть рассчитан на ток порядка 3-4А. Переключатель S3 включает защитные диоды, это сделано для того что-бы можно было осциллографом проследить коммутационные процессы с ними и без них. Ставить их вообще не обязательно работать будет. Основная функция диодов - защита транзисторов он бросков напряжения при коммутации.

Печатную плату можно стырить в конце статьи.
Свою плату я делал давно и рисунок потерял. Этот вариант рисовал для ленивых, советую проверить перед изготовлением я мог и ошибиться. Разъём под программирование разводить не стал т.к. у различных программаторов по разному, про-сто вывел соответствующие пины кому надо разведёт, места много.

Настало время браться за прошивку (которая так же доступна в виде файла в конце статьи). Пишу я на Си в компиляторе ICC for AVR, если используете другой компилятор то часть кода в части обработчика пре-рывания и включения файлов регистров и п.т.
Немного расскажу о программе. Таймер счётчик работает в режиме СТС(4) сброс при совпадении, предделитель = 1, соответственно значение шаговой частоты F=fclk/OCR1A, в программе за частоту отвечает глобальная переменная time тина int. Выбор скорости осуществляется нажатие кнопки SPEED, для кварца 4000 кГц в данной версии прошивки значения шаговой частоты будет 0,1; 0,2; 1 и 5 кГц. При переключении скорости соответственно загораются светодиоды LED1...LED4. Пере-ключатель switch в обработчике прерывания при инкременте переменной driver, обеспечивает полушаговое управление, однако если выделить только нечётные зна-чения получится однофазный режим, чётные - двухфазный, для того что бы обеспе-чивалось соответствующее изменение driver введена дополнительно переменная step, когда выбран режим 1или 2 (переменная tip) переменная step =1 и driver инкремен-тируется на 2, при step =0 drive rинкрементируется на 0. При установке режима 1 или 2, переменной присваивается значение этого режима, таким образом осуществ-ляется выделение нечётных для 1-го и чётных для 2-го режима. Для индикации ре-жима предназначены светодиоды LED5 и LED6, при 0-м выключенном режиме они не горят при этом напряжение с обмоток снимается во избежании из перегрева. В целом я считаю код довольно понятным и не требует особых знаний. При желании его можно адаптировать под себя.

Ну и в заключениии - фото на память:

Файлы:
Прошивка (с исходником) - 01.rar
Печатная плата - 02.rar

Все вопросы - в Форум.