Чтение онлайн

Угол поворота на каждый поступающий импульс называется разрешением шагового двигателя. В иллюстративном примере на рис. 10.3 ротор поворачивался на 90° на импульс – не очень подходяще для практического использования. Реальные шаговые двигатели имеют гораздо большее разрешение (меньшую угловую величину шага), например имеющие угол поворота 1° на импульс (или шаг). Для завершения полного оборота на такой двигатель необходимо подать 360 импульсов. Когда шаговый двигатель используется для передвижения или линейного позиционирования на поверхности, каждый шаг двигателя преобразуется в строго отмеренное линейное перемещение.

Допустим, что один оборот двигателя соответствует 25 мм линейного перемещения. Тогда приращение линейного перемещения для двигателя с разрешением 3,75° на шаг будет составлять примерно 0,25 мм на шаг. Для двигателя с разрешением 1° на шаг соответствующее приращение составит 0,007 мм на шаг. Соответственно, приращение линейного перемещения будет обратно пропорционально количеству градусов на один шаг.

Для некоторых типов шаговых двигателей возможно удвоить их разрешение с помощью процесса под названием половинный шаг. Этот процесс иллюстрирован рис. 10.4. В позиции I ротор начинает вращение с верхнего электромагнита, как это было ранее. В положении II включается правый электромагнит, при этом питание катушки верхнего электромагнита сохраняется. Поскольку ток протекает через катушки обоих электромагнитов, ротор притягивается к ним обоим и занимает промежуточное положение между двумя позициями (половина шага). В позиции III обмотка верхнего электромагнита обесточивается и ротор «завершает» полный шаг. Здесь показана только одна половина шага. Очевидно, что ротор может вращаться с половинным шагом в течение полного оборота.

Рис. 10.4. Половинный шаг

Существуют шаговые двигатели, имеющие четыре вывода. Такие шаговые двигатели называются биполярными и имеют две обмотки, каждая из которых имеет два вывода. Хотя конструкция такого двигателя проще тех, которые мы используем, она требует более сложной схемы управления его вращением. Такая схема должна менять направление тока в обмотках после совершения шага.

Шаговый двигатель в рассмотренном примере имел угол поворота 90° на шаг. Статоры и роторы реальных шаговых двигателей представляют собой последовательности мини-полюсов. Мини-полюса уменьшают угол поворота на шаги улучшают разрешение шагового двигателя. Схема шагового двигателя на рис. 10.5 представляется более сложной, однако принцип его работы идентичен рис. 10.3 и 10.4.

Рис. 10.5. Многополюсное управление

Ротор двигателя на рис. 10.5 поворачивается по часовой стрелке. В исходной позиции северный полюс постоянного магнита ротора притянут к южному полюсу электромагнита статора. Заметим, что таких пар магнитов, притянутых разноименными полюсами, несколько. Во втором положении цепочка электромагнитов выключается, и включается следующая по ходу часовой стрелки цепочка. Это приводит к повороту ротора по часовой стрелке на строго определенный угол. Это продолжается таким же образом и для следующих шагов. После восьми шагов цикл завершается и начинается повторение. Поворот на половинный шаг аналогичен описанному выше.

На рис. 10.6 показана схема однополярного шагового двигателя. Двигатель имеет шесть выводов, выходящих из корпуса. Как видно из рис. 10.6, обмотки соединены попарно последовательно и имеют выводы от средней точки. Если вы только что взяли в руки подобный шаговый двигатель и ничего не знаете о нем, то простейшим способом будет измерение электрического сопротивления между выводами. Составив таблицу соответствия между цветами проводов выводов и электрическими сопротивлениями между ними, вы быстро разберетесь, какие выводы соответствуют каким обмоткам. (В некоторых случаях шаговый двигатель имеет только пять выводов. В этом случае средние точки обмоток соединены между собой).

Рис. 10.6. Принципиальная схема шестиполюсного шагового двигателя

Двигатель, который мы будем использовать, имеет сопротивление 100 Ом между центральным выводом и концом обмотки, и соответственно, 220 Ом между концами обмоток. Понятно, что сопротивление между несвязанными между собой обмотками будет равно бесконечности (нет соединения). Снабженные этой информацией, мы легко сможем определить распайку выводов обмоток любого двигателя с шестью выводами. Шаговый двигатель, который мы будем использовать, имеет угол поворота 1,8° на шаг.

На рис. 10.7 изображена цоколевка ИС UCN-5804. ИС предназначена для управления и запитки четырехфазного однополярного шагового двигателя, который мы будем использовать в нашей конструкции. ИС UCN-5804 имеет следующие параметры:

• Максимальный выходной ток в непрерывном режиме 1,25 А

• Величина опорного напряжения 35 В

• Управление полным и половинным шагом

• Управление состоянием выхода и направлением вращения

• Встроенные защитные диоды

• Автоматический сброс при включении

• Внутренняя защита от тепловых перегрузок

Рис. 10.7. ИС UCN-5804 контроллер шагового двигателя

ИС обеспечивает в непрерывном режиме максимальный выходной ток 1,35 А на фазу при опорном напряжении 35 В. Это оказывается более чем достаточным при управлении 12 вольтовым шаговым двигателем. Необходимый выходной ток для такого двигателя составляет (12В/110О м = 0,11 А), т. е. примерно 1/10 ампера.

Последовательность выходных импульсов, определяемая внутренней логикой UCN-5804, запускается прямоугольными импульсами, поступающими на вывод 11. Каждый прямоугольный импульс, поданный на этот вывод, своим отрицательным фронтом запускает перемещение ШД на один шаг.

Порядок включения обмоток определяется таблицей. После того как таблица заканчивается, последовательность повторяется с начала таблицы. Для реверсирования направления вращения ШД последовательность включения обмоток определяется по таблице снизу вверх.

Вывод 15 управляет статусом выхода. Когда на этот вывод подается высокий потенциал, то все выходы ИС отключаются. Если эта функция не требуется для вашей конструкции, то необходимо соединить этот вывод с землей (низкий уровень).

Вывод 14 определяет направление вращения. Когда этот вывод имеет потенциал низкого уровня или соединен с земляной шиной, то направление вращения определяется таблицей 10.1 или 10.2, которая читается сверху вниз. Когда на этом выводе имеется высокий потенциал (15В), то направление вращения сменяется на противоположное и определяется таблицами, читаемыми снизу вверх.

На рис. 10.8 изображена схема управления ШД с использованием ИС UCN-5804. Тактовые импульсы вырабатываются с помощью таймера ИС 555. Частота тактовых импульсов может быть увеличена или уменьшена с помощью переменного резистора V1. Изменение частоты тактовых импульсов непосредственно управляет скоростью вращения ШД. В этой главе мы также покажем, как можно управлять ШД с помощью PIC-микроконтроллера непосредственно или с использованием дополнительных схем.