Управление униполярными шаговыми двигателями

В статье рассматриваются практические решения для управления униполярными шаговыми двигателями. Рассматриваемые решения могут быть легко использованы на практике для различных приложений.В настоящей статье даются рекомендации по проектиро­ванию электроприводов униполярными шаговыми двигателя­ми и предлагаются несложные практические решения. По собственному опыту автора статьи, освоение шаговых дви­гателей легче, проще и значительно дешевле начинать имен­но с униполярных шаговых двигателей.

Напомню, что основное свойство шагового двигателя в от­личие от других типов электродвигателей как переменного, так и постоянного тока является то, что сдвиг его ротора осуществляется на заданный его конструкцией шаг (чаще это угол, реже — линейное смещение) при подаче на его обмот­ки импульсов напряжения. В этом он похож на шаговое ре­ле, известное еще с XIX века. Его нельзя путать и с много­фазными двигателями. Формально шаговые двигатели отно­сятся к двигателям постоянного тока, но они не имеют кол­лектора (поэтому надежность их выше и помех от них значи­тельно меньше). Для создания момента вращения в этих двигателях, в отличие от коллекторных двигателей постоян­ного тока, требуется внешнее импульсное управление обмот­ками, которые расположены не на роторе (который пред­ставляет собой постоянный магнит), а на статоре. Другими словами, если вы подадите на обмотку такого двигателя по­стоянное напряжения, то вращения ротора не будет. Нужно специальное устройство управления — коммутатор. В этом они проигрывают традиционным коллекторным двигателям посто­янного тока. Но зато они выигрывают в большем моменте на малых и сверхмалых скоростях вращения, поэтому во многих применениях им не нужен редуктор. Кроме того, они обес­печивают без специальных конструктивных или схемных ухи­щрений точное позиционирование ротора и торможение, так как обладают не только моментом вращения, но и моментом удержания, который по величине выше момента вращения.

Имеются шаговые двигатели не только традиционного исполнения с вращающимся ротором, но и с его линейным перемещением. В последнем случае на один управляющий импульс происходит линейное смещение ротора на строго за­данную конструкцией двигателя величину (подробности см. в [1]). Еще одно важное замечание: шаговый двигатель, в отличие от коллекторного, при стопорении ротора не увели­чивает потребление энергии.

Конструкция двигателя

Шаговые двигатели различаются, как по конструктивно­му исполнению, так и по конфигурации соединения их обмо­ток. Исполнение двигателей в части обмоток может быть би­полярное и униполярное. Основное преимущество униполяр­ных шаговых двигателей заключается в простоте их систем управления, но они имеют меньший момент вращения [1]. На рис.1,а показано «классическое» исполнение включения обмоток, а на рис.1,б — универсальное с расщепленными об­мотками, которое позволяет включать двигатель, как в уни­полярном, так и в биполярном вариантах. Кроме того, в «клас­сическом исполнении» в некоторых типах двигателей сред­ние выводы обмоток (выводы АВ, CD на рис.1,а) могут быть конструктивно объединены внутри самого двигателя (такой вариант как раз показан на фото в начале статьи). Так что если вам попался в руки неизвестный шаговый двигатель, то по количеству выводов вы относительно легко сможете его идентифицировать. Двигатели с шестью и пятью вывода­ми будут гарантировано униполярными. Остается только оп разделить фазировку обмоток. К сожалению, это можно бу­дет сделать только экспериментально. Какой-либо стандарти­зации по цвету проводов пока нет.

Конфигурация обмоток униполярных шаговых двигателей и двигателей с расщепленными обмотками в униполярном включении позволяет обойтись без сложных драйверов и до­рогостоящих ИМС. Кроме того, классические униполярные дви­гатели дешевле, так как, в основном, этот тип включения об­моток характерен для двигателей на постоянных магнитах с шагом 18° или 7,5°. Дробление такого большого шага осуще­ствляется, как правило, дополнительным редуктором, который может быть конструктивно совмещен с двигателем [2].

Схема управления униполярного шагового двигателя с универсальным коммутатором

Практическое решение для управления униполярным ша­говым двигателем потребовалось автору при использовании двигателя серии P542-M48 [2], а именно униполярного шаго­вого двигателя P542-M482U с встроенным редуктором G23 (125:1). Поскольку двигатель униполярный, то схема его уп­равления, как было указано выше, не содержит ни дорогих ИМС, ни специальных сложных драйверов, достаточно обыч­ных ключей. Коммутатор включения обмоток выполнен на базе технического решения, опубликованного в [3]. Пример практической схемы управления, разработанной автором ста­тьи, которая годится для самых различных применений, по­казан на рис.2.

Частота вращения двигателя задается внешним тактовым генератором (скважность любая), сигнал с которого подает­ся на вход «STEP» («Шаг»), необходимое направление вра­щения устанавливается через вход «DIRECTION» («Направ­ление вращения»). Оба эти сигнала имеют логические уров­ни, и если для их формирования используются выходы с от­крытым коллектором, то требуются соответствующие резисторы подтяжки (на схеме рис.2 они не показаны). Времен­ная диаграмма работы коммутатора (рис2) показана на рис.3, где верхние две трассы — Q1 D2-2, 02 D2-2; нижние две трассы — Q1 D2-1, Q2 D2-1. Маркеры показывают область изме­нения очередности включения фаз.

Как можно видеть, здесь реализован полношаговый ре­жим управления (подробно см. [1]) с перекрытием фаз, то есть один импульс сдвигает ротор двигателя на один шаг, но в некоторый момент (половина длительности импульса) фа­зы накладываются друг на друга (рис.3).

Схема управления шаговым двигателем без реверса

Если нет необходимости в реверсе, то схема коммутато­ра может быть значительно упрощена (рис.4), при этом ча­стота вращения остается неизменной, а диаграмма управле­ния остается аналогичной той, которая показана на рис.3 (трассы до переключения очередности фаз), но уже без воз­можности изменения направления вращения двигателя.

Схема управления с режимами удержания и выключения

Управление моментом вращения устанавливается изме­нением тока в обмотках двигателя от регулируемого источ­ника напряжения положительной полярности (автором исполь­зовался импульсный понижающий стабилизатор, выполненный по типовой схеме на стандартной ИМС с опцией внеш­него включения). Расчет такого DC/DC-преобразователя мож­но легко выполнить в интерактивном режиме [4], хотя за вре­мя, прошедшее со времени публикации, в этот on-line калькулятор высокого уровня и были внесены некоторые из­менения, но основа осталась та же. Полное отключение двигателя без удержания ротора осуществляется снятием пи­тающего напряжения с обмоток. Это легко выполнить через вход выключения преобразователя, задав в [4] при выборе ИМС соответствующую опцию. В авторском варианте исполь­зовалась ИМС LM2675M-ADJ [5]. Остановка с фиксацией ро­тора, режим удержания, осуществляется прекращением по­дачи напряжения с частотой коммутации (вход «STEP»), одновременно желательно уменьшить величину питающего об­мотки напряжения Vdc по крайней мере вдвое. С этой точ­ки зрения выбор преобразователя с возможностью регули­ровки выходного напряжения на ИМС, подобной LM2675M-ADJ, является оптимальным. Пример авторского варианта схемы для формирования напряжения питания обмоток ша­гового двигателя показан на рис.5. Такая схема пригодна для запитки шаговых двигателей любого типа.

Схема (рис.5) обеспечивает подачу двух стабильных на­пряжений для питания обмоток двигателя: 12 В в рабочем режиме и 6 В в режиме удержания (формулы, необходимые для расчета выходного напряжения, приведены в [5]). Рабо­чий режим включается подачей высокого логического уров­ня на контакт BRAKE (торможение) разъема Х1. Допусти­мость снижения напряжения питания определяется тем, что момент удержания шаговых двигателей превышает момент вращения. Так, для рассматриваемого двигателя момент удер­жания с редуктором (25:6) равен 19,8 Н*см, а момент вра­щения всего 6 Н*см. Но при увеличении отношения эта за­висимость нивелируется и для двигателей с редукторами с от­ношением 80 и выше практически не отличаются. Основное преимущество этого метода в том, что он позволяет умень­шить общее потребление тока. В нашем случае с 460 мА до 230 мА, то есть в 2 раза, а мощность в 4 раза, то есть с 5,52 Вт до 1,38 Вт.

Полное отключение двигателя осуществляется подачей высокого логического уровня на контакт ON/OFF разъема X1. Если схема управления имеет выход на транзисторах с от­крытым коллектором, то в ключах на транзисторах VT1, VT2 нет необходимости, выходы схемы управления можно под­ключить непосредственно вместо упомянутых ключей.

Примечание. В этом варианте использование резисто­ров подтяжки недопустимо!

В качестве дросселя автором использовалась катушка SDR1006-331К (Bourns). Общее питание формирователя на­пряжения для обмоток двигателя в рассмотренных режимах может быть уменьшено до 16…18 В, что не окажет никакого влияния на его функционирование. Еще раз обращаю внимание, что при самостоятельном расчете не забудьте учитывать, что формирователь обеспечивает режим с перекрытием фаз, то есть лучше закладывать номинальный ток схемы питания, равный удвоенному номинальному току обмоток.

Согласно спецификации [2] оптимальным для двигателей серии P542-M48 является шаг с частотой f=(300…500) Гц. Это и будет определять частоту вращения вала, но частота вращения зависит еще и от конструкции самого двигателя. В нашем случае, без учета редуктора, частота вращения составит:

f*7,5°/360°=(6,25-10,5) об/с,

где 7,5° — это угол поворота ротора двигателя на один шаг управления.

Этот угол как раз и задан конструктивно в самом двига­теле. Дальнейшее понижение частоты вращения зависит уже от редуктора.

Изменение частоты вращения двигателя

Частота коммутации обмоток вполне может быть увели­чена до 1,5 кГц. Для этого с целью компенсации уменьше­ния момента вращения неизбежного с ростом частоты при­меняются специальные методы запитки обмоток двигателя. Если внимательно читать спецификацию [2], то можно заме­тить, что момент вращения двигателя (сноска «Standard Versions») задан для двух условий, а именно: для условия обозначенного как L/R и условия, которое обозначено как L/4R. Можно заметить, что во втором случае частота враще­ния ротора шагового двигателя, при котором обеспечивает­ся указанный в спецификации момент, заметно выше, а имен­но 550 Гц вместо 300 Гц. Что это за условия?

Проблема обеспечения момента вращения для шагового двигателя заключается в том, что для них не требуется по­дача напряжения, а требуется обеспечение тока в обмот­ках. Именно этот ток создает магнитное поле статора, вза­имодействующее с постоянным магнитным полем ротора. Мо­мент на роторе двигателя как раз и определяется взаимо­действием этих магнитных полей.

Как известно, ток в индуктивности не может изменяться скачком, а растет по экспоненте до значения

lmax=Vdc/R;

l(t)=lmax*(1-e^—t/t).

Требуемое для этого время определяется постоянной вре­мени цепи:

t=L/R,

где:

L — индуктивность обмотки двигателя;

R — общее сопротивление в цепи обмотки.

Это сопротивление может быть как собственным актив­ным сопротивлением обмотки двигателя R_L, так и его сум­мой с некоторым добавочным резистором. Как видно из при веденной формулы, скорость изменения тока в обмотке об­ратно пропорциональна ее индуктивности и прямо пропор­ционально сопротивлению. Чем быстрее ток достигнет свое­го максимального уровня

lmax=Vdc/R_L,

где Vdc — это номинальное напряжение запитки обмот­ки, a Rl — активное сопротивление в цепи обмотки, тем ско­рее установится заданный момент на роторе. Это и опреде­ляет скорость вращения вала шагового двигателя в зависи­мости от частоты коммутации. Таким образом, наша цель ус­тановить (насколько это возможно быстро) ток в обмотке на уровне Vcd/R_L.

Импульсное питание двигателя

Просто увеличить напряжение на двигателе выше номи­нального крайне не желательно, даже если вы уверенны в том, что ток в обмотках при выбранной скорости вращения ротора не превысит допустимый. Остановка двигателя при такой подаче питания может привести к его выходу из строя. Уменьшить время установки номинального тока в обмотке можно, увеличив напряжение Vcd лишь на некоторое вре­мя, которое в несколько раз меньше длительности импульса управления, но это потребует дополнительных ключей, поэто­му этот способ используется крайне редко. Самым простым методом оказывается включение последовательно с обмот­кой двигателя дополнительного сопротивления с одновремен­ным кратным увеличение напряжения питания Vcd. Это и ус­корит накопление тока в индуктивности и не приведет к вы­ходу двигателя из строя, так как требование по максималь­ному току обмотки не будет нарушено. Вот как раз на этот режим и «намекает» спецификация [2].

В классической теории используется режим L/5R, но для рассматриваемого типа двигателя спецификация рекоменду­ет режим L/4R. Обращаю внимание, что здесь имеется в ви­ду общее сопротивление, то есть сумма собственного сопро­тивления обмотки R1 и добавочного резистора номиналом 3R_L. Ограничение на использование этого метода наклады­вает высокая рассеиваемая мощность на добавочных рези­сторах. В рассматриваемом случае при повышении напряже­ния питания до 4Vcd на добавочных резисторах при малых скоростях вращения, особенно при остановке двигателя, бу­дет рассеиваться мощность:

P_R=(3Vcd)²/3R_L=(3*12)²/(3*52,4)=8,24 Вт.

Фактически, с учетом допустимого коэффициента на­грузки придется использовать добавочный резистор номина­лом в 160 Ом с рассеиваемой мощностью 10 Вт. Как видим, эффективность такого решения крайне низкая. Как выход из положения — использование импульсных стабилизаторов с ог­раничением максимального тока.

В данном случае для управления биполярным двигателем был применен драйвер с встроенной функцией нарезки, так называемый, чоппинг (от английского термина «chopping» — нарезка). В чем суть этого метода? На двигатель от импульс­ного преобразователя подается повышенное в несколько раз напряжение, которое формирует ускоренный процесс установления максимального тока обмоток, после достиже­ния заданной величины тока, преобразователь переходит из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации то­ка и удерживает ток обмотки на заданном уровне. Это ре­шение нельзя назвать дешевым, но его КПД несравненно вы­ше. Сравнение методов управления током в обмотках дви­гателя показано на рис.6.

Еще одним важным моментом является правильный вы­бор диодов, шунтирующих обмотку двигателя (VD1-VD4, рис.2). Назначение этих диодов — гасить э.д.с. самоиндукции, воз­никающую при выключении управляющих ключей. Если дио­ды выбраны неверно, то неизбежен выход из строя транзи­сторных ключей и устройства в целом.

Естественно, что и выбор транзистора для ключей уп­равления обмотками должен осуществляться с учетом мак­симального тока коммутации, а его подключение учитывать необходимость заряда/разряда емкости затвора. В ряде слу­чаев прямое подключение выходных MOSFET-транзисторов к ИМС коммутатора может быть недопустимым. В этом случае необходимо предусмотреть соответствующий драйвер для управления ключами, который обеспечит заряд/разряд их входной емкости. В некоторых решениях предлагается в ка­честве ключей использовать биполярные транзисторы. Это подходит только для очень маломощных двигателей с малым током обмоток. Для рассматриваемого двигателя с рабочим током обмоток I=230 мА ток управления по базе ключа дол­жен составить по крайней мере не менее 15 мА (хотя для нормальной работы ключа нужен ток базы 1/10 рабочего, то есть 23 мА). Но такой ток от микросхем типа 74HC74 недо­стижим, поэтому потребуются дополнительные драйверы для выходных ключей.

Таким образом, самым оптимальным для управления ком­мутацией обмоток является использования подходящих по то­ку и сопротивлению канала в открытом состоянии Rdc(on) полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) с учетом рекомендаций, описанных выше. В авторском варианте использовали транзисторы IRLML2803 с Rdc(on)=0,25 Ом, допустимой мощность рассеивания 540 мВ и постоян­ным током стока 0,93 А при температуре 70°С. Мощность, рассеиваемая на ключах, выполненных на транзисторах IRLML280, при полной остановке ротора не превысит:

P_VT<Rdc(on)*I²=0,25*(0,230)²=13,2 мВт.

В большинстве случаев такой оценки вполне достаточно. Поскольку детальное рассмотрение особенностей работы клю­чей не входит в рамки данной статьи, то для их полного расчета можно воспользоваться методикой, приведенной, на­пример, в [6].

В завершение еще раз небольшое напоминание. Когда речь идет о частоте вращения ротора шагового двигателя, то имеется ввиду именно вращение ротора самого двигателя без редуктора. При этом необходимо учитывать угол пово­рота его ротора на один шаг. Для рассматриваемого типа двигателя он составляет 7,5°. Имеются шаговые двигатели с углом поворота на один шаг от 18° до 0,9° (чаше 1,8°). Для получения конечного результата необходимо обязательно учи­тывать этот параметр и коэффициент понижения частоты вра­щения ротора двигателя соответствующим редуктором. Все необходимые параметры для правильного выбора типа дви­гателя серии P542-M48 приведены в спецификации [2].

Литература

1. Рентюк В. Шаговые двигатели и особенности их приме­нения // Электрик. — 2012. — №11.
2. Geared stepper motor Р542-М48 series, Mclennan Servo Supplies Ltd.mclennan.co.uk.
3. Rentyuk V. Control stepper motors in both directions // — 2010. — March 18.
4. Рентюк В. Проектирование DC/DC-преобразователей в системе WEBENCH Design Center // Электрик. — 2013. — №10.
5. LM2675 SIMPLE SWITCHER Power Converter High Efficiency 1A Step-Down Voltage Regulator, Texas Instruments Inc., Rev. June 2005.
6. Дьяконов В.П., Маскимчук A.A., Ремнев A.M., Смердов В.Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. — М.: СОЛОН-Р, 2002.

Автор: Владимир Рентюк, г. Запорожье, Украина