Шаговой двигатель для драйвера схема принципиальная

Описание товара

Драйвер шагового двигателя A4988 — простой и доступный способ управления шаговыми двигателями, может использоваться в маломощных станках ЧПУ, 3D принтерах и других устройствах с применением шаговых двигателей.
Параметры драйвера:

• Напряжения питания шаговых двигателей: 8. 35 вольт постоянного тока
• Дробление шага: в 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 раз
• Протокол управления: STEP/DIR
• Напряжение питания логики микросхемы: 3. 5.5 вольт постоянного тока
• Защита от
  • перегрева
  • перегрузки по току
  • пониженного напряжения
  • короткого замыкания на землю
  • короткого замыкания обмоток двигателя
• Максимальный ток на фазу: до 1 ампер без радиатора, до 2 ампер с радиатором
• Интеллектуальное управление режимом затухания тока
• Габариты модуля: 20*15*10 мм
• Габариты радиатора: 9*5*9 мм

В основе драйвера шагового двигателя — специализированная микросхема А4988, которая включает в себя транслятор интерфеса STEP/DIR , калькулятор микрошага, схему огрнаичения тока, два Н-моста из полевых транзисторов в защитными диодами и драйверы для них.

Диаграма А4988:

Рекомендуемая даташитом схема подключения микросхемы А4988:

Реальная принципиальная схема драйвера А4988:

Расположение выводов:

Подключение драйвера (на примере использования ШД NEMA17 и Arduino Uno в качестве управляющего микроконтроллера):

Чтобы использовать драйвер необходимо выполнить следующие действия:

1. Подключить шаговый двигатель.

Подключение шагового двигателя производится напрямую к выводом драйвера 1A-1B и 2A-2B. Стоит отметить, что драйвер предназначен для подключения биполярных шаговых двигателей, имеющих две обмотки. Но этот драйвер также можно использовать и с униполярными двигателями. Как подключить униполярные двигатели к биполярному шаговому двигателю читайте в статье на нашем сайте.

2. Подать питание.

Драйвер требует двойного питания: 3-5 вольт для работы логической части микросхемы (выводы Vdd и GND) и 8-35 вольт (в зависимости от используемого шагового двигателя) для силовой части (выводы Vmot и GND). На примере выше питание логической части осуществляется от платы Arduino Uno и составляет 5 вольт. Питание силовой части рекомендуется осуществлять от отдельного блока питания. Кроме того, рекомендуется устанавливать электролитический конденсатор в цепи питания силовой части, емкостью не менее 470 микрафарад и рабочим напряжением выше напряжения питания силовой части.

3. Установить режим микрошага.

Современные шаговые двигатели позволяют управлять углом поворота оси с достаточно большой точностью. Например, шаговый двигатель типоразмера NEMA17 имеет показатель в 200 шагов на оборот вала двигателя, что соответствует минимальному углу 1.8 градуса. Для некоторых задач такой точности может оказаться недостаточно. Более того, сейчас ещё можно встретить устаревшие шаговые двигатели (как правило униполярные, применявшиеся в матричных принтерах), которые имеют всего 48 шагов на оборот (7.5 градусов на шаг). К тому же шаговый двигатель между этими фиксированными положениями перемещается рывками. Для увеличения точности позиционирования и уменьшения рывков при перемещении используют функцию микрошага — разбиение одного шага на несколько частей. Драйвет А4988 способен делить шаги двигателя в 2, 4, 8 или 16 раз, что позволяет получить до 16 раз более точное позиционирование угла поворота (0.1125 градуса при делении на 16) и сгладить рывки перемещения. Для установки микрошага используются выводы MS1-3. Эти выводы подтянуты к «земле» встроенными в драйвер резисторами и по умолчанию принимают значение логического нуля. Для активации дробления шага необходимо подключить выводы MS1-3 к положительному полюсу питания логической части (3-5 вольт). Для вычисления величины деления микрошага используется следующая таблица:

На примере подключения выше все конфигурационные выводы подтянуты к положительному полюсу питания логической части, что дает дробление шага в 16 раз. При включении дробления шага сигнал на выходе силовой части драйвера принимает форму ступенчатой синусоиды (изображена зеленым цветом), пример на изображении ниже. Сигнал на входе STEP изображен в нижней части осциллограммы синим цветом и представляет собой прямоугольные импульсы. Данная осциллограмма отлично иллюстрирует функцию дробления шага драйверами шагового мотора.

Более подробные осциллограммы для каждого режима дробления шага приведены на страницах 14-16 даташита на микросхему А4988.

4. Установить конфигурацию работы драйвера.

Кроме входов MS1-3 драйвер А4988 имеет три входа конфигурации, которые управляют питанием драйвера:

• SLEEP — подача низкого логического уровня переводит микросхему драйвера в спящий режим, подача высокого логического уровня выводит драйвер из спящего режима. Но на самом деле подача высокого логического уровня не нужна,так-как вывод SLEEP подтянут к положительному полюсу логической части питания драйвера через внутренний резистор.
• RESET — подача низкого логического уровня сбрасывает логику микросхемы (транслятор) в предопределенное состояние. Также, пока на выводе RESET присутствует логическая единица драйвер игнорирует все входящщие сигналы управления. Зачастую вход RESET не используют для сброса транслятора и соединяют его с выводом SLEEP на котором присутствует логическая 1, что и изображено на вышепреведенной схеме подключения.
• ENABLE — вход включения драйвера, активируется логическим 0 (присутствует по умолчанию), логическая 1 запрещает работу драйвера. Данный вывод можно не использовать, так как встроенный подтягивающий резистор всегда разрешает работу драйвера, тем не менее в ЧПУ станках и 3D принтерах данный вывод активно используется для разблокировки шаговых двигателей для ручного перемещения без обесточивания всего станка, либо для снижения энергопотребления.

5. Настроить ограничение силы тока шаговых двигателей.

Важно ограничить силу тока, протекающего через обмотки шагового двигателя. Для этого на плате драйвера предусмотрен подстроечный резистор, который задает опорное напряжение на выводе 17 микросхемы А4988. Далее, микросхема A4988 на основе опорного напряжения и данных, полученных по каналам обратной связи, ограничивает силу тока на обмотках шагового двигателя.

Правильно установить силу тока нам поможет даташит, который предлагает формулу для расчета тока: ITripMAX = Vref / ( 8 * Rs), где Vref — напряжение на входе 17 микросхемы драйвера, Rs — номинал резисторов R7 и R8 (см. принципиальную схему драйвера), которые могут иметь номинал 0,1 или 0,05 Ом. Необходимую силу тока можно получить из даташита на шаговый двигатель, номинал сопротивления Rs также известен, поэтому формула приобретает вид Vref = ITripMAX * 8 * Rs

Для примера я приведу расчет опорного напряжения для шагового двигателя NEMA 17 OK42STH33-1334A, который имеет номинальный ток 1.33A. Сопротивления Rs в моем случае имеют номинал 0,1 Ом, поэтому опорное напряжение равно 1,33*0,1*8= 1,064 вольт. Но в таком случае шаговый двигатель будет работать не пределе своих возможностей, поэтому рекомендуется ограничить ток 70% от максимального, а это значит, что полученное опорное напряжение необходимо умножить на 0.7, и в итоге я получаю 1,064*0,7 = 0,7448 вольт.

Чтобы измерить опорное напряжение, необходимо измерить напряжение между выводом GND и центральной частью подстроечного резистора, при необходимости подстраивая резистор в определенное положение.

Работа без радиатора допустима при токе не более 1 ампера, но в любом случае мы рекомендуем использовать радиатор, поставляющийся в комплекте с драйвером, а при необходимости использовать активное воздушное охлаждение.

6. Подать управляющие сигналы.

Управление мотором осуществляется по протоколу STEP/DIR, сигналы которого подаются на одноименные выводы драйвера.

• DIR (direction) — задает направление вращения шагового двигателя. Направление вращения зависит не только от значения на входе DIR, но и от полярности подключения обмоток шагового двигателя. Если шаговый двигатель вращается не в ту сторону, то можно изменить значение на входе DIR, либо поменять местами выводы одной из обмоток шагового двигателя.
• STEP — импульс шага, представляет собой прямоугольные импульсы. Один импульс шага поварачивает вал шагового двигателя на определенный угол, например, для двигателей типоразмера Nema17 на 1.8 градусов при отключенном дроблении шага. При включенном дроблении шага угол поворота на один шаг уменьшается пропорционально значению дробления шага.

Стоит отметить, что напряжение импульсов STEP/DIR не должно превышать 5,5 вольт. Источниками управляющих импульсов могут служить как микроконтроллеры, так и простые генераторы прямоугольных импульсов, например, мультивибраторы.

В случае использования драйвера А4988 со специализированными платами для управления станками ЧПУ и 3D принтерами из всех вышеперечисленных шагов подключения драйвера необходимо только осуществить настройку силы тока, так-как остальные нюансы подключения шагового двигателя учтены при проектировании печатной платы.

Простой в изготовлении контроллер шагового двигателя из старых деталей

Шаг 1.

От старого сканера:

• 1 шаговый двигатель
• 1 микросхема ULN2003
• 2 стальных прута

Для корпуса: — 1 картонная коробка

• Клеевой пистолет
• Кусачки
• Ножницы
• Принадлежности для пайки
• Краска

• 1 разъем DB-25 — провод
• 1 цилиндрическое гнездо для питания постоянного тока Для испытательного стенда
• 1 стержень с резьбой
• 1 подходящая под стержень гайка — разные шайбы и шурупы — куски древесины

Для управляющего компьютера:

• 1 старый компьютер (или ноутбук)
• 1 копия TurboCNC ( отсюда)

Шаг 2.

Берем детали от старого сканера. Чтобы построить собственный ЧПУ контроллер нужно для начала извлечь из сканера шаговый двигатель и плату управления. Здесь не приведено никаких фотографий, потому что каждый сканер выглядит по-своему, но обычно нужно просто снять стекло и вывернуть несколько винтов. Кроме двигателя и платы можно оставить еще металлические стержни, которые потребуются для тестирования шагового двигателя.

Шаг 3.

Извлекаем микросхему из платы управления Теперь нужно найти на плате управления шаговым двигателем микросхему ULN2003. Если вы не смогли обнаружить ее на своем устройстве, ULN2003 можно купить отдельно. Если она есть, ее нужно выпаять. Это потребует некоторого умения, но не так уж сложно. Сначала при помощи отсоса удалите как можно больше припоя. После этого осторожно просуньте под микросхему конец отвертки. Осторожно прикоснитесь концом паяльника к каждому выводу, продолжая при этом нажимать на отвертку.

Шаг 4.

Пайка Теперь нам нужно припаять микросхему на макетную плату. Припаяйте к плате все выводы микросхемы. На показанной здесь макетной плате имеется две шины электропитания, поэтому положительный вывод ULN2003 (смотрите схему здесь и на рисунке ниже) припаивается к одной из них, а отрицательный — к другой. Теперь, нужно соединить вывод 2 коннектора параллельного порта с выводом 1 ULN2003. Вывод 3 коннектора параллельного порта соединяется с выводом 2 ULN2003, вывод 4 — с выводом 3 ULN2003 и вывод 5 — с выводом 4 ULN2003. Теперь вывод 25 параллельного порта припаивается к отрицательной шине питания. Далее к управляющему устройству припаивается мотор. Делать это придется путем проб и ошибок. Можно просто припаять провода так, чтобы потом цеплять на них крокодилы. Еще можно использовать клеммы с винтовым креплением или что-нибудь подобное. Просто припаяйте провода к выводам 16, 15, 14 и 13 микросхемы ULN2003. Теперь припаяйте провод (желательно черный) к положительной шине питания. Управляющее устройство почти готово. Наконец, подсоедините к шинам электропитания на макетной плате цилиндрическое гнездо для питания постоянного тока. Чтобы провода не могли отломаться, их закрепляют клеем из пистолета.

Шаг 5.

Установка программного обеспечения Теперь о программном обеспечении. Единственная вещь, которая точно будет работать с вашим новым устройством — это Turbo CNC. Скачайте его здесь. Распакуйте архив и запишите на CD. Теперь, на компьютере, который вы собираетесь использовать для управления, перейдите на диск C:// и создайте в корне папку «tcnc». Затем, скопируйте файлы с CD в новую папку. Закройте все окна. Вы только что установили Turbo CNC.

Шаг 6.

Настройка программного обеспечения Перезагрузите компьютер чтобы перейти к работе в MS-DOS. В командной строке наберите «C: cncTURBOCNC». Иногда лучше использовать загрузочный диск, тогда копия TURBOCNC помещается на него и нужно набирать, соответственно «A: cncTURBOCNC». Возникнет экран, похожий на изображенный на рис. 3. Нажмите пробел. Теперь вы находитесь в главном меню программы. Нажмите F1, и при помощи клавиш со стрелками выберите меню «Configure». При помощи клавиш со стрелками выберите «number of axis». Нажмите Enter. Введите количество осей, которые будут использоваться. Поскольку у нас только один мотор, выбираем «1». Нажмите Enter чтобы продолжить. Снова нажмите F1 и в меню «Configure» выберите пункт «Configure axes», затем дважды нажмите Enter.

Появится следующий экран. Нажимайте Tab пока не перейдете к ячейке «Drive Type». При помощи стрелки вниз выберите пункт «Phase». Снова при помощи Tab выберите ячейку «Scale». Чтобы использовать калькулятор, нам нужно найти число шагов, которые двигатель делает за один оборот. Зная номер модели двигателя, можно установить на сколько градусов он поворачивается за один шаг. Чтобы найти число шагов, которые двигатель делает за один оборот, теперь нужно поделить 360 на число градусов за один шаг. Например, если мотор поворачивается за один шаг на 7,5 градусов, 360 поделить на 7,5 получится 48. Число, которое получится у вас, забейте в калькулятор шкалы (scale calculator).

Остальные настройки оставьте как есть. Нажмите OK, и скопируйте число в ячейке Scale в такую же ячейку на другом компьютере. В ячейке Acceleration установите значение 20, поскольку установленных по умолчанию 2000 слишком много для нашей системы. Начальную скорость установите равной 20, а максимальную — 175. Нажимайте Tab пока не дойдете до пункта «Last Phase». Установите в нем значение 4. Нажимайте Tab пока не дойдете до первого ряда иксов.

Скопируйте следующее в четыре первых ячейки:

1000XXXXXXXX
0100XXXXXXXX
0010XXXXXXXX
0001XXXXXXXX

Остальные ячейки оставьте без изменений. Выберите OK. Теперь вы настроили программное обеспечение.

Шаг 7.

Строим тестовый вал Следующим этапом работы будет сборка простого вала для тестовой системы. Отрежьте 3 бруска дерева и скрепите их друг с другом. Чтобы получить ровные отверстия проведите на поверхности дерева ровную линию. Просверлите на линии два отверстия. Еще 1 отверстие просверлите посередине ниже первых двух. Отсоедините бруски. Через два отверстия, что находятся на одной линии, проденьте стальные пруты. Чтобы закрепить пруты воспользуйтесь небольшими шурупами. Проденьте пруты сквозь второй брусок. На последнем бруске закрепите двигатель. Не имеет значения, как вы это сделаете, будьте изобретательны.

Чтобы закрепить двигатель, имевшийся в наличии, использовали два отрезка стержня с резьбой 1/8. Брусок с прикрепленным двигателем надевается на свободный конец стальных прутов. Снова закрепите их шурупами. Сквозь третье отверстие на первом бруске проденьте стержень с резьбой. Заверните на стержне гайку. Проденьте стержень сквозь отверстие во втором бруске. Поворачивайте стержень до тех пор, пока он не пройдет сквозь все отверстия и не дойдет до вала двигателя. Соедините вал двигателя и стержень при помощи шланга и зажимов из проволоки. На втором бруске гайка удерживается при помощи дополнительных гаек и винтов. В завершение, отрежьте брусок дерева для подставки. Привинтите ее шурупами ко второму бруску. Проверьте, установлена ли подставка ровно на поверхности. Регулировать положение подставки на поверхности можно при помощи дополнительных винтов и гаек. Так делается вал для тестовой системы.

Шаг 8.

Подсоединяем и тестируем двигатель Теперь нужно соединить двигатель с контроллером. Во-первых, соедините общий провод (смотрите документацию к двигателю) с проводом, который был припаян к положительной шине питания. Другие четыре провода соединяются путем проб и ошибок. Соедините их все, и затем меняйте порядок соединения, если ваш двигатель делает два шага вперед и один назад или что-либо подобное. Для проведения тестирования подключите 12 В 350 мА источник питания постоянного тока в цилиндрическое гнездо. Затем соедините разъем DB25 c компьютером. В TurboCNC проверьте как соединен двигатель. В результате тестирования и проверки правильного подсоединения двигателя у вас должен получиться полностью работоспособный вал. Чтобы проверить масштабирование вашего устройства, прикрепите к нему маркер и запустите тестовую программу. Измерьте получившуюся линию. Если длина линии составляет порядка 2-3 см, устройство работает правильно. В противном случае, проверьте вычисления в шаге 6. Если у вас все получилось, поздравляем, самое трудное уже позади.

Шаг 9.

Изготовление корпуса

Часть 1

Изготовление корпуса — это завершительный этап. Присоединимся к защитникам природы и сделаем его из вторсырья. Тем более, что контроллер у нас тоже не с магазинных полок. У представленного вашему вниманию образца плата имеет размер 5 на 7,5 см, поэтому корпус будет размером 7,5 на 10 на 5 см, чтобы оставить достаточно места для проводов. Из картонной коробки вырезаем стенки. Вырезаем 2 прямоугольника размером 7,5 на 10 см, еще 2 размером 5 на 10 см и еще 2 размером 7,5 на 5 см (см. рисунки). В них нужно вырезать отверстия для разъемов. Обведите контуры разъема параллельного порта на одной из 5 х 10 стенок. На этой же стенке обведите контуры цилиндрического гнезда для питания постоянного тока. Вырежьте по контурам оба отверстия. То, что вы будете делать дальше, зависит от того, припаивали ли вы к проводам двигателя разъемы. Если да, то закрепите их снаружи второй пока пустой стенки размером 5 х 10. Если нет, проткните в стенке 5 отверстий для проводов. При помощи клеевого пистолета соедините все стенки вместе (кроме верхней, см. рисунки). Корпус можно покрасить.

Шаг 10.

Изготовление корпуса

Часть 2

Теперь нужно приклеить все компоненты внутрь корпуса. Убедитесь, что на разъемы попало достаточно много клея, потому что они будут подвергаться большим нагрузкам. Чтобы коробка оставалась закрытой, нужно сделать защелки. Из пенопласта вырежьте пару ушек. Затем вырежьте пару полос и четыре небольших квадратика. Приклейте по два квадратика к каждой из полос как показано на рисунке. Приклейте ушки по обеим сторонам корпуса. Сверху коробки приклейте полосы. Этим завершается изготовление корпуса.

Шаг 11.

Возможные применения и заключение Этот контроллер можно применять как: — ЧПУ устройство — плоттер — или любую другую вещь, которой нужно точное управление движением. — добавление- Здесь приведены схема и инструкции по изготовлению контроллера с тремя осями. Чтобы настроить программное обеспечение, следуйте вышеуказанным шагам, но в поле «number of axis» введите 3.

Для настройки первой оси делайте все как было сказано выше, для второй оси тоже, но в строках первых четырех фаз введите следующее:

«XXXX1000XXXX
XXXX0100XXXX
XXXX0010XXXX
XXXX0001XXXX»

Для третьей оси в строках первых четырех фаз введите:

«XXXXXXXX1000
XXXXXXXX0100
XXXXXXXX0010
XXXXXXXX0001″

Перевод: Piyavka, по заказу РадиоЛоцман

Схема простого драйвера для униполярного шагового двигателя

Схема драйвера униполярного шагового двигателя, описанная в данной статье, реализует следующие задачи:
• управление 4-фазовым униполярным шаговым двигателем.
• обеспечивает плавную регулировку скорости вращения и изменение направления вращения.
• выполняет функцию остановки двигателя.

Ниже представлена принципиальная схема драйвера шагового двигателя. Драйвер построен с использованием трех микросхем 4000 серии и четырех силовых MOSFET транзисторов.

Схема тактируется генератором прямоугольных импульсов, построенного на логических элементах 2И-НЕ с триггером Шмитта на выходе. Рабочая частота генератора определяется общим сопротивлением PR1 + R2 и емкостью конденсатора С1, и может быть изменена в широком диапазоне с помощью потенциометра PR1.

Фрагмент схемы на элементах EXOR и J-K триггере создает счетчик по модулю 4, с тактами высокого уровня. Переключатель SB1 (JP1) предназначен для изменения направления работы счетчика, а, следовательно, для изменения направления вращения шагового двигателя. С помощью переключателя SB2 (JP2) можно запускать и останавливать двигатель.

Управление катушками 4-фазного шагового двигателя осуществляется с помощью четырех MOSFET транзисторов (VT1…VT4). Использование в данной схеме транзисторов высокой мощности типа BUZ11 — это решение, гарантирующее надлежащую работу двигателя высокой мощности.

Ниже показаны формы сигналов на разъеме Х2, к которому подключаются обмотки шагового двигателя.

Драйвер собран на печатной плате, рисунок которой приведен ниже. Монтаж следует начать с установки резисторов, панельки под микросхемы и закончить разъемами и силовыми транзисторами.

Разъемы JP1 и JP2 имеют ту же функцию, что и нажатие кнопки SB1 и SB2, так что вы можете подключить к ним кнопки и вынести их за пределы платы.
Печатная плата разработана таким образом, что вы можете установить транзисторы на общий радиатор, предварительно изолировав их слюдяными или силиконовыми прокладками.

После сборки необходимо тщательно проверить плату на предмет короткого замыкания дорожек. Драйвер, собранный из исправных деталей не требует настройки и начинает работать сразу.

Следует, упомянуть о способе подключения питания и обмоток двигателя к плате драйвера. В случае питания схемы управления и двигателя тем же напряжением, которое находится в диапазоне от 5…15 В, и ток потребления не превышает 1 А, то необходимо установить перемычку JP3 и питание подать к разъему VDD.

Если параметры питания шагового двигателя не находится в пределах напряжения питания схемы драйвера, то необходимо снять перемычку JP3, и к разъему VDD подвести напряжение питания от 5…15 В, а к разъему X2 подать питание в соответствии с параметрами шагового двигателя.

Рисунок печатной платы (8,5 KiB, скачано: 2 092)