Исполнитель: Лызо Оксана, группа 741 об
Руководитель: Русинов Владислав Леонидович
Особенности и функции драйверов шаговых двигателей
Драйвер (контроллер) шагового двигателя представляет собой устройство-набор микросхем, которое обеспечивает его правильную работу и заставляет двигатель четко выполнять сигналы управления. В сфере управления ШД существуют определенные стандарты - это сигналы STEP, DIR и ENABLE. Сигнал STEP отвечает за шаг двигателя, DIR - за направление вращения, а ENABLE является сигналом включения самого драйвера.
Контроллеры шаговых двигателей - это силовые электронные устройства, управляющие высоковольтными/сильноточными обмотками шагового двигателя на основе цифровых сигналов управления. С их помощью двигатель выполняет свою непосредственную функцию - делает шаги (то есть, вращается).
Как известно, шаговые двигатели имеют более сложную структуру и систему управления, по сравнению с теми же обычными коллекторными двигателями. Чтобы эффективно управлять ими, нужно переключать уровень напряжения в обмотках в определенной последовательности и одновременно поддерживать контроль тока. Поэтому, чтобы упростить обслуживание данных механизмов, были внедрены вспомогательные устройства управления - драйверы шаговых двигателей. Они позволяют контролировать вращения ротора двигателя, в зависимости от сигналов управления и в после этого делить физический шаг шагового двигателя на мелкие дискреты с помощью электроники.
Для того, чтобы обеспечить полноценную работу устройства, к контроллерам шагового двигателя подключаются сигналы управления, сам ШД через обмотки, а также источник питания. Стандартные сигналы управления для такого оборудования - это сигналы STEP\DIR (или же CW\CCW), а также сигнал ENABLE.
Протокол STEP\DIR
Сигнал STEP - основной сигнал шага, тактирующий. Один его импульс поворачивает ротор двигателя на один шаг. Важно, что здесь имеется в виду не физический шаг шагового двигателя, а специальный шаг, параметры которого определяются драйвером (например, 1:1, 1:8, 1:16). Как правило, драйверы шаговых двигателей отрабатывают этот шаг по заднему или же переднему фронту импульса.
Сигнал DIR - сигнал направления, потенциальный сигнал. В режиме логической единице шаговый двигатель вращается по часовой стрелке, а в режиме нуля - против нее. Также можно выставить значения этих параметров в обратной последовательности. Есть возможность инвертировать сигнал DIR из программы управления или же изменить последовательность подключения фаз двигателя с помощью драйвера (в разъеме его подключения).
Протокол CW/CWW
Сигнал CW - сигнал шага, тактирующий сигнал. Его импульс также поворачивает ротор. Один сигнал - один шаг ротора, коэффициенты которого устанавливаются драйвером (1:1, 1:16, 1:8 и т.д.). Шаг отрабатывается драйвером по переднему или заднему фронту импульса.
Сигнал ENABLE - сигнал включения/выключения драйвера, потенциальный сигнал. При логической единице (5В на вход) драйвер выключается, и обмотки шагового двигателя обесточиваются. При нуле (0В на вход) драйвер включен и обмотки запитаны.
Дополнительные функции контроллеров шаговых двигателей
• Контроль перегрузок по току
• Контроль напряжения в питании, в том числе и защита от эффекта обратной ЭДС. Если вращение ротора замедляется, шаговый двигатель начинает вырабатывать дополнительное напряжение, которое суммируется с напряжением питания и на краткий период времени увеличивает его. Чем сильнее замедление, тем больше растет напряжение обратной ЭДС, и тем больше скачет напряжение питания. Такой скачок напряжения негативно влияет на драйвер и может даже вывести его из строя, поэтому драйверы шаговых двигателей оснащены системой защиты от колебаний питающего напряжения. Если показатели напряжения превышают пороговое значение, драйвер автоматически отключается.
• Контроль изменения полюсов (переполюсовки) при подключении питающего напряжения и сигналов управления.
• Режим экономии электрического тока, подаваемого на обмотки ШД при его простое (определяется отсутствием сигнала STEP). Он позволяет уменьшить нагрев двигателя и снизить расход потребляемого тока (в режиме AUTO-SLEEP).
• Автоматическая система-компенсатор среднечастотного резонанса шагового двигателя. Резонанс часто возникает при работе ШД (в диапазоне 6-12 об/сек.) и негативно влияет на его работу. В частности, двигатель начинает гудеть, работать нестабильно и в итоге ротор останавливается. Это явление во многом зависит от механической нагрузки и параметров шагового двигателя. Автоматический компенсатор помогает полностью устранить явление резонанса, сделать вращение его ротора устойчивым и равномерным при любых диапазонах частот.
• Схема изменений формы фазовых токов с функцией увеличения их частоты. Также она называется морфинг - то есть, переход от микрошага к обычному шагу двигателя при увеличении частоты тока. Как известно, максимальный момент (заявленный в ТХ) отдается двигателем лишь при режиме полного шага. Поэтому, обычные драйверы шаговых двигателей (без морфинга) позволяют двигателям работать лишь на 70% от их максимальной мощности. Драйвер с функцией морфинга обеспечивает максимальную отдачу двигателя во всех частотных диапазонах.
• Генератор частоты STEP (встроенный) - это функция, позволяющая осуществить пробный запуск контроллера шагового двигателя без необходимости подключения к ПК или какому-либо другому внешнему генератору. Также с его помощью можно устанавливать простые системы перемещения опять так и без использования компьютера.
Анализируя все выше сказанное составим временную диаграмму сигналов работы протокола STEP/DIR.
Временная диаграмма
Эта временная диаграмма служит основой для написания программы управления шаговыми двигателями.
Схема включает в себя:
• CW(DIR) - сигнал определяющий направление вращения двигателя (при высоком уровне сигнала двигатель вращается по часовой стрелке, при низком уровне - в противоположную сторону);
• CLK(STEP) - шаг, это тактирующий сигнал, один импульс говорит о том, что ротор двигателя надо повернуть на один шаг;
• Ти - длительность импульса сигнала;
• Т - период импульса сигнала.
