РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

Авторы работы: Рыжиков Александр , Могилевец Роман.

Шаговый двигатель

Рассмотрено несколько вариантов шаговых

двигателей

и

их

характеристик, один из которых выбран для разработки устройства.

Технические характеристики ДШИ 200-1-1

Драйвер шагового двигателя

Выбор драйвера

Драйвер шагового двигателя - устройство, заставляющее двигатель

"шагать" по сигналам управления. В области управления стандартом для ШД

считаются сигналы:

1.

Шага — STEP

2.

Направления вращения — DIR

3.

Включения драйвера — ENABLE

Управление ШД намного сложнее чем коллекторным обычным

двигателем. Необходимо в определенной последовательности переключать

напряжения в обмотках с одновременным контролем тока. Следовательно,

для управление шаговыми двигателями осуществляется специальными

устройствами, а именно драйверами ШД. Они позволяют в соответствии с

сигналами управления управлять вращением ротора шагового двигателя и

электронным образом делить на более мелкие микрошаги физический шаг.

К драйверу ШД подключается сам шаговый двигатель (его обмотки),

источник

питания

и

сигналы

управления.

Стандартными

сигналами

управления являются сигналы STEP/DIR или CW/CCW и сигнал ENABLE.

Рассмотрено несколько вариантов драйверов шаговых двигателей и их

характеристик, один из которых выбран для разработки устройства.

- Драйвер шагового двигателя А4988 (Таблица 2.2.1)

Таблица– Технические характеристики А4988

Модуль драйвера шагового двигателя собран на чипе A4988. Данный

чип обладает хорошими характеристиками, при этом имея довольно малый

размер.

Драйвер обладает довольно высокой мощностью (порядка 70 Вт) и

позволяет управлять одним биполярным шаговым двигателем (до 2 А на

обмотку).

В схеме драйвера можно найти транслятор, который встроен в нее для

удобства пользования. Использование этого схемотехнического решения

привело к уменьшению количества управляющих контактов, что в свою

очередь равномерно распределило контакты (в количестве двух шт.) на

контакты управляющие шагами и управляющие направлением вращения.

С помощью драйвера можно добится различного разрешения шага, а именно

½ шага, ¼ шага, 1/8 шага, 1/16 шага.

Распиновка драйвера А4988

В драйвере A4988 доступно 16 контактов, расположение и назначение

которых представлены на рисунке.

Рисунок 1 – Распиновка драйвера

Для

корректной

работы

драйвера

необходимо

его

обеспечить

раздельным питанием как для управления внутренней логикой(а именно

выводы VDD и GND), так и для питания самого двигателя (выводы Vmot и

GND).В первом случае напряжение колеблется в пределах от 3 до 5.5 В, а во

втором случае от 8 до 35 В.Помимо этого, требуется дополнительная мера

предосторожности, выраженная в виде разделительного конденсатора ,

включенного

в

схему

питания

двигателя,

характеристики

которого

позволяют ему выдерживать нагрузки по току в размере 4 А.

Выводы выбора микрошага

В драйвере есть возможность использовать различные режимы, в том

числе и режим микрошага. Суть режима заключается в подаче питания на

катушки, которые обладают промежуточным уровнем тока.

Выводы MS1,MS2,MS3, встроенные в драйвер, непосредственно

управляют размером устанавливаемого шага. Установив соответствующие

логические уровни на эти контакты, можно настроить двигатели на одно из

пяти ступенчатых разрешений. (Таблица 2.2.2)

Таблица – Выбор режима микрошага

Контакты MS

по умолчанию подтянуты внутренним резистором к

земле. Если оставить эти выводы не подключенными, то двигатель будет

работать в режиме полного шага.

Выводы управления

Драйвер A4988 управляется через два входа, а именно: STEP и DIR.

STEP управляет непосредственно шагами двигателя. Каждый раз, когда

на этот контакт приходит сигнал высокого уровня, происходит поворот

двигателя на один шаг. Скорость вращения двигателя напрямую зависит от

того, насколько быстро подаются такие сигналы.

DIR — управляет направлением вращения двигателя. Если на него

подать высокий уровень, то двигатель будет вращается по часовой стрелке, а

если низкий — против часовой стрелки.

DIR

позволяет управлять направлением движения двигателя: по

часовой стрелке (при подаче сигнала высокого уровня) или против (при

подаче сигнала низкого уровня).

Выводы управления питанием

У драйвера есть три различных вывода для управления состоянием

питания. Это контакты EN, RST и SLP.

EN — вывод включения (при низком уровне сигнала)/ выключения

(при высоком уровне сигнала) драйвера A4988. По умолчанию этот контакт

подтянут к земле и поэтому драйвер всегда находится во включенном

состоянии.

Вывод SLP отвечает за перевод драйвера в спящий режим при подаче

сигнала низкого уровня.

Вывод RST связан с выводом STEP таким образом, что при подаче

сигнала низкого уровня на первый, входные данные, поступающие на второй

игнорируются, пока на RST снова не установится высокий уровень сигнала.

Выводы для подключения шагового двигателя

Выводы 1В, 1А, 2А и 2В соединяются с обмотками биполярного

шагового двигателя.

Драйвер способен обеспечить нормальную работу двигателей с

напряжением питания от 8 до 35 В и с током на каждую обмотку не более 1 А

(2 А при использовании радиатора).

Система охлаждения и настройка ограничения тока драйвера

Данный драйвер способен обеспечить не более 1 А на катушку без

перегрева. При дальнейшем повышении тока до 2 А необходимо применять

комплектный радиатор.

Перед тем, как включать драйвер в работу необходимо провести

настройку тока. Для предотвращения превышения номинального тока

шагового двигателя необходимо обеспечить ограничение тока, протекающего

через

обмотки

двигателя,

при

помощи

установленного

на

плате

потенциометра. Необходимо установить ток, не превышающий номинальный

ток шагового двигателя.

Плата с микроконтроллером

Выбор микроконтроллера

Для управления работой драйвера шагового двигателя необходим

микроконтроллер.

Рассмотрено

несколько

вариантов

плат

с

микроконтроллерами и их характеристики, одна из которых выбрана для

разработки устройства [6].

- Arduino Nano (Таблица 2.3.1)

Таблица 2.3.1 – Технические характеристики Arduino Nan

Распиновка Arduino Nano

На плате Arduino Nano присутствует 14 цифровых контактов. Они

обозначаются буквой D. Эти контакты могут использоваться как входы и

выходы. Каждый из них соединен с подтягивающим резистором. Распиновка

представлена на рисунке 2 [8].

Рисунок 2 – Распиновка Arduino Nano

Также

на

плате

присутствуют

аналоговые

входы,

который

обозначаются на плате буквой А. Эти контакты используются только как

входы. Подтягивающих резисторов у них нет.

Некоторые цифровые контакты могут использоваться в качестве

выходов ШИМ. На них можно увидеть значок ~. Arduino Nano оснащена

шестью такими контактами – это пины D3, D5, D6, D9, D10, D11.

Описание пинов



Цифровые входы/выходы: D0-D13.



Аналоговые входы/выходы: A0-A7 (10-разрядный АЦП).



ШИМ: пины 3, 5, 6, 9, 10, 11.



UART : D0 и D1 (TX и RX соответственно).



I2C: SDA – A4, SCL -A5.



SPI: MOSI – 11, MISO – 12, SCK – 13, SS(10).



– TX (передача данных UART), D0.



– RX (прием данных UART), D1. RX и TX могут использоваться

для связи по последовательному интерфейсу или как обычные

порты данных.



3, 29 – сброс.



4, 29 – земля.



5 – D2, прерывание INT0.



6 – D3, прерывание INT1 / ШИМ / AIN0.



7 – A4, счетчик T0 / шина I2C SDA / AIN1. AIN0 и AIN1 – входы

для быстродействующего аналогового компаратора.



8 – A5, счетчик T1 / шина I2C SCL / ШИМ.



9 – 16 – порты D6-D13, из которых D6 (9й), D9 (12й), D10 (13й) и

D11 (14й) используются как выходы ШИМ. D13 (16й пин) –

светодиод. Также D10 – SS, D11 – MOSI, D12 – MISO, D13 – SCK

используются для связи по интерфейсу SPI.



18 – AREF, это опорное напряжение для АЦП микроконтроллера.



19 – 26: аналоговые входы A0… A7. Разрядность АЦП 10 бит. A4

(SDA), A5 (SCL) – используются для связи по шине I2C. Для

создания используется специальная библиотека Wire.

Питание и память

Питание платы может осуществляться как через вывод 30 (6-20 В

нестабилизированного

напряжения),

так

и

через

вывод

27

(5

В

стабилизированного напряжения). Плата сама выбирает источник с самым

большим напряжением.

Микроконтроллер ATmega168 способен хранить код программы, т.к.

обладает 16 кб флэш-памяти. Два килобайта из них использует загрузчик.

ATmega168 имеет 1 килобайт SRAM и 512 байт EEPROM (которая может

быть считана и записана с помощью библиотеки EEPROM);