Драйвер двигателя своими руками – Драйвер коллекторного двигателя для Arduino своими руками

Электротехника: Драйвер двигателей своими руками.

Для непосредственного управления маломощными электродвигателями можно использовать готовые микросхемы драйверы такие как например L293D. Однако мощность интегральных микросхем ограничена и во многих случаях бывает целесообразно применять драйвер на транзисторах например:

Схема 1 - Драйвер электродвигателей


Этот драйвер представляет собой набор полумостов с усилителями напряжения и обратными диодами. Через такой драйвер можно управлять двумя маломощными коллекторными электродвигателями постоянного тока, одним подходящим маломощным асинхронными электродвигателем или одним подходящим четырёхвыводным маломощными шаговым электродвигателем а также этому драйверу можно найти много других применений (например для передачи напряжений на динамик, для преобразования напряжений и т.д. для чего применяются мосты). В общем полезная вещь для использования совместно с микроконтроллером. Рассмотрим пример подключения к этому драйверу маломощных коллекторных электродвигателей постоянного тока:

Схема 2 - Пример подключения коллекторных двигателей


Можно подключать так но в принципе не обязательно, можно и по другому. Пример подключения драйвера к микроконтроллеру ATtiny2313:

Рисунок 3 - Подключение драйвера к микроконтроллеру


Для изготовления платы драйвера можно использовать двусторонний фольгированный стеклотекстолит и надфиль (надфиль используется как инструмент для вырезания дорожек на фольгированном стеклотекстолите).
Для силовых транзисторов сверлятся отверстия:
Широкие медные площадки способствует отводу тепла. Термопасту использовать не надо т.к. нужен ещё и хороший электрический контакт между корпусом силового транзистора (который соединён с коллектором) и площадкой. На обратной стороне площадка разделяется вдоль (одна-земля (GND), другая"+" питания):
Металлические части корпуса транзисторов немного очищаются для лучшего электрического и теплового контактов и прикручиваются к плате (КТ817 на площадку с "+"ом, КТ816 на площадку с землёй (GND)):
Далее к плате припаиваются остальные детали:
Можно испытать драйвер с микроконтроллером с прошивкой из предыдущей статьи, как это будет работать можно посмотреть на видео:

КАРТА БЛОГА (содержание)

electe.blogspot.com

ДРАЙВЕР НИЗКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРО ДВИГАТЕЛЕЙ

Основное применение аппаратной платформы Arduino – это конструирование роботов, во всяком случае, начинается знакомство с данной аппаратной платформой, как правило, именно с этого. Ходовая часть большинства колесных роботов [1] оснащается электромоторами, которые представляют собой мощную нагрузку, прямое подключение которой к портам Arduino может вызвать только выход из строя последней. Для подключения нагрузки потребляющей большой ток можно использовать самодельные релейные схемы или транзисторные ключи [2], а можно приобрести готовый драйвер для подключения электродвигателей на Ru.aliexpress.com

Драйвер двигателей L298N на Али

Устройство поставляется в обычном антистатическом пакете.

Драйвер L298N

Модуль представляет собой печатную плату размером 43 х 43 мм, на которой установлена микросхема радиаторе, высота которого составляет 24 мм, масса 25 г. 

Драйвер L298N   Драйвер L298N

Данное устройство позволяет одновременно управлять парой маломощных низковольтных электродвигателей постоянного тока. По заявлениям продавца максимально допустимый общий ток, которым можно нагрузить драйвер составляет 2 А на канал, а максимальная мощность двигателей ограничена 20 Вт. На плате хорошо видна пара двухклемных колодок для подключения электромоторов и трехклемная колодка для подачи напряжения питания.

Устройству требуется два напряжения питания 5-35 В для электродвигателей и 5 В для электронной части. При подаче питания на плате загорается индикатор подачи напряжения питания. При питания от напряжении ниже 12 В (автор проверял при 6 В), отдельный источник питания для электронной части можно не подключать.

На плате рядом с клеммой питания имеется перемычка, которую необходимо снять в случае раздельного питания силовой и электронной части [3-6]. Все колодки промаркированы с тыльной стороны платы.

Драйвер двигателей L298N

Для управления нагрузкой плата драйвера имеет 6 информационных входов.

Драйвер двигателей L298N

Входы IN1, IN2 задают направление вращения одного двигателя, а другая пара IN3, IN4, соответственно другого. Если на одном из входов пары присутствует низкий логический уровень, а на другом высокий, то ротор двигателя вращается в одну сторону, а если, сигналы поменяются на противоположные, то направление вращения также сменится. Если на оба входа подать низкий логический уровень, то двигатель будет остановлен. Как понимает автор, подача высокого логического уровня на оба выхода пары одновременно не допустима [7].

Драйвер двигателей L298N

Если управление парой двигателей осуществляется только по четырем проводам, то двигатель развивает максимально допустимую мощность (программа L298N_1, взята из [5]). Скачать файл

Драйвер двигателей L298N

Видео 1

Для управления мощностью двигателей предусмотрены входы ENA и ENB. ENA привязан к IN1, IN2, а ENB регулирует мощность двигателя, управляемого через IN3, IN4. В простейшем случае, когда нет необходимости в регулировании оборотов двигателя, эти входы замкнуты перемычками на шину питания. Для управления скоростью вращения электромоторов используется ШИМ [8-10], соответственно необходимо подключать к данным входам драйвера те порты Arduino, которые поддерживают данный режим. При этом для управления одним двигателем в данном режиме понадобится три порта Arduino (программа L298N_2, взята из [5]).

Драйвер двигателей L298N

Видео 2

Как говорилось выше драйвер двигателей L298N позволяет аналогично управлять двумя двигателями, при этом, разумеется, в совокупности понадобится задействовать 6 портов Arduino.

Драйвер двигателей L298N

Для демонстрации работы модуля код программ взят из [5], но следует отметить, что в примере, который демонстрирует работу пары электромоторов, допущена ошибка при назначении портов управления ENA и ENB (исправленный вариант L298N_3).

Видео 3

Для подключения драйвера к Arduino UNO были использованы проводники с гнездами на обоих концах. Длина проводов 10 см, эти соединительные провода были приобретены тоже на Али.

Драйвер двигателей L298N

Также данное устройство можно использовать для управления шаговым двигателем [11].

Подведём итог

В целом это отличный и недорогой способ управления ходовой частью робота. Своих денег устройство однозначно стоит. Обзор подготовил специально для "Радиосхем" - Denev.

Источники

  • 1) http://radioskot.ru/publ/raznoe/shassi_dlja_kolesnogo_robota/18-1-0-1122
  • 2) Лекомцев Д.Г. Arduino. Подключение типовых внешних устройств. – Радио, 2016, №11, с. 51-54 
  • 3) http://cxem.net/arduino/arduino70.php
  • 4) http://www.2150692.ru/faq/72-l298n-arduino
  • 5) http://zelectro.cc/Motor_shield_L298N_Arduino
  • 6) http://robot-kit.ru/article_info.php/articles_id/22/article/-font-color---993300--Draiver-motorov-na-L298N-podklyuchenie-k-Arduino--font-
  • 7) Холостов К. Робот-пылесос. Журнал Левша №3 2015 г. с.12-14
  • 8) Холостов К. Умный дом. Журнал Левша №2 2013 г. с.12-14
  • 9) Лекомцев Д.Г. Arduino. Подключение типовых внешних устройств. – Радио, 2016, №11, с. 51-54
  • 10) http://robocraft.ru/blog/arduino/58.html
  • 11) http://arduino-diy.com/arduino-drayver-shagovogo-dvigatelya-i-dvigatelya-postoyannogo-toka-L298N

   Форум

   Обсудить статью ДРАЙВЕР НИЗКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРО ДВИГАТЕЛЕЙ


radioskot.ru

Драйверы двигателя L298N, L293D и Arduino Motor Shield

Драйвер двигателя выполняет крайне важную роль в проектах ардуино, использующих двигатели постоянного тока или шаговые двигатели. C помощью микросхемы драйвера или готового шилда motor shield можно создавать мобильных роботов, автономные автомобили на ардуино и другие устройства с механическими модулями. В этой статье мы рассмотрим подключение к ардуино популярных драйверов двигателей на базе микросхем L298N и L293D.

Драйвер двигателя в проектах ардуино

Для чего нужен драйвер двигателя?

Как известно, плата ардуино имеет существенные ограничения по силе тока присоединенной к ней нагрузки. Для платы это 800 mA, а для каждого отдельного вывода – и того меньше, 40mA. Мы не можем подключить напрямую к Arduino Uno, Mega или Nano даже самый маленький двигатель постоянного тока. Любой из этих двигателей в момент запуска или остановки создаст пиковые броски тока,  превышающие этот предел.

Как же тогда подключить двигатель к ардуино? Есть несколько вариантов действий:

Использовать реле. Мы включаем двигатель в отдельную электрическую сеть, никак не связанную с платой Arduino. Реле по команде ардуино замыкает или размыкает контакты, тем самым включает или выключает ток. Соответственно, двигатель включается или выключается. Главным преимуществом этой схемы является ее простота и возможность использовать  Главным недостатком данной схемы является то, что мы не можем управлять скоростью и направлением вращения.

Использовать силовой транзистор. В данном случае мы можем управлять током, проходящим через двигатель, а значит, можем управлять скоростью вращения шпинделя. Но для смены направления вращения этот способ не подойдет.

Использовать специальную схему подключения, называемую H-мостом, с помощью которой мы можем изменять направление движения шпинделя двигателя. Сегодня можно без проблем найти как микросхемы, содержащие два или больше H-моста, так и отдельные модули и платы расширения, построенные на этих микросхемах.

В этой статье мы рассмотрим последний, третий вариант, как наиболее гибкий и удобный для создания первых роботов на ардуино.

Микросхема или плата расширения Motor Shield

Motor Shield – плата расширения для Ардуино, которая обеспечивает работу двигателей постоянного тока и шаговых двигателей. Самыми популярными платами Motor Shield являются схемы на базе чипов L298N и L293D, которые могут управлять несколькими двигателями. На плате установлен комплект сквозных колодок Ардуино Rev3, позволяющие устанавливать другие платы расширения. Также на плате имеется возможность выбора источника напряжения – Motor Shield может питаться как от Ардуино, так и от внешнего источника. На плате имеется светодиод, который показывает, работает ли устройство. Все это делает использование драйвера очень простым и надежным – не нужно самим изобретать велосипеды и решать уже кем-то решенные проблемы. В этой статье мы будем говорить именно о шилдах.

Принцип действия H-моста

Arduino Motor shield схемаПринцип работы драйвера двигателя основан на принципе работы H-моста. H-мост является электронной схемой, которая состоит из четырех ключей с нагрузкой. Название моста появилось из напоминающей букву H конфигурации схемы.

Схема моста изображена на рисунке. Q1…Q4 0 полевые, биполярные или  IGBT транзисторы. Последние используются в высоковольтных сетях. Биполярные транзисторы практически не используются, они могут присутствовать в маломощных схемах. Для больших токов берут полевые транзисторы с изолированным затвором. Ключи не должны быть замкнуты вместе одновременно, чтобы не произошло короткого замыкания источника. Диоды D1…D4 ограничительные, обычно используются диоды Шоттки.

С помощью изменения состояния ключей на H-мосте можно регулировать направление движения и тормозить моторы. В таблице приведены основные состояния и соответствующие им комбинации на пинах.

Q1 Q2 Q3 Q4 Состояние
1 0 0 1 Поворот мотора вправо
0 1 1 0 Поворот мотора влево
0 0 0 0 Свободное вращение
0 1 0 1 Торможение
1 0 1 0 Торможение
1 1 0 0 Короткое замыкание
0 0 1 1 Короткое замыкание

 

Драйвер двигателя L298N

Модуль используется для управления шаговыми двигателями с напряжением от 5 до 35 В.  При помощи одной платы L298N можно управлять сразу двумя двигателями. Наибольшая нагрузка, которую обеспечивает микросхема, достигает 2 А на каждый двигатель. Если подключить двигатели параллельно, это значение можно увеличить до 4 А.

Плата выглядит следующим образом:

Arduino Motor shield

Распиновка микросхемы L298N:

  • Vcc – используется для подключения внешнего питания;
  • 5В;
  • Земля GND;
  • IN1, IN2, IN3, IN4 – используется для плавного управления скоростью вращения мотора;
  • OUT1, OUT2 – используется для выхода с первого двигателя;
  • OUT3, OUT4 – используется для выхода со второго двигателя;
  • S1 – переключает питание схемы: от внешнего источника или от внутреннего преобразователя;
  • ENABLE A, B – требуются для раздельного управления каналами. Используются в двух режимах – активный, при котором каналами управляет микроконтроллер и имеется возможность изменения скорости вращения, и пассивный, в котором невозможно управлять скоростью двигателей (установлено максимальное значение).

Arduino Motor shield

При подключении двух двигателей, нужно проверить, чтобы у них была одинаковая полярность. Если полярность разная, то при задании направления движения они будут вращаться в противоположные стороны.

Драйвер двигателя L293D

L293D – является самой простой микросхемой для работы с двигателями. L293D обладает двумя H-моста, которые позволяют управлять двумя двигателями. Рабочее напряжение микросхемы – 36 В, рабочий ток достигает 600 мА. На двигатель L293D может подавать максимальный ток в 1,2 А.

В схеме имеется 16 выходов. Распиновка:

  • +V – питание на 5 В;
  • +Vmotor – напряжение питания для мотором до 36 В;
  • 0V – земля;
  • En1, En2 –включают и выключают H-мосты;
  • In1, In2 – управляют первым H-мостом;
  • Out1, Out2 – подключение первого H-моста;
  • In3, In4 – управляют вторым H-мостом;
  • Out3, Out4 – подключение второго H-моста.

Arduino Motor shield

Для подключения к микроконтроллеру Arduino Uno нужно соединить выходы In1 на L293D и 7 пин на Ардуино, In2 – 8, In3 – 2, In4 – 3, En1 – 6, En2 – 5, V – 5V, Vmotor – 5 V, 0V – GND. Пример подключения одного двигателя к Ардуино показан на рисунке.

Arduino Motor shield

Драйвер двигателя на микросхеме HG7881

HG7881 – двухканальный драйвер, к которому можно подключить 2 двигателя или четырехпроводной двухфазный шаговый двигатель. Устройство часто используется из-за своей невысокой стоимости. Драйвер используется только для изменения направления вращения, менять скорость он не может.

Arduino Motor shield

Плата содержит 2 схемы L9110S, работающие как H-мост.

Характеристики драйвера HG7881:
  • 4-контактное подключение;
  • Питание для двигателей от 2,5 В до 12 В;
  • Потребляемый ток менее 800 мА;
  • Малые габариты, небольшой вес.
Распиновка:
  • GND – земля;
  • Vcc – напряжение питания 2,5В – 12В;
  • A-IA – вход A(IA) для двигателя A;
  • A-IB – вход B (IB) для двигателя A;
  • B-IA – вход A(IA) для двигателя B;
  • B-IB – вход B (IB) для двигателя B.

В зависимости от поданного сигнала на выходах IA и IB будет разное состояние для двигателей. Возможные варианты для одного из моторов приведены в таблице.

IA IB Состояние мотора
0 0 Остановка
1 0 Двигается вперед
0 1 Двигается назад
1 1 Отключение

 

Подключение одного двигателя к Ардуино изображено на рисунке.

Arduino Motor shield

Сравнение модулей

Модуль L293D подает максимальный ток в 1,2А, в то время как на L298N можно добиться максимального тока в 4 А. Также L293D обладает меньшим КПД и быстро греется во время работы. При этом L293D является самой распространенной платой и стоит недорого.  Плата HG7881 отличается от L293D и L298N тем, что с ее помощью можно управлять только направлением вращения, скорость менять она не может. HG7881 – самый дешевый и самый малогабаритный модуль.

Подключение L298N к Arduino

Как уже упоминалось, в первую очередь нужно проверить полярность подключенных двигателей. Двигатели, вращающиеся в различных направлениях, неудобно программировать.

Нужно присоединить источник питания. + подключается к пину 4 на плате L298N, минус (GND) – к 5 пину. Затем нужно соединить выходы с L298N и пины на Ардуино, причем некоторые из них должны поддерживать ШИМ-модуляцию. На плате Ардуино они обозначены ~. Выходы с L298N IN1, IN2, IN3 и IN4 подключить к D7, D6, D5 и D4 на Ардуино соответственно. Подключение всех остальных контактов представлено на схеме.

Arduino Motor shield

Направление вращения задается с помощью сигналов HIGH и LOW на каждый канал. Двигатели начнут вращаться, только когда на 7 пине для первого мотора и на 12 пине для второго на L298N будет сигнал HIGH. Подача LOW останавливает вращение. Чтобы управлять скоростью, используются ШИМ-сигналы.

Для управления шаговым двигателем в Arduino IDE существует стандартная библиотека Stepper library. Чтобы проверить работоспособность собранной схемы, можно загрузить тестовый пример stepper_oneRevolution. При правильной сборке вал двигателя начнет вращаться.

При работе с моторами Ардуино может периодически перезагружаться. Это возникает из-за того, что двигателям требуются большие токи при старте и в момент торможения. Для решения этой проблемы в плату встроены конденсаторы, диоды и другие схемы. Также для этих целей на шидле имеется раздельное питание.

arduinomaster.ru

Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

26 мая 2016

В ассортименте полупроводниковых компонентов производства компании Texas Instruments широко представлены микросхемы драйверов для управления всеми типами электродвигателей, которые, совершенствуясь, находят все более широкое применение в самом различном оборудовании. Компания предлагает решения для создания приводов, работающих в широком диапазоне токов и напряжений, обеспечивающих надежную и удобную эксплуатацию коллекторных, бесколлекторных и шаговых двигателей с полным комплексом защит по току, напряжению и температуре.

Электродвигатели находят широчайшее применение в современном высокотехнологическом укладе жизни. Этот тип электромеханического привода по-прежнему является одним из наиболее распространенных и востребованных. Электродвигатели самого разного назначения являются одной из основных составляющих любого производства, повсеместно используются в офисной и домашней технике, в системах мониторинга и управления зданий и объектов. Очень широкое распространение электродвигатели нашли на современном транспорте. Еще более впечатляющее будущее уготовано электродвигателям в электромобилях и роботах.

С развитием технологий традиционные двигатели совершенствуются и находят все новые области применения. Современные высокоточные станки и робототехника немыслимы без электродвигателей с интеллектуальными системами управления. На земле, в воздухе и под водой электродвигатели остаются широко востребованным преобразователем электрической энергии в механическую.

Типы электродвигателей, способы управления и возникающие сложности

Впервые созданный в 1834 году русским ученым Якоби преобразователь электрической энергии во вращательное движение получил название электродвигатель. С тех пор он был серьезно усовершенствован – появилось множество новых вариантов, но использованные при его создании принципы электромагнетизма по-прежнему являются основой всех модификаций современных электродвигателей.

Проводник с проходящим по нему током (рисунок 1) создает вокруг себя магнитное поле, интенсивность (магнитная индукция) которого пропорциональна количеству витков, в случае использования катушки (N), и величине проходящего по ней тока (I), где, В – вектор магнитной индукции, К – магнитная постоянная, N – число витков, I – сила тока.

Рис. 1. Электромагнетизм в основе работы электродвигателя

Рис. 1. Электромагнетизм в основе работы электродвигателя

Изменение направления тока влияет и на направление магнитного поля проводника.

При этом на помещенный во внешнее магнитное поле проводник с током действует сила Лоренца, вызывающая его вращательное перемещение. Направление вращения легко определяется с помощью известного правила правой руки для проводника с током в магнитном поле (рисунок 2). Сила (F), действующая на проводник в магнитном поле, равна произведению силы тока (I) в проводнике на вектор магнитной индукции поля (B) и длину проводника (L). F = LIB.

Рис. 2. Перемещение проводника с током в магнитном поле (Сила Лоренца)

Рис. 2. Перемещение проводника с током в магнитном поле (Сила Лоренца)

Коллекторные двигатели

Коллекторные двигатели постоянного тока (Brushed DC или BDC, по терминологии TI) сегодня относятся к одним из наиболее распространенных механизмов электромагнитного вращения.

В магнитном поле собранного из постоянных магнитов статора вращается многосекционный ротор с катушками, которые попарно и попеременно подключаются через коммутируемые коллекторные ламели на оси ротора (рисунок 3). Выбор пары активируемых катушек выполняется на основании закона Лоренца в соответствии с правилом Буравчика. Источник тока всегда подключен к катушкам, силовые линии магнитного поля которых смещены на угол, близкий к 90°, относительно магнитного поля статора.

Рис. 3. Принцип действия коллекторного электродвигателя (BDC)

Рис. 3. Принцип действия коллекторного электродвигателя (BDC)

Электродвигатели подобного типа часто используют статор с постоянными магнитами. Они позволяют легко регулировать скорость вращения и отличаются невысокой стоимостью.

Также широко используется вариант 2-обмоточного электродвигателя подобного типа, но со статорной обмоткой вместо постоянного магнита. Такие модели обладают большим пусковым моментом и могут работать не только на постоянном, но и на переменном токе. Электродвигатели подобного типа почти повсеместно используются в различной бытовой технике.

К недостаткам этой конструкции BDC стоит отнести износ щеточно-коллекторного узла в процессе эксплуатации. Кроме того, из-за искрообразования при коммутации отдельных обмоток ротора отмечается повышенный уровень электромагнитных помех, что не позволяет использовать такие двигатели во взрывоопасных средах.

Особенностью двигателей BDC также является повышенный нагрев ротора, охлаждение которого затруднено в силу конструктивных особенностей двигателя.

Достоинства коллекторных двигателей:

  • малая стоимость;
  • простая система управления;
  • 2-обмоточные коллекторные двигатели, обладающие высоким крутящим моментом и способные работать на постоянном и переменном токе.

Особенности эксплуатации коллекторных двигателей:

  • щетки требуют периодического обслуживания, понижают надежность двигателя;
  • в процессе коммутации возникают электрические искры и электромагнитные помехи;
  • затруднен отвод тепла от перегревающегося ротора.

Бесколлекторные двигатели

Несколько менее распространенными среди двигателей постоянного тока являются модели с бесщеточной конструкцией (BrushLess DC или BLDC), использующие ротор с постоянными магнитами, которые вращаются между электромагнитами статора (рисунок 4). Коммутация тока здесь выполняется электронным способом. Переключение обмоток электромагнитов статора заставляет магнитное поле ротора следовать за его полем.

Рис. 4. Принцип действия бесколлекторного электродвигателя (BLDC)

Рис. 4. Принцип действия бесколлекторного электродвигателя (BLDC)

Текущее положение ротора обычно контролируется энкодерами или датчиком на основе эффекта Холла, либо применяется технология с измерением напряжения противо-ЭДС на обмотках без использования в этом случае отдельного датчика положения ротора (SensorLess).

Коммутация тока обмоток статора выполняется с помощью электронных ключей (вентилей). Именно поэтому бесколлекторные двигатели BLDC часто называют «вентильными». Очередность подключения пары обмоток двигателя происходит в зависимости от текущего положения ротора.

Принцип работы BLDC основан на том, что контроллер коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был сдвинут на угол, близкий к 90° или -90° относительно вектора магнитного поля ротора. Вращающееся при переключении магнитное поле заставляет перемещаться вслед за ним ротор с постоянными магнитами.

При использовании трехфазного сигнала управления подключенными к источнику тока всегда оказываются только две пары обмоток, а одна – отключена. В результате последовательно используется комбинация из шести состояний (рисунок 5).

Рис. 5. Чередование фаз при вращении BLDC

Рис. 5. Чередование фаз при вращении BLDC

Электродвигатели без датчиков положения ротора отличаются повышенной технологичностью процесса изготовления и более низкой стоимостью. Подобная конструкция упрощает герметизацию внешних подключаемых выводов.

В качестве датчиков скорости и положения ротора в BLDC могут использоваться датчики Холла, которые отличаются небольшой стоимостью, но также и достаточно невысоким разрешением. Повышенное разрешение обеспечивают вращающиеся трансформаторы (резольверы). Они отличаются высокой стоимостью и требуют использования ЦАП, так как выходной сигнал у них синусоидальный. Высоким разрешением, но пониженной надежностью, обладают оптические датчики. На рисунке 6 представлены выходные сигналы датчиков разного типа при вращении ротора двигателя.

Рис. 6. Датчики положения ротора электродвигателей

Рис. 6. Датчики положения ротора электродвигателей

Преимущества двигателей BLDC:

  • высокая эффективность;
  • отсутствие щеток, обеспечивающее повышенную надежность, снижение затраты на обслуживание;
  • линейность тока/крутящего момента;
  • упрощенный отвод тепла.

Особенности применения двигателей BLDC:

  • более сложная система управления с обратной связью по положению ротора;
  • пульсации крутящего момента.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели (ШД) получили достаточно широкое распространение в системах автоматики и управления. Они являются еще одним типом бесколлекторных двигателей постоянного тока. Конструктивно ШД состоят из статора, на котором размещены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнитных материалов. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют обеспечить больший крутящий момент и жесткую фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

В процессе вращения ротор ШД перемещается шагами под управлением подаваемых на обмотки статора импульсов питания. Шаговые двигатели удобны для использования в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме. Их диапазон перемещения задается определенной последовательностью электрических импульсов. Такие двигатели отличаются высокой точностью, не требуют датчиков и цепей обратной связи. Угол поворота ротора зависит от количества поданных импульсов управления. Точность позиционирования (величина шага) зависит от конструктивных особенностей двигателя, схемы подключения обмоток и последовательности подаваемых на них управляющих импульсов.

В зависимости от конфигурации схемы подключения обмоток шаговые двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет в каждой из двух фаз единую обмотку для обоих полюсов статора, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода. Для управления таким ШД требуется мостовой драйвер или полумостовая схема с 2-полярным питанием. При биполярном управлении одновременно работают две обмотки и крутящий момент примерно на 40% больше. На рисунке 7 представлена последовательность сигналов управления при вращении биполярного ШД.

Рис. 7. Последовательность сигналов управления биполярным ШД

Рис. 7. Последовательность сигналов управления биполярным ШД

Униполярный двигатель использует в каждой фазе одну обмотку со средним выводом и позволяет использовать более простую схему управления с одним ключом на каждую из четырех полуобмоток.

Четырех обмоточные ШД могут использоваться как в биполярной, так и в униполярной конфигурации.

При протекании тока по одной из катушек ротор стремится изменить положение так, чтобы противоположные полюса ротора и статора установились друг против друга. Для непрерывного вращения ротора катушки попеременно переключают.

На практике используются разные способы подачи питания на четыре обмотки статора. Чаще всего применяют попарное подключение с полношаговым или полушаговым режимом работы. В полношаговом режиме ротор с двумя полюсами, вращающийся в переключаемом магнитном поле двух пар катушек, может занимать четыре положения (рисунок 8).

Рис. 8. Полношаговый режим управления ШД

Рис. 8. Полношаговый режим управления ШД

Получить удвоенную точность позиционирования и восемь позиций позволяет полушаговый режим работы (рисунок 9). Для его реализации добавляется промежуточный шаг с одновременной запиткой всех четырех катушек.

Рис. 9. Полушаговый режим управления ШД

Рис. 9. Полушаговый режим управления ШД

Значительно увеличить количество промежуточных положений и точность позиционирования позволяет режим микрошага. Идея микрошага заключается в подаче на обмотки шагового двигателя вместо импульсов управления непрерывного сигнала, напоминающего по форме ступенчатую синусоиду (рисунок 10). Полный шаг в этом случае делится на маленькие микрошаги, а вращение становится более плавным. Режим микрошага позволяет получить наиболее точное позиционирование. Кроме того, в этом режиме значительно снижается присущая шаговым двигателям вибрация корпуса.

Рис. 10. Управление ШД в режиме микрошага

Рис. 10. Управление ШД в режиме микрошага

Достоинства шаговых двигателей:

  • невысокая стоимость благодаря отсутствию схем контроля скорости вращения и позиционирования;
  • высокая точность позиционирования;
  • широкий диапазон скоростей вращения;
  • простой интерфейс управления с цифровыми контроллерами;
  • очень высокая надежность;
  • хороший удерживающий момент.

Особенности применения шаговых двигателей:

  • ШД присуще явление резонанса;
  • из-за отсутствия обратной связи возможна потеря контроля положения;
  • потребление энергии не уменьшается даже при работе без нагрузки;
  • затруднена работа на очень высоких скоростях;
  • невысокая удельная мощность;
  • достаточно сложная схема управления.

Традиционные решения для управления электродвигателями

Современная прецизионная система управления электродвигателем постоянного тока включает в себя микроконтроллер для обработки данных и блок управления питанием обмоток двигателя, часто называемый драйвером. В состав драйвера входит логическая схема для преобразования кодированных посылок в цифровые управляющие сигналы, из которых в блоке Gate Driver формируются аналоговые сигналы для управления силовыми ключами на основе полевых транзисторов (FET). FET могут входить в состав драйвера или размещаться в отдельном блоке. Кроме того, в состав драйвера входят схемы защиты силовых цепей и цепи обратной связи для контроля работы двигателя.

На рисунке 11 представлены варианты блок-схем для интегрированного и предварительного драйверов. Каждое из решений имеет свои преимущества и особенности. Предварительный драйвер (Pre-Driver) имеет значительно облеченный температурный режим, позволяет выбирать внешние силовые ключи в соответствии с мощностью подключаемого двигателя. Полнофункциональный интегрированный драйвер позволяет создавать более компактные системы управления, минимизирует внешние соединения, но значительно усложняет обеспечение необходимого температурного режима.

Рис. 11. Блок-схемы систем управления двигателем

Рис. 11. Блок-схемы систем управления двигателем

Так, у интегрированного драйвера TI DRV8312 максимальная рабочая температура отдельных элементов на плате может достигать 193°С, а у предварительного драйвера DRV8301 этот показатель не превышает 37°С.

Рис. 12. Смена направления вращения коллекторного двигателя

Рис. 12. Смена направления вращения коллекторного двигателя

Одной из наиболее распространенных схем для коммутации обмоток двигателей является мост типа “H”. Название схемы связано с конфигурацией подключения, которая похожа на букву “H”. Эта электронная схема позволяет легко изменять направление тока в нагрузке и, соответственно, направление вращения ротора. Напряжение, прикладываемое к обмоткам через транзисторы моста, может быть как постоянным, так и модулированным с помощью ШИМ. H-мост предназначен, в первую очередь, для смены полярности питания двигателя – реверса (рисунок 12), но также позволяет тормозить вращение, коротко замыкая выводы обмоток (рисунок 13).

Рис. 13. Режимы вращения, быстрого и медленного торможения

Рис. 13. Режимы вращения, быстрого и медленного торможенияс

Важнейшей характеристикой силовых элементов моста, в качестве которых сегодня часто используют полевые транзисторы с изолированным затвором, является величина сопротивления открытого канала между истоком и стоком транзистора – RDSON. Значение RDSON во многом определяет тепловые характеристики блока и энергетические потери. С увеличением температуры RDSON также растет, а ток и напряжение на обмотках уменьшаются.

Использование управляющих сигналов с ШИМ позволяет уменьшить пульсации крутящего момента и обеспечить более плавное вращение ротора двигателя. В идеале частота ШИМ должна быть выше 20 кГц, чтобы избежать акустического шума. Но с увеличением частоты растут потери на транзисторах моста в процессе коммутации.

Из-за индуктивных свойств нагрузки в виде обмоток форма тока в ней не соответствует форме подаваемого напряжения ШИМ. После подачи импульса напряжения ток нарастает постепенно,а в паузах ток плавно затухает из-за возникновения в обмотках противо-ЭДС. Наклон кривой на графике тока, амплитуда и частота пульсаций влияют на рабочие характеристики двигателя (пульсации крутящего момента, шум, мощность и так далее).

Для ускоренного затухания в обмотках электродвигателей возбуждаемого эффектом противо-ЭДС тока используют диоды в обратном включении, шунтирующие переходы «сток-исток» транзисторов, либо закорачивают обмотки через переходы «сток-исток» двух транзисторов, одновременно включенных в разных плечах моста. На рисунке 13 представлены три состояния моста: рабочее, быстрого торможения (Fast Decay) и медленного торможения (Slow Decay).

А наиболее эффективным считается комбинированный режим (Mixed Decay), при котором в паузе между рабочими импульсами сначала работают диоды, шунтирующие сток-исток транзисторов, а затем включаются транзисторы в нижних плечах моста.

Решения для управления электродвигателями от TI

Среди полупроводниковых компонентов, выпускаемых компанией TI, представлен обширный ассортимент различных драйверов для управления электродвигателями постоянного тока. Все они требуют минимума внешних компонентов, позволяют создавать компактные решения для управления двигателями с рабочим напряжением до 60 В, отличаются повышенной надежностью, обеспечивают быстрое и простое проектирование систем привода электродвигателями.

Встроенные в драйверы интеллектуальные функции требуют минимальной поддержки внешнего управляющего микроконтроллера (MCU), обеспечивают расширенные коммутационные возможности для обмоток, поддерживают внешние датчики и цифровые контуры управления. Комплекс защитных функций включает ограничение напряжения питания, защиту от превышения тока и короткого замыкания, понижения напряжения и повышения рабочей температуры.

Весь модельный ряд драйверов TI разбит на три раздела: шаговые, коллекторные и бесколлекторные двигателей постоянного тока. В каждом из них на сайте компании действует удобная система подбора по целому ряду параметров. Есть отдельные драйверы, предназначенные для использования с двигателями разных типов.

Драйверы TI для шаговых двигателей

Большой раздел решений TI для управления двигателями включает драйверы для ШД (рисунок 14), которые выпускаются как со встроенными силовыми ключами на основе FET, так и в виде предварительных драйверов, предоставляющих пользователю подбор необходимых силовых ключей. Всего в модельном ряду компании более 35 драйверов для ШД.

Рис. 14. Драйверы TI для управления шаговыми двигателями

Рис. 14. Драйверы TI для управления шаговыми двигателями

TI предлагает широкий выбор наиболее современных решений для управления перемещением и точным позиционированием с использованием микрошаговых схем управления, обеспечивающих электродвигателей плавным перемещением в широком диапазоне напряжения и тока.

Отдельные драйверы, используя один управляющий контроллер, позволяют управлять сразу двумя двигателями, имея для этого четыре встроенных моста на основе FET. Есть драйверы с встроенными FET, например, DRV8834, которые можно подключить для управления к двум обмоткам шагового двигателя или использовать эти же выводы для управления двумя электродвигателями постоянного тока (рисунок 15).

Рис. 15. Блок-схема драйвера DRV8834

Рис. 15. Блок-схема драйвера DRV8834

Для более плавного перемещения ротора в драйверах для ШД используется настраиваемый механизм сглаживания импульсов тока (режимы Slow, Fast, Mixed Decay). Система расчета микрошага может быть следующих типов:

  • встроенной в драйвер;
  • с использованием внешнего опорного сигнала.

Не требуют внешнего контроллера для микрошагового перемещения драйверы DRV881, DRV8818, DRV8821, DRV8824 и DRV8825. Здесь шаг перемещения и алгоритм коммутации обмоток рассчитываются схемой, встроенной в драйвер.

Более простые драйверы DRV8812, DRV8813, DRV8828, DRV8829, DRV8841, DRV8842 и DRV8843 обеспечивают микрошаговое вращение с использованием получаемого от внешнего контроллера опорного напряжения (Vref). Уровень дробления основного шага может достигать 1/128 или 1/256.

Для управления ШД с униполярным подключением обмоток TI предлагает драйверы DRV8803, DRV8804, DRV8805 и DRV8806.

Драйверы TI для BDC

Для управления – коллекторными электродвигателями постоянного тока – предназначено специальное семейство драйверов DRV8x, ряд представителей которого изображен на рисунке 16. Они обеспечивает полную защиту от превышения напряжения и тока, короткого замыкания и перегрева. Благодаря возможностям интерфейса управления эти драйверы обеспечивают простую и эффективную эксплуатацию двигателей. Пользователи могут с помощью одного чипа управлять одним или несколькими двигателями c рабочим напряжением 1,8…60 В.

Рис. 16. Драйверы TI для управления коллекторными двигателями

Рис. 16. Драйверы TI для управления коллекторными двигателями

Драйверы семейства выпускаются как с интегрированными силовыми ключами, так и как предварительные драйверы. Они требуют минимум дополнительных компонентов, обеспечивают компактность решений, сокращают время разработки и позволяют быстрее выпустить новые продукты на рынок.

Спящий режим (Sleep) позволяет минимизировать потребление энергии в режиме простоя и обеспечивает ускоренную активизацию при запуске двигателя. Для управления скоростью вращения могут использоваться внешние сигналы ШИМ или сигналы PHASE/ENABLE для выбора направления вращения и включения ключей выходного моста.

Имеющий четыре выходных моста драйвер DRV8823 способен управлять двумя ШД или одним ШД и двумя BDC, или же четырьмя BDC, используя при этом управляющий интерфейс SPI.

На рисунке 17 представлена функциональная схема простого драйвера DRV8837 для управления одним коллекторным двигателем.

Рис. 17. Блок-схема драйвера DRV8837

Рис. 17. Блок-схема драйвера DRV8837

Драйверы TI для BLDC

Драйверы TI для бесколлекторных двигателей, или BLDC, могут включать интегрированный силовой мост или использовать внешние силовые транзисторы. Схема формирования 3-фазных сигналов управления также может быть внешней или встроенной.

Семейство драйверов для управления бесколлекторными электродвигателями включает модели c разным принципом управления и с различным крутящим моментом. Эти драйверы, обеспечивающие разные уровни шума при управлении BDLС, идеально подойдут для использования в промышленном оборудовании, автомобильных системах и другой технике. Чтобы гарантировать надежную эксплуатацию электродвигателей, драйверы обеспечивают всеобъемлющий набор защит от превышения тока, напряжения и температуры. На рисунке 18 представлены лишь некоторые из 3-фазных драйверов для BLDC в обширном и постоянно пополняющемся модельном ряду компании TI.

Рис. 18. Драйверы TI для управления бесколлекторными двигателями

Рис. 18. Драйверы TI для управления бесколлекторными двигателями

Для контроля текущего положения вращающегося ротора могут использоваться внешние датчики разных типов или схема управления с определением позиции ротора по величине противо-ЭДС (Back Electromotive Force, BEMF).

Управление может выполняться с помощью ШИМ, аналоговых сигналов или через стандартные цифровые интерфейсы. Наборы настраиваемых параметров для управления вращением могут храниться во внутренней энергонезависимой памяти.

На рисунке 19 представлен работающий в широком диапазоне температур 40…125°C интеллектуальный драйвер для BLDC со встроенными силовыми ключами на полевых транзисторах, с сопротивлением открытого канала лишь 250 мОм. При диапазоне рабочих напряжений 8…28 В драйвер может обеспечивать номинальный ток 2 А и пиковый ток 3 А.

Рис. 19. Блок-схема драйвера DRV10983

Рис. 19. Блок-схема драйвера DRV10983

Драйвер не требует внешнего датчика для контроля положения ротора, но может использовать внешний резистор для контроля потребляемой двигателем мощности. DRV10983 отличается незначительным энергопотреблением, составляющим всего 3 мА, в дежурном режиме. А в модели DRV10983Z этот показатель доведен до уровня 180 мкА.

Встроенный интерфейс I2C обеспечивает диагностику и настройку, доступ к регистрам управления работой логической схемы и хранящимся в памяти EEPROM рабочим профилям драйвера.

Расширенный комплект защитных функций обеспечивает остановку двигателя в случае превышения тока и понижения напряжения. Предусмотрено ограничение входного напряжения. Защита по превышению тока работает без использования внешнего резистора. Методы использования защиты настраиваются через специальные регистры.

Заключение

Электродвигатели находят все более широкое применение в самом различном оборудовании, совершенствуются и получают новые возможности во многом благодаря современным системам электропривода.

В ассортименте полупроводниковых компонентов производства компании Texas Instruments широко представлены микросхемы драйверов для управления всеми типами двигателей постоянного тока. На их основе компания предлагает масштабируемые в зависимости от требований по точности, мощности и функциональности решения для создания приводов, работающих в широком диапазоне токов и напряжений, обеспечивающих надежную и удобную эксплуатацию коллекторных, бесколлекторных и шаговых двигателей с полным комплексом защит по току, напряжению и температуре.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

www.compel.ru

Драйвер шагового двигателя своими руками

Драйвер шагового двигателя своими руками — управление с помощью аудио усилителя

Драйвер шагового двигателя своими руками-01Драйвер шагового двигателя своими руками-01

Драйвер шагового двигателя своими руками — хотя биполярные шаговые двигатели относительно дороги, для своих физических размеров они обеспечивают высокий вращающий момент. Однако для двух обмоток мотора требуется восемь управляющих транзисторов, соединенных в четыре Н-моста. Каждый транзистор должен выдерживать перегрузки и короткие замыкания и быстро восстанавливать работоспособность. А драйверу, соответственно, требуются сложные схемы защиты с большим количеством пассивных компонентов.

Драйвер шагового двигателя своими руками-1Драйвер шагового двигателя своими руками-1
Рисунок 1

Рисунок 1. Одна микросхема в корпусе для поверхностного монтажа и несколько пассивных компонентов могут управлять биполярным шаговым двигателем.

Управление биполярным шаговым двигателем

Драйвер шагового двигателя своими руками — на Рисунке 1 показана альтернативная схема драйвера двигателя, основанная на аудио усилителе класса D компании Maxim. Микросхема МАХ9715 в миниатюрном корпусе для поверхностного монтажа может отдавать мощность до 2.8 Вт в типичную нагрузку 4 или 8 Ом. Каждый из двух выходов микросхемы образован Н-мостами из мощных MOSFET, управляющими парами линий OUTR+, OUTR- и OUTL+, OUTL-, которые подключаются к обмоткам А и В шагового двигателя, соответственно. Каждая пара формирует дифференциальный широтно-модулированный импульсный сигнал с номинальной частотой переключения 1.22 МГц. Малый уровень помех, создаваемых схемой, исключает необходимость в выходных фильтрах.

Конденсаторы развязки

Конденсаторы С1, С3, С4 и С6 служат развязкой для входов питания и смещения, а С5 и С7 выполняют накопительные функции для мощных выходных усилителей класса D. Конденсаторы С8 и С9 ограничивают полосу пропускания усилителя до 16 Гц, а ферритовые бусины L2 и L3 ослабляют электрические помехи, наводимые на длинные кабели. П-образный фильтр C1, C2, L1 подавляет помехи на входе питания микросхемы IС1. Входные сигналы микросхемы Шаг_А и Шаг_В, управляющие, соответственно, правым и левым каналами двигателя, могут формироваться любым подходящим контроллером. Внутренние цепи защищают усилитель от коротких замыканий и перегрева в случае неисправности шагового двигателя или неправильного подключения его выводов.

Драйвер шагового двигателя своими руками-2Драйвер шагового двигателя своими руками-2
Таблица 1

Иллюстрация последовательности импульсов

Таблица 1 иллюстрирует последовательность импульсов Шаг_А и Шаг_В, управляющих вращением типичного шагового двигателя в одном направлении путем непрерывной подачи комбинаций сигналов от 0 до 4. Шаг 4 возвращает вал двигателя в исходное положение, завершая оборот в 360°. Чтобы изменить направление вращения мотора, начинайте формировать временную диаграмму импульсов снизу таблицы и последовательно двигайтесь по ней вверх. Подав напряжение низкого логического уровня на вход SHDN микросхемы (вывод 8), можно отключить оба канала усилителя. Формы сигналов на входах и выходах схемы представлены на Рисунке 2.

Драйвер шагового двигателя своими руками-3Драйвер шагового двигателя своими руками-3
Рисунок 2

Формы сигналов в схеме на Рисунке 2: вход Шаг_А (Канал 1), вход Шаг_В (Канал 2), выходы OUTR+ (Канал 3), OUTR- (Канал 4) и сигнал на обмотках двигателя (OUTR+ минус OUTR-, средняя осциллограмма), вычисленный с помощью математической функции осциллографа.

usilitelstabo.ru

Драйвер коллекторного двигателя / DIYtimes

Микросхема L293D используется для управления коллекторными двигателями. Обеспечивает реверс и торможение. Имеет два канала управления и по тому можно использовать одну микросхему для двух двигателей.

На принципиальной схеме L293 видно, что каждый канал управления состоит из пары транзисторов. Для защиты от индукционных токов есть диодная защита, но только на микросхемах с индексом "D".

Для управления током на двигателе допускается подавать на микросхему ШИМ сигнал. Это позволяет делать плавный старт или регулировать скорость вращения двигателя.

Одновременное управление четырьмя двигателями

Каждый из четырех транзисторов способен управлять отдельным двигателем, но увы без реверса и торможения. Схема подключения:

Режим торможения двигателя

Если на оба транзистора (два управляющих входа для каждого канала) подать логическую единицу, то выходы канала будут коротко замкнуты между собой. ЭДС, что вырабатывается двигателем во время вращения, будет тормозить двигатель. Инерционное вращение будет минимальным, что обеспечивает мгновенное торможение.
Подобный принцип можно наблюдать в шуруповертах. Если резко отпустить курок - вал мгновенно прекратит вращение.

Если на вращающем двигателе к управляющим входам подать логический ноль, то мотор будет останавливаться как обычно при отключении питания - уменьшая вращение до полного останова.

Реверс двигателя

На один из транзисторов канала подаем логическую единицу, а на другой ноль - вращение в одну сторону. Инвертируем аналогично и получаем реверс.

Теплоотвод

У микросхемы L293D есть один существенный недостаток. В ней используются биполярные транзисторы, которые в отличии от полевых имеют значительное сопротивление в открытом состоянии, что вызывает нагрев и потерю напряжения на выходе. Если использовать мощный электромотор, то микросхема будет интенсивно греться и ей потребуется теплоотвод.
Если вы управляете одним мощным двигателем, то имеет смысл подключить оба канала параллельно и тогда микросхема сможет выдавать ток в два раза больше, чем один канал.

Пример подключения коллекторного двигателя к arduino:

diytimes.ru

Как запустить шаговый двигатель без электроники своими руками

У меня много различной оргтехники, которая вышла из строя. Выбрасывать я её не решаюсь, а вдруг пригодится. Из её частей возможно сделать что-нибудь полезное.
К примеру: шаговый двигатель, который так распространен, обычно используется самодельщиками как мини генератор для фонарика или ещё чего. Но я практически никогда не видел, чтобы его использовали именно как двигатель для преобразования электрической энергии в механическую. Оно и понятно: для управления шаговым двигателем нужна электроника. Его просто так к напряжению не подключишь.
И как оказалось - я ошибался. Шаговый двигатель от принтера или ещё от какого устройства, довольно просто запустить от переменного тока.
Я взял вот такой двигатель.
Как запустить шаговый двигатель без электроники
Как запустить шаговый двигатель без электроники
Обычно у них четыре вывода, две обмотки. В большинстве случаем, но есть и другие конечно. Я рассмотрю самый ходовой.

Схема шагового двигателя


Его схема обмоток выглядит примерно так:
Как запустить шаговый двигатель без электроники
Очень похоже на схему обычного асинхронного двигателя.
Для запуска понадобится:
  • Конденсатор емкостью 470-3300 мкФ.
  • Источник переменного тока 12 В.

Замыкаем обмотки последовательно.
Как запустить шаговый двигатель без электроники
Середину проводов скручиваем и запаиваем.
Как запустить шаговый двигатель без электроники
Подключаем конденсатор одним выводом к середине обмоток, а вторым выводом в источнику питания на любой выход. Фактически конденсатор будет параллелен одной из обмоток.
Как запустить шаговый двигатель без электроники
Как запустить шаговый двигатель без электроники
Подаем питание и двигатель начинает крутиться.
Как запустить шаговый двигатель без электроники
Если перекинуть вывод конденсатора с одного выхода питания на другой, то вал двигателя начнет вращаться в другую сторону.
Как запустить шаговый двигатель без электроники
Все предельно просто. А принцип работы этого всего очень прост: конденсатор формирует сдвиг фаз на одной из обмоток, в результате обмотки работают почти попеременно и шаговый двигатель крутится.
Очень жалко то, что обороты двигателя невозможно регулировать. Увеличение или уменьшение питающего напряжения ни к чему не приведет, так как обороты задаются частотой сети.
Хотелось бы добавить, что в данном примере используется конденсатор постоянного тока, что является не совсем правильным вариантом. И если вы решитесь использовать такую схему включения, берите конденсатор переменного тока. Его так же можно сделать самому, включив два конденсатора постоянного тока встречно-последовательно.

Сморите видео


sdelaysam-svoimirukami.ru

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о