Шаговый двигатель лабораторная работа
Управление шаговым двигателем с помощью MATLAB и Arduino
Шаговые двигатели представляют собой бесколлекторные (бесщёточные) электродвигатели постоянного тока, которые вращаются небольшими дискретными шагами и являются лучшим выбором для многих приложений, в которых требуется прецизионное (точное) управление чем либо. Также шаговые двигатели обеспечивают большой крутящий момент на низких скоростях, что крайне полезно во многих системах позиционирования и управления скоростью.
Ранее на нашем сайте мы уже рассматривали управление с помощью математической системы MATLAB и платы Arduino электродвигателем постоянного тока и сервомотором, а также проект автоматизации дома с помощью MATLAB и Arduino. В этой же статье мы рассмотрим управление шаговым двигателем с помощью системы MATLAB и платы Arduino. Если вы начинающий в этой тематике, то вначале рекомендуем ознакомиться со статьей про простое мигание светодиодом с помощью MATLAB и Arduino.
Блок Stepper Motor Driver представляет драйвер для шагового двигателя. Это создает последовательности импульсов, A и B, требуемый управлять двигателем. Этот блок инициирует шаг каждый раз, когда напряжение в порте ENA повышается выше значения параметров Enable threshold voltage.
Если напряжение в порте REV меньше чем или равно значению параметров Reverse threshold voltage, импульсный A приводит импульсный B 90 градусами. Если напряжение в порте REV больше значения Reverse threshold voltage, импульсный B приводит импульсный A 90 градусами, и моторное направление инвертируется.
В начальный момент времени импульсный A положителен, и импульсный B отрицателен.
Если вы устанавливаете параметр Stepping mode на Half stepping , блок Stepper Motor Driver может произвести выходные формы волны, требуемые для того, чтобы наполовину продвинуться. В этом режиме между полными шагами существует промежуточное состояние, на которых только приводится в действие один из A или полуобмоток B. В результате размер шага является половиной полного размера шага шагового двигателя. На половине шагов закорачиваются обмотки, которые не приводятся в действие. Это аппроксимирует эффект вольного диода, соединенного через обмотки.
Усредненный режим
Если вы устанавливаете параметр Simulation mode на Averaged , и для блока Stepper Motor Driver и для блока Stepper Motor , соединенного с ним, затем не симулированы отдельные шаги. Это может быть хорошим способом ускорить симуляцию. Averaged режим принимает, что внешний контроллер обеспечивает спрос на уровень шага. Этот спрос на уровень шага определяется из напряжения, примененного между портами ENA и REF на блоке Stepper Motor Driver путем умножения этого напряжения значением параметра Step rate sensitivity. Направление вращения установлено портом REF таким же образом что касается Stepping режим.
Averaged режим должен передать спрос на уровень шага и также информацию об амплитуде выходного напряжения с блоком Stepper Motor . Для этого спрос на уровень шага применяется как эквивалентное напряжение через порты A+ и A-. Так же информация об амплитуде выходного напряжения передается путем применения установившегося напряжения через порты B+ и B- со значением, равным параметру Output voltage amplitude.
Инструкция к драйверу ШД BL-TB6560-V2.0.
Содержание
- Введение
- Внешний вид
- Описание
- Схемы подключения
- Подключение драйвера к периферии
- Настройка переключателей
- Подключение силовых цепей
- Светодиодная индикация
Введение:
BL-TB6560-V2.0 — драйвер управления двухфазным шаговым двигателем реализован на специализированном интегральной микросхеме Toshiba TB6560AHQ c питанием постоянным напряжением от 10В до 35В (рекомендуется 24В). Используется для управления двигателями типа Nema17, Nema23 с регулируемым максимальным током фазы до 3А и оптоизолированными входными сигналами. Широко используется в системах ЧПУ и 3D-принтерах.
Внешний вид:
| Свойства | Параметры |
|---|---|
| Входное напряжение | от 10В до 35В постоянного напряжения (24В рекомендуется) |
| Выходной ток | от 0.3А до 3А (пиковое значение 3.5А) |
| Микрошаг | 1 .. 2 .. 8 .. 16 |
| Регулировки тока | 14 ступеней |
| Температура эксплуатации | от -10 до + 45° С |
| Диагностика | защита от перегрева |
| Размеры | 75мм*50мм*35мм |
| Вес | 73г |
Описание:
Конструктивно драйвер изготовлен с возможностью монтажа в корпус и подключением контактных площадок быстроразъемным способом. Что упрощает его установку, эксплуатацию и замену в случае выхода из строя. Подключение производится по следующей таблице:
| Маркировка | Описание |
|---|---|
| CLK+,CLK- | Положительный и отрицательный контакты для тактового сигнала |
| CW+,CW- | Положительный и отрицательный контакты для управления направлением вращения оси шагового двигателя |
| EN+,EN- | Положительный и отрицательный контакты для сигнала работы шагового двигателя |
| +24D,GND | Положительный и отрицательный контакты для подключения блока питания |
| A+,A- | Контакты для подключения I фазной обмотки шагового двигателя |
| B+,B- | Контакты для подключения II фазной обмотки шагового двигателя |
Схемы подключения:
Подключения драйвера к плате коммутации или просто контроллеру осуществляется двумя способами, которые зависят от схемотехнического исполнения и конфигурации портов контроллера.
Пример подключения драйвера к контроллеру на NPN ключах с открытым коллектором
Пример подключения драйвера к контроллеру на PNP ключах с открытым коллектором
Примечание:
Значение сопротивлений R_CLK, R_CW, R_EN зависят от напряжения питания VCC:
- При VCC = 5В, R_CLK = R_CW = R_EN = 0;
- При VCC = 12В, R_CLK = R_CW = 1кОм, R_EN = 1.5кОм;
- При VCC = 24В, R_CLK = R_CW = 2кОм, R_EN = 3кОм;
Подключение драйвера к периферии:
Пример подключения драйвера к контролллеру BL-MACH-V1.1 (BB5001)
Представленные на схеме драйвер и контроллер можно приобрести в нашем магазине:
Настройка переключателей
Микрошаг (делитель шага) устанавливается с помощью переключателей S3, S4 как показано на рисунке:
Микрошаг — режим управления шаговым двигателем , под которым понимают режим деления шага. Микрошаговый режим отличается от простого режима полношагового управления двигателем тем, что в каждый момент времени обмотки шагового мотора запитаны не полным током, а некими его уровнями, изменяющимися по закону SIN в одной фазе и COS во второй. Такой принцип позволяет фиксировать вал в промежуточных положениях между целыми шагами. Количество таких положений задается настройками драйвера. Скажем, режим микрошага 1:16 означает, что с каждым поданным импульсом STEP драйвер будет перемещать вал примерно на 1/16 полного шага, и для полного оборота вала потребуется подать в 16 раз больше импульсов, чем для режима полного шага.
Значения делителя шага указаны в таблице ниже:
| Значение делителя | S3 | S4 |
|---|---|---|
| 1:1 | OFF | OFF |
| 1:2 | ON | OFF |
| 1:8 | ON | ON |
| 1:16 | OFF | ON |
Настройка выходного тока, который поступает на шаговый двигатель, в режиме удержания осуществляется с помощью переключателя S2:
Удержание ротора — режим работы шагового двигателя когда подача напряжения производится на все обмотки. Момент удержания является одной из характеристик мощности шаговых двигателей.
| Значение тока | S2 |
|---|---|
| 20% | ON |
| 50% | OFF |
Установка выходного тока в рабочем режиме двигателя (вращение) устанавливается с помощью переключателей SW1,SW2,SW3,S1:
| (А) | 0.3 | 0.5 | 0.8 | 1.0 | 1.1 | 1.2 | 1.4 | 1.5 | 1.6 | 1.9 | 2.0 | 2.2 | 2.6 | 3.0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SW1 | OFF | OFF | OFF | OFF | OFF | ON | OFF | ON | ON | ON | ON | ON | ON | ON |
| SW2 | OFF | OFF | ON | ON | ON | OFF | ON | OFF | OFF | ON | OFF | ON | ON | ON |
| SW3 | ON | ON | OFF | OFF | ON | OFF | ON | ON | OFF | OFF | ON | ON | OFF | ON |
| S1 | ON | OFF | ON | OFF | ON | ON | OFF | ON | OFF | ON | OFF | ON | OFF | OFF |
Из-за разности параметров двигателей и их режимов возникает необходимость коррекции формы дискретных импульсов для приближения их к синусоиде. И в драйвере есть такая возможность.
Decay — параметр, который описывает наклон горизонтальной части импульса после переднего фронта (затухание). Для прямоугольного импульса (меандр) — Decay = 0%, для треугольного — Decay = 100%. Функция может быть полезна для выбора оптимального режима работы шагового привода и часто помогает сгладить работу двигателя, уменьшить шум и вибрации.
| % | S5 | S6 |
|---|---|---|
| 0 | OFF | OFF |
| 25 | ON | OFF |
| 50 | OFF | ON |
| 100 | ON | ON |
Подключение силовых цепей:
При подключении шаговых двигателей к драйверу допускается как паралельное, так и последовательное включение. Единственное что необходимо учесть — для паралельного включения выходной ток драйвера необходимо устанавливать выше, а при включении последовательном достаточным будет ток как для одного двигателя.
Схема подключения для четырехвыводного двигателя
Схема подключения шести выводного двигателя при использовании на половину мощности
Схема подключения 6-ти выводного двигателя при использовании на полную мощность
Схема подключения 8-ми выводного двигателя при паралельном подключении обмоток
Схема подключения 8-ми выводного двигателя при последовательном подключении обмоток
Светодиодная индикация
- POWER: индикатор питания
RUN: индикатор рабочего режима
Устройство и принцип действия.
Подающий узел.
Подающий узел предназначен для закрепления на нём бобины с проводом, различных величин, и обеспечения натяжения провода.
В него входит механизм крепления бобин и механизм подтормаживания вала.
Рисунок 2.
Подающий узел.
Подтормаживание.
Без подтормаживания подающей бобины, намотка провода на каркасах будет рыхлая и качественной намотки не получится. Войлочная лента «2», тормозит барабан «1». Поворот рычага «3», натягивает пружину «4» — регулировка силы торможения. Для разной толщины провода, настраивается своё притормаживание. Здесь используются готовые детали видеомагнитофона.
Рисунок 3.
Подтормаживающий механизм.
Центровка бобины.
Малые габариты станка и расположение в непосредственной близости, наматываемой катушки и подающей бобины с проводом, потребовали ввести дополнительный механизм центровки подающей бобины.
Рисунок 4, 5.
Центрирующий механизм.
При намотке катушки, провод с бобины воздействует на шторку «5», выполненной виде “вилки” и шаговый двигатель «3», через редуктор с делением 6 и зубчатый ремень, по роликовым направляющим «4», автоматически сдвигает бобину в нужном направлении.
Таким образом, провод всегда находится по центру см. рис 4, рис 5:
Рисунок 6.
Датчики, вид сзади.
Состав и устройство датчиков.
19. Оптические датчики механизма центровки бобины.
5. Шторка перекрывающая датчики механизма центровки бобины.
20. Шторки перекрывающие датчики переключения направления позиционера.
21. Оптические датчики переключения направления позиционера.
Позиционер.
Шторками «20» рис. 6 — выставляется граница намотки. Шаговый двигатель, перемещает механизм укладчика, пока шторка не перекроет один из датчиков «21» рис. 6, после чего меняется направление укладки.
В любой момент можно изменить направление укладки кнопками «1» рис. 7.
Рисунок 7.
Укладчик.
Скорость вращения шагового двигателя «9» рис. 7, синхронизирована с помощью датчика «10», «11» рис 8, с вращением наматываемой катушки и зависит от диаметра провода установленного в меню. Диаметр провода, может быть выставлен 0.02 – 0.4мм. С помощью ручки «8» рис. 7, можно передвинуть весь позиционер в сторону, не изменяя границы намотки. Таким образом, можно намотать другую секцию в многосекционных каркасах.
Рисунок 8.
Оптодатчик.
Состав позиционера и оптодатчика (рис. 7-8).
1. Кнопки ручного переключения направления укладки.
2. Светодиоды направления укладки.
3. Шторки перекрывающие датчики переключения направления позиционера.
4. Линейный подшипник.
5. Капролоновая гайка.
6. Ведущий винт. Диаметр 8мм, шаг резьбы 1,25мм.
7. Шариковые мебельные направляющие.
8. Ручка перемещения позиционера на другую секцию при намотке секционных обмоток.
9. Шаговый двигатель.
10. Оптический датчик синхронизации.
11. Диск, перекрывающий датчик синхронизации. 18 прорезей.
Приёмный узел.
Рисунок 9.
Приёмный узел.
Рисунок 10, 11.
Приёмный узел.
1. Счётчик витков.
2. Коллекторный высокоскоростной двигатель.
3. Шестерня редуктора.
4. Кнопка «сброс счётчика».
5. Регулировка скорости.
6. Включатель «Старт намотки».
7. Крепёж наматываемой катушки.
Вращение наматываемой катушки, производит коллекторный высокооборотный двигатель через редуктор.
Редуктор состоит из трёх шестерён с общим делением 18. Это обеспечивает необходимый вращающий момент на малых оборотах.
Регулировка скорости двигателя, производится изменением питающего напряжения.
Рисунок 12, 13.
Крепление каркаса имеющего отверстие.
Конструкция приёмного узла позволяет закреплять, как каркасы имеющие центральное отверстие, так и каркасы, таких отверстий не имеющие, что хорошо видно на рисунках.
Рисунок 14, 15.
Крепление каркаса не имеющего отверстие.
Электрическая схема.
Рисунок 16.
Электрическая схема намоточного станка.
Всеми процессами станка, управляет микроконтроллер PIC16F877.
Индикация количества витков и диаметра провода, отображается на светодиодном четырёх знаковом индикаторе. При нажатой кнопке «D», отображается диаметр провода, при отжатой количество витков.
Для изменения диаметра провода, нажать кнопку «D» и кнопками «+», «-» изменить значение. Установленное значение автоматически сохраняется в EEPROM. Кнопка «Zerro» — обнуление счётчика. Разъём «ISCP» служит для программирования микроконтроллера.
P.S. Чертежей механической части не существует, потому что устройство изготовлялось в одном экземпляре, и конструкция формировалась в процессе сборки.
В данной конструкции были использованы имеющиеся в разборке элементы и узлы (не имеющие маркировки) от видеомагнитофонов и принтеров.
Ни в коем случае я не настаиваю в точном повторении данной конструкции, а лишь как в использовании каких-либо узлов от неё в своих конструкциях.
Повторение данного устройства возможно опытными радиолюбителями, имеющие навыки работы с механикой и способными изменить конструкцию под свои, имеющиеся механические части.
Механическая часть соответственно, может быть реализована по другому.
Редукторы на двигателях, могут быть и с другим делением.
Критические элементы:
Чтобы программа работала правильно, необходимо соблюсти ряд условий, а именно;
Оптический датчик «17» рис 1. , может быть другой конструкции, но обязательно на 18 отверстий.
Винт позиционера, обязательно с шагом 1,25мм – это стандартный шаг для винта диаметром 8мм.
Шаговый двигатель позиционера 48 шагов/оборот, 7.5 градусов/шаг – это самые распространённые двигатели в оргтехнике.
Демонстрационный ролик работы станка:
Ниже в прикреплении (в архиве) собраны все необходимые файлы и материалы для сборки намоточного станка.
Если по сборке и наладке у кого-то возникнут какие либо вопросы, то задавайте их здесь на форуме. По возможности постараюсь ответить и помочь.
Желаю всем удачи в творчестве и всего наилучшего!
Архив «Намоточный станок».»
