Джон Ловин - Создаем робота-андроида своими руками
На рис. 10.6 показана схема однополярного шагового двигателя. Двигатель имеет шесть выводов, выходящих из корпуса. Как видно из рис. 10.6, обмотки соединены попарно последовательно и имеют выводы от средней точки. Если вы только что взяли в руки подобный шаговый двигатель и ничего не знаете о нем, то простейшим способом будет измерение электрического сопротивления между выводами. Составив таблицу соответствия между цветами проводов выводов и электрическими сопротивлениями между ними, вы быстро разберетесь, какие выводы соответствуют каким обмоткам. (В некоторых случаях шаговый двигатель имеет только пять выводов. В этом случае средние точки обмоток соединены между собой).
Рис. 10.6. Принципиальная схема шестиполюсного шагового двигателя
Двигатель, который мы будем использовать, имеет сопротивление 100 Ом между центральным выводом и концом обмотки, и соответственно, 220 Ом между концами обмоток. Понятно, что сопротивление между несвязанными между собой обмотками будет равно бесконечности (нет соединения). Снабженные этой информацией, мы легко сможем определить распайку выводов обмоток любого двигателя с шестью выводами. Шаговый двигатель, который мы будем использовать, имеет угол поворота 1,8° на шаг.
ИС UCN-5804
На рис. 10.7 изображена цоколевка ИС UCN-5804. ИС предназначена для управления и запитки четырехфазного однополярного шагового двигателя, который мы будем использовать в нашей конструкции. ИС UCN-5804 имеет следующие параметры:
• Максимальный выходной ток в непрерывном режиме 1,25 А
• Величина опорного напряжения 35 В
• Управление полным и половинным шагом
• Управление состоянием выхода и направлением вращения
• Встроенные защитные диоды
• Автоматический сброс при включении
• Внутренняя защита от тепловых перегрузок
Рис. 10.7. ИС UCN-5804 контроллер шагового двигателя
ИС обеспечивает в непрерывном режиме максимальный выходной ток 1,35 А на фазу при опорном напряжении 35 В. Это оказывается более чем достаточным при управлении 12 вольтовым шаговым двигателем. Необходимый выходной ток для такого двигателя составляет (12В/110О м = 0,11 А), т. е. примерно 1/10 ампера.
Последовательность выходных импульсов, определяемая внутренней логикой UCN-5804, запускается прямоугольными импульсами, поступающими на вывод 11. Каждый прямоугольный импульс, поданный на этот вывод, своим отрицательным фронтом запускает перемещение ШД на один шаг.
Порядок включения обмоток определяется таблицей. После того как таблица заканчивается, последовательность повторяется с начала таблицы. Для реверсирования направления вращения ШД последовательность включения обмоток определяется по таблице снизу вверх.
Вывод 15 управляет статусом выхода. Когда на этот вывод подается высокий потенциал, то все выходы ИС отключаются. Если эта функция не требуется для вашей конструкции, то необходимо соединить этот вывод с землей (низкий уровень).
Таблица 10.1. Порядок следования полных импульсовТаблица 10.2. Порядок следования половиных импульсов
Вывод 14 определяет направление вращения. Когда этот вывод имеет потенциал низкого уровня или соединен с земляной шиной, то направление вращения определяется таблицей 10.1 или 10.2, которая читается сверху вниз. Когда на этом выводе имеется высокий потенциал (15В), то направление вращения сменяется на противоположное и определяется таблицами, читаемыми снизу вверх.
Применение ИС UCN-5804
На рис. 10.8 изображена схема управления ШД с использованием ИС UCN-5804. Тактовые импульсы вырабатываются с помощью таймера ИС 555. Частота тактовых импульсов может быть увеличена или уменьшена с помощью переменного резистора V1. Изменение частоты тактовых импульсов непосредственно управляет скоростью вращения ШД. В этой главе мы также покажем, как можно управлять ШД с помощью PIC-микроконтроллера непосредственно или с использованием дополнительных схем.
Рис. 10.8. Основная принципиальная схема управления вращением шагового двигателя
В этой схеме управление дополнительными функциями осуществляется с помощью трех выключателей. Выводы ИС, с которыми соединены эти выключатели, могут также управляться с помощью шин ввода/вывода микроконтроллера того же типа. Выключатель, соединенный с выводом 15, управляет состоянием выхода. При подаче высокого потенциала выход ИС UCN-5804 отключается и происходит остановка ШД.
Выключатель, соединенный с выводом 14, управляет направлением вращения ШД (по часовой стрелке или против часовой стрелки). Переключатель, соединенный с выводом 10 ИС UCN-5804, переключает ШД в режим полного или половинного шага. Когда на вывод 10 подан высокий потенциал, то ШД находится в режиме половинного шага. Такой режим удваивает разрешение ШД. Например, двигатель, который мы используем, имеет разрешение 1,8° на шаг. При включении режима половинного шага разрешение увеличится до 0,9° на шаг, и соответственно скорость вращения уменьшится вдвое. При подаче на вывод 10 низкого уровня ШД переключится в режим полного шага.
Присоединение ведущего колеса к валу ШД
Присоединение ведущего колеса к валу ШД может представлять определенную проблему. На рис. 10.9 показан один из вариантов ее простого решения. Найдите пластмассовую шестерню большого диаметра с фиксирующим винтом. Осевое отверстие шестерни должно совпадать с диаметром вала ШД. Приложите шестерню к ведущему колесу по центру. Просверлите три сквозных отверстия на окружности шестерни через 120°. Скрепите ведущее колесо и шестерню с помощью винтов, гаек и шайб. Затем наденьте шестерню на вал ШД и закрепите ее фиксирующим винтом.
Рис. 10.9. Соединение ведущего колеса с валом двигателя
Использование микроконтроллера для управления ШД
Для изучения принципов работы ШД изготовим схему управления ШД с помощью микроконтроллера PIC 16F84.
Начальная схема управления
На рис. 10.10 показан первый тестовый вариант схемы управления ШД. Для буферизации выходных сигналов с шин PIC 16F84 использованы шестнадцатеричные буферы типа 4050. Сигнал с выхода каждого буфера подается на транзистор NPN типа. В качестве таких транзисторов в действительности использованы NPN транзисторы TIP 120 Darlington, но на схеме они обозначены как обычные NPN транзисторы. Транзисторы TIP 120 использованы в схеме в качестве электронных ключей, обеспечивающих своевременное включение обмоток ШД.
Рис. 10.10. Схема микроконтроллера шагового двигателя
Диоды, включенные параллельно транзисторам, обеспечивают гашение импульсов тока, возникающих в индуктивностях обмоток ШД. Диоды обеспечивают безопасную блокировку обратных токов. Если исключить диоды из схемы, то многократно возрастет вероятность пробоя транзисторов обратным током.
Шаговые двигатели
На рис 10.11. изображена эквивалентная электрическая схема используемого нами двигателя. Двигатель имеет шесть проводников, выходящих из его корпуса.
Рис. 10.11. Схема выводов однополярного шагового двигателя
Предположим, что мы только что взяли двигатель в руки и ничего не знаем о его внутреннем строении. Как я уже говорил ранее, наиболее простым путем выяснить внутреннюю распайку обмоток является измерение электрического сопротивления между выводами. Составив таблицу сопротивлений, измеренных между выводами, вы легко определите, какой вывод присоединен к какой из обмоток.
На рис. 10.12 изображено, какие сопротивления имеет используемый нами двигатель. Между центральным выводом и концами обмоток сопротивление составляет 13 Ом, соответственно между концами обмоток сопротивление имеет значение 26 Ом. Сопротивление между парами соединенных обмоток равно, соответственно, бесконечности (отсутствие соединения). Например, если мы измерим сопротивление между коричневым и голубым проводником, то прибор покажет бесконечность. Вооружившись этими данными, мы сможем правильно включить обмотки ШД в схему.
Рис. 10.12. Сопротивление между выводами однополярного шагового двигателя
Программа для тестовой схемы управления
После того как тестовая схема управления изготовлена, необходимо запрограммировать PIC-микроконтроллер с помощью следующей программы на языке BASIC. Программа является очень простой и короткой, чтобы показать, насколько просто обеспечить вращение ШД. В таблице 10.3 показано, как на каждом шаге включается соответствующий транзистор. Используйте таблицу 10.3 для слежения за логикой BASIC программы. Когда вы достигаете до конца таблицы, то последовательность повторяется, начиная с начала.
Таблица 10.3. Логика переключений транзисторов для полного шага‘Контроллер шагового двигателя
