зачем нужен драйвер двигателя

Изучаем миниатюрный шаговый двигатель

Шаговые двигатели нашли широкое применение в современной промышленности и самоделках. Их используют там, где необходимо обеспечить точность позиционирования механических узлов, не прибегая к помощи обратной связи и точным измерениям.

Сегодня хочу поговорить об особой разновидности шаговых моторов — миниатюрные шаговые двигатели, которые применяются в конструкциях оптических систем. Мы подробно рассмотрим их устройство и способы управления такими крошечными моторчиками.

Шаговый двигатель — бесколлекторный (бесщёточный) электрический двигатель с несколькими обмотками (фазами), расположенными на статоре и магнитами (часто постоянными) на роторе. Подавая напряжения на обмотки статора, мы можем фиксировать положение ротора, а подавая напряжение на обмотки последовательно можно получить перемещение ротора из одного положения в другое (шаг), причём этот шаг имеет фиксированную угловую величину.

Мы не будем останавливаться на рассмотрении каждого типа шагового двигателя. Об этом в сети написано довольно много и хорошо, например здесь.

Хочу поговорить об особой разновидности шаговых моторов — миниатюрные шаговые двигатели, которые применяются в конструкциях оптических систем. Такие малыши имеются в свободной продаже. Но в сети, особенно в русскоязычной, очень мало информации по таким моторчикам. Потому, когда мне потребовалось использовать их в своём проекте, пришлось изрядно поискать информации и провести пару экспериментов.

Результатами своих поисков и экспериментами я поделюсь в этой статье.

Мы рассмотрим вопросы управления такими маленькими моторчиками, а именно:

Знакомство

Сначала немного посмотрим на внешний вид нашего героя:

Он действительно очень маленький! Согласно умной книжке Петренко С.Ф.
«Пьезоэлектрические двигатели в приборостроении», меньших размеров электромагнитные моторчики создать в принципе невозможно… то есть возможно, но с уменьшением диаметра проволоки, из которой изготавливают обмотки, всё больше энергии рассеивается в виде тепла в окружающую среду, что приводит к уменьшению КПД моторчика и делает их использование нерациональным.

Из примечательного, можно отметить, что его вал очень короткий и имеет специальную проточку для установки шестерни или рычага.

Отчётливо видны две обмотки, которые даже покрыты изоляцией разного цвета. Значит, наш моторчик относится, скорее всего, к классу биполярных шаговых двигателей.
Посмотрим как он устроен:

Считаю, наше знакомство с этими моторчиками будет не полным, если мы не посмотрим, что же у него внутри. Ведь всегда интересно заглянуть внутрь механизма! Разве нет?

Собственно, ничего необычного мы не увидели. Ротор намагничен. Подшипников нигде не наблюдается, всё на втулках. Задняя втулка запрессована в корпус двигателя. Передняя ничем не закреплена. Интересно, что корпус двигателя собирался точечной сваркой. Так что переднюю крышку корпуса пришлось спиливать.

Теперь перейдём к вопросу подключения и его электрическим характеристикам.

Убедимся, что он биполярный, прозвонив обмотки. Действительно биполярный, всё как на картинке выше. Сопротивление обмоток около 26Ом, хотя продавец указал 14Ом.
В описании сказано, что напряжение питания 5В. Хотя мы то с вами знаем, что для шагового двигателя важен ток, который будут потреблять его обмотки.
Пробуем подключить.

Эксперимент №1. L293D + ATtiny44

Как мы знаем, для управления биполярным шаговым двигателем необходимо не просто прикладывать напряжения к двум обмоткам в нужной последовательности, но и изменять направление тока в этих обмотках, причём делать это независимо друг от друга. Для этого на каждую обмотку нужен собственный Н-мост. Чтобы не городить его из транзисторов, был взят готовый в лице микросхемы L293D. Ещё одно её преимущество — у микросхемы имеются специальные выводы Enable1 и Enable2, который включают и выключают каждый мост. Их можно использовать чтобы подавать ШИМ сигнал, тем самым, возможно контролировать напряжения питания каждого моста. Зачем это может понадобиться, мы увидим дальше.

Кроме того, L293D может коммутировать напряжения до 36В и выдавать до 1,2А на каждый канал, чего вполне должно хватить для питания обмоток нашего моторчика.

Управляющие входы L293D подключены к выходам OC0A и OC0B, что позволит в будущем подавать на них ШИМ сигнал.

Прошивать контроллер будем через внутрисхемный программатор (на схеме не указан).
Вот как выглядит собранная схема на макетной плате:

И вот так расположен наш подопытный:

Теперь можно приступать к экспериментам.

Рассчитаем ток, который будет течь через обмотки двигателя при подключении их к напряжению 5В:

I=U/R = 5В/26Ом = 190мА

Совсем небольшой. Интересно как долго он сможет держать такой ток и не перегреться.

Включим в цепь одной из обмоток амперметр и вольтметр, и проведём замеры соответствующих величин при подачи питания на эту обмотку через драйвер.

При падении напряжения на обмотке 2.56В амперметр показывает ток 150мА, причём хорошо заметно, как начинает падать величина силы тока в процессе нагревания обмоток. Надо отметить, что не так уж и сильно он греется.

Убедившись, что напряжение 5В для моторчика опасности не представляет, попробуем покрутить им в разные стороны. И вот теперь пару слов мы скажем про режимы работы шагового двигателя.

Об этом довольно хорошо сказано здесь.

Не будем повторяться, но вспомним, что шаговый двигатель может работать в трёх режимах:

Исходный код программы выглядит следующим образом:

Полношаговый режим. Одна фаза

Двигатель делает 16 шагов на один оборот. Причём шаги для двух фаз имеют не одинаковую угловую величину. Не знаю с чем это связано. Может конструкция двигателя такая?

Посмотрим на максимальную частоту шагов, которую он может обеспечить в таком режиме, не пропуская их.

Минимальная задержка между шагами 2мс, значит 500 шагов/секунду. Неплохо, это 31 об/сек = 1850 об/мин.

Полношаговый режим. Две фазы

Обратите внимание, что в этом случае шаги получаются ровнее, они одинаковы по величине (во всяком случае, более одинаковы, чем в предыдущем случае).

Естественно, в этом случае под напряжением находятся одновременно две обмотки и теплоотдача возрастает. Двигатель уже через несколько секунд нагревается достаточно сильно, потому эксперимент я прекратил.

Что с максимальной частотой шагов? 500 шагов/секунду; 31 об/сек = 1875 об/мин.
Надо сказать, что для шагового двигателя он довольно шустрый. Это связано с малым количеством магнитных полюсов на роторе.

Эксперимент №2. TMC2208 + ATtiny44

TMC2208 — название микросхемы-драйвера для управления биполярными шаговыми двигателями, аналогично называется модуль на её основе, который выпускается для установки в самодельные (и не только) 3D принтеры и имеет унифицированное расположение выводов.
Много и доходчиво сказано про этот модуль вот здесь.

В интернете много написано про то, как установить его в свой 3D принтер, но нас интересует как подключить модуль к микроконтроллеру, потому давайте разбираться.

Характеристики микросхемы впечатляют (только впечатлительных людей):

Управлять ей очень просто, по сути нужно всего два пина микроконтроллера. Один подключаем к DIR — указываем направление вращения двигателя, другой подключаем к STEP — при подаче импульса микросхема производит необходимые манипуляции с токами и напряжениями на обмотках двигателя и тот делает один шаг.

Схема подключения будет выглядеть так:

Дополнительно я использовал пин EN, чтобы отключать моторчик и длительное время не держать обмотки под напряжением.

Перед тем как всё запустить нужно произвести предварительную настройку модуля. Во-первых, выставить желаемый режим микрошага. Во-вторых, выставить желаемый максимальный ток двигателя.

С микрошагом всё просто. За это отвечают пины MS1 и MS2.

Отмечу, что микросхема не скачкообразно меняет напряжение, а делает это «плавно», но так как микросхема цифровая, то на выходе у нас не гладкий сигнал, а сигнал с маленьким шагом, если верить документации, то каждый шаг она разбивает на 256 микрошагов. Сделано это для увеличения плавности хода, снижения шумов от двигателя и по идее не должно позволять конструкции, к которой он прикручен, входить в резонанс. Короче, всё для того, чтобы 3D принтер работал тише.

Чтобы выставить ток двигателя необходимо измерить напряжения на контакте Vref, который указан на рисунке. Изменить значение напряжения можно при помощи потенциометра, установленного рядом с контактом. Напряжение на контакте будет пропорционально току двигателя, и зависимость будет иметь следующий вид:

Нашему моторчику нужно примерно 150мА, потому Vref = 0,216В. Устанавливаем…

Подразумевается, что увеличение тока микросхема обеспечивает за счёт увеличения напряжения на обмотке. Потому, нужно позаботиться о том, чтобы этого напряжения хватило. Но, полагаю, для того маленького моторчика должно хватить и 5В.

Протестируем работу моторчика с различными режимами микрошага и посмотрим что получится (пауза между микрошагами 10мс):

Можно заметить, что движения моторчика стали более плавными (по сравнению с предыдущим экспериментом), однако характерные 16 шагов всё равно наблюдаются довольно чётко. Что же… видимо это черта шаговых двигателей с ротором из постоянных магнитов.
Ещё необходимо отметить, что моторчик в этом режиме нагревается почти также сильно, как в полношаговом режиме с двумя фазами. Оно и понятно, обмотки постоянно находятся под напряжением, непрерывно происходит выделение тепла.

Полагаю, для таких моторчиков использование такого драйвера, да и вообще режимов микрошага не очень целесообразно.

Эксперимент №3. ATtiny44-драйвер

Вернёмся ненадолго к первому эксперименту и вспомним, что входы EN1 и EN2 микросхемы драйвера подключены к пинам OC0A и OC0B микроконтроллера. Это значит, что мы можем подать туда ШИМ сигнал, генерируемый при помощи таймера TIMER0 и таким образом изменять напряжение, прикладываемое к обмоткам двигателя и соответственно регулировать ток, который будет протекать через них.

Согласно даташиту на микроконтроллер ATtiny44 максимальный ток, который может выдать один пин составляет всего 40мА. Причём не указано для какого вида тока (пульсирующего или постоянного) эта характеристика. Просто она есть и она вот такая…

Надо сказать, что я более 7 лет знаком с микроконтроллерами фирмы ATMEL. И ни разу у меня не возникло желания проверить эту строчку из даташита.

Возможно, производитель просто подстраховывается и на самом деле он может выдать больше, а может это действительно максимум, что может выдать один пин.

Мы это выясним. Но сначала нужно выяснить при каком минимальном токе моторчик вообще способен вращаться.

Используя схему из первого эксперимента, подгоняем значение тока через обмотки равное 40мА. Запускаем в полношаговом режиме с двумя фазами (так как будет выше крутящий момент):

Отлично! При 40мА двигатель успешно запустился! Был также выявлено минимальное значение тока обмоток, необходимое для устойчивой работы мотора, и равно оно 30мА.

Разумеется, крутящий момент будет значительно ниже, но для нас важен сам факт того, что удалось запустить моторчик с таким маленьким энергопотреблением.

Схема подключения шагового двигателя к микроконтроллеру будет следующей:

Поскольку каждый пин микроконтроллера работает как полумост (может коммутировать вывод микросхемы либо на Vcc, либо на GND), то для управления биполярным шаговым мотором нам понадобиться 4 пина микроконтроллера.

Немного поясню как работает эта программа. Это модифицированный код из первого эксперимента. Как я говорил выше, будет использован 8 битный TIMER0 для генерирования ШИМ сигнала на выходах OC0A и OC0B. Таймер настраивается в режим FastPWM с предделителем на 8 (частота сигнала при 8МГц тактового генератора микроконтроллера составляет 3906Гц).

Чтобы изменять полярности сигналов на обмотках происходит переключение пина микроконтроллера от Vcc к GND изменением соответствующего бита в регистре PORTx и изменением коэффициента заполнения ШИМ путём записи значений в регистры OCR0A и OCR0B (значения подбирались экспериментально).

Курс схемотехники, прослушанный на первом курсе института подсказывает, что мультиметр показывает среднеквадратическое значение напряжения и тока в двигателе.

Шаговый двигатель вращается от пинов микроконтроллера без драйверов!

Но здесь мы не выходим за пределы возможностей микроконтроллера, по крайней мере, если верить тому, что пишут в документации. В таком режиме микроконтроллер и моторчик могут работать долго. Действительно, эксперимент длился 20 минут. За это время не наблюдалось ни пропуска шагов, ни сброса контроллера, ни перегрева (ни у двигателя, ни у контроллера).

Отбросим все предосторожности

Уберём из эксперимента ШИМ и будем напрямую управлять пинами микроконтроллера при помощи регистров PORTx. Посмотрим что будет с микроконтроллером после этого.

Работает… с максимальным током в 51мА… Что же… неожиданно, похоже это и есть предельный ток, который может отдать один пин микроконтроллера? Если я ошибаюсь, поправьте меня.

В любом случае, ролик с ютуба не обманул. Действительно можно управлять этим моторчиком без всяких драйверов.

Выводы

Мы подробно изучили миниатюрные биполярные шаговые моторчики, их конструкцию и способы управления ими, для использования в собственных приложениях.

1. Миниатюрный биполярный шаговый мотор с ротором из постоянных магнитов действительно миниатюрный.

Его основные особенности:

3. Использование специализированного драйвера TMC2208 является спорным вопросом, так как микрошаговый режим не поддерживается самим двигателем, хотя переходы между шагами выполняются более плавно.

4. Возможно подключение шагового двигателя непосредственно к портам микроконтроллера. Но это только в рамках эксперимента, так как крутящий момент в данном случае совсем незначителен, да и малый ток не позволяет совершать шаги с большой скоростью.

В следующий раз расскажу, для чего именно нам потребовались такие маленькие шаговые моторчики.

Источник

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

Принцип 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.

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:

Распиновка микросхемы L298N:

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:

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.

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.

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

Характеристики драйвера HG7881:

Распиновка:

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

Подключение одного двигателя к Ардуино изображено на рисунке.

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.

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.

Источник