Блок питания для шаговых двигателей схема

Самодельный станок с ЧПУ

Введение

Точность станка 0.0025 мм на 1 шаг, но по факту (с учетом неточности изготовления узлов станка, зазоры в узлах, в паре винт- гайка) точность составляет 0.1мм. Станок без обратной связи, т.е. положение инструмента отслеживается программно, за точность перемещения отвечают шаговые двигатели.

Станок подключается к компьютеру через LPT порт, работает под Windows 98 и XP.

Механическая часть

Электрика

Блок питания: 12в 3А – для питания шаговых двигателей и 5в 0.3А для питания микросхем контроллера.

Контроллер: Разработанный контроллер может обслуживать до 32 (в моей схеме 3) шаговых двигателей последовательно, т.е. одновременно может работать только один двигатель. Параллельная работа двигателей обеспечивается программно. Контроллер управления шаговыми двигателями собран на микросхемах 555TM7 серии (3шт). Не требует прошивки.

Электрическая схема контроллера:

Описание и назначение выводов разъема порта LPT:

Для эксперимента был использован шаговый двигатель от старого 5,25-дюймов

8 бит идущих от LPT разделяем на две группы по 4бит: данные и управляющие. При получении сигнала одним из трех триггеров, данные записываются в триггер ТМ7 и соответственно поступают на драйвер шагового двигателя. При снятии с ТМ7 разрешающего сигнала данные в триггере сохраняются (триггер с защелкой) и т.д.

Т.е. для подачи на второй двигатель сигнала 0101 необходимо подать разрешающий сигнал на второй ТМ7 т.е. выдать в порт LPT сигнал:

В моей схеме 7 бит не используется т.к. применено 3 двигателя. На него можно повесить ключ включение главного двигателя (фреза или сверло).

Для подключения к схеме 32 двигателей необходимо на управляющие биты установить дешифратор 4бит=32 в десятичной системе.

Драйвер: Драйвер шагового двигателя (не путать с компьютерными драйверами) представляет собой 4х канальный усилитель или 4 ключа. Собран на 4х транзисторах КТ 917 (кт 972 лучше).

Также можно использовать серийные микросхемы (stepper motor driver), например ULN 2004 (9 ключей) на 0.6А.

Шаговые двигатели

Мне попались двигатели с 5 концами (униполярный см. рис.б) их подключение проще. Управление биполярным двигателем (а) сложнее, в настоящий момент ведется разработка и испытание драйвера для него.

Принцип работы: Рисуется в AutoCad рисунок только линиями (lines) , круги, полигинии, дуги не поддерживаются. Для прорисовки кругов необходимо их обвести маленькими линиями. Файл сохраняется в формате DXF. Запускается программа, открывается сохраненный файл. Рабочий инструмент (перо, сверло и т.п.) выставляется в «ноль» — вкладка «ручное перемещение»

В программе есть просмотр «программы (файла) обработки», оптимизация файла – сокращение холостых перемещений, задание режимов резания. Выбирается вид обработки: рисование, сверление, фрезерование, гравировка. Сверление происходит по точкам “Point” в файле DWG. Фрезерование почти не отличатся от рисования (только режимы). Гравировка это многократное повторение рисунка с постепенным углублением инструмента благодаря этому получена возможность гравировать по стали.

Программу управления самодельным станком с ЧПУ (управления шаговым двигателем) можно найти на сайте http://temport.by.ru/

Также возможна работа с файлами Sprint-Layout формата Gerber (RS274-X) или G-код. Т.е. рисовать и сверлить платы разработанные в программе Sprint-Layout. Можно использовать конвертированные (DXF) файлы из CorelDraw

Описание драйвера шаговых двигателей SMD‑4.2DIN ver.2

SMD-4.2DIN ver.2 является драйвером шаговых двигателей нового поколения. Драйвер предназначен для управления двух и четырехфазными гибридными шаговыми двигателями с током фазы до 4,2А. Блок предусматривает крепление на DIN рейку, что является удобным для размещения его в условиях производства. Принципиальным отличием от предыдущего исполнения драйвера SMD-4.2 является новая улучшенная схемотехника, дающая возможность подерживать большой крутящий момент двигателя на высоких скоростях.

Благодаря улучшенной конструкции SMD-4.2DIN ver.2 обеспечивает такую динамику, при которой шаговый двигатель разгоняется до скорости более 1000 об/мин за доли секунды и с легкостью достигает рабочих скоростей более 4000 об/мин с поддержанием крутящего момента, достаточного для выполнения полезной работы.

Для случаев работы шагового двигателя с высокоинерционной нагрузкой предусмотрен разъем для подключения внешнего тормозного резистора.

Драйвер SMD-4.2DIN ver.2 предусматривает как импульсное управление положением, так и аналоговое регулирование скорости или угла поворота.

Для питания блока могут использоваться стабилизированные и нестабилизированные источники питания постоянного тока. Для снижения общей стоимости возможно использование нескольких приводов с одним источником питания.

Драйвер позволяет дробить шаг двигателя до 1/128, устанавливать ток удержания в процентах от значения рабочего тока.

Габаритные размеры драйвера шаговых двигателей SMD‑4.2DIN ver.2

Схема подключения драйвера шаговых двигателей SMD‑4.2DIN ver.2

Управление шаговым двигателем

SMD-4.2DIN ver.2 предусматривает три типа управления шаговым двигателем:

• Импульсное управление положением внешними сигналами
• Аналоговый режим управления скоростью
• Аналоговый режим управления углом поворота

В зависимости от поставленной задачи блок может использоваться в одном из трех режимов управления — импульсное управление положением для решения задач позиционирования, управление скоростью аналоговым сигналом — для задач точного поддержания и регулирования скорости, задание угла поворота в зависимости от внешнего входного сигнала (напрмер, для реализации функции слежения или позиционирования антенн).

В режиме импульсного управления положением есть возможность инверсии сигнала разрешения EN.

В режиме аналогового управления предусмотрена возможность задания плавности разгона и торможения.

Драйвер предусматривает два варианта коммутации обмоток шагового двигателя:

• Токовое регулирование
• Вольтовое регулирование

При токовом режиме управления контролируется максимальный ток, подаваемый на фазу двигателя. Для управления в этом режиме можно использовать любой шаговый двигатель с установкой максимального тока в настройках контроллера. Этот режим управления характеризуется большим крутящим моментом, высокой скоростью вращения, но ограничен максимальной величиной дробления до 1/16 от основного углового шага ШД.

Вольтовый режим управления характеризуется большей плавностью хода и возможностью дробления шага двигателя до 1/128 от величины основного углового шага. Однако, скорость и крутящий момент на выходном валу двигателя в этом режиме управления ниже по сравнению с токовым режимом. Режим вольтового управления может использоваться только с теми шаговыми двигателями, список параметров которых сохранен в памяти блока.

USB контроллер шаговых двигателей и USB драйвер шагового двигателя

Взятый нами двигатель является гибридным и поддерживает несколько вариантов управления. Управлять двигателем будем биполярным методом и соответственно собираем мы драйвер биполярного шагового двигателя с USB контроллером. Сначало покажу готовый результат, а потом подробно рассмотрим его. Вот фото собранного драйвера шагового двигателя с USB управлением, который я собрал:

Драйвер шагового двигателя с USB управлением своими руками

Схема драйвера биполярного шагового двигателя и USB контроллера (схема длинная и нуждается в прокрутке для просмотра):

Драйвер шагового двигателя USB на микроконтроллере AVR своими руками

Дополнительно нужно (нет в наличии):

1) Модуль питания DC-DC SMAU01L-12 (вместо него пойдет любой конвертер DC-DC с 5V до 10V-15V) — 1 шт., возможно можно без него, от 5V питать (не проверено)

Главным компонентом схемы является программируемый микроконтроллер AVR — ATmega16A, если вы не знаете как с ними работать (записывать программу), сначало ознакомьтесь с основами такой работы, которые подробно описаны в первой статье
управление машиной. Для устройства можно использовать и другой микроконтроллер AVR, я выбрал ATmega16A, т.к. в нем с запасом имеется много памяти и контактов для подключения нескольких двигателей и большого количества рабочих инструментов.

Слева от ATmega16A находятся компоненты для организации связи по протоколу USB — к выводам XTAL подключен внешний кварцевый резонатор с USB-совместимой частотой 12 МГц. Для сглаживания сигнала у него есть 2 конденсатора по 20 пФ, все это соединяется с минусом питания. К контактам, через которые идет обмен сообщениями с USB, подключены 2 резистора по 68 Ом, как того требует протокол USB. Резистор на 1.5 кОм, подключенный к D- линии задает низкоскоростной режим работы USB устройства. Диоды Зенера 3V6 понижают напряжение на линиях, через которые идет обмен данными USB с 5 до 3.6V.

Управление двигателем подключается к контактам PB0, PB1, PB2, PB3, на остальные свободные P-контакты можно в будующем подключить еще двигатели и рабочие инструменты, но пока они пустуют. Микроконтроллер ATmega16 отдает команды и обрабатывает USB сигналы после того как в него записана программа (ниже она будет написана). После него идет конструкция из микросхем IR2102 и транзисторов IRF540N (2 так называемых H-моста) — она приводит шаговый двигатель в движение.

Драйвер IR2101 нужен для преодаления большой емкости затвора транзистора IRF540N, что позволяет открывать и закрыть транзистор с большой скоростью (например принимать сигнал ШИМ, которым может регулироваться скорость двигателя при необходимости — об этом сигнале дальше напишу), что нам и нужно. К сожалению для питания этого драйвера необходимо 10-15V, у нас есть только 5V от USB. Поэтому пришлось поставить компонент DC-DC SMAU01L-12, который преобразует 5V в 12V, вместо него можно использовать любой другой способ получения такого напряжения, например, при помощи трансформатора или любым другим путем. К VCC подключается +12V, к COM -12V. Один драйвер работает с 2мя транзисторами — верхним (H) и нижним (L). Контакты HIN и LIN — входной сигнал с микроконтроллера для верхнего и нижнего транзистора, по этому сигналу транзисторы открываются и закрываются. HO и LO — это выходные сигналы, транзисторы подключаются гейтами (G) к этим контактам. Они подключаются не просто так — справа на линиях 2 резистора 10/100 Ом и диод, они нужны для нормальной работы транзисторов — чтобы они замедлялись при открытии и не замедлялись при закрытии, эти транзисторы слишком быстро открываются и это может вызвать проблемы. Диод и конденсаторы 3300 пФ — нужны для работы драйвера IR2101 согласно документации на эту микросхему.

Каждая обмотка (фаза) двигателя (у двигателя 2 обмотки A и B — 4 контакта) подключается к H-мосту из транзисторов IRF540N. H-мост — это специальная схема соединения транзисторов, которая позволяет подавать через них напряжение высокого уровня (24V) в разных направлениях. Один мост изготавливается из 4-х транзисторов. В итоге здесь вы видите 2 H-моста, которые позволяют гонять разнонаправленное напряжение высокого уровня по 2м обмоткам двигателя и тем самым крутить его.

Обратите внимание, что в мосту — HIN верхнего драйвера соединяется с LIN нижнего драйвера, а LIN верхнего с HIN нижнего. Это сделано для одновременной подачи сигналов. Если вы включили HIN сверху, то обязаны включить LIN с низу, иначе произойдет короткое замыкание. Такое подключение позволяет автоматом включать пару. Впрочем короткое замыкание все же возможно, если вы откроете и HIN и LIN на одном мосте, поэтому не допускайте этого. На контактах PB0 — PB3 допустимы только значения 0000, 1010, 0110, 0101, 1001. Их перебор крутит двигатель. Подача других значений скорей всего приведет к короткому замыканию моста.

Мощные резисторы с низким номиналом 0.1 Ом и высокой мощностью (3-5 Вт) нужны для защиты от высокого тока — это шунты. Если что их можно снять и заменить простым соединением с минусом питания, если например не будет хватать мощности. Для слабых резисторов мощность берется от тока USB: 0.05 А * 5 V = 0.25 Вт (ток USB задается программно, по умолчанию в нашей программе стоит 0.05). Черная полоска на диодах соответствует вертикальной линии на схеме.

Шаговый двигатель и блок питания подключаются к H-мостам, как показано на схеме. Минусы питания 24V, 12V и 5V соединяются. Между плюсом и минусом 24V линии ставится сглаживающий пленочный конденсатор.

Отдельное крупное фото драйвера шагового двигателя:

Как выбрать блок питания для ЧПУ станка

Пошаговая инструкция, которая поможет подобрать подходящий блок питания для вашего станка с ЧПУ.

Все, кто работал с РЭА, знают, что источник питания — важнейший элемент функционирования системы. Основная задача в выборе блока питания для станка с ЧПУ заключается в определении питающего напряжения, силы тока и вида источника питания (импульсный-линейный, регулируемый-нерегулируемый и т.п.).

Поскольку серводрайверы, как правило, обладают встроенным источником питания со входным напряжением 220 или 380 В, нижесказанное относится к выбору источника питания для привода на шаговых двигателях.

СИЛА ТОКА

Наиболее просто выбрать уровень силы тока, который базируется на характеристиках привода. Рассмотрим сразу на примерах. Сила тока, требуемая драйверу шагового двигателя от ИП, для линейного источника питания составляет минимум 2/3 от номинального значения тока фазы двигателя, а для импульсного надо сделать небольшой запас, порядка 15-30%. Т.е., для двигателя с заявленным током фазы 4.2 А требуется линейный источник питания с током не менее 2.8 А, или импульсный с током от 4.5 А. При подключении нескольких шаговых приводов к одному блоку питания полученные таким образом для каждого значения необходимо сложить, чтобы получить ток, который необходимо получить с источника питания. При подключении нескольких драйверов к одному блоку питания всегда используйте схему подключения звезда с общей точкой на клемме блока. Не подключайте драйверы к клеммам другого драйвера!

НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ И МОЩНОСТЬ

Напряжение источника питания зависит от индуктивности нагрузки(от кол-ва витков на статоре шагового или серводвигателя). Для определения максимального питающего напряжения некоторыми производителями рекомендуется формула:

32 * √L = Umax, где L — индуктивность обмотки в мГн. Считается, что полученное значение Umax нелья превышать, иначе можно повредить двигатель. Эту формулу эмпирически вывел инженер компании Geckodrive, она не является догмой, и лишь показывает, что с ростом индуктивности обмоток двигателя требуется большее напряжение, чтобы получить требуемую динамику, а также ограничивает неопытных пользователей от использования слишком большого напряжения.
В случае, когда запитываются несколько приводов с разными индуктивностями от одного блока питания, для расчета напряжения источника по этой формуле надо брать минимальную индуктивность из всех двигателей — так вы несколько снизите динамику остальных двигателей, но спасете их от перегрева. Если индуктивность обмоток двигателя неизвестна, для определения Umax можно воспользоваться напряжением U, указанным для обмоток производителем. Как правило, оно весьма мало, порядка 1-5 В. Для получения напряжения питания драйвера это число необходимо увеличить в 7-20 раз(чем больше двигатель, тем больше должен быть множитель). По еще одной эмпирической формуле Umax = 25*U, то есть превышение номинального напряжения более чем в 23-25 раз может привести к перегреву двигателя и выходу его из строя!

Мощность, потребляемую двигателем, можно оценить сверху, перемножив полученное в расчетах максимальное напряжение питания на 2/3 от номинального тока двигателя. Т.е. для двигателя ST57-56 мощность потребления составит порядка 32*sqrt(2.4 мГн) * 2/3 * 3 А = примерно 100 Ватт. Эта формула дает очень осторожную оценку. В реальности потребление много ниже, и составляет примерно такие цифры: двигатели серии 57 мм — 40-70 ватт, двигатели 86 серии — 65-120 ватт на двигатель, в зависимости от нагрузки, выставленного тока на драйверах и т.п.

ВИД БЛОКА ПИТАНИЯ

При выборе вида источника питания можно руководствоваться следующими соображениями. Нерегулируемый трансформаторный(линейный) источник питания подойдет в большинстве случаев, и обладает существенным преимуществом — простотой. При резком торможении шагового мотора генерируется существенная ЭДС, которая складывается с питающим напряжением контроллере двигателя. На многих регулируемых источниках питания может сработать защита от превышения напряжения, тогда как на линейном источнике энергия будет просто запасена в фильтрующем конденсаторе. Кроме того, линейные источники легко переносят резкие скачки потребляемого тока, что позволяет для питания одного и того же набора приводов использовать линейный источник с меньшим номинальным током, чем импульсный.

Регулируемые импульсные источники питания получили весьма широкое распространение вследствие своей дешевизны. В настоящее время импульсные источники питания показывают весьма неплохие эксплуатационные характеристики. Несмотря на то, что импульсные блоки питания с выходным напряжением более 50 В практически не выпускаются, они допускают соединение нескольких блоков последовательно, что позволяет сделать составной блок питания с требуемым напряжением. Скажем, соединив последовательно источники S-350-48 и S-350-27, получим источник питания с выходным напряжением в 75 В, что является оптимальным для драйверов AM882. При соединении ИБП последовательно выбирайте блоки с одинаковым значением выходного тока! (подробней об отличиях линейных и имульсных блоков питания).
Существуют также нерегулируемые импульсные блоки питания, специально предназначенные для питания индуктивных нагрузок, таких, как шаговые двигатели и сервомоторы. Обычный импульсный источник питания рассчитан на сравнительно постоянную, равномерную нагрузку, такую, какую потребляют маломощные логические устройсва — контроллеры, компьютеры и т.п., тогда как в приводах станка с ЧПУ сила тока изменяется очень быстро, что вызывает периодические скачкообразные изменения напряжения на БП. По этой причине при использовании регулируемого ИБП есть вероятность выхода из строя драйвера или блока питания, срабатывания защит регулируемого БП и т.п.

Нерегулируемые импульсные источники питания лишены данного недостатка.

Когда шаговый двигатель резко снижает обороты с приложенным большим моментом инерции на валу, необходимо обязательно учитывать генерируемую двигателем ЭДС индукции(так называемая «обратная ЭДC», или иногда говорят «противоЭДС»). Кинетическая энергия вала с нагрузкой превращается в ток, и должна быть отведена из двигателя. Так как драйвер не может диссипировать эту энергию, он передает её на блок питания. В результате, из потребителя тока драйвер превращается в его источник. Этот ток может привести к пробою конденсаторов блока питания. Если вы питаете несколько шаговых приводов от одного блока питания, это не так страшно, так как энергия , генерируемая одним двигателем, будет поглощена другими. Но только не в том случае, когда они тормозят одновременно! Для этого случая и для случая использования 1 привода на 1 источнике питания может потребоваться установить стабилитрон для отвода тока. Напряжение стабилитрона должно быть больше, чем расчетное питающее напряжение, но достаточно низким, чтобы защитить блок питания. Например, если вы для драйвера AM882 с расчетным напряжением питания 75 В выбрали блок питания и установили на нем выходное напряжение 75 В, напряжение стабилитрона можно выбрать порядка 80-85 В.

Функция Stepper() создает новый объект класса Stepper, привязанный к одному шаговому двигателю, подключенному к контроллеру Arduino. Конструктор следует использовать при объявлении переменной класса Stepper, обычно в самом начале — вне setup() и loop(). Количество параметров зависит от способа подключения — 2 или 4 выхода используются для управления двигателем.

Stepper(steps, pin1, pin2) Stepper(steps, pin1, pin2, pin3, pin4)

steps — количество шагов в полном обороте используемого двигателя. Если в документации к двигателю указан угол одного шага, то следует разделить 360° на этот угол, что даст нам искомое количество шагов;

pin1, pin2, pin3, pin4 — выходы Arduino для подключения шагового двигателя. Возвращаемое значение: новый экземпляр объекта класса Stepper.

Как выбрать блок питания для приводов перемещения?

Приводы перемещения, как правило, выполнены на сервомоторах и шаговых двигателях. Выбор блока питания для ЧПУ сводится к определению необходимых параметров силы тока, напряжения, а также вида источника. По конструкции они могут быть линейными и импульсными (регулируемыми и нерегулируемыми).

Сила тока

Для определения силы тока источника, достаточной для драйвера шагового двигателя, достаточно выполнить простейшие математические вычисления. Для линейного источника ток фазы двигателя умножают на 2/3, а для импульсного – на 1,2. Например, для двигателя с нагрузкой 3 А необходимо выбирать линейный источник питания минимум на 2 А. Сила тока импульсного блока должна составлять 3,6 А.

При подключении двух и более шаговых двигателей к одному источнику их токи (с учетом коэффициентов) суммируются. Коммутация выполняется по схеме «звезда» с соединением на клемме блока питания. Последовательное соединение двигателей не допускается.

Напряжение

Индуктивная составляющая нагрузки влияет на напряжение блока питания привода станка ЧПУ. Для расчета максимального напряжения источника некоторые производители шаговых и серводвигателей рекомендуют использовать следующую формулу:

где L – это индуктивность в мГн. Превышение максимального напряжения нередко приводит к повреждению обмоток электродвигателя.

При расчете блока питания для нескольких двигателей выбирают тот, у которого значение индуктивности меньше других. Это позволит уберечь обмотки от перегрева, но отрицательно повлияет на динамику привода.

Вид блока питания

Большинство производителей станков с ЧПУ используют линейные блоки питания, построенные на тороидальных трансформаторах. Устройства отличаются простотой конструкции, отказоустойчивостью и способностью выдерживать перегрузки по току.

Линейные регулируемые блоки питания популярны благодаря низкой стоимости. При резком торможении шагового двигателя, запитанного от такого источника, вырабатывается ЭДС торможения, в результате чего контроллер из потребителя энергии может превратиться в ее источник. Такая перегрузка приведет к защитному отключению привода. Нерегулируемые линейные блоки питания, разработанные для нагрузок с индуктивной составляющей, лишены такого недостатка.

Для комплектации фрезерно-гравировальных и лазерных станков MULTICUT используются сервоприводы DELTA мощностью 750 и 1000 Вт, состоящие из двигателя, контроллера и встроенного блока питания. Они рассчитаны на непосредственное подключение к сети переменного напряжения 220/380 В. Для заказчиков, которые предпочтут более доступные шаговые приводы, мы предлагаем продукцию компаний MIGE и YAKO.

Применение [ править | править код ]

Сервоприводы применяются для точного (по датчику) позиционирования (чаще всего) приводимого элемента в автоматических системах:

• управляющие элементы механической системы (заслонки, задвижки, углы поворота)
• рабочие органы и заготовки в станках и инструментах

Сервоприводы вращательного движения используются для:

Сервоприводы линейного движения используются, например, в автоматах установки электронных компонентов на печатную плату.

Серводвигатель [ править | править код ]

Серводвигатель — сервопривод с мотором, предназначенный для перемещения выходного вала в нужное положение (в соответствии с управляющим сигналом) и автоматического активного удержания этого положения.

Серводвигатели применяются для приведения в движение устройств управляемых поворотом вала — как открытие и закрытие клапанов, переключатели и так далее.

Важными характеристиками сервомотора являются динамика двигателя, равномерность движения, энергоэффективность.

Серводвигатели широко применяются в промышленности, например, в металлургии, в станках с ЧПУ, прессо-штамповочном оборудовании, автомобильной промышленности, тяговом подвижном составе железных дорог.

В основном в сервоприводах использовались 3-полюсные коллекторные двигатели, в которых тяжелый ротор с обмотками вращается внутри магнитов.

Первое усовершенствование, которое было применено — увеличение количества обмоток до 5. Таким образом, вырос вращающий момент и скорость разгона. Второе усовершенствование — это изменение конструкции мотора. Стальной сердечник с обмотками очень сложно раскрутить быстро. Поэтому конструкцию изменили — обмотки находятся снаружи магнитов и исключено вращение стального сердечника. Таким образом, уменьшился вес двигателя, уменьшилось время разгона и возросла стоимость.

Ну и наконец, третий шаг — применение бесколлекторных двигателей. У бесколлекторных двигателей выше КПД, так как нет щёток и скользящих контактов. Они более эффективны, обеспечивают большую мощность, скорость, ускорение, вращающий момент.