Шаговые двигатели: устройство, подключение и драйверы
Шаговый двигатель поворачивается на фиксированный угол за каждый импульс и держит позицию без датчика обратной связи. Разбираем типы двигателей и обмоток, последовательности управления, микрошаг, ограничение тока и настройку драйвера A4988.
Обновлено Редакция GAW
Шаговый двигатель поворачивает вал на фиксированный угол — шаг — каждый раз, когда драйвер переключает ток в обмотках. Пока нагрузка не превышает момент двигателя, положение вала известно без датчика: достаточно считать шаги. AN907 перечисляет главные достоинства таких двигателей: нет щёток и коллектора, скорость не зависит от нагрузки в пределах момента, позиционирование без обратной связи, удержание вала на месте и быстрый старт, остановка и реверс. Поэтому их ставят в принтеры, станки с ЧПУ, 3D-принтеры и дозирующие насосы.
Типы шаговых двигателей
Различают три типа:
- Реактивные (variable reluctance) — ротор из мягкой стали с зубцами, без магнита. Ротор поворачивается так, чтобы замкнуть магнитный поток включённой обмотки. Обмоток обычно три–пять с общим выводом. Момент слабее падает с частотой: такие двигатели развивают больше 10 000 шагов в секунду, но шумят при любой форме тока и без питания не держат вал.
- С постоянным магнитом (PM) — ротор намагничен, полюса статора притягивают его полюса. Самые дешёвые, «консервные» (can-stack). Типичный шаг — 7,5° и 3,6°, то есть 48 и 100 шагов на оборот.
- Гибридные — зубчатый ротор с осевым магнитом. Сочетают оба принципа: больше момент удержания и мельче шаг. Типичный шаг — от 3,6° до 0,9° (100–400 шагов на оборот), очень распространён шаг 1,8° (200 шагов на оборот).
Двигатели с постоянным магнитом и гибридные заметно «щёлкают» при повороте вала рукой без питания: магнит ротора притягивается к полюсам статора. Этот фиксирующий момент полезен, когда вал должен стоять без тока.
Обмотки: униполярные, биполярные, бифилярные
Униполярный двигатель — две обмотки со средними отводами, 5 или 6 проводов. Средний отвод подключают к плюсу питания, а концы обмоток по очереди замыкают на землю — достаточно одного ключа на каждый конец.
Биполярный двигатель — две обмотки без отводов, 4 провода. Ток через обмотку нужно пускать в обоих направлениях, поэтому каждой обмотке нужен свой H-мост, а двигателю — два. Зато ток течёт по всей обмотке, а не по её половине, и при том же объёме биполярный двигатель даёт примерно на 30 % больший момент.
Бифилярный двигатель — каждая обмотка намотана двумя параллельными проводами, всего 8 выводов. Его включают как униполярный (половины обмотки последовательно, точка соединения — средний отвод) или как биполярный — половины последовательно для высокого напряжения или параллельно для большого тока.
Униполярный двигатель можно подключить к биполярному драйверу, оставив средние отводы свободными. По AN907 он тогда работает при номинальном напряжении и половине номинального тока: обмотка длиннее, а нагрев не должен выйти за допустимый.
Полный шаг, полушаг и порядок переключения
Для биполярного двигателя с шагом 30° (12 шагов на оборот) AN907 приводит две последовательности полного шага:
| Шаг | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|---|---|---|---|
| Одна фаза: обмотка 1 | + | 0 | − | 0 |
| Одна фаза: обмотка 2 | 0 | + | 0 | − |
| Две фазы: обмотка 1 | + | + | − | − |
| Две фазы: обмотка 2 | − | + | + | − |
Включение одной обмотки за раз экономит энергию, включение обеих — даёт больший момент. Если чередовать эти последовательности, получится полушаг: шаг вдвое меньше (24 шага на оборот для того же двигателя), но момент на соседних шагах разный — включены то одна, то две обмотки. Для обратного вращения последовательность проходят в обратном порядке.
Микрошаг
При полном шаге вал движется рывками, особенно на низкой скорости. Микрошаг плавно перераспределяет ток между обмотками: момент каждой обмотки идеального двигателя меняется синусоидально по углу, и если задать токи
где S — шаг двигателя, θ — нужный угол вала, суммарный момент остаётся постоянным, а вал встаёт между полными шагами. Токи задают ШИМ: скважность одной обмотки уменьшают, другой — увеличивают.
Реальный двигатель не идеален: трение создаёт мёртвую зону, а момент не совсем синусоидален. Поэтому, по AN907, редко имеет смысл делить шаг больше чем на 32 микрошага. Главная польза микрошага — плавное и тихое движение без резонансов; редуктор с тем же передаточным числом дал бы больший момент и жёсткость удержания, но добавил бы люфт и снизил скорость.
Ток, напряжение и чоппер
Главный параметр двигателя — допустимый ток фазы Imax: он ограничен нагревом, насыщением магнитопровода и опасностью размагнитить ротор. «Номинальное напряжение» в паспорте — просто напряжение, при котором через сопротивление обмотки течёт Imax. В примере AN907 двигатель с шагом 1,8° рассчитан на 4,5 А при сопротивлении 0,4 Ом и индуктивности 0,96 мГн — номинальные 1,8 В. На таком напряжении он работает плохо: ток в индуктивной обмотке нарастает медленно, и на высоких скоростях момент падает.
Поэтому двигатели питают напряжением в несколько раз выше номинального, а ток ограничивают чоппером: ключ включается, ток быстро растёт до Imax, затем драйвер отключает обмотку и снова включает, удерживая ток на уровне. Ток измеряют на шунте и сравнивают с опорным напряжением VCONTROL = RSENSE · Imax. AN907 советует держать падение на шунте в пределах 10 % напряжения питания, а частоту чоппера — в звуковом диапазоне, но выше наибольшей частоты шагов.
Драйвер A4988
A4988 (Allegro) — драйвер биполярного шагового двигателя с двумя H-мостами на MOSFET, встроенным транслятором и чоппером. По даташиту A4988-DS Rev. 8:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Напряжение питания моторной части VBB | 8–35 В (предел — 35 В) |
| Питание логики VDD | 3–5,5 В |
| Ток выхода | до ±2 А (предельный режим) |
| Сопротивление ключа, верхнего и нижнего | 320 мОм тип., 430 мОм макс. при 1,5 А |
| Длительность импульса STEP, высокий и низкий уровень | не менее 1 мкс |
| Опорное напряжение REF | 0–4 В |
Ток ограничения задают напряжением на выводе REF и шунтами в выводах SENSE:
С шунтами 0,1 Ом напряжение 0,8 В на REF даёт 1 А. Напряжение на выводах SENSE не должно превышать 0,5 В (предельный режим). Погрешность уставки тока даташит указывает не хуже ±5 % на полных 100 % тока и ±15 % на 38 % — на малых шагах микрошага ток менее точен.
Микрошаг выбирают входами MS1–MS3 (таблица 1 даташита):
| MS1 | MS2 | MS3 | Режим |
|---|---|---|---|
| L | L | L | полный шаг |
| H | L | L | 1/2 шага |
| L | H | L | 1/4 шага |
| H | H | L | 1/8 шага |
| H | H | H | 1/16 шага |
Каждый фронт на входе STEP поворачивает вал на один (микро)шаг в направлении, которое задаёт DIR; изменение DIR вступает в силу со следующим фронтом STEP. Входы MSx, DIR и RESET нужно выставить не позже чем за 200 нс до фронта STEP.
L298 и дискретные мосты
Старые схемы собирали драйвер шагового двигателя из двойного моста L298 и контроллера L297: в даташите L298 (DS0218 Rev 5, рис. 10) это и есть пример управления биполярным шаговым двигателем, с шунтами 0,5 Ом для измерения тока. Такой мост на биполярных транзисторах теряет больше: падение на нём при 1 А — 1,8 В типично и до 3,2 В. Подробное сравнение — в статье о драйверах H-моста.
Частые вопросы
Как отличить униполярный шаговый двигатель от биполярного?
По числу выводов: у биполярного четыре провода — две обмотки без отводов, у униполярного пять или шесть — у обмоток есть средние точки, выведенные отдельно или соединённые внутри. Восьмипроводные бифилярные двигатели можно включить и так, и так.
Можно ли подключить униполярный двигатель к биполярному драйверу?
Да. Средние отводы оставляют свободными, а обмотку используют целиком. По AN907 униполярный двигатель в биполярном включении работает при номинальном напряжении и половине номинального тока — так обмотка не перегреется.
Как выставить ток на драйвере A4988?
Ток ограничения задаёт напряжение на выводе REF: ITripMAX = VREF / (8 · RS), где RS — сопротивление шунта. С шунтами 0,1 Ом напряжение 0,8 В даёт 1 А. Ток выставляют не больше номинального тока фазы двигателя, напряжение на шунте не должно превышать 0,5 В.
Сколько микрошагов имеет смысл?
AN907 называет 32 микрошага на шаг уже щедрым пределом: трение и отклонение момента от синусоиды не дают реализовать более мелкое деление. Микрошаг в первую очередь делает движение плавнее и тише, а точность позиции между полными шагами у него ниже, чем кажется по числу.
Почему шаговый двигатель пропускает шаги на высокой скорости?
Момент шагового двигателя падает с ростом частоты шагов: ток в обмотке не успевает нарасти за короткий шаг. Помогает более высокое напряжение питания с ограничением тока чоппером, плавный разгон и запас по моменту. Большинство двигателей с постоянным магнитом и гибридных, по AN907, работают на частотах до 1000 шагов в секунду.
Источники
- Microchip. AN907: Stepping Motors Fundamentals (DS00907A), 2004 — типы двигателей (реактивные, с постоянным магнитом, гибридные), униполярные, биполярные и бифилярные обмотки, последовательности управления (примеры 2–6), выбор двигателя, шаг 7,5° и 3,6° у PM, 3,6–0,9° у гибридных, микрошаг (уравнения 1–4), чоппер (уравнения 10–11), таблица 1
- Allegro MicroSystems. A4988: DMOS Microstepping Driver with Translator and Overcurrent Protection (A4988-DS, Rev. 8) — предельные режимы (35 В, ±2 А), диапазоны питания VBB 8–35 В и VDD 3–5,5 В, сопротивление ключей 320 мОм, таблица 1 (MS1–MS3), тайминги STEP, ITripMAX = VREF/(8 · RS), ошибка уставки тока
- STMicroelectronics. L298: Dual full-bridge driver (DS0218 Rev 5) — рис. 10 — управление биполярным шаговым двигателем с контроллером L297, шунты 0,5 Ом
Нашли ошибку?