Система управления шаговым двигателем

Преобразователь доставляет четыре выходных сигнала для их последующей обработки  в выходном логическом блоке, который  обеспечивает выполнение функций запрета  и прерывания. Он состоит из 3-битного  счетчика и нескольких комбинационных логических схем, которые генерируют двоичный циклический код (код Грея) основной восьмишаговой последовательности. 2.47. Все три рабочих последовательности могут легко генерироваться из основной. Она напрямую соответствует режиму полушага, выбираемому при высоком уровне сигнала на входе HALF/FULL. В этой последовательности генерируются два других сигнала – INH1 и INH2. и

Микросхема L297 предназначена  для использования с двойным  мостовым драйвером, квадратной матрицей Дарлингтона или дискретными устройствами в системах управления шаговыми электродвигателями. Она получает сигналы синхронизированного шага, направления и режима работы от системного контроллера (как правило чипа микрокомпьютера) и генерирует сигналы управления для каскада электропитания.

Основными функциями являются: преобразователь последовательности чередования фаз электродвигателя и двойная цепь прерывателей широтно-импульсной модуляции, регулирующая ток в обмотках электродвигателя. Преобразователь  создаёт три последовательности, выбираемые входом HALF/FULL: обычную (включены две фазы), колебательную (включена одна фаза) и полушаговую (поочередное включение одной и двух фаз). В режиме полушага и в колебательном режиме L297 генерирует также два запрещающих сигнала, которые предназначены для ускорения спада тока при отключении обмотки.

Вход CONTROL определяет, на что  будет действовать прерыватель: шины фаз ABCD или шины запрета INH1 и INH2. Когда шины прерваны, неактивная линия фазы каждой пары (АВ или CD) включается вместо того, чтобы прерывать активную линию. В конфигурациях L297+L298 эта методика снижает потери в контрольных резисторах тока нагрузки.

Общий встроенный в чип  генератор управляет двойным  прерывателем. Он подает импульсы на разряд прерывателя, который устанавливает  два триггера FF1 и FF2. Когда ток  в обмотке достигает запрограммированного максимального значения, разность потенциалов  на концах контрольных резисторов составляет Vref, и соответствующий компаратор сбрасывает триггер, прерывая ток возбуждения до тех пор, пока от генератора не придет следующий сигнал. Максимальный ток для обеих обмоток программируется делителем напряжения на входе V_ref.

Основных шумовых проблем  в сложных конфигурациях можно  избежать, синхронизируя генераторы с прерывателями. Это осуществляется соединением всех выводов SYNC вместе, установкой RC цепочки только на одно устройство и заземлением выводов OSC на всех других устройствах.

 

2. Двухполупериодный мостовой драйвер L298.

L298 - монолитная интегральная  схема. Это высоковольтный сильноточный  двухполупериодный мостовой драйвер,  предназначенный для принятия  стандартной транзисторно-транзисторной  логики и управления индуктивной  нагрузкой - реле, соленоидами, электродвигателями  постоянного тока и шаговыми  электродвигателями.

Для включения и выключения устройства независимо от входных сигналов предусмотрены  два входа.

Эмиттеры нижних транзисторов каждого мостика соединены вместе, а соответствующий внешний вывод  может использоваться для подключения  внешнего измерительного резистора.

Дополнительный вход питания  предусмотрен таким образом, что  логическая схема работает при малом  напряжении.

Использование новой ионно-имплантационной  высоковольтной/сильноточной технологии позволяет этому чипу выдерживать  мощность до 160 Вт (напряжение питания 46 В, ток 2 А на каждый мост). Для снижения рассеиваемой мощности и возможности  прямого подключения к контроллеру L297 или другой схеме управления предусмотрен отдельный логический вход на 5 В.

 

2. Устройство управления привода через USB интерфейс.
1. Модуль Ke-USB24A

В качестве связующего устройства между  системой управления привода и USB интерфейс был выбран модуль Ke-USB24A. Модуль (электроника) — функционально завершённый узел радиоэлектронной аппаратуры, оформленный конструктивно как самостоятельный продукт. Модуль Ke-USB24A предназначен для сопряжения внешних цифровых и аналоговых устройств, датчиков и исполнительных механизмов с компьютером через шину USB. На компьютере под управлением операционной системы Windows или ОС семейства Linux модуль определяется как USB. Последнее обстоятельство существенно облегчает программирование, т.к. нет необходимости в применении дополнительных динамических библиотек, сложных интерфейсов и непосредственного общения с драйвером. Для написания собственных программ управления модулем возможно применение любого языка/среды программирования, поддерживающих возможность работы с USB.

Модуль имеет 24 дискретные линии  ввода/вывода (либо лог. 1 либо лог. 0) с  возможностью независимой настройки  направления передачи данных (вход/выход) и встроенный 10-ти разрядный АЦП  с гарантированной частотой дискретизации  до 400 Гц.

 

2. Особенности модуля:

• интерфейсный модуль для сопряжения по шине USB;
• не требует дополнительных схемных элементов. Сразу готов к работе;
• 24 дискретных линии ввода/вывода с возможностью независимой настройки направления передачи данных (вход/выход) и сохранения настроек в энергонезависимой памяти модуля;
• встроенный 10-ти разрядный АЦП с гарантированной частотой дискретизации до 400 Гц;
• динамический диапазон напряжения входного аналогового сигнала для АЦП от 0 до 5 В;
• набор готовых текстовых команд управления высокого уровня (KE - команды);
• удобный форм-фактор в виде модуля с DIP-колодкой и разъемом USB-B;
• возможность питания как от шины USB так и от внешнего источника питания (режим выбирается джампером на плате);
• возможность сохранения данных пользователя в энергонезависимой памяти модуля (до 32 байт);

 

3. Принцип работы модуля.

Для управления модулем предусмотрен набор высокоуровневых текстовых  команд управления (KE - команды). Формируемая  команда отправляется в порт, процессор  модуля декодирует ее, выполняет необходимую  операцию и отправляет обратно ответ  в текстовом формате о статусе  выполненной задачи или другую необходимую  информацию, специфичную для конкретной команды. Применение текстовых команд позволяет в общем случае обойтись без разработки дополнительного  программного обеспечения. Достаточно использовать любую терминальную программу  позволяющую передавать данные через COM порт. Но лучше всего использовать программу KeTerm, которая была специально разработана для работы с модулем.

 

4. Функциональные характеристики.

Общее количество выводов  модуля	32
Количество линий ввода/вывода	24
Наличие АЦП	да
Разрядность АЦП	10 бит

 

5. Электрические характеристики.

Напряжение питания	5 В
Низкий уровень напряжения на линии ввода/вывода	≤ 0.3 В
Высокий уровень напряжения на линии ввода/вывода	≥ 4 В
Максимальный ток нагрузки для одной линии ввода/вывода	25 А
Максимальный суммарный  ток нагрузки для всех линии ввода/вывода	200 мА

 

 

4. Разработка функциональной схемы.

 

1.  Разработка функциональной схемы для привода.

Привод включает в себя двигатель, трансмиссию и систему управления. В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики  обратной связи по углу или положению  выходного вала исполнительного  двигателя. Если в качестве исполнительного  двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи и  упростить систему управления двигателем, так как отпадает необходимость  использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.

 

2. Разработка функциональной схемы для устройства управления приводом.

Устройство управления приводом представляет собой модуль, который предназначен для связи между внешними цифровыми и аналоговыми устройствами, датчиками и исполнительными механизмами с компьютером через шину USB.

 

3.  Итоговая функциональная схема.

Итоговая функциональная схема  представляет собой последовательное соединение всех компонентов.

 

 

5. Разработка принципиальной электрической схемы.
1. Разработка принципиальной электрической схемы привода.

Система управления привода  состоит из двух микросхем(L297 и L298N) и их обвязки.

 

1. Микросхема L297 – контроллер биполярного шагового двигателя, реализующий ШИМ-стабилизацию тока. Преобразователь на L297 генерирует последовательное чередование фаз для обычного, колебательного и полушагового режимов работы.

 

1.  Абсолютные максимально допустимые значения

 

Обозначение	Характеристика	Значение	Единица измерения
Vs	Напряжение источника  питания	10	В
V1	Входные сигналы	7	В
Psot	Общая рассеиваемая мощность	1	Вт
Tstg , Ti	Температура хранения и температура  р-n перехода	От -40 до +150	°С

 

2. Назначение выводов.

 

Обозначение	Функция
SYNC	Вывод на чипе генератора прерывателя. SYNC соединены у всех L297s, которые для синхронизации связаны  вместе, и компоненты генератора  удалены на всех кроме одного. Если используется внешний источник  часов, это учтено.
GND	Заземление
НОМЕ	Открытый вывод коллектора, который указывает, когда L297 находится  в его начальном состоянии (ABCD=0101). Транзистор является открытым, когда  сигнал активный.
A	Фаза А двигателя возбуждает сигнал для мощного каскада.
INH1	Активный низкий уровень  запрещает управление драйвером  фаз А и В. При задействовании биполярного моста этот сигнал может  использоваться, чтобы гарантировать  быстрый спад тока нагрузки, когда  обмотка не возбуждена. Также используется прерыватель, чтобы регулировать ток  нагрузки, если уровень вывода CONTROL низок.
B	Фаза В двигателя возбуждает сигнал для мощного каскада.
C	Фаза C двигателя возбуждает сигнал для мощного каскада
INH2	Активный низкий уровень  запрещает управление возбуждением фаз С и D. Функции аналогичны INH1.
D	Фаза D двигателя возбуждает сигнал для мощного каскада
ENABLE	Чип допускает ввод. Когда  уровни INH1, INH2 низкие (неактивные), уровни А, В, С и D также низкие.
CONTROL	Вывод управления, определяющий действие прерывателя. При низком уровне прерыватель действует на INH1 и INH2; при высоком прерыватель выравнивает  фазы А, В, С, D.
VS	Вход напряжения питания +5 В.
SENS2	Ввод для тока нагрузки считывает напряжение от мощных каскадов фаз С и D.
SENS1	Ввод для тока нагрузки считывает напряжение от мощных каскадов фаз А и В.
Vref	Опорное напряжение для схемы  прерывателя. Напряжение, приложенное  к этому штырьку определяет пиковый  ток нагрузки .
OSC	Цепь RC (R, Vcc, С к земле), связанная с этой клеммой, определяет норму прерывателя. Клемма заземлена  на всех соединенных микросхемах L297 кроме одной. f≈1/0,69rc.
CW/CCW	Направление почасовой или  против часовой стрелки управляется  входом. Физически направление вращения двигателя также зависит от подключения  обмоток. Поэтому при внутренней синхронизации направление может  быть изменено в любое время.
CLOCK	Время шага. Активный отрицательный  импульс на этом входе продвигает моторное приращение. Шаг происходит на положительном перепаде этого  сигнала.
HALF/FULL	Этот вход определяет режим. Высокий уровень выбирает режим  половины шага, низкий уровень - полного  шага. Одна фаза в режиме полного  шага получается при выборе FULL, когда  преобразователь L297s - в четной позиции. Две фазы в режиме полного шага, при выборе FULL, когда преобразователь - в нечетной позиции.
RESET	Сброс ввода. Активный импульс  низкого уровня на этом вводе возвращает преобразователь в исходную позицию (положение 1, ABCD=0101).