Система управления шаговым двигателем

 

Сигналы   INH1 и INH2

В режиме полушага и в  однофазном режиме целого шага генерируются дополнительные сигналы  INH1 и INH2. Это два запрещающих сигнала, связанные с входами включения на L298N и служащие для увеличения скорости затухания тока при выключении обмотки.

Так как в двухфазном режиме целого шага обе обмотки включены постоянно и не отключаются, эти  сигналы не генерируются.

К блоку преобразователя  подключены также два других сигнала: входной RESET и выходной НОМЕ.

RESET - это асинхронный выходной  сигнал сброса, который возвращает  преобразовательный блок в исходное  состояние (положение 1, ABCD = 0101). НОМЕ (открыть коллектор) оповещает  об этом условии и ссылается на AND с выходом механического датчика возврата в исходное положение.

Присутствует также вход ENABLE, соединенный с выходной логической схемой. Низкий уровень сигнала на этом входе снижает уровни IN, А, В, С, и D. ENABLE полезен для отключения устройства управления электродвигателем при возврате системы в исходное состояние.

 

Чередование фаз электродвигателя

Преобразователь на L297 генерирует последовательное чередование фаз для обычного, колебательного и полушагового режимов работы. Во всех случаях преобразователь срабатывает на переходе от низкого к высокому уровню сигнала CLOCK.

На рисунке показано вращение по направлению движения часовой  стрелки; для вращения против часовой  стрелки последовательность просто переворачивается. Сигнал RESET возвращает преобразователь в положение 1, где ABCD = 0101.

 

Полушаговый режим

Полушаговый режим выбирается путем подачи высокого уровня напряжения на вход HALF/FULL.

 

Режим обычного хода

Режим обычного хода (ход  «две фазы включены») выбирается при  подаче на вход HALF/FULL низкого уровня напряжения, когда преобразователь находится в нечетном положении (1,3,5 или 7). В этом режиме уровень сигналов INH1  и INH2 остается высоким.

 

Режим колебательного хода

Режим колебательного хода (ход «одна фаза включена») выбирается при подаче на вход HALF/FULL низкого уровня напряжения, когда преобразователь находится в четном положении (2, 4, 6 или 8).

 

 

 

 

 

 

Эпюры напряжений.

 

2. Микросхема L298 - монолитная интегральная схема в 15-контактном корпусе Multiwatt.
1. Максимально допустимые значения.

Обозначение	Характеристика	Значение	Единица измерения
VS	Напряжение источника  питания	50	В
VSS	Логическое напряжение источника	7	В
VI, Ven	Входное и разрешающее  напряжение	от -0,3 до 7	В
lO	Максимальный выходной ток (для каждого канала)  - непериодический (t = 100 мкс)  - периодический (80% включен, 20% выключен; ton=10мс)  - постоянный ток	3 2,5   2	А А   А
VSENS	Напряжение считывания	от -1 до 2,3	В
Рtot	Общая рассеиваемая мощность	25	Вт
Tsto, TI	Рабочая температура р-n перехода Температура хранения и р-n перехода	от -25 до 130 от -40 до 150	°С °С

 

2. Назначение выводов.

Номер ножки	Обозначение	Функция
1; 15	Sense А; Sense В	Между этим выводом и землей включен считывающий резистор, контролирующий ток нагрузки.
2; 3	Out 1; Out 2	Выводы мостика А; ток  нагрузки, подключенной между этими  двумя выводами, контролируется на выводе 1.
4	Vs	Напряжение питания для  выходных каскадов мощности. Между  этим выводом и заземлением должен быть включен неиндуктивный конденсатор  емкостью 100 нФ.
5; 7	Input 1; Input 2	Входы мостика А, совместимые  с ТТЛ.
6; 11	Enable A; Enable В	Совместимый с ТТЛ вход сигнала разрешения: состояние L отключает  мостикА(включает А) и/или мостик В (включает В).
8	GND	Заземление.
9	VSS	Напряжение питания блоков логики. Между этим выводом и заземлением  должен быть включен конденсатор  емкостью100 нФ.
10	Input 3; Input4	Входы мостика В, совместимые  с ТТЛ
13	Out 3; Out 4	Выводы мостика В. Ток  нагрузки, подключенной между этими  двумя выводами, контролируется на выводе 15

 

 

Для активизации схемы сигнал, задающий направление вращения, от параллельного  порта компьютера подается на вывод 17 микросхемы L297, а задающий количество шагов - на вывод 18.

 На вход микросхемы L298 подаются управляющие сигналы  от L297, которые задают последовательность  переключения обмоток, что определяет  вращение двигателя, а микросхема L298 обеспечивает питание моторных  обмоток в надлежащем порядке.  Обратите внимание, что для питания  обеих микросхем необходимо наличие  питания напряжением 5 В. Восемь  диодов FR304 подключают обмотки двигателя  к соответствующим выводам микросхемы L298. Заметим, что необходимо использовать  диоды с накоплением заряда, что  защитит микросхему от наведенных  высоких напряжений, возникающих в момент, когда какая-либо из обмоток выключена. По своим параметрам диоды могут различаться в зависимости от мощности, потребляемой электродвигателем. Мощность в свою очередь, определяет ток, протекающий через диоды.

Выводы 1 и 15 микросхемы L298 подключены двумя силовыми резисторами с  сопротивлением 0,5 Ом к общему проводу. Управляющие токи, используемые обмотками  возбуждения двигателя, протекают  через эти резисторы. Соответственно резистор, подключенный к выводу 1, соединен с одной из двух обмоток возбуждения, а подключенный к выводу 15, - со второй обмоткой. Это дает возможность контроллеру L297 измерять ток, который протекает  внутри двигателя. Микросхема L297 также  измеряет напряжение между этими  резисторами и на его основе задает режим модуля ШИМ, используемого  для контроля тока в обмотках электродвигателя. Резисторы R5 и R6, подключенные к выводу 15 (VREF) L297, работают как делитель напряжения и задают уровень, при достижении которого на обмотках возбуждения микросхема L298 вырабатывает сигнал об их отключении, что позволяет диодам разгрузить обмотку возбуждения. Она остается выключенной до окончания временной  паузы, которая задается микросхемой L297. Резистор R4 и конденсатор С1, подключенные перемычкой JP2 к выводу 16 L297, задают тактовую частоту работы микросхемы. Конденсаторы С2, СЗ и С4 фильтруют  цепи питания электроники и двигателей. ПереключательJP1 обеспечивает питание  схемы и электродвигателей. Контакт 1JP3 принимает сигналы о шаге, контакт 2 - сигналы о направлении, контакт 3 используется для соединения между  собой всех управляющих плат, которые  должны быть синхронизированы, а контакт 4 функционирует в качестве заземления. Перемычка JP4 переключает уровень  логической «1» с вывода 19 микросхемы L297 на контакт 1 для обеспечения режима целого шага или уровень логического  «0» на контакт 3 для режима полушага. JP5 предназначена для передачи логической «1» от вывода 11 L297 к контакту 1 для разрешения управления или логического «0» на контакт 3 для запрета управления.

 

 

 

2. Разработка принципиальной электрической схемы устройства связи привода и шины USB.
1. Ke-USB24A

В качестве устройства связи  был выбран USB модуль Ke-USB24A.

1. Назначение выводов.

Номер вывода	Обозначение	Описание вывода
1, 32	+5 В	Если джампер JM1 установлен – на вывод направляется напряжение +5 В от шины USB (питание модуля осуществляется от шины USB). Если джампер не установлен, на данный вывод необходимо подать напряжение  + 5 В от внешнего источника для питания модуля Ke-USB24A (модуль физически отключен от шины питания USB).
2	Vadc	Аналоговый вход АЦП
3	I/O1	Линия ввода/вывода 1
4	I/O2	Линия ввода/вывода 2
5	I/O3	Линия ввода/вывода 3
6	I/O4	Линия ввода/вывода 4
7	I/O5	Линия ввода/вывода 5
8	I/O6	Линия ввода/вывода 6
9	I/O7	Линия ввода/вывода 7
10	I/O8	Линия ввода/вывода 8
11	I/O9	Линия ввода/вывода 9
12	I/O10	Линия ввода/вывода 10
13, 14, 15	NC	Вывод не используется (Not Connected)
16, 17	GND	Земля
18	I/O11	Линия ввода/вывода 11
19	I/O12	Линия ввода/вывода 12
20	I/O13	Линия ввода/вывода 13
21	I/O14	Линия ввода/вывода 14
22	I/O15	Линия ввода/вывода 15
23	I/O16	Линия ввода/вывода 16
24	I/O17	Линия ввода/вывода 17
25	I/O18	Линия ввода/вывода 18
26	I/O19	Линия ввода/вывода 19
27	I/O20	Линия ввода/вывода 20
28	I/O21	Линия ввода/вывода 21
29	I/O22	Линия ввода/вывода 22
30	I/O23	Линия ввода/вывода 23
31	I/O24	Линия ввода/вывода 24

 

6. Разработка печатной платы.

Печатная плата была разработана при помощи программы Eаgle cad. 

Для начала нужно выбрать геометрические параметры пассивных элементов. Резистор характеризуется двумя  параметрами: мощностью и сопротивлением.

Расчет мощности для сопротивлений.

;

Для резисторов R1 и R2, у которых сопротивление равно 0.5 Ом, будем иметь:

;

Такие параметры  есть у резистора С5-43 и геометрические размеры его 30x48.

Для резистора R4 с сопротивлением 22кОм, будем иметь:

;

Такие параметры есть у резистора  типа С5-5 и  его геометрические размеры 11,2x33.

Конденсатор С1, имеющий емкость 3,3нФ, соответствует конденсатор M1500 и имеет геометрические размеры 13x12.5x10.

Конденсатор С2, имеющий емкость 100нФ, соответствует конденсатор Н90 с  геометрическими параметрами 11x10.5x7.5.

Также в схеме присутствуют диоды  Шоттки 2А, поэтому были выбраны диоды вида 1N5820.

 

 

7. Источник опорного напряжения.

Простые нерегулируемые источники  питания во многих случаях оказываются  непригодными, так как их выходное напряжение зависит от тока нагрузки и напряжения в сети. Однако с  помощью отрицательной обратной связи, легко построить источник стабильного питания, используя  для компенсации влияния нагрузки и нестабильности сети регулирующий сигнал, полученный в результате сравнения  выходного напряжения источника  с некоторым постоянным эталонным (опорным) напряжением. Такие стабилизированные  источники питания относятся  к классу компенсационных. Они достаточно универсальны и могут быть изготовлены  в виде интегральных схем стабилизаторов напряжения.

Принципиальная схема на микросхемы L297 и L298 включает в себя два источника питания: один - для питания логики микросхем, а второй - для двигателя. У первого должно быть напряжение 5В, у второго – 36В. Для того, чтобы не брать два отдельных источника питания, было решено выбрать источник опорного напряжения.

Регулирующим элементом стабилизаторов напряжения является биполярный или  полевой транзистор. Если этот транзистор все время работает в активном режиме, то схему называют линейным (непрерывным) стабилизатором напряжения, а если регулирующий транзистор работает в ключевом режиме – импульсным. В данной работе был выбран линейный стабилизатор напряжения.