Управление униполярными двигателями в практических решениях

В статье, опубликованной в [1], автором не были в полном объеме раскрыты вопросы, касающиеся схем управления униполярными шаговыми двигателями, и примененные им на практике варианты решений для приводов на основе шаговых двигателей этого типа. Поскольку тема шаговых двигателей вызвала повышенный интерес, а упомянутый вопрос не был освещен достаточно полно, то предлагается его более подробное рассмотрение. Тем более что по опыту автора статьи, освоение шаговых двигателей легче, проще и значительно дешевле начинать именно с униполярных.

Основное преимущество униполярных шаговых двигателей заключается в простоте систем управления. Они не требуют сложных драйверов и дорогостоящих ИМС. Кроме того, и сами двигатели менее дороги, так как в основном данный тип включения обмоток характерен для двигателей на постоянных магнитах. Все это можно найти в статье автора, опубликованной ранее в [1]. Практическое решение для управления униполярным шаговым двигателем понадобилось при использовании двигателя серии P542-M48 [2], а именно униполярного шагового двигателя P542-M482U с встроенным редуктором G23 (125:1). Поскольку двигатель униполярный, схема его управления, как было указано выше, не содержит ни дорогих ИМС, ни специальных сложных драйверов. Здесь достаточно обычных ключей. Коммутатор включения обмоток выполнен на базе технического решения, опубликованного в [3]. Пример практической схемы управления, разработанной автором статьи, которая пригодна для самых различных применений, приведен на рис. 1.

Рис. 1. Схема управления униполярного шагового двигателя с универсальным коммутатором

Частота вращения двигателя задается внешним тактовым генератором (скважность любая), сигнал с которого подается на вход «Шаг», необходимое направление вращения устанавливается через вход «Направление вращения». Оба сигнала имеют логические уровни, и если для их формирования используются выходы с открытым коллектором, то требуются соответствующие резисторы подтяжки (на схеме рис. 1 они не показаны). Временная диаграмма работы коммутатора схемы (рис. 1) приведена на рис. 2.

Рис. 2. Временная диаграмма универсального коммутатора с реверсом (маркеры показывают изменение очередности включения фаз): Q1 D2-2, Q2 D2-2 — верхние две трассы; Q1 D2-1, Q2 D2-1 — нижние две трассы

Как можно видеть, здесь реализован полношаговый режим управления (подробно см. [1]) с перекрытием фаз, то есть один импульс сдвигает ротор двигателя на один шаг, но в некоторый момент (половина длительности импульса) фазы накладываются друг на друга (рис. 2). Если нет необходимости в реверсе, схема коммутатора может быть значительно упрощена (рис. 3), при этом частота вращения остается неизменной, а диаграмма управления остается аналогичной той, которая приведена на рис. 2 (трассы до переключения очередности фаз), но уже без возможности изменения направления вращения двигателя.

Рис. 3. Упрощенная схема коммутатора шагового двигателя (без реверса)

Момент вращения устанавливается изменением тока в обмотках двигателя от регулируемого источника напряжения положительной полярности (автором использован импульсный понижающий стабилизатор, выполненный по типовой схеме на стандартной ИМС с опцией внешнего включения). Расчет такого DC/DC-преобразователя можно легко выполнить в интерактивном режиме [4]. Полное отключение двигателя без удержания ротора осуществляется снятием питающего напряжения с обмоток, это легко выполнить через вход выключения преобразователя, задав в [4] при выборе ИМС соответствующую опцию. В авторском варианте применена ИМС LM2675M-ADJ [5]. Остановка с фиксацией ротора, то есть режим удержания, осуществляется подачи напряжения с частотой коммутации (вход «Шаг»), одновременно желательно уменьшить величину питающего обмотки напряжения V_dc по крайней мере вдвое. С этой точки зрения выбор преобразователя с возможностью регулировки выходного напряжения на ИМС, подобной LM2675M-ADJ, является оптимальным. Пример авторского варианта схемы для формирования напряжения питания обмоток шагового двигателя приведен на рис. 4. Такая схема пригодна для запитки шаговых двигателей любого типа.

Рис. 4. Схема запитки шагового двигателя с удержанием и выключением

Схема (рис. 4) обеспечивает подачу двух напряжений для питания обмоток двигателя: 12 В в рабочем режиме и 6 В в режиме удержания (формулы, необходимые для расчета выходного напряжения, приведены в [5]). Рабочий режим включается подачей высокого логического уровня на контакт BRAKE (торможение) разъема Х1. Допустимость снижения напряжения питания определяется тем, что момент удержания шаговых двигателей превышает момент вращения. Так, для рассматриваемого двигателя момент удержания с редуктором 25:6 равен 19,8 Н·см, а момент вращения всего 6 Н·см. Но при увеличении отношения эта зависимость нивелируется и для двигателей с редукторами с отношением 80 и выше — практически не отличается. Основная выгода этого метода в том, что он позволяет уменьшить общее потребление тока. В нашем случае с 460 до 230 мА, то есть в два раза, а мощность — в четыре, с 5,52 до 1,38 Вт! Как говорится, почувствуйте разницу. Полное отключение двигателя осуществляется подачей высокого логического уровня на контакт ON/OFF разъема Х1. Если схема управления имеет выход на транзисторах с открытым коллектором, то в ключах на транзисторах VT1, VT2 нет необходимости.

Примечание. В этом варианте применение резисторов подтяжки недопустимо! В качестве дросселя автором использовалась катушка SDR1006-331K (Bourns). Общее питание формирователя напряжения для обмоток двигателя в рассмотренных режимах может быть уменьшено до 16-18 В. Еще раз обращаю внимание: при самостоятельном расчете не забудьте учитывать, что формирователь обеспечивает режим с перекрытием фаз, то есть лучше закладывать номинальный ток схемы питания, равный удвоенному номинальному току обмоток.

Согласно спецификации [2] оптимальным для двигателей серии P542-M48 является шаг с частотой f = (300-500) Гц. Это и будет определять частоту вращения вала, но частота вращения зависит и от конструкции самого двигателя. В нашем случае, без учета редуктора, частота вращения составит:

f×7,5/360=(6,25–10,42) об/с,

где 7,5 — это угол поворота ротора двигателя на один шаг управления, он-то и задан конструктивно. Дальнейшее понижение частоты вращения определяется редуктором.

Частота коммутации обмоток вполне может быть увеличена до 1,5 кГц. Для этого, чтобы компенсировать уменьшение момента вращения, неизбежного с ростом частоты, применяются специальные методы запитки обмоток двигателя. Если внимательно читать спецификацию [2], то можно заметить, что момент вращения двигателя (сноска «Standard Versions:») задан для двух условий, а именно: для условия, обозначенного как L/R, и условия, которое обозначено как L/4R. Можно заметить, что во втором случае частота вращения ротора шагового двигателя, при котором обеспечивается указанный в спецификации момент, заметно выше, а именно 550 вместо 300 Гц. Что это за условия? Проблема обеспечения момента вращения для шагового двигателя заключается в том, что для него не требуется подача напряжения как такового, а необходимо обеспечение тока в обмотках. Именно этот ток создает магнитное поле статора, взаимодействующее с постоянным магнитным полем ротора. Момент на роторе двигателя как раз и определяется взаимодействием этих магнитных полей.

Как известно, ток в индуктивности не может изменяться скачком, а растет по экспоненте до значения I_max = Vdc/R: 

I(t)=I_max(1–e^—t/t).

Требуемое для этого время определяется постоянной времени цепи:

t=L/R,

где L — это индуктивность обмотки двигателя; R — общее сопротивление в цепи обмотки. Это сопротивление может быть как собственно активным сопротивлением обмотки двигателя R_L, так и его суммой с некоторым добавочным резистором. Как видно из приведенной формулы, скорость изменения тока в обмотке обратно пропорциональна ее индуктивности и прямо пропорциональна сопротивлению. Чем быстрее ток достигнет своего максимального уровня:

I_max=Vdc/R_L,

где Vdc — это номинальное напряжение запитки обмотки; R_L — активное сопротивление в цепи обмотки, — тем скорее установится заданный момент на роторе. Это и определяет скорость вращения вала шагового двигателя в зависимости от частоты коммутации. Таким образом, наша цель — установить (быстро, насколько возможно) ток в обмотке на уровне Vdc/R_L.

Просто увеличить напряжение на двигателе выше номинального крайне нежелательно, даже если вы уверены в том, что при выбранной скорости вращения ротора ток в обмотках не превысит допустимый. Остановка двигателя при такой подаче питания может привести к его выходу из строя. Уменьшить время установки номинального тока в обмотке можно, увеличив напряжение V_dc лишь на некоторое время, в несколько раз меньшее длительности импульса управления, но это потребует дополнительных ключей, а потому такой способ используется очень редко. Самым простым методом оказывается включение последовательно с обмоткой двигателя дополнительного сопротивления с одновременным кратным увеличением напряжения питания V_dc. Это и ускорит накопление тока в индуктивности, и не приведет к выходу двигателя из строя, так как требование по максимальному току обмотки не будет нарушено. Вот именно на этот режим и «намекает» спецификация [2]. В классической теории применим режим L/5R, но для рассматриваемого типа двигателя спецификация рекомендует режим L/4R. Обращаю внимание, что здесь имеется в виду общее сопротивление, то есть сумма собственного сопротивления обмотки R_L и добавочного резистора номиналом 3R_L. Ограничение на использование этого метода накладывает высокая рассеиваемая мощность на добавочных резисторах. В рассматриваемом случае при повышении напряжения питания до 4 V_dc на добавочных резисторах при малых скоростях вращения, и особенно при остановке двигателя, будет рассеиваться мощность до:

P_R=(3Vcd)²/3R_L.

Фактически, с учетом допустимого коэффициента нагрузки, придется использовать добавочный резистор номиналом в 160 Ом с рассеиваемой мощностью 10 Вт. Как видим, эффективность такого решения чрезвычайно низкая. Как выход из положения — использование импульсных стабилизаторов с ограничением максимального тока. Применение данного метода для биполярных шаговых двигателей было рассмотрено в [1], здесь для управления биполярным двигателем использовался драйвер с встроенной функцией нарезки, так называемый чоппинг (от англ. chopping — «нарезка»). В чем его суть? На двигатель от импульсного преобразователя подается повышенное в несколько раз напряжение, которое формирует ускоренный процесс заряда для индуктивности обмоток. После достижения заданной величины тока преобразователь переходит из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации тока и удерживает ток обмотки на заданном уровне. Это решение нельзя назвать дешевым, но его КПД гораздо выше. Сравнение методов управления током в обмотках двигателя приведено на рис. 5.

Рис. 5. Форма тока в обмотках шагового двигателя при различных вариантах питания [7]

Еще одним важным моментом является правильный выбор диодов, шунтирующих обмотку двигателя (VD1-VD4, рис. 1). Назначение этих диодов — гасить ЭДС самоиндукции, возникающую при выключении управляющих ключей. Если диоды выбраны неверно, неизбежен выход из строя транзисторных ключей и устройства в целом.

Естественно, и выбор транзистора для ключей управления обмотками должен осуществляться с учетом максимального тока коммутации, а его подключение — предусматривать необходимость заряда/разряда емкости затвора. В ряде случаев прямое подключение выходных MOSFET-транзисторов к ИМС коммутатора может быть недопустимым. В этом случае следует выбрать соответствующий драйвер для управления ключами, который обеспечит заряд/разряд их входной емкости. В некоторых решениях предлагается в качестве ключей использовать биполярные транзисторы. Это подходит только для очень маломощных двигателей с малым током обмоток. Для рассматриваемого двигателя с рабочим током обмоток I = 230 мА ток управления по базе ключа должен составить по крайней мере не менее 15 мА (хотя для нормальной работы ключа нужен ток базы 1/10 рабочего, то есть 23 мА). Но такой ток от микросхем типа 74HC74 недостижим, поэтому потребуются дополнительные драйверы для выходных ключей.

Таким образом, оптимальным вариантом для управления коммутацией обмоток является использование подходящих по току и сопротивлению канала в открытом состоянии R_dc(on) полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) с учетом рекомендаций, описанных выше. В авторском варианте были применены транзисторы IRLML2803 с R_dc(on) = 0,25 Ом, допустимой мощностью рассеивания 540 мВ и постоянным током стока 0,93 А при температуре +70 °C. Мощность, рассеиваемая на ключах, выполненных на транзисторах IRLML280, при полной остановке ротора не превысит:

P_VT< R_dc(on)I²=13,2 мВт.

В большинстве случаев такой оценки вполне достаточно. Поскольку детальное рассмотрение особенностей работы ключей не входит в рамки данной статьи, то для их полного расчета можно воспользоваться методикой, приведенной, например, в [6].

В завершение еще раз небольшое напоминание: когда речь идет о частоте вращения ротора шагового двигателя, то имеется в виду именно то, о чем говорилось, — вращение ротора самого двигателя без редуктора. При этом необходимо учитывать угол поворота его ротора на один шаг. Для рассматриваемого типа двигателя он составляет 7,5°. Имеются двигатели с углом поворота на один шаг от 18° до 0,9° (чаше 1,8°). Для получения конечного результата необходимо обязательно учитывать этот параметр и коэффициент понижения частоты вращения ротора двигателя соответствующим редуктором. Все нужные параметры для правильного выбора типа двигателя серии P542-M48 приведены в спецификации [2].