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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK
Schrittmotortreiber mit Mikroschritt. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Die Elektromotoren Der Artikel stellt ein Diagramm und Design vor und beschreibt das Funktionsprinzip eines bipolaren Schrittmotortreibers basierend auf dem ATmega48-Mikrocontroller. Es kann mit vielen Motoren arbeiten und enthält keine speziellen Mikroschaltungen zur Steuerung von Schrittmotoren. Die Vielseitigkeit wird durch die originelle Methode zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Stroms in den Motorwicklungen gewährleistet. Dieses Design kann als Grundlage für die Schaffung ähnlicher Geräte dienen, die zusätzliche Sicherheitselemente enthalten – Optokoppler-Eingangsschaltungen, Lastkurzschlussschutz usw. Im beschriebenen Gerät aufgrund der angenommenen „moderaten“ Betriebsbedingungen und zur Begrenzung der Kosten , solche Knoten sind nicht vorgesehen. Das Entwicklungsziel bestand darin, einen einfachen und kostengünstigen bipolaren Schrittmotortreiber für den universellen Einsatz zu schaffen. Die gesamte Software ist in der Assemblersprache AVRASM geschrieben und hinsichtlich der Laufzeit optimiert, was es ermöglichte, das Problem auf der zum Zeitpunkt der Entwicklung verfügbaren Elementbasis zu lösen. Wichtigste technische Merkmale
Das schematische Diagramm des Treibers ist in Abb. dargestellt. 1 . Es basiert auf Brückenstromtreibern der Phasen A und B auf den Feldeffekttransistoren VT1-VT4 bzw. VT5-VT8, die von speziellen Treiberchips für die oberen und unteren Halbbrückenschlüssel DA5-DA8 IR2104S gesteuert werden. Um die Störfestigkeit zu erhöhen, wurde eine separate Stromversorgung für den Leistungsteil (27 V) und den Logikteil mit Leistungsschaltertreibern (12 V) verwendet.
Betrachten Sie als nächstes den Teil der Schaltung, der sich auf eine der Phasen (Phase A) bezieht, da der Teil, der sich auf Phase B bezieht, ähnlich wirkt. Das Gerät ermittelt den Momentanwert des Phasenstroms anhand des Spannungsabfalls am Widerstand R45, der über die Integrierschaltung R5C6 dem nichtinvertierenden Eingang des DA1.1-Verstärkers mit einstellbarer Verstärkung zugeführt wird, der auch die Funktion übernimmt eines Tiefpassfilters erster Ordnung. Vom Ausgang des Verstärkers gelangt das Signal zum invertierenden Eingang des Komparators DA3.1. Der Komparator vergleicht ein Signal proportional zum Strom, der durch die Motorphase fließt, mit einer Referenzspannung. Es wird vom Timer 1 des Mikrocontrollers in Form einer gestuften Sinuskurve (für Mikroschrittbetrieb) gebildet, der im „Fast PWM“-Modus ohne Vorteilung arbeitet. Das Signal vom Timer-Ausgang wird durch einen mehrstufigen Filter R1C1R3C4R7C8 geleitet. Die Folgeperiode der breitenmodulierten Impulse beträgt 12,7 μs, was einer Frequenz von 78,4 kHz entspricht. Der Widerstand R23 ist im Betriebsmodus nicht an der Bildung der Referenzspannung beteiligt, da sich der Ausgang PB3 des Mikrocontrollers, an den er angeschlossen ist, in einem hochohmigen Zustand befindet. Im Haltemodus (nach dem Fehlen von Impulsen am „Step“-Eingang während der letzten 3,4 s) setzt das Programm den PB3-Ausgang des Mikrocontrollers auf einen niedrigen Logikpegel und die Amplitude des Beispielsignals nimmt ab. Vom Ausgang des Komparators DA3.1 mit offenem Kollektor, belastet mit Widerstand R25, wird das Vergleichsergebnis dem Eingang des Komparators DA3.2 zugeführt. Der Ausgang des Komparators DA3.1 ist über den Kondensator C22 ebenfalls mit der gemeinsamen Leitung verbunden. R25 und C22 bilden zusammen den Zeitschaltkreis der Stromstabilisierungseinheit. Beim Unterschreiten eines bestimmten Referenzpegels wird der Kondensator C22 über den Widerstand R25 aufgeladen. In der Zeitspanne vom Beginn des Ladevorgangs bis zum Erreichen des vom Spannungsteiler R27R28 eingestellten Werts der Spannung am Kondensator wird die Stromversorgung der Motorwicklung abgeschaltet, wodurch schnelle Stromschwankungen um den Referenzwert verhindert werden. Dieser Algorithmus im klassischen Sinne gilt nicht für die Stromstabilisierungsalgorithmen „Fixed-Frequency-PWM“ oder „Fixed-Off-Time-PWM“, zeigte aber in der Praxis eine gute Leistung. Wenn der Strom den beispielhaften Wert überschreitet, wird der Ausgang des Komparators DA3.2 auf einen niedrigen Logikpegel gesetzt. Der Mikrocontroller reagiert darauf, indem er die Wicklung abschaltet und gleichzeitig die Transistoren VT1-VT4 schließt, indem er das SD-Signal verwendet, das den Treibern DA5 und DA6 zugeführt wird. Dadurch wird ein schneller Stromabfall in den Motorwicklungen erreicht. Bei einem Stromabfall unter den beispielhaften Wert geschieht das Gegenteil: Ein SD-Signal mit hohem Pegel wird an die Treiber DA5 und DA6 gesendet, wodurch die genannten Transistoren geöffnet werden, was den Stromanstieg in der Wicklung nicht verhindert. Die Änderung der Schritte der Referenzspannung sowie die Änderung der Kombinationen offener und geschlossener Transistoren der Brücke erfolgt mit dem Eintreffen des nächsten Impulses am Eingang „Step“ nach Algorithmen, die vom voreingestellten Schrittteilungsfaktor (dem Vorhandensein von Brücken zwischen den Kontakten 1-2 und 3-4 des XP1-Steckers) und die aktuelle Drehrichtung (logischer Pegel des Signals am Eingang „Dir.“). Eingang „Freigeben“. wurde entwickelt, um den Betrieb des Motors zu aktivieren und zu deaktivieren, funktioniert jedoch in der dem Artikel beigefügten Version des Programms nicht. Der Treiber ist auf einer doppelseitigen Leiterplatte gefertigt, deren Zeichnung der Leiterbahnen in Abb. dargestellt ist. 2 und die Anordnung der Elemente - in Abb. 3. Die Transistoren VT1-VT8 befinden sich auf einer Seite der Platine mit wärmeableitenden Oberflächen. Auf diese Flächen wird über isolierende Abstandshalter ein Kühlkörper gepresst – im einfachsten Fall eine 60x60 mm große Aluminiumplatte. Es ist zu beachten, dass bei einem Phasenstrom von mehr als 4 ... 5 A und einem Langzeitbetrieb des Kühlkörpers in Form einer Platte dieser möglicherweise nicht ausreicht und seine Oberfläche durch Wärmeabgabe vergrößert werden sollte Waschbecken gerippt oder nadelförmig.
Das Plattenmaterial sollte mit einer Dicke von mindestens 1 ... 1,5 mm gewählt werden, die Dicke der Folie sollte mindestens 35 µm betragen. Gedruckte Leiter, durch die ein großer Strom fließt, sollten reichlich verzinnt oder mit Kupferdraht umwickelt sein, der über die gesamte Länge des Leiters verlötet ist. Die meisten Designkomponenten werden im Oberflächenmontagedesign verwendet. Widerstände und Kondensatoren – Größe 1206. Die Widerstände R45, R50 haben Leitungen und eine Leistung von mindestens 2 Watt. Oxidkondensatoren in Stromkreisen – mit niedrigem ESR. Trimmerwiderstände R18 und R19 – Multiturn 3296 W. Die Amplitudenwerte des Motorphasenstroms werden durch Trimmwiderstände R18, R19 geregelt. Der einfachste Weg, dies zu tun, besteht darin, den Treiber in den 1/8-Mikroschrittmodus zu schalten und den Spannungsabfall an den Stromsensorwiderständen R45 und R50 mit einem digitalen Voltmeter zu überwachen. Durch das Anlegen einzelner Impulse an den „Step“-Eingang werden die maximalen Stromwerte abwechselnd in den Phasen A und B erreicht. Diese Werte werden auf die gleichen Werte eingestellt und entsprechen den erforderliche Stromamplitude mit Trimmerwiderständen. Eine Verringerung des Widerstandswerts der Abstimmwiderstände führt zu einer Verringerung des Stroms und umgekehrt. Zur Orientierung können Sie die Tabelle nutzen. 1, die die Abhängigkeit der Amplitude von der Stromphase I zeigtmф aus dem eingegebenen Widerstandswert des Abstimmwiderstands. Tabelle 1
Installieren Sie vor dem Einschalten des Treibers Brücken zwischen den Kontakten 1-2 und den Kontakten 3-4 des XP1-Steckers, die das erforderliche Verhältnis der Motorschrittteilung gemäß Tabelle bereitstellen. 2. Das Programm analysiert einmal zu Beginn seiner Arbeit den Zustand der Jumper, weitere Zustandsänderungen haben keinen Einfluss auf den Betrieb des Treibers. Eine „on-the-fly“-Umschaltung des Teilungsfaktors ist in der vorgeschlagenen Programmversion nicht vorgesehen. Tabelle 2
Das Mikrocontroller-Programm und die PCB-Datei im Sprint Layout 6.0-Format können von ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/09/est-drv.zip heruntergeladen werden. Autor: M. Reznikov
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