Простой формирователь профиля управления шаговыми двигателями

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2020

Шаговые двигатели являются синхронными устройствами, которые последовательно поворачиваются на один шаг с приходом каждого управляющего импульса. Чтобы мотор вращался быстрее, частота импульсов должна быть выше. Однако из-за инерции вала двигателя и нагрузки очень часто мотор не способен за один шаг разогнаться от 0 об/мин до требуемой угловой скорости. Поэтому на большинство шаговых двигателей сначала подается последовательность импульсов небольшой частоты, а затем частота плавно увеличивается до тех пор, пока двигатель не наберет желаемую скорость. Точно также, для остановки мотора импульсная последовательность не обрывается резко; частота импульсов должна постепенно снижаться до нуля. Микропроцессоры могут легко формировать импульсные последовательности линейно нарастающей, а затем спадающей частоты, часто называемые трапецеидальным профилем, но в схеме без микропроцессора реализовать такой профиль трудно.

Показанная на Рисунке 1 бистабильная схема на основе таймера 555 может легко формировать псевдотрапецеидальный профиль движения. Обратите внимание, что времязадающая цепочка, состоящая резистора R₁ и связанных с ним компонентов, не подключается к V_CC, как это было бы в обычной схеме, а получает питание через кнопочный выключатель.

Рисунок 1.	Эта схема формирует псевдотрапецеидальный профиль управления движением шаговых двигателей.

При нажатии кнопки конденсатор C₁ начинает заряжаться до уровня, при котором сможет начать заряжаться C₂. По мере заряда С₁ выходная частота 555 медленно и постепенно увеличивается до значения, которое определяется номиналами всех компонентов времязадающей цепи. Эта конечная частота ниже той, которой достигла бы схема, если бы в цепочке отсутствовали C₁ и R₁. При отпускании кнопки таймер 555 не прекращает генерацию сразу, а плавно понижает частоту, пока не остановится совсем (Рисунки 2а и 2б). Профиль изменения генерируемых частот не соответствует линейному, но в большинстве систем с микропроцессорами он также не бывает линейным. Характер изменения частоты в схемы должен быть похож на профиль, изображенный Рисунке 2а, и зависит от номиналов компонентов.

Рисунок 2.	Профиль движения для схемы на Рисунке 1 является примерно трапецеидальным (а); шаговые импульсы сначала имеют низкую частоту, которая затем повышается и понижается (б).

Управлять этой схемой можно с помощью простой кнопки. Такая концепция открывает возможности ручного управления шаговыми двигателями. Обычно ручное управление шаговыми двигателями не используется из-за сложности аппаратного формирования трапецеидального профиля частоты. С помощью предложенной схемы можно использовать низкооборотные шаговые двигатели с низким крутящим моментом в системах, в которых ранее потребовались бы редукторные двигатели постоянного тока. Заменив кнопку двухполюсным двухпозиционным переключателем, можно без микропроцессорного управления задавать направление вращения двигателя (Рисунок 3). Эти концепции также применимы к линейным приводным устройствам на основе шаговых двигателей. Кроме того, можно заменить кнопку управляющим сигналом от компьютера или контроллера, что позволит управлять шаговыми двигателями с помощью контроллеров, не поддерживающих функции формирования изменяющейся частоты.

Рисунок 3.	Заменив кнопку в схеме на Рисунке 1 двухполюсным двухпозиционным переключателем, можно без микропроцессора управлять направлением вращения двигателя.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments LM555
2. Datasheet Allegro MicroSystems UCN5804B