マイクロステッピング付きステッピングモータードライバー。スキーム、説明

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マイクロステッピング機能を備えたステッピングモータードライバー。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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この記事では、図と設計を示し、ATmega48 マイクロコントローラーに基づくバイポーラステッピングモータードライバーの動作原理を説明します。多くのモーターで動作できますが、ステッピングモーターを制御するための特殊なマイクロ回路は含まれていません。モーター巻線に一定の電流を維持する独自の方法により、汎用性が確保されています。この設計は、追加の安全要素 (フォトカプラ入力回路、負荷短絡保護など) を含む同様のデバイスを作成するための基礎として機能します。説明されているデバイスでは、その動作条件が「中程度」であると想定されており、コストを制限するためです。、そのようなノードは提供されません。

開発目標は、汎用的に使用できるシンプルで安価なバイポーラステッピングモータードライバーを作成することでした。すべてのソフトウェアは AVRASM アセンブリ言語で記述され、ランタイムの観点から最適化されているため、開発時に利用可能な要素ベースで問題を解決することが可能になりました。

主な技術的特徴

パワーユニットの供給電圧、V ... 27
論理部の電源電圧、V ....... 12
最大モーター相電流振幅、A、以上..... 5
モーター相電流の最小振幅 A、それ以上 ...... 0,25
プリセットピッチ分割比....1/ 8、1 / 4、1 / 2、1 / 1
ホールドモードでのオートダウン電流、%........65
最後のステップに対する現在の自動ダウン遅延、s ..... 3,4
制御信号レベル......TTL、5 V
最大ステップ周波数、kHz ....... 12
寸法、mm ....... 102x68x40

ドライバーの概略図を図に示します。 1. これは、それぞれ電界効果トランジスタ VT1 ～ VT4、VT5 ～ VT8 上の相 A および B のブリッジ電流ドライバーに基づいており、上部および下部ハーフブリッジキー DA5 ～ DA8 IR2104S 用の専用ドライバーチップによって制御されます。ノイズ耐性を高めるため、パワー部（27V）とパワースイッチドライバを備えたロジック部（12V）の独立電源を採用しました。

米。 1.ドライバーの概略図（クリックして拡大）

次に、相の XNUMX つ (A 相) に関連する回路の部分を考えます。B 相に関連する部分も同様に動作します。

このデバイスは、抵抗 R45 の両端の電圧降下によって相電流の瞬時値を決定します。この電圧は、積分回路 R5C6 を介して、ゲイン調整可能な DA1.1 アンプの非反転入力に供給され、この機能も実行されます。一次ローパスフィルターの。信号はアンプの出力からコンパレータ DA3.1 の反転入力に入力されます。コンパレータは、モータ相を流れる電流に比例した信号を基準電圧と比較します。これは、マイクロコントローラーのタイマー 1 によって段階的正弦波 (マイクロステップ動作用) の形式で形成され、事前分割なしの「高速 PWM」モードで動作します。タイマー出力からの信号は、多段フィルター R1C1R3C4R7C8 を通過します。幅変調パルスの繰り返し周期は 12,7 μs で、これは 78,4 kHz の周波数に相当します。動作モードの抵抗器Ｒ２３は、接続されているマイクロコントローラの出力ＰＢ３がハイインピーダンス状態にあるため、基準電圧の形成には関与しない。

ホールドモードでは (最後の 3,4 秒間「ステップ」入力にパルスがなかった後)、プログラムはマイクロコントローラーの PB3 出力を低論理レベルに設定し、例示的な信号の振幅が減少します。抵抗器 R3.1 が負荷されたオープンコレクタを備えたコンパレータ DA25 の出力から、比較結果がコンパレータ DA3.2 の入力に供給されます。コンパレータDA3.1の出力もコンデンサC22を介して共通配線に接続されている。 R25 と C22 は共に、電流安定化ユニットのタイミング回路です。ある基準レベルを下回ると、抵抗Ｒ２５を介してコンデンサＣ２２が充電される。充電開始からコンデンサの電圧が分圧器 R22R25 で設定された値に達するまでの間、モーター巻線への電力がオフになり、基準値付近での急激な電流変動が防止されます。

このアルゴリズムは、古典的な意味では「固定周波数 PWM」または「固定オフ時間 PWM」電流安定化アルゴリズムには適用されませんが、実際には良好なパフォーマンスを示しました。電流が例示的な値を超えると、比較器DA3.2の出力は低論理レベルに設定される。マイクロコントローラーはこれに反応して、DA1 および DA4 ドライバーに供給される SD 信号を使用して、巻線をオフにし、同時にトランジスタ VT5 ～ VT6 を閉じます。これにより、モーター巻線の電流が急速に低下します。例示的な電流降下を下回る電流降下の場合は、逆のことが起こり、ハイレベルのSD信号がDA5およびDA6ドライバに送信され、前記トランジスタが開きますが、巻線内の電流の上昇は妨げられません。

基準電圧のステップの変更は、プリセットされたステップ分割係数 ( XP1 コネクタの接点 2-3 と 4-1 の間のジャンパの存在）および現在の回転方向（入力「Dir.」での信号の論理レベル）。「有効にする」入力エンジンを有効または無効にするために考えられましたが、記事に添付されているプログラムのバージョンでは機能しません。

ドライバーは両面プリント基板上に作成されており、そのプリント導体の図を図に示します。 2、および要素の配置 - 図。 3. トランジスタ VT1 ～ VT8 は、熱を取り除く表面を備えたボードの片面に配置されています。ヒートシンクは、絶縁スペーサーを介してこれらの表面に押し付けられます。最も単純なケースでは、60x60 mm のアルミニウム板です。相電流が 4 ～ 5 A を超え、プレート状のヒートシンクが長期間動作する場合、それだけでは十分ではない可能性があるため、熱を加えてその表面積を増やす必要があることに注意してください。リブ付きまたは針状のシンク。

マイクロステッピング付きステッピングモータードライバー
米。 2. プリント導体の描画

マイクロステッピング付きステッピングモータードライバー
米。 3.ボード上の要素の位置

ボードの材料は少なくとも 1 ... 1,5 mm の厚さで選択する必要があり、フォイルの厚さは少なくとも 35 ミクロンである必要があります。大電流が流れる印刷導体には、銅線をたっぷりと錫メッキするか包帯を巻いて、導体の全長に沿ってはんだ付けする必要があります。

ほとんどの設計コンポーネントは表面実装設計で使用されます。抵抗器とコンデンサ - サイズ 1206。抵抗器 R45、R50 にはリード線があり、電力 - 少なくとも 2 ワットです。電源回路の酸化物コンデンサ - 低ESR。トリマー抵抗器 R18 および R19 - マルチターン 3296W。

モータ相電流の振幅値はトリミング抵抗R18、R19によって調整されます。これを行う最も簡単な方法は、ドライバを 1/8 マイクロステップモードに切り替え、電流センサー抵抗器 R45 と R50 の両端の電圧降下をデジタル電圧計で監視することです。「ステップ」入力に単一パルスを適用することにより、最大電流値がフェーズ A と B で交互に達成されます。これらの値は、フェーズに対応する同じ値に設定されます。トリマ抵抗を使用して必要な電流振幅を調整します。同調抵抗器の抵抗値を下げると電流が減少し、その逆も同様です。方向を決めるためにテーブルを使用できます。電流位相 I の振幅の依存性を示す図 1_mf 入力された同調抵抗器の抵抗値から。

表1

I_mf、	0,25	0,5	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0	6.5
R18、R19、キロオーム	0,31	0,62	1,27	2,62	4,07	5,62	7,29	9,09	10,04

ドライバの電源を入れる前に、XP1 コネクタの接点 2 ～ 3 と接点 4 ～ 1 の間にジャンパを取り付けます。これにより、表に従って必要なモータステップ分割比が得られます。 2. プログラムは作業の開始時にジャンパの状態を XNUMX 回分析します。ジャンパの状態がさらに変化してもドライバの動作には影響しません。提案されたバージョンのプログラムでは、除算係数を「オンザフライ」で切り替える機能は提供されていません。

表2

XP1のジャンパー		ピッチ分割係数
1-2	3-4	ピッチ分割係数
あり	あり	1/1
ノー	あり	1/2
あり	ノー	1/4
ノー	ノー	1/8

Sprint Layout 6.0 形式のマイクロコントローラープログラムと PCB ファイルは、ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/09/est-drv.zip からダウンロードできます。

著者: M. レズニコフ

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