Stepper Motor Control System

Шаговый привод как недорогая альтернатива наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов, модулей и систем, где не требуется высокая динамика ^[1]. Задачи, решаемые при помощи шагового привода, разнообразны. Шаговые двигатели устанавливаются в устройствах и механизмах, требующих высокой надежности и точности: когда требуется позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый двигатель является наиболее экономичным решением ^[2].

Рисунок 1- Структурная схема системы управления шаговым двигателем

Структурно схема состоит из следующих блоков:

- шагового двигателя 1 и 2;

- микроконтроллера;

- интерфейса управления;

- драйвера управления 1 и 2;

- датчика положения 1 и 2;

-импульсного источника питания;

- компьютерной клавиатуры.

Принцип работы системы более подробно рассмотрим на примере схемы электрической принципиальной, представленной на рисунке 2.

Управляющие команды двигателем могут поступать по одному из двух интерфейсов связи либо по USB, либо по UART, при этом выбор между одним из этих интерфейсов осуществляется переключением соответствующих четырех микропереключателей, так же установленных на плате.

Модуль управления реализован на микроконтроллере AVR ATMega48, совмещенный с драйвером L6205, позволяющим управлять приводом, как на базе шагового двигателя, так и двигателя постоянного тока. Контроллер работает с тактовой частотой 10МГц, с напряжением питания +5В. USB интерфейс реализован на базе преобразователя FTDI FT232R, позволяющего выполнить быстрое сопряжение стандартных UART и USB интерфейсов. Для отслеживание начального (нулевого) положения вала двигателя на плате установлен оптический щелевой датчик нуль-метки, производства компании Honeywell HOA08. Этот датчик позволяет однозначно определить начальное положение вала двигателя при новой подаче напряжения питания или сброса программы микроконтроллера. Стабильное напряжение питания микроконтроллера поддерживает импульсный понижающий DC-DC преобразователь LM2594M.

Модуль подключается к стандартному USB порту персонального компьютера, через кабель с ответным разъемом miniUSB, или по последовательному интерфейсу UART к другой микропроцессорной системе, при этом уровень сигналов составляет +5В. Для программирования микроконтроллера предусмотрен интерфейс ISP, с контакными площадками для подключения стандартного программатора AVR. Стоит так же отметить то, что для отображения текущего режима работы или индикации ошибки на модуле установлен светодиод, подключенный непосредственно к контроллеру. Типовое напряжение питания системы управления +12В , при этом минимальные его уровень составляет чуть более 8 В и ограничен 20В.

Рисунок 2 - Схема электрическая принципиальная системы управления шаговым двигателем

Алгоритм основной программы (рисунок 3) выполняет управление скоростью вращения вала шагового двигателя и контролирует количество шагов поворота. Данный алгоритм идентичен для двигателя 1 и двигателя 2.

Принцип работы алгоритма приведен ниже.

1. Начало работы

2. Установление ШД в нулевом положении

3. Ожидание данных частоты вращения ω и скорости импульсов С от разъема miniUSB.

4. Цикл «Новые данные?» (в этом цикле если приходят новые данные, то программа переходит к следующему блоку. Если чтение данных не началось, то происходит возврат к блоку «Ожидание данных частоты вращения ω и скорости импульсов С»)

5. Пересчет частоты вращения ω в частоту импульсов.

6. Формирование управляющих импульсов (в этом блоке происходит непосредственное включение ШД)

7. Считывание данных с датчика импульсов обратной связи.

8. Цикл «Скорость меньше требуемой?» (в этом цикле если значение скорости равно заданному, то двигатель работает в стационарном режиме и обновлений не требуется. Если скорость меньше требуемой, то в работу включается блок «Ускорение управляющих импульсов», т.е. двигатель ускоряется и достигает требуемой скорости. Если в цикле «Скорость больше требуемой?» условие выполняется, то двигатель замедляется, реверсируется и достигает требуемой скорости).

9. Цикл «Количество импульсов достигло требуемого?» (если данное условие не выполняется, то сигнал поступает на блок «Считывание данных с датчика импульсов обратной связи» до тех пор, пока количество импульсов не будет соответствовать требуемому значению. Если условие цикла выполняется, то происходит переход на следующий блок).

10. Остановка ШД (информация с данного блока по циклу возвращается к блоку «Ожидание данных частоты вращения ω и скорости импульсов С от разъема miniUSB» и работа системы возобновляется заново).

Рисунок 3- Алгоритм работы системы управления шаговым двигателем

Таким образом, в данной работе была разработана система управления шаговым двигателем на основе современной электронной базы. Разрабатываемая система по технической реализации должна осуществлять управление шаговым двигателем, обеспечивать скоростью вращения его вала и контролировать количество шагов поворота.