Контроллер униполярного шагового двигателя на основе микроконтроллера PIC18F2320. Контроллер поддерживает управляющие сигналы STEP, DIR и ENABLE. В контроллере реализован микрошаговый режим и режим удержания с понижением тока фаз.
Особенности контроллера униполярного двигателя PIC BINAR CNC 4.1:
-
Аппаратная ШИМ регулировка ограничения тока фаз
-
Режим удержания при отсутствии сигнала STEP более 2-х секунд (при указанных номиналах ~ 30% от номинала)
-
Реализован режим "fixed time off”.
-
Большой диапазон напряжения и тока фаз (зависит от силовой части контроллера)
-
Использование универсальных управляющих сигналов STEP, DIR, ENABLE.
-
Работа в режимах «полный шаг», «полушаг» и «микрошаг» (FULL STEP/ HALF STEP/MICRO STEP)
Регулировка тока фаз осуществляется с помощью подстроечных резисторов R2 и R4.
Перемычками Jmp1-Jmp3 на плате переключаются режимы работы «шаг», «полушаг» и «микрошаг»:
Режимы работы Jmp1 Jmp2 Jmp3
1 off off off
1 m on off off
1/2 off on off
1/2 m on on off
1/4 off off on
Только в коммерческой версии прошивки:
1/8 on off on
1/16 off on on
1/32 on on on
В режиме 1 m двигатель развивает большую мощность, чем в режиме 1.
Режим 1/2 имеет стандартную реализацию полушага.
Режим 1/2 m – с компенсацией момента на валу двигателя.
Режим удержания с понижением тока фаз будет работать при установленной перемычке «Удержание». Ток удержания зависит от номиналов R11 и R14, с уменьшением их номиналов уменьшится и ток удержания.
Любое изменение в конфигурации перемычек, требует перезапуск контроллера.
Контроллер тестировался с униполярным шаговым двигателем PL57H76-3.0-6 (1 Ом, 3 А), нагрев двигателя был в пределах рабочего режима, нагрев контроллера минимальный (подаваемое напряжение 42 В, ток 2,7 А), но радиатор для силовой части крайне рекомендуется (габариты зависят от мощности двигателя). Максимальная частота следования сигнала STEP - 65 кГц. При тестах с выше указанными параметрами и двигателем получили максимальную скорость 1600 оборотов в минуту. В течении 10 минут (дальше просто двигатель рисковали перегреть) на данном двигателе тестировали при токе 5 А.
Печатная плата контроллера разведена в двухстороннем варианте под «ЛУТ». Силовые транзисторы T3 – T6 и стабилизатор VR1 монтируются на плату с нижней стороны печатной платы (пластиком к плате) для удобства крепления радиатора (как на фото). Изоляция транзисторов через теплопроводящие прокладки от радиатора ОБЯЗАТЕЛЬНА!!! Транзисторы не менее чем с двойным запасом по подаваемому напряжению на силовую часть.
При использовании мощных ШД нужно уделить особое внимание блоку питания, он должен хорошо выдерживать импульсную нагрузку и иметь небольшие выходную индуктивность и сопротивление. Питание силовой части подают после того как подали напряжение 12 В. Если питание на силовую часть и на логику подаются одновременно, то необходимо установить резисторы с выводов 15 – 18 IC1 на массу, номиналом 10 – 47 кОм.
Так же стоит обратить внимание на то, что данная схема предполагает использование IC2 именно 74HC08, т.к. временные характеристики работы схемы имеют прямую зависимость от данного типа микросхемы. Эксперименты с другими типами полевых транзисторов тоже ни к чему хорошему не приведут.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СБОРКЕ
Порядок монтажа, для удобства пайки со стороны деталей:
1. Все резисторы кроме R2, R4, R27 и R28
2. Все конденсаторы кроме C9, C10 и C12
3. Диоды VD1 и VD2, все транзисторы
4. Все микросхемы
5. Стабилизатор VR1 и все разъемы
6. Резисторы R2, R4, R27 и R28
7. Конденсаторы C9, C10 и C12
НАСТРОЙКА
1. До включения установить подстроечные резисторы R2 и R4 в одинаковое положение, рассчитав нужное сопротивление исходя из требуемого тока фазы: Rп = 27000 / ( 3,17 / ( R * I ) – 1 ))
где R = R27 и R28, I = требуемый ток фазы. Формула под конкретные номиналы указанные в схеме!!!
2. При наличии осциллографа проконтролировать напряжение и частоту на резисторах R27 и R28 в режиме 1 m, без сигнала STEP на входе и без перемычки «Удержание». При этом нас интересует только верхняя часть осциллограммы (выше ноля). Если напряжение отличается от расчетного значения (U = I*R), произвести подстройку резисторами R2 и R4. Частота ШИМ должна быть как минимум в два раза выше от максимальной частоты, которая будет подаваться по входу STEP. С выбором максимальной частоты ШИМ главное не переусердствовать, т.к. при частотах выше 200 кГц полевые транзисторы начинают ощутимо греться. Частота ШИМ зависит от индуктивности обмоток двигателя и номиналов R19, C5 и R20, C6 которые определяют время Toff.
Toff = - Ln(1 - Vm/Vp) * R * C [Ln - это натуральный логарифм]
где:
Vm - пороговое напряжение срабатывания логической 1 по входу IC2
Vp - напряжение питания логики (в данном случае 5 вольт)
R - номинал R19, R20
C - номинал C5, C6
Т.е. к примеру Vm = 3,6 вольта и номиналы указанные в схеме: Toff = -Ln(1 - 3,6/5)*39000*0,00000000033 = 0,00001638 сек.
Время включенного состояния Ton в данном варианте можно регулировать только напряжением питания силовой части.
Хотя в большинстве случаев данное напряжение соответствует именно указанному в т.х. на ШД - source voltage.
Формы сигналов в контрольных точках схемы:
Схема контроллера в формате sPlan 6.0, разводка печатной платы под ЛУТ в формате Sprint-Layout 5.0 и файл прошивки в формате *.hex вы можете скачать ниже:
Прошивка для "некультурных" программаторов:
Вариант прошивки со следующими изменениями:
1. Введен контроль пропуска шагов, т.е. если частота сигнала STEP превысит скорость обработки шагов контроллером, при этом на 28-м выводе PIC контроллера устанавливается 1, далее, если установлена перемычка обозначенная на схеме как "Удержание", то дальнейшая работа блокируется и двигатель обесточивается, если нет, то работа продолжится, но на 28-м выводе логическая 1 так и останется.
2. Введен режим защиты от сбоев (к примеру по питанию), если по каким либо причинам контроллер глюканул, то через ~ 0,5 сек. контроллер обесточит двигатель и на 28-м выводе PIC контроллера с периодичностью 1 сек. будет поочередно устанавливаться 1, 0 и т.д. по циклу.
3. В данном варианте для того чтобы не использовать вариант с понижением тока в режиме "удержание" просто не впаиваем резисторы R11 и R14.
p.s. Удобно для контроля работы к 28-му выводу PICа подключить светодиод, который будет индицировать ошибку.
При включении контроллера на ~ 0,5 сек. на данном выводе устанавливается 1 и работа силовой части заблокирована (удобно для нормального старта импульсного БП), далее контроллер переходит в штатный режим работы.
Прошивка:
Видео-ролик работы электронной части управления шаговыми двигателями. Деление шага 1/16, программа управления Mach3.
P.S. Данная схема без особых проблем переделывается под мостовую, с использованием драйверов верхнего и нижнего плеча, например IR2101 (мостовой вариант вы делаете на свой страх и риск).
Примерно так:
