Uniwersalny sterownik silnika krokowego

Steronik silnika krokowego - właściwości

• płynna regulacja prędkości obrotowej i kierunku obrotów (tym samym potencjometrem)
• regulacja prędkości obrotowej podzielona na dwa zakresy (1 ÷ 10 i 7 ÷ 100 cykli na sekundę)
• sterowanie mikrokrokowe o rozdzielczości 1/64 lub 1/8 kroku
• odpowiedni do silników bipolarnych (4 przewody) i
• funkcja pracy czasowej, czas płynnie regulowany wunipolarnych (5 lub 6 przewodów) zakresie 0.5 ÷ 70s
• zakres napięcia zasilającego (napięcia znamionowego silnika) 8 ÷ 25V
• prąd wyjściowy do 2A na kanał (cewkę)

Sterownik silnika krokowego - opis układu

Zakres zmian prędkości wirowania osi silnika podzielono na dwa podzakresy 1...10 lub 7...100 cykli na sekundę. Wyboru można dokonać odpowiednią zworką. Sterowanie mikrokrokowe odbywa się z rozdzielczością 1/64 lub 1/8 kroku. Praca z mikrokrokiem polega na obracaniu polem magnetycznym stojana w sposób zancznie bardziej płynny niż w sterowaniu pełno- i pół-krokowym. Dzięki pracy z mikrokrokiem możliwe jest uzyskanie mniejszych kroków i dokładniejszego pozycjonowania.

Kiedy silnik sterowany jest przy niskich częstotliwościach z pełnym krokiem lub półkrokiem ruch staje się nieciągły i charakteryzuje się dużym poziomem zakłóceń i drgań. Przy małym kroku energia przekazana rotorowi przy jednym kroku wynosi tylko ułamek energii pełnego kroku i jest tak mała, że może być z łatwością pochłonięta i zamortyzowana przez wewnętrzne tarcie w silniku i jego bezwładność. Nie powstają wtedy żadne drgania, a wirnik silnika nie wybiega w żadnej chwili poza swoje pożądane położenie. Sterowanie mikrokrokowe umożliwia również dużo cichszą pracę silnika.

Rys.1 Konfiguracja sterownika wraz z najważniejszymi elementami jego budowy

Opisywany sterownik należy zasilać napięciem z przedziału 8...24V DC, a maksymalny prąd wyjściowy wynosi do 2 A/kanał (cewkę) z odpowiednim radiatorem. Bez niego sterownika bezpiecznie można używać z prądem do 250mA na kanał/cewkę. Dodatkowo sterownik wyposażono w funkcję pracy czasowej (czas jest regulowany płynnie w zakresie 0,5...70s). Zworka START/STOP konfiguruje sterownik na pracę ciągłą lub czasową.

Czas ustawiany jest potencjometrem, a wyzwolenie odliczania czasu następuję po krótkotrwałym zwarciu szpilek zworki START/STOP. Rysunek 1 przedstawia konfigurację sterownika wraz z najważniejszymi elementami jego budowy. Schemat ideowy sterownika pokazano na rysunku 2. Właściwego zasilania dostarcza stabilizator 7805 wraz z pojemnościami C1...C4. Stopień mocy zrealizowano na dobrze znanym układzie scalonym L298, który zawiera w sobie dwa mostki H.

Jego pracą steruje mikrokontroler ATtiny261, a dokładnie program zawarty w jego pamięci. Sterowanie mikrokrokowe uzyskiwane jest poprzez sterowanie uzwojeniami silnika przebiegiem PWM. Charakterystyka modulacji PWM ma kształt przebiegu trójkątnego. Takie rozwiązanie jest nieskomplikowane i skuteczne w większości przypadków pracy silnika.

Na płytce sterownika znajdują się zworki, które służą do konfigurowania układu. Zworka opisana jako HFRQ/ L-FRQ służy do zmiany podzakresu prędkości. Jeżeli jest zamontowana, to wybrana zostanie wyższa częstotliwość sekwencji, ok. 7...100 cykli na sekundę (czyli pełnych okresów przebiegu w każdym kanale). Układ pracuje z niższą rozdzielczością 1/8 kroku. Brak zworki oznacza niższą częstotliwość sekwencji, czyli ok. 1...10 cykli na sekund oraz wyższą rozdzielczość mikrokroków 1/64. Zworka STAT/DYN określa, czy silnik w czasie zatrzymania będzie miał odłączone zasilanie – zatrzymanie statyczne (zworka założona), czy zasilanie będzie utrzymane – zatrzymanie dynamiczne (zworka zdjęta).

Rys.2 Schemat ideowy - uniwersalny sterownik silnika krokowego

Przy zatrzymaniu statycznym jest możliwy prawie swobodny ruch wału silnika, w czasie zatrzymania dynamicznego wał silnika jest zablokowany w swym położeniu, i tu należy pamiętać, że przez cewki płynie prąd przez co silnik będzie się nagrzewał. Sterownik posiada funkcję pracy czasowej. Jej załączenie następuje po zwarciu złącza START/STOP i trwa przez czas proporcjonalny do położenia potencjometru PR1.

Czas liczony jest od momentu zdjęcia zworki START/STOP. Najlepiej zworkę zastąpić przyciskiem monostabilnym zwiernym typu reset. Jeżeli zwora pozostanie założona, sterownik będzie pracował przez cały czas. Potencjometr dołączony do złącza śrubowego X1 służy do regulacji kierunku i prędkości obrotowej – w środkowym położeniu silnik jest zatrzymany, obracanie potencjometru powoduje stopniowe zwiększanie prędkości obrotowej. Zamiast tego potencjometru można dołączyć joystick potencjometryczny, wtedy obroty silnika będą proporcjonalne do kierunku i kąta wychylenia joysticka.

Sterownik silnika krokowego - montaż i uruchamianie

Wzór obwodu drukowanego przedstawiony jest na rysunku 3. Wymiary płytki sterownika to 33×83 mm. Układ zbudowany jest w oparciu o elementy do montażu przewlekanego, dzięki czemu z tą czynnością poradzą sobie nawet mniej doświadczeni hobbyści. Prawidłowo zmontowany układ działa od razu po dołączeniu napięcia zasilającego.

Rys.3 Schemat montażowy - uniwersalny sterownik silnika krokowego

Jeżeli silnik będzie pobierał prąd powyżej 250mA na kanał, układ L298 wymaga zastosowania dodatkowego radiatora. Na odkryte, czyli bez soldermaski ścieżki warto dodatkowo nalutować srebrzankę o średnicy 0,8-1 mm aby dodatkowo poprawić obciążalność prądową ścieżek. Dotyczy to przypadków gdy prąd jednej cewki/kanału będzie przekraczał 500mA.

Uniwersalny sterownik silnika krokowego (od góry)

Układu powstał z myślą o sterowaniu napędem wózka do kamery. Doskonale nadaje się do uzyskiwania bardzo niskich prędkości obrotowych silnika krokowego. Należy jednak pamiętać, że pomimo wysokiej rozdzielczości sterowania mikrokrokowego, w niektórych silnikach ruch wału może nie być idealnie płynny i mogą występować niewielkie drgania. W związku z tym najlepiej wybierać silniki o dużej liczbie kroków na obrót np. 200 (1.8°) lub 400 (0.9°).