воскресенье, 1 июня 2014 г.

3. Изготовление драйвера шагового двигателя (для экспериментов).

  В этой статье я опишу весь цикл изготовления драйвера шагового электромотора для экспериментов. Это не конечный вариант, он рассчитан на управление одним электромотором и необходим только для исследовательских работ, схема конечного драйвера шагового двигателя будет представлена в отдельной статье.
  Для того чтобы изготовить контроллер шагового двигателя, необходимо понять принцип работы самих шаговый электрических машин и чем они отличается от других типов электромоторов. А разновидностей электрических машин существует огромное множество: постоянного тока, переменного тока. Электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные. Описывать каждый тип электродвигателей я не стану так-как это выходит за рамки данной статьи, скажу лишь что каждый тип двигателя имеет свои преимущества и недостатки. А что же такое шаговый электродвигатель и как им управлять?
  Шаговый электродвигатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками (обычно с четырьмя), в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. Принципиальная электрическая схема шагового мотора дает представление о его устройстве.

  А на этой картинке показана таблица истинности и диаграмма работы шаговика в полношаговом режиме. Существуют еще и другие режимы работы шаговых двигателей (полушаговый, микрошаговый и др.)
 Получается если повторять эту последовательность сигналов ABCD можно вращать ротор электромотора в одну сторону. 
   А как вращать ротор в другую сторону? Да очень просто, нужно изменить последовательность сигналов с ABCD на DCBA. 
   А как поворачивать ротор на конкретный заданный угол, например 30 градусов? У каждой модели шагового электромотора есть такой параметр как число шагов. У шаговиков которые я вытащил из матричных принтеров этот параметр 200 и 52, т.е. чтобы совершить полный оборот 360 градусов одним двигателям нужно пройти 200 шагов а другим 52. Получается чтобы повернуть ротор на угол 30 градусов, нужно пройти:
  -в первом случае 30:(360:200)=16,666... (шагов) можно округлить до 17 шагов;
  -во втором случае 30:(360:52)=4,33... (шага), можно округлить до 4 шагов.
  Как видите есть достаточно большая погрешность, можно сделать вывод что чем больше шагов у мотора тем меньше погрешность. Погрешность можно уменьшать если использовать полушаговый или микрошаговый режим работы или механическим способом - использовать понижающий редуктор в этом случае страдает скорость движения.
  Как управлять скоростью вращения ротора? Достаточно изменить длительность импульсов подаваемых на входы ABCD, чем длиннее импульсы по оси времени, тем меньше скорость вращения ротора. 
Полагаю этой информации будет достаточно чтобы иметь теоретическое представление о работе шаговых электромоторов, все остальные знания можно будет получить экспериментируя.
  И так перейдем к схемотехнике. Как работать с шаговым двигателем мы разобрались, осталось подключить его к Arduino и написать управляющую программу. К сожалению напрямую подключить обмотки мотора к выходам нашего микроконтроллера невозможно по одной простой причине - нехватка мощности. Любой электромотор пропускает через свои обмотки достаточно большой ток, а к микроконтроллеру можно подключить нагрузку не более 40 mA (параметры ArduinoMega 2560). Что же делать если есть необходимость управлять нагрузкой например 10A да еще и напряжением 220В? Эту проблему можно решить если между микроконтроллером и шаговым двигателем интегрировать силовую электрическую схему, тогда можно будет управлять хоть трехфазным электромотором который открывает многотонный люк в ракетную шахту :-). В нашем случае люк в ракетную шахту открывать не нужно, нам нужно всего лишь заставить работать шаговый мотор и в этом нам поможет драйвер шагового двигателя. Можно конечно купить готовые решения, на рынке их очень много, но я буду делать свой собственный драйвер.  Для этого мне понадобятся силовые ключевые полевые транзисторы Mosfet, как я уже говорил эти транзисторы идеально подходят для сопряжения Arduino с любыми нагрузками. 
  На рисунке ниже представлена электрическая принципиальная схема контроллера шагового двигателя.


  В качестве силовых ключей я применил транзисторы IRF634B максимальное напряжение исток-сток 250В, ток стока 8,1А, этого более чем достаточно для моего случая.  Со схемой более менее разобрались будем рисовать печатную плату. Рисовал в встроенном в Windows редакторе Paint, скажу это не самая лучшая затея, в следующий раз буду использовать какой-нибудь специализированный и простой редактор печатных плат. Ниже представлен рисунок готовой печатной платы.


  Далее это изображение в зеркальном отражении распечатываем на бумаге при помощи лазерного принтера. Яркость печати лучше всего сделать максимальной, а бумагу нужно использовать не обычную офисную а глянцевую, подойдут обычные глянцевые журналы. Берем лист и печатаем поверх имеющегося изображения. Далее получившуюся картинку прикладываем к заранее подготовленному куску фольгированного стеклотекстолита и хорошенько проглаживаем утюгом в течении 20 минут. Утюг нужно нагреть до максимальной температуры.
  Как подготовить текстолит? Во первых его нужно отрезать по размеру изображения печатной платы (при помощи ножниц по металлу или ножовкой по металлу), во вторых зашкурить края мелкой наждачной бумагой, чтобы не осталось заусенцев. Также необходимо пройтись наждачкой по поверхности фольги, снять окислы, фольга приобретет ровный красноватый оттенок. Далее поверхность обработанную наждачной бумагой нужно протереть ваткой смоченной в растворитель (используйте 646 растворитель он меньше воняет).
  После прогрева утюгом, тонер с бумаги запекается на поверхность фольгированного стеклотекстолита в виде изображения контактных дорожек. После этой операции плату с бумагой необходимо остудить до комнатной температуры и положить в ванночку с водой примерно на 30 минут. За это время бумага раскиснет и ее нужно аккуратно скатать подушечками пальцев с поверхности текстолита. На поверхности останутся ровные черные следы в виде контактных дорожек. Если у вас не получилось перенести изображение с бумаги и у вас есть огрехи, тогда следует смыть тонер с поверхности текстолита растворителем и повторить все заново. У меня все получилось с первого раза. 
  После получения качественного изображения дорожек, необходимо вытравить лишнюю медь, для этого нам понадобится травильный раствор который мы приготовим сами. Раньше для травления печатных плат я использовал медный купорос и обычную поваренную соль в соотношении на 0,5 литра горячей воды по 2 столовые ложки с горкой медного купороса и поваренной соли. Все это тщательно размешивалось в воде и раствор готов. Но в этот раз попробовал иной рецепт, очень дешевый и доступный.
  Рекомендуемый способ приготовления травильного раствора:
  В 100 мл аптечной 3% перекиси водорода растворяется 30 г лимонной кислоты и 2 чайные ложки поваренной соли. Этого раствора должно хватить для травления площади 100 см2. Соль при подготовке раствора  можно не жалеть. Так как она играет роль катализатора и в процессе травления практически не расходуется.
  После приготовления раствора, печатную плату необходимо опустить в емкость с раствором и наблюдать за процессом травления, тут главное не передержать. Раствор съест непокрытую тонером поверхность меди, как только это произойдет плату необходимо достать и промыть холодной водой, далее ее нужно просушить и снять с поверхности дорожек тонер при помощи ватки и растворителя. Если в вашей плате предусмотрены отверстия для крепления радиодеталей или крепежа, самое время просверлить их. Я опустил эту операцию по причине того что это всего лишь макетный драйвер шагового двигателя, предназначенный для освоения новых для меня технологий.
  Приступаем к лужению дорожек. Это необходимо сделать чтобы облегчить себе работу при пайке. Раньше я лудил при помощи припоя и канифоли, но скажу это "грязный" способ. От канифоли много дыма и шлака на плате который нужно будет смывать растворителем. Я применил другой способ, лужение глицерином. Глицерин продается в аптеках и стоит копейки. Поверхность платы необходимо протереть ваткой смоченной в глицерине и наносить припой паяльником точными мазками. Поверхность дорожек покрывается тонким слоем припоя и остается чистой, лишний глицерин можно удалить ваткой или промыть плату в воде с мылом. К сожалению у меня нет фотографии полученного результата, после лужения, но получившееся качество впечатляет.
  Далее необходимо припаять все радиодетали на плату, для пайки SMD компонентов я использовал пинцет. В качестве флюса использовал глицерин. Получилось очень даже аккуратно.    
  Результат налицо. Конечно после изготовления плата выглядела лучше, на фото она уже после многочисленных экспериментов (для этого она и создавалась).


  Итак наш драйвер шагового двигателя готов! Теперь переходим к самому интересному к практическим экспериментам. Припаиваем все провода подключаем источник питания и пишем управляющую программу для Arduino. 
  Среда разработки Arduino богата на различные библиотеки, для работы с шаговым двигателем предусмотрена специальная библиотека Stepper.h, ее мы и будем использовать. Как пользоваться средой разработки Arduino и описывать синтаксис языка программирования я не стану, эту информацию вы можете посмотреть на сайте http://www.arduino.cc/, там же описание всех библиотек с примерами в том числе и описание Stepper.h.
 

Листинг программы:

/*
* Тестовая программа для шаговика
 */
#include <Stepper.h>
#define STEPS 200

Stepper stepper(STEPS, 31, 33, 35, 37);

void setup()
   {
     stepper.setSpeed(50);
   }

void loop()
   {
     stepper.step(200);
     delay(1000);
   }


  Данная управляющая программа заставляет делать один полный оборот вала шагового двигателя, после перерыва длительностью в одну секунду, повторяется до бесконечности. Можно поэкспериментировать со скоростью вращения, направлением вращения а также углами поворотов.  
  Драйвер шагового двигателя (версия 2)