Описание платы управления, используемой в лабораторной работе

Принципиальная схема платы управления приведена на рис. 18.2. Основным элементом является DD1 – микроконтроллер ATMega 162, формирующий сигналы для коммутации обмоток ШД (в работе используется 4-фазный ШД). Частота коммутации обмоток (соответственно частота вращения) определяется временем задержки, задаваемым программно, порядок коммутации зависит от значений, засылаемых в каждый из разрядов порта, управляющего силовыми ключами (микросхема DA1, ULN2003A).

С выходов РA.0, РA.1, РA.2, РA.3 микросхемы DD1 управляющие сигналы через микросхему-ключ DА1 подаются на шаговый двигатель и на подключенный параллельно ему узел индикации.

Рис. 18.2. Схема платы управления двигателем

Узел индикации состоит из четырех светодиодов HL1-HL4 и включенных последовательно им токоограничивающих резисторов номиналом 330 Ом.

Микросхема ULN2003A представляет собой набор мощных составных ключей с защитными диодами на выходе. Наличие защитных диодов позволяет подключать индуктивные нагрузки без дополнительной защиты от выбросов обратного напряжения (см. ниже). Номинальный ток коллектора (одного ключа) составляет 500 мА. Схема внутреннего устройства этих микросхем приведена на рис. 18.3. Подробные сведения о данной микросхеме доступны на http://www.docs.chipfind.ru.

14

Рис. 18.3. Схема внутреннего устройства ULN2003A (COM означает общую точку схемы)

В качестве объекта управления в данной работе используется миниатюрный шаговый двигатель с общей точкой обмоток. Самая простая схема управления таким шаговым двигателем (ШД) изображена на рис. 18.4. Видно, что каждая обмотка ШД последовательно соединена с ключом (переключателем), состояние которого (разомкнуто или замкнуто) определяется управляющими сигналами, поступающими с контроллера (на рисунке не показан). При замыкании ключа через соответствующую обмотку ШД протекает электрический ток и вал двигателя поворачивается на некоторый угол. Порядок переключения обмоток определяет направление вращения вала двигателя.

Рис. 18.4. Схема управления шаговым двигателем

Для источника питания обмотки двигателя представляют собой индуктивную нагрузку. Соответственно ток через обмотку не может быть включен или выключен мгновенно. Для этого необходимо было бы приложить бесконечно большое напряжение. Когда переключатель замыкается, разрешая протекание тока через обмотку, ток в обмотке ШД возрастает по экспоненте. Когда же переключатель размыкается, то ток в обмотке не может прекратиться мгновенно и на концах обмотки появляется скачок напряжения. Это напряжение старается поддержать ток через обмотку в прежнем направлении и может достичь величины, при которой переключатель выйдет из строя.

Есть два основных варианта решения задачи защиты ключа. Первый из них состоит в том, чтобы включить параллельно обмотке диод так, как показано на рис. 18.5,а. Вторым решением является подключение параллельно обмотке конденсатора (рисунок 18.5,б).

а б

Рис. 18.5

При замкнутом ключе диод заперт обратным напряжением и ток протекает только через обмотку. При размыкании ключа диод открывается напряжением, которое возникает на концах обмотки и шунтирует обмотку. Таким образом, энергия, накопленная в индуктивности, разряжается через диод. При выборе диода необходимо соблюдать выполнение следующих условий: максимально допустимое обратное напряжение диода должно быть больше напряжения питания, максимально допустимый прямой ток через диод должен быть больше максимального тока обмотки.

При подключении конденсатора параллельно обмотке необходимо учитывать следующее – при замыкании ключа конденсатор начинает разряжаться на землю и через ключ протекает ток разряда конденсатора (в первый момент после замыкания ключа наблюдается резкий импульс тока) и соответственно ключ должен быть в состоянии выдержать этот ток. Ограничить ток разряда можно с помощью резистора, включенного последовательно с конденсатором или с источником напряжения. Когда ключ размыкается, энергия, накопленная в обмотке, заряжает конденсатор до напряжения, превышающего напряжение питания, и ключ должен быть в состоянии выдержать это напряжение.

Изменяя порядок включения силовых ключей на рис. 18.4, можно получить различные эффекты: реверс, увеличение момента на валу, дробление шага пополам, а также выполнение заданного количества шагов. Возможно также электрическое дробление шага более, чем вдвое, однако для этого придется сочетать коммутацию обмоток и ШИМ.