Структурная схема лабораторного макета

Устройство позволяет управлять двигателем с передней панели путём нажатия одной из клавиш, а также управление может осуществляться с персонального компьютера, переход осуществляется нажатием двух кнопок одновременно.

Устройство управления шаговым двигателем состоит из «контроллера»

и «драйвера».

Чтобы двигатель начал вращаться (циклически перемещаться по шагам) надо организовать на его выводах определенную последовательность изменения напряжения: эту функцию выполняет микроконтроллер. PIC16F84.

Для связи с компьютером можно использовать параллельный (LPT) или последовательный (COM) порт компьютера. В работе управление с ПЭВМ осуществляется через COM порт стандарта RS-232, который допускает подключение и отключение кабелей во время работы устройств (hot plug). Недостаток порта – отличный от ТТЛ уровень сигналов, в котором низкому логическому уровню соответствует напряжение -12В, а высокому +12В, поэтому необходимо согласование уровней.

Структурная схема устройства выглядит следующим образом (рисунок 3.1).

 

Рисунок 3.1 Структурная схема устройства управления шаговым двигателем.

 

Устройство управления предназначено для управления униполярным шаговым двигателем с параметрами:

– номинальное напряжение питания двигателя 9В, но для малых скоростей может быть снижено до 5В;

– номинальный ток 0.4-0.6А.

    В работе используется шаговый двигатель от 5-дюймового дисковода FL42STH33-03A. Его параметры:

– напряжения питания: 9–12В;

– ток: 0.31А;

– крутящий момент: 1.58 кг∙см;

– погрешность шага: ±5%;

– радиальное биение вала: 0,06мм;

– осевое биение вала: 0,08мм;

– условия эксплуатации: -10 - +50.°С;

– относительная влажность: не более 90%;

– исполнение «А»: вал с одной стороны.

    Шаговый двигатель FL42STH33-03A представляет собой пару рабочих обмоток ABи CD, имеющих по одному общему выводу.

 

Рисунок 3.2 Схема обмоток униполярного шагового двигателя

 

                                                                                                                                                                                                                                        В качестве блока питания может быть использован любой источник постоянного напряжения 9–12В. Для питания микроконтроллера и других микросхем используется стабилизатор на 5В, построенный по схеме, показанной на рисунке 3.3

Рисунок 3.3 Типовая схема включения 78L05

 

Микросхема 78L05 заменима отечественной КP142ЕН5А. Ёмкости конденсаторов равны 0,1 мкФ. Значения емкостей выбираются исходя из необходимой тактовой частоты. На частоту 4МГц они равны 20 пФ.

Питание обмоток двигателя осуществляется по схеме показанной на рисунке 3.5. В качестве драйвера подходят простейшие ключи, построенные на биполярных или полевых транзисторах. Транзисторы должны выдерживать ток обмоток двигателя и иметь большой коэффициент передачи тока базы. В нашем случае походит составной транзистор KT972Б.

При работе шагового двигателя требуется изменение направления магнитного поля независимо для каждой фазы. Изменение направления магнитного поля может быть выполнено разными способами. В униполярных двигателях обмотки имеют отвод от середины или имеются две отдельные обмотки для каждой фазы.

Параметры транзистора КТ972:

I _{к max} = 4А, U _{КБ0 max} =45В, U _{ЭБ0 max} =5В, P _{К max} =8Вт, h _{21 Э} =750,

  U _КБ (U _КЭ)=3В, f_{h 21}=200 МГц.

Схема включения показана на рисунке 3.6.

Транзисторы работают в режиме насыщения и практически не нагреваются, поэтому им не нужны радиаторы. Защитные диоды предохраняю

Рисунок 3.5 Питание обмотки униполярного двигателя

 

 транзисторы от пробоя выбросами обратного напряжения на обмотках, которые возникают в момент отключения тока в обмотке (рисунок 3.6, б).

а – при высоком уровне H             б – при низком уровне L

Рисунок 3.6 Протекание токов при низком и высоком уровнях напряжения

 

Для управления скоростью вращения двигателя применяется схема, показанная на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 Схема управления скоростью вращения двигателя

Напряжение с конденсатора C поступает на вход RB5 МК. Транзистор VTпереходит в рабочее состояние, когда на выходе RB7 появляется высокий уровень H. В этом состоянии электрический заряд конденсатора C течет через транзистор и напряжение на обоих концах конденсатора станет около 0В (рисунок 3.8, а).

а – конденсатор разряжен,  б – конденсатор заряжен

Рисунок 3.8 Разряд и заряд конденсатора

 

Когда на RB 7 находится низкий уровень напряжения L, транзистор VT закрыт. В этом случае электрический ток течет через R 1, R и C. Конденсатор C начинает заряжаться. Напряжение на обоих концах конденсатора постепенно увеличивается, по мере зарядки Время зарядки конденсатора изменяется переменным резистором.

Напряжение конденсатора детектируется RB5. После установления RB7 в низкоуровневое состояние происходит программная задержка управления мотором до тех пор, пока не зарядиться конденсатор.

При малом сопротивлении переменного резистора R 1 время зарядки конденсатора мало, следовательно, уменьшается задержка управления мотором, таким образом, происходит увеличение скорости движения двигателя. При увеличении сопротивления происходит увеличение времени заряда конденсатора, а, следовательно, происходит уменьшение скорости вращения двигателя.

При работе от ПК задержка осуществляется программно: в программе (смотри приложение) осуществляется задержка после передачи /приема каждого байта. Чем быстрее осуществляется передача/прием, тем быстрее происходит управление, а, следовательно, увеличивается скорость вращения двигателя.

В качестве блока управления используются малогабаритные кнопки, включенные по схеме, показанной на рисунке 3.9.

Подтягивающие резисторы R устанавливают необходимый уровень логической единицы H.

 

Рисунок 3.9 Подключение кнопок к портам МК

 

Для связи с ПК и формирования управляющей последовательности импульсов применяется МК PIC16F84. Подключение внешнего кварцевого резонатора на рисунке 3.10.

 

Рисунок 3.10 Подключение внешнего кварцевого резонатора.

 

Тактовую частоту МК задает кварцевый резонатор ZQ1.

Для согласования уровней COMпорта используется микросхема MAX–232 (рисунок 3.11 и 3.12).

Рисунок 3.11 Реализация интерфейса на PIC16F84

Для микросхемы MAX 232 выбираются емкости для каждого конденсатора C =1мкФ.

Объединив все схемы получим электрическую принципиальную схему устройства управления шаговым двигателем, которая показана в приложении.

МК PIC16F84 является подгруппой в семействе P1С16Сххх – недорогих, высокопроизводительных, 8-битных CMOS микроконтроллеров.

Необходимо написать программу для управления с ПК. В нашем случае написана программа для работы из под DOS. Текст программы с комментариями брать у преподояателя.

Рисунок 3.12 Микросхема MAX 232

 

В программе заложены следующие параметры:

– тактовая частота 4 МГц;

– скорость передачи 1200 бит в секунду;

– 8 бит данных;

– 1 стоп бит;

– проверка четности не выполняется;

– аппаратный контроль не используется.

Эта программа предназначена для управления шаговым двигателем. Связь между компьютером и устройством осуществляется посредством последовательной асинхронной передачи данных через COM порт.

Управлять двигателем Вы можете нажатием клавиш:

← движение двигателя влево;

→ движение двигателя вправо;

↑ регулировка скорости;

↓ останов двигателя.

При этом программа посылает устройству команду управления. Микроконтроллер обрабатывает принятую команду, выполняет действие, посылает компьютеру подтверждение выполненного действия.

После запуска программы предлагается выбрать один из четырех COMпортов. Далее компьютер ждет команду перехода на работу с компьютера. После получения команды предлагается выполнить действие (смотри выше).

Переход на работу с компьютера осуществляется нажатием одновременно двух кнопок устройства, также существует возможность обратного перехода на работу от кнопок, нажатием клавиши Insert.