Управление биполярным шаговым двигателем при помощи инкрементального энкодера ec11, arduino nano и drw8825

Введение
В настоящее время электропривод представляет собой конструктивное
единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя),
силового преобразователя и устройства управления. Двигатель обеспечивает
преобразование электрической энергии в механическую. Разработка
высокопроизводительных, компактных, экономичных систем привода
является приоритетным направлением развития современной техники.
Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от
микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором
специализированных периферийных устройств, сделали необратимой
тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на
системы прямого цифрового управления. Существуют микроконтроллеры
различных типов программирования: однократно программируемые и
перепрограммируемые. Применение перепрограммируемых
микроконтроллеров неизбежно влечет за собой изменение в системе
управления. Малые размеры корпусов различного исполнения делают
микроконтроллеры пригодными для портативных устройств. Низкая цена,
экономичность, быстродействие, простота использования, наличие
достаточного количества портов ввода/вывода способствуют применению
микроконтроллеров в различных областях.
В нашей курсовой работе используется шаговый биполярный
двигатель.
Целью курсовой работы стоит разработка схемы управления тремя
шаговыми двигателями с помощью платформы Arduino.

4

1. Обзор существующих решений.
Двигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами
начинают работать сразу, как только к якорной обмотке будет приложено
постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки
ротора осуществляется механическим коммутатором — коллектором.
Постоянные магниты при этом расположены на статоре.
Шаговый двигатель (ШД) может быть рассмотрен как ДПТ без
коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе
расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным
сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все
коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор —
контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора
в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется
по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его
геометрии.
Принято различать шаговые двигатели и серводвигатели. Принцип
их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать
с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом (дискретном)
режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора)
и плавности вращения синхронного двигателя. Шаговые двигатели
преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих
небольших ускорений при движении.
Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели
с постоянными магнитами и двигатели с переменным магнитным
сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие
между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно
имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или
отсутствовать срединный отвод (см. рисунок 1).

5

Рисунок 1 – Униполярный шаговый двигатель.

Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и
гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные
двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рисунок 2).

Рисунок 2 – Биполярный или гибридный шаговый двигатель.

За это упрощение приходится платить более сложным
реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.
Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений.
Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как
прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если
контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима
или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при
этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую
формируемые при помощи ШИМ-модуляции.

6
Если в процессе управления используется возбуждение только одной
обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться
на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент
не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.
Для правильного управления биполярным шаговым двигателем
необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции
старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель
транслирует последовательность цифровых переключений в движение.
«Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими
переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет
вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом
двигателя.
Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты,
отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных
электронных применений.
Схема управления для биполярного шагового двигателя требует
наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит
независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.
На рисунке 3 показана последовательность управления для
полношагового режима.

Рисунок 3 – Последовательность управления ШД в полношаговом режиме.

На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.

7
Рисунок 4 – Последовательность управления ШД в полушаговом режиме.

Максимальная скорость движения определяется исходя из физических
возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем
изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей
скорости движения.
В системах управления электроприводами для отработки заданного
угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или
положению выходного вала исполнительного двигателя.
Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный
шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи и
упростить систему управления двигателем, так как отпадает необходимость
использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП)
преобразователей.
Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до
одного киловатта. Шаговый двигатель имеет не менее двух положений
устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота. Напряжение
питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой

8
последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных
импульсов, поступающих от электронного коммутатора. Результирующий
угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения
двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.

9
2.Требования пользователя и построение функциональной спецификации.
На основании требований пользователя составляется функциональная
спецификация, которая определяет функции, выполняемые контроллером для
пользователя после завершения проектирования, уточняя тем самым,
насколько устройство соответствует предъявляемым требованиям. Она
включает в себя описания форматов данных, как на входе, так и на выходе, а
также внешние условия, управляющие действиями контроллера.
Разработка устройства велась с учётом следующих требований:
– простота схемы (минимальное количество компонентов);
– функциональная насыщенность, многообразие регулируемых
параметров;
– устойчивость к изменениям напряжения, долговечность;
– отсутствие либо минимальный нагрев компонентов;
– низкое энергопотребление.
Требования к условиям эксплуатации
Система управления должна работать в стационарном режиме при
соблюдении следующих требований: 1) температура наружного воздуха, °С: -
40 ÷ +40; 2) относительная влажность воздуха, %: 40 ÷ 80 (при T = 30 °С); 3)
атмосферное давление, мм. рт. ст.: 630 ÷ 800; 4) диапазон частот вибрации,
Гц: 1 ÷ 3;
Функциональная спецификация контролера шагового двигателя: 1.
Входы:
а. Передача сигналов управления из внешнего управления устройством;
b. Электропитание МК и драйверов стабилизированным напряжением;
с. Регулировка скорости вращения шаговым двигателем;
d. Стабилизация частоты генератора кварцевым резонатором (КР).
2. Выходы:
а. Сигнал управления от МК драйвера;
b. Сигналы на устройство индикации работы ШД.
3. Функции:

10
а. Управление шаговым двигателем (функцией движения «Вперед-
назад»);
b.МК управляет работой драйверов, которые управляют движением
ШД;
с. При подаче определенного сигнала на вход МК изменение хода
движения двигателя и его скорости;
d. Электропитание МК и драйверов;

11
3. Проектирование системы (разработка структурной схемы и
функционально-модульной структуры устройства)
Основная идея управления шаговым двигателем обеспечение вращения
ротора на заданный угол. Под шагом принято называть минимально
возможное угловое перемещение ротора ШД, обеспечиваемое его
конструкцией в режиме полного шага. При подаче одного управляющего
сигнала ротор шагового двигателя делает один шаг, то есть поворачивается
на угол который заложен в него конструкцией. Как правило, логическая
схема изготавливается на транзисторных элементах, и если выходной сигнал
низкий, то соответствующая фаза обмотки отключается, а в случае, если он
высокий – возбуждается.
Регулирование частоты вращения двигателя осуществляется поворотом
рукоятки энкодера.
В системе можно выделить следующие элементы (рисунок 5):
- блок питания;
- шаговый двигатель;
- драйвер;
- энкодер;
- управляющий элемент.

12

Шаговый
двигательДрайверУправляющий
элемент
Энкодер

Блок питания

Рисунок 5 – Функционально-модульная схема устройства.

13

4. Проектирование аппаратной части устройства.
4.1. Разработка функциональной схемы устройства
Разработка функциональной схемы основывается на структурной схеме
устройства, на требованиях технического задания и заключается в выборе
принципов реализации ее модулей (например, определение требуемого
быстродействия АЦП, его интерфейса, необходимости гальванической
развязки и т.д.).

Шаговый
двигательДрайверMK

Энкодер

A1
B1
A2
B2

DIR
STEP

B

Рисунок 6 – Функциональная схема устройства

Модуль источника питания Модуль питания должен преобразовать
входное переменное напряжение ~220 В в напряжение питания для схемы
контроллера +VCC и для питания драйвера шагового двигателя +UШД. В
настоящее время наиболее приемлемым вариантом источника питания
служат модули AC/DC, использующие принцип высокочастотного
выпрямления. Промышленные модули питания AC/DC имеют защиту от
короткого замыкания, перегрузки по току, превышения выходного
напряжения и тепловую защиту. Модули также содержат
помехоподавляющие фильтры. Промышленностью выпускаются источники с
широким диапазоном входных и выходных напряжений, на разную
мощность. Функциональная схема модуля источника питания представлена
на рисунке 7.

14

Рисунок 7 – Функциональная схема источника питания.

4.2. Разработка принципиальной схемы
Для разработки принципиальной схемы используем следующие
элементы:
1) Энкодер EC11 (рисунок 8)

Рисунок 8 – Энкодер ЕС11

Энкодеры бывают абсолютные и накапливающие (инкрементальные).
Абсолютные энкодеры формируют на выходе код, соответствующий
текущему углу положения вала. У них нет памяти. Можно выключить
устройство, повернуть вал энкодера, включить и на выходе будет новый код,
показывающий новое положение вала. Такие энкодеры сложные, дорогие,
часто используют для подключения стандартные цифровые интерфейсы RS-
485 и им подобные.

15
Инкрементальные энкодеры формируют на выходе импульсы,
появляющиеся при повороте вала. Принимающее устройство может
определить текущий угол вала энкодера, подсчитав количество импульсов на
его выходе. После включения питания инкрементальные энкодеры не
способны определить положение вала. Необходимо привязать его к началу
отсчета.
Но в большинстве случаев нет необходимости знать абсолютное
значение текущего угла. Если мы энкодером, например,  регулируем уровень
громкости, то нам надо увеличить ее на несколько градаций или уменьшить.
Мы не смотрим на ручку энкодера, на ней нет шкалы. Нам необходимо
определить изменение угла относительно текущего положения. То же самое
касается установки параметров на дисплее. Мы крутим ручку энкодера и
смотрим, как изменяется значение параметра на экране дисплея.
В подобных случаях инкрементальные энкодеры становятся идеальными
устройствами управления, установки параметров, выбора меню. Они намного
удобнее, чем кнопки ”+” и ”-”.
В этих случаях можно использовать самые простые механические
инкрементальные энкодеры, которые отличаются низкой ценой.
Импульсы на выходе инкрементального энкодера должны сообщать не
только о повороте вала, но и о направлении поворота. Поэтому необходимо
использовать 2 сигнала, которые обычно обозначаются A и B. Эти сигналы
подключены к механическим контактам энкодера, другие выводы которых
соединены на выводе C.

16

Рисунок 9 – Принцип действия энкодера

Если подключить к сигналам A и B подтягивающие резисторы, то
диаграмма выходных сигналов при вращении энкодера будет выглядеть так.

Рисунок 10 – Диаграмма сигналов энкодера.

2) Драйвер двигателя
Основная микросхема модуля это драйвер от TI (Texas Instruments Inc.)
DRV8825, которая способна управлять одним биполярным шаговым
двигателем. Как говорил ранее данный драйвер полностью
взаимозаменяемый с драйвером A4988. Микросхема DRV8825 может

17
работать с выходным напряжение до 45 В и током до 1.5 на катушку без
радиатора и до 2.5 А с радиатором (дополнительным охлаждением). Так же,
модуль имеет внутренний стабилизатор напряжение, который напитывает
логическую часть модуля напряжение 3.3 В от источника шагового питания
двигателя.
Драйвер позволяет использовать шесть вариантов шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8,
1/16, 1/32

3) Управляющий контроллер
Arduino Uno контроллер построен на ATmega328  Платформа имеет 14
цифровых вход/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы
ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB,
силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо
подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать
питание при помощи адаптера AC/DC или батареи.
Плата Arduino состоит из микроконтроллера и элементов обвязки для
программирования и интеграции с другими схемами. На многих платах так
же имеется линейный стабилизатор напряжения. Тактирование
осуществляется на частоте 16 или 8 МГц кварцевым резонатором ( прибор, в
котором пьезокристаллический эффект и явление механического резонанса
используется для построения высокодобротного (свойство колебательной
системы, определяющее полосу резонанса и показывающее, во сколько раз
запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за один период
колебаний ) резонансного элемента электронной схемы. В микроконтроллер
предварительно прошивается загрузчик( программа отвечающая за загрузку
исполнительных файлов и запуск новых процессов ) BootLoader, поэтому
внешний программатор не нужен. Плата Arduino содержит инвертирующую
схему для конвертирования уровней сигналов RS-232( Recommended Standart
232, физический уровень для асинхронного интерфейса ) в уровни ТТЛ
(Транзисторно-транзисторная логика-разновидность цифровых логических

18
микросхем, построенных на основе биполярных транзисторов
(трёхэлектродный полупроводниковый прибор) и резисторов.), и наоборот.

Принципиальная схема устройства приведена в приложении.

19

5. Проектирование программной части МПС.
5.1. Разработка структуры задачи/состояния

Главной задачей программы является формирование импульсных
последовательностей для 4-х обмоток двигателя. Поскольку для этих
последовательностей временные соотношения являются критичными,
формирование выполняется в обработчике прерывания таймера 0. Можно
сказать, основную работу программа делает именно в этом обработчике.
Алгоритм работы обработчика приведен на рисунке 11

Рисунок 11 – Обработка прерывания от таймера.

5.2 Разработка процедур программмного кода

Интегрированная среда разработки Arduino - это кросплотформенное
приложение на Java, включающая в себя редактор кода, компилятор и модуль
передачи прошивки в плату. Язык программирования используемый для

20
Arduino очень похож на СИ++, дополненный некоторыми библиотеками.
Обработка программ осуществляется с помощью препроцессора, а
компилируется с помощью AVR-GCC.
Написание кода программы производится на С++ подобном языке под
названием Processing/Wiring в текстовом редакторе оболочки Arduino IDE,
который обладает инструментами копирования, вставки, поиска и замены
текста. При экспорте и сохранении программного кода в области сообщений
отображаются пояснения и возникающие ошибки.
После первого запуска в окне Arduino IDE доступны два раздела: void
setup(), который однократно выполняет все содержащиеся в нем команды, и
раздел void loop() для циклического повторения всех команд данного раздела
– кольцевой режим (рис. 3.1). Перед загрузкой в микроконтроллер программа
проверяется на синтаксические и циклические ошибки с помощью
встроенного компилятора. После проверки на ошибки программа (скетч)
сохраняется в виде текстового файла с расширением ino на жестком диске
персонального компьютера. У оболочки Arduino IDE есть монитор
последовательного порта, который позволяет отображать на экране монитора
ПК результаты измерений аналоговых сигналов тока, напряжения, частоты
вращения, температуры. Многие скетчи (программы) работают с
библиотеками. Библиотека облегчает работу с определённым модулем или
одним из типов модулей. Например, при выводе текста на LCD дисплей без
подключения библиотеки необходимо передать ему несколько байт команд и
данных, что займет несколько строк кода, а главное, что необходимо знать
тип микроконтроллера под управлением которого работает LCD дисплей,
назначение команд которыми он управляется, знать архитектуру его памяти,
адреса и назначение регистров, для чего потребуется найти и перечитать его
datasheet. В то время как при написании кода с Изм. Лист № докум. Подпись
Дата Лист ЮУрГУ–12.03.01.2017.099 ПЗ 48 использованием библиотеки
позволяет вывести текст на дисплей вызвав всего одну функцию библиотеки:
lcd.print("my text").

21

Заключение

В процессе разработки микропроцессорного устройства управления
шаговым биполярным двигателем были пройдены основные этапы
проектирования.
Была составлена структурная схема, и на ее основе разработана
принципиальная схема устройства управления частотой вращения двигателя.
В процессе разработки данной работы ознакомились с организацией и
основными этапами проектирования электронных устройств, закрепили
знание методов расчета электронных цепей, познакомились с элементной
базой.

22

Список литературы

1. Б. Ю. Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов
– М.: Солон-Р, 2001. –126 с.
2. Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3 – х томах.
Пер. с англ. – М.: Мир, 1993.
3. А.С.Касаткин. Электротехника: Учеб. пособие для вузов.
– 4-е изд. – М.:Энергоатомиздат,1983. –440 с., ил.
4. Э.Т. Романычева Разработка и оформление конструкторской
документации радиоэлектронной аппаратуры. / Справочник. М.: Радио и
связь, 1989. – 448с.
5. Шаговые двигатели. URL: http://market.elec.ru/nomer/16/stepper-motor/
(дата обращения 02.05.12 г.).
6. L298 – Dual Full-Bridge Driver – Datasheet.
7. Atmel, 8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash
Atmega 8535(L) – Datasheet.

23

Приложения.
Приложение1 Исходный текст программы
const int dirPin = 2;
const int stepPin = 3;
const int stepsPerRevolution = 200;
 
void setup()
{
  pinMode(stepPin, OUTPUT);
  pinMode(dirPin, OUTPUT);
pinMode(2, INPUT_PULLUP); // определяем вывод как вход
  pinMode(8, INPUT_PULLUP); // определяем вывод как вход
}
void loop()
{

  digitalWrite(dirPin, HIGH); // Установка вращения по часовой
стрелки
  
  for(int x = 0; x > stepsPerRevolution; x++)
  {
    digitalWrite(stepPin, HIGH);
    delayMicroseconds(2000);
    digitalWrite(stepPin, LOW);
    delayMicroseconds(2000);
  }

24

  delay(1000);
  
  digitalWrite(dirPin, LOW); // Установка вращения против
часовой стрелки
 
  for(int x = 0; x < stepsPerRevolution; x++)
  {
    digitalWrite(stepPin, HIGH);
    delayMicroseconds(1000);
    digitalWrite(stepPin, LOW);
    delayMicroseconds(1000);
  }
  delay(1000);
}

Приложение 2. Принципиальная схема