[Из песочницы] Изучаем миниатюрный шаговый двигатель24.04.2020 07:03

Шаговые двигатели нашли широкое применение в современной промышленности и самоделках. Их используют там, где необходимо обеспечить точность позиционирования механических узлов, не прибегая к помощи обратной связи и точным измерениям.

Сегодня хочу поговорить об особой разновидности шаговых моторов — миниатюрные шаговые двигатели, которые применяются в конструкциях оптических систем. Мы подробно рассмотрим их устройство и способы управления такими крошечными моторчиками.

Шаговый двигатель — бесколлекторный (бесщёточный) электрический двигатель с несколькими обмотками (фазами), расположенными на статоре и магнитами (часто постоянными) на роторе. Подавая напряжения на обмотки статора, мы можем фиксировать положение ротора, а подавая напряжение на обмотки последовательно можно получить перемещение ротора из одного положения в другое (шаг), причёт этот шаг имеет фиксированную угловую величину.

Мы не будем останавливаться на рассмотрении каждого типа шагового двигателя. Об этом в сети написано довольно много и хорошо, например здесь.

Хочу поговорить об особой разновидности шаговых моторов — миниатюрные шаговые двигатели, которые применяются в конструкциях оптических систем. Такие малыши имеются в свободной продаже. Но в сети, особенно в русскоязычной, очень мало информации по таким моторчикам. Потому, когда мне потребовалось использовать их в своём проекте, пришлось изрядно поискать информации и провести пару экспериментов.

Результатами своих поисков и экспериментами я поделюсь в этой статье.

Мы рассмотрим вопросы управления такими маленькими моторчиками, а именно:

• драйвер L293D + микроконтроллер ATtiny44;
• драйвер TMC2208 + микроконтроллер ATtiny44;
• микроконтроллер ATtiny44 (без драйвера).

Собственно вопросы тут может вызвать только последний пункт. Поверьте, я тоже был удивлён, когда наткнулся на ролик (вот он), где парень просто берёт и напрямую цепляет шаговый мотор к пинам микроконтроллера! Но давайте обо всём по порядку.

Знакомство

Сначала немного посмотрим на внешний вид нашего героя:

Он действительно очень маленький! Согласно умной книжке Петренко С.Ф.
«Пьезоэлектрические двигатели в приборостроении», меньших размеров электромагнитные моторчики создать в принципе невозможно… то есть возможно, но с уменьшением диаметра проволоки, из которой изготавливают обмотки, всё больше энергии рассеивается в виде тепла в окружающую среду, что приводит к уменьшению КПД моторчика и делает их использование нерациональным.

Из примечательного, можно отметить, что его вал очень коротки и имеет специальную проточку для установки шестерни или рычага.

Отчётливо видны две обмотки, которые даже покрыты изоляцией разного цвета. Значит, наш моторчик относится, скорее всего, к классу биполярных шаговых двигателей.
Посмотрим как он устроен:

Считаю, наше знакомство с этими моторчиками будет не полным, если мы не посмотрим, что же у него внутри. Ведь всегда интересно заглянуть внутрь механизма! Разве нет?

Собственно, ничего необычного мы не увидели. Ротор намагничен. Подшипников нигде не наблюдается, всё на втулках. Задняя втулка запрессована в корпус двигателя. Передняя ничем не закреплена. Интересно, что корпус двигателя собирался точечной сваркой. Так что переднюю крышку корпуса пришлось спиливать.

Теперь перейдём к вопросу подключения и его электрическим характеристикам.

Убедимся, что он биполярный, прозвонив обмотки. Действительно биполярный, всё как на картинке выше. Сопротивление обмоток около 26Ом, хотя продавец указал 14Ом.
В описании сказано, что напряжение питания 5В. Хотя мы то с вами знаем, что для шагового двигателя важен ток, который будут потреблять его обмотки.
Пробуем подключить.

Эксперимент №1. L293D + ATtiny44

Как мы знаем, для управления биполярным шаговым двигателем необходимо не просто прикладывать напряжения к двум обмоткам в нужной последовательности, но и изменять направление тока в этих обмотка, причём делать это независимо друг от друга. Для этого на каждую обмотку нужен собственный Н-мост. Чтобы не городить его из транзисторов, был взят готовый в лице микросхемы L293D. Ещё одно её преимущество — у микросхемы имеются специальные выводы Enable1 и Enable2, который включают и выключают каждый мост. Их можно использовать чтобы подавать ШИМ сигнал, тем самым, возможно контролировать напряжения питания каждого моста. Зачем это может понадобиться, мы увидим дальше.

Кроме того, L293D может коммутировать напряжения до 36В и выдавать до 1,2А на каждый канал, чего вполне должно хватить для питания обмоток нашего моторчика.

Итак, схема:

Управляющие входы L293D подключены к выходам OC0A и OC0B, что позволит в будущем подавать на них ШИМ сигнал.

Прошивать контроллер будем через внутрисхемный программатор (на схеме не указан).
Вот как выглядит собранная схема на макетной плате:

И вот так расположен наш подопытный:

Теперь можно приступать к экспериментам.

Рассчитаем ток, который будет течь через обмотки двигателя при подключении их к напряжению 5В:

I=U/R = 5В/26Ом = 190 мА

Совсем небольшой. Интересно как долго он сможет держать такой ток и не перегреться.

Включим в цепь одной из обмоток амперметр и вольтметр, и проведём замеры соответствующих величин при подачи питания на эту обметку через драйвер.

При падении напряжении на обмотке 2.56В амперметр показывает ток 150 мА, причём хорошо заметно, как начинает падать величина силы тока в процессе нагревания обмоток. Надо отметить, что не так уж и сильно он греется.

Убедившись, что напряжение 5В для моторчика опасности не представляет, попробуем покрутить им в разные стороны. И вот теперь пару слов мы скажем про режимы работы шагового двигателя.

Об этом довольно хорошо сказано здесь.

Не будем повторяться, но вспомним, что шаговый двигатель может работать в трёх режимах:

• Полношаговый однофазный это когда одновременно напряжение подаётся только на одну фазу двигателя, ротор делает шаг, затем текущая фаза выключается и включается следующая.
• Полношаговый двухфазный это когда напряжение подаётся одновременно на две фазы мотора, при этом, ротор притягивается одновременно к двум обмоткам, что создаёт больший крутящий момент.
• Микрошаговый режим в этом случае реализуется тот же принцип, что и на полношаговом двухфазном, то есть работают одновременно две обмотки, но напряжение (и как следствие ток) распределяется между ними не равномерно. Фактически, это означает, что мы можем поставить моторчик в неограниченное количество положений (на практике, разумеется, такого сделать нельзя). Увеличивается точность позиционирования.

Попробуем реализовать первые два режима на микросхеме L293D, а для микрошагового режима оставим специальный драйвер из второго эксперимента.

Исходный код программы выглядит следующим образом:

#define F_CPU 8000000UL  // указываем частоту в герцах

// фьюзы необходимо выставить L: E2; H:DF; Ex:FF; 
// это будет частота 8МГц от внутреннего генератора с выключенным предделителем тактовый частоты (включен по умолчанию и равен 8)

#include  // подключаем библиотеку АВР

#include  // подключаем библиотеку задержек

#include  // подключаем библиотеку прерываний

// управление штатным светодиодом

#define LED_pin PA5

#define LED_ON PORTA |=(1<0) { // цикл выполняется, пока не будут выполнены все шаги

        switch(direction) { // в зависимости от установленного направления вращения инкрементируем или декрементируем счётчик шагов
	
			case 'F':
				if(step_counter<3) { step_counter++; } else { step_counter=0; }
			break;
		
			case 'B':
				if(step_counter>0) { step_counter--; } else { step_counter=3; }
			break;
		
		}
		
		switch(phase) { // выбираем однофазный или двухфазный режим
		
		    case 1: 
			
				switch(step_counter) { // назначаем текущий шаг
	
					case 0:
						step_1_two_phase_DL();
					break;
		
					case 1:
						step_2_two_phase_DL();
					break;
		
					case 2:
						step_3_two_phase_DL();
					break;
		
					case 3:
						step_4_two_phase_DL();
					break;
	
				}
			
			break;
			
			case 2:
			
				switch(step_counter) { // назначаем текущий шаг
	
					case 0:
						step_1_two_phase_DL();
					break;
		
					case 1:
						step_2_two_phase_DL();
					break;
		
					case 2:
						step_3_two_phase_DL();
					break;
		
					case 3:
						step_4_two_phase_DL();
					break;
	
				}
			
			break;
		
		}
		
    delay_millisecond(step_delay); // пауза между шагами задаёт скорость вращения двиагетля
	
	step_quantity--; 
	
	} 

}


void PWM_init (void) { // функция инициализации ШИМ

    DDRB |=(1<

#define F_CPU 8000000UL  // указываем частоту в герцах

// фьюзы необходимо выставить L: E2; H:DF; Ex:FF; 
// это будет частота 8МГц от внутреннего генератора с выключенным предделителем тактовый частоты (включен по умолчанию и равен 8)

#include  // подключаем библиотеку АВР

#include  // подключаем библиотеку задержек

#include  // подключаем библиотеку прерываний

// управление штатным светодиодом

#define LED_pin PA5

#define LED_ON PORTA |=(1<0) { // пока не сделали нужное количество шагов
	
		STP_ON; // делаем один шаг
		
		delay_microsecond(100); // длительность импульса 100мкС
		
		STP_OFF;
		
		delay_millisecond(step_delay);// пауза между импульсами
	
	    step_quantity--;
	
	}

}

int main (void) {

        DDRA |=(1<

#define F_CPU 8000000UL  // указываем частоту в герцах

// фьюзы необходимо выставить L: E2; H:DF; Ex:FF; 
// это будет частота 8МГц от внутреннего генератора с выключенным предделителем тактовый частоты (включен по умолчанию и равен 8)

#include  // подключаем библиотеку АВР

#include  // подключаем библиотеку задержек

#include  // подключаем библиотеку прерываний

// управление штатным светодиодом

#define LED_pin PA5

#define LED_ON PORTA |=(1<0) { // цикл выполняется, пока не будут выполнены все шаги

        switch(direction) { // в зависимости от установленного направления вращения инкрементируем или декрементируем счётчик шагов
	
			case 'F':
				if(step_counter<3) { step_counter++; } else { step_counter=0; }
			break;
		
			case 'B':
				if(step_counter>0) { step_counter--; } else { step_counter=3; }
			break;
		
		}
		
		switch(phase) { // выбираем однофазный или двухфазный режим
		
		    case 1: 
			
				switch(step_counter) { // назначаем текущий шаг
	
					case 0:
						step_1_two_phase_DL();
					break;
		
					case 1:
						step_2_two_phase_DL();
					break;
		
					case 2:
						step_3_two_phase_DL();
					break;
		
					case 3:
						step_4_two_phase_DL();
					break;
	
				}
			
			break;
			
			case 2:
			
				switch(step_counter) { // назначаем текущий шаг
	
					case 0:
						step_1_two_phase_DL();
					break;
		
					case 1:
						step_2_two_phase_DL();
					break;
		
					case 2:
						step_3_two_phase_DL();
					break;
		
					case 3:
						step_4_two_phase_DL();
					break;
	
				}
			
			break;
		
		}
		
    delay_millisecond(step_delay); // пауза между шагами задаёт скорость вращения двиагетля
	
	step_quantity--; 
	
	} 

}


void PWM_init (void) { // функция инициализации ШИМ

    DDRB |=(1<