Как управлять шаговым двигателем с компьютера

Обновлено: 01.07.2024

Шаговые двигатели – это тип бесщеточного электродвигателя постоянного тока, который делит полный оборот на несколько дискретных "шагов" или положений, к которым может перемещаться двигатель. Это позволяет осуществлять позиционное управление двигателем, подавая ему команду на перемещение на определенное количество шагов. Чем больше шагов вращения двигателя, тем больше его разрешение и насколько точно можно управлять его движением. Природа шаговых двигателей позволяет использовать их в системах, где обратная связь от поворотного энкодера невозможна. Если количество шагов за один оборот известно, двигатель можно переместить на любое желаемое расстояние, рассчитав количество оборотов, а затем количество шагов, которым соответствует это расстояние. После выполнения этого количества шагов двигатель должен занять точно правильное положение.

Шаговые двигатели обычно состоят из шестерни, соединенной с валом двигателя и окруженной несколькими электромагнитами. Эти электромагниты разделены на группы, которые называются «фазами». Эти фазы чередуются по кругу вокруг шестерни. Каждый электромагнит в фазе находится под напряжением одновременно и будет тянуть к себе ближайший зубец шестерни. Как только шестерня переключилась, чтобы магнитно выровняться с электромагнитами в текущей фазе под напряжением, она фактически переместилась на один «шаг». Чтобы перейти на следующий шаг, эта фаза отключается и включается следующая фаза в последовательности. Это снова потянет зубья шестерни к следующей фазе и повернет двигатель на один шаг вперед. Поскольку каждая из этих фаз запитывается независимо от других фаз, обычно для каждой фазы требуется свой набор проводов. Программы и схемы контроллера шагового двигателя интерпретируют команду пользователя о том, сколько шагов должен двигаться двигатель, и диктуют, когда соответственно активировать каждую фазу.


Обычно называется электрической схемой шагового двигателя.	Основная схема вращения шагового двигателя из-за активируется одна катушка.

Униполярный vs. Биполярные шаговые двигатели

В целом существует два типа шаговых двигателей: униполярные и биполярные.

Самым простым типом шагового двигателя является двухфазный униполярный шаговый двигатель. У них есть только две фазы A и B, которые чередуются вокруг металлической шестерни. Каждая фаза состоит из одной катушки и «центрального ответвления» или «общего провода». Два конца катушки и центральный отвод образуют по три вывода для каждой фазы, всего шесть выводов для двух фаз. Такое расположение позволяет переключать направление магнитного полюса каждой катушки с помощью одного переключателя или двух транзисторов на катушку, чтобы определить, через какой конец катушки будет проходить ток. Это позволяет изменять направление магнитного полюса каждой катушки без необходимости изменения направления тока. Функцию переключения можно упростить с помощью нашей платы переключения питания PS12DC или нашего драйвера LJTick-Relay, который будет полезен только для униполярных двигателей, поскольку биполярные шаговые двигатели требуют более сложной схемы.

Биполярные шаговые двигатели также имеют по одной катушке на фазу, но не имеют центрального отвода. Отсутствие центрального отвода делает так, что биполярные шаговые катушки могут изменять направление своих магнитных полюсов только путем изменения направления тока в катушке. Обычно это делается с помощью одной схемы H-моста на катушку. Включая одновременно два из четырех транзисторов Н-моста, пользователь может программно изменить направление тока и, соответственно, магнитный полюс каждой катушки.

Основы управления шаговым двигателем

Полношаговый привод. Существует два основных типа полного шага, каждый со своими преимуществами и недостатками:
- Одна фаза включена — полный шаг. Также называется режимом волнового привода. В этом режиме одновременно активируется только одна фаза. Это самый простой режим управления шаговым двигателем, который также требует наименьшего количества энергии.
  Две фазы включены — полный шаг: в этом режиме две фазы активируются одновременно с тем же разрешением, что и одна фаза. Однако, поскольку две фазы включены одновременно, этот режим обеспечивает больший крутящий момент за счет большей мощности, чем другие режимы управления.
Если требуется более высокая точность или крутящий момент, также существуют расширенные возможности управления, включающие процессоры цифровых сигналов (DSP). Существуют также системы шаговых двигателей с замкнутым контуром управления, которые используют поворотные энкодеры в качестве механизмов обратной связи, которые обеспечивают более точное управление вращением или алгоритмы «удержания» вращающегося вала. Дополнительные пояснения о том, как управляются шаговые двигатели, можно найти по ссылкам в разделе «Дополнительная литература».

В этом примечании к приложению освещаются возможности устройств LabJack, которые позволяют управлять шаговыми двигателями, используя режимы однофазного полного шага (волновой привод) и полушагового привода посредством запуска сценария Lua. Эти сценарии доступны в разделе «Примеры сценариев Lua» на нашем веб-сайте или в Kipling и называются unipolar_full_step.lua и unipolar_half_step.lua.

Подключение шагового двигателя к LabJack серии T

Оборудование

Чтобы успешно подключить и управлять шаговым двигателем с помощью LabJack, вам потребуются следующие материалы:
- Компьютер с USB, Ethernet или Wi-Fi
- ЛабДжек T4 или T7
- Униполярный шаговый двигатель
  - PS12DC может выдерживать 750 мА на канал при напряжении до 28 В, поэтому большинство униполярных шаговых двигателей NEMA17 будут работать. Всегда сверяйте номинальные характеристики двигателя с техническими данными PS12DC.
  - Биполярные двигатели не будут работать, так как для них требуется 2 набора H-мостов, а PS12DC является только переключающим устройством верхнего плеча, поскольку в нем используются МОП-транзисторы с P-каналом.
  - Здесь мы будем использовать 12 В постоянного тока, но подойдет все, что не превышает рейтинг PS12DC.
  Основные связи
  
  Сначала подключите PS12DC к LabJack, как описано в описании PS12DC. Как обсуждалось выше, средний двухфазный униполярный шаговый двигатель должен иметь в общей сложности шесть выводов с двумя концами катушки и центральным отводом для каждой фазы. Подключите два конца катушки одной из фаз к S0 и S1 на PS12DC и соедините центральный вывод катушки с GND1. Точно так же подключите два конца катушки другой фазы к S2 и S3 и соедините центральный ответвитель второй фазы GND2. Затем подключите VS1 к VS2 и подключите GND1 к GND2. Наконец, подключите VS1 к положительной клемме источника питания 12 В и подключите GND1 к отрицательной клемме источника питания 12 В.
  ПРИМЕЧАНИЕ. Любая пара S-каналов, находящихся в одном блоке PS12DC, может использоваться и иметь одинаковую работу. Сценарии LUA по умолчанию unipolar_full_step.lua и unipolar_half_step.lua используют S0+S1 и S4+S5 в качестве каналов ввода-вывода, поэтому перед загрузкой и использованием обязательно обновите сценарий LUA с помощью S-каналов вашего приложения.
  
  Каждый из S-каналов PS12DC соответствует линии цифрового ввода-вывода LabJack. При установке высокого уровня соответствующей линии ввода-вывода данного S-канала 12 В от источника питания будут направляться через этот S-канал. Таким образом, пользователь может программно выбрать момент полного включения каждого конца катушки посредством простого переключения линии ввода/вывода. S0:S7 соответствует EIO0:EIO7, а S8:S11 соответствует CIO0:CIO3.
  
  Еще один вариант схемы коммутации силового ключа — наш LJTick-RelayDriver. LJTRD можно подключить к LabJack, а его клеммы INA/INB подключить к любым цифровым линиям ввода-вывода, как показано в техническом описании драйвера LJTick-Relay. Затем питание и заземление источника питания можно подключить к клеммам VR и GNDR LJTRD. Теперь, как и в PS12DC, линии цифрового ввода/вывода можно установить на высокий уровень, чтобы замкнуть полупроводниковый переключатель внутри LJTRD и направить напряжение от источника питания на соответствующий вывод RA/RB. Если концы катушки фазы подключены к этим клеммам RA и RB, LJTRD позволит пользователю решить, когда полностью включить каждую фазу. Также можно использовать любое другое твердотельное реле или транзистор с аналогичными функциями и характеристиками.
  
  Выявление потенциальных клиентов
  
  Мультиметр можно использовать для определения выводов каждой фазы как конца катушки или центрального отвода.Один из способов сделать это — измерить сопротивление между разными парами проводов. Сопротивление между двумя выводами катушки должно быть в два раза больше, чем сопротивление между выводом катушки и выводом центрального ответвления. Измерив сопротивление между несколькими парами проводов, вы сможете определить, какие ответвления являются центральными, а какие — концами катушек, и сможете соединить их в приведенной выше конфигурации.
  
  Управление шаговым двигателем с помощью LabJack
  
  Для управления шаговыми двигателями состояния линий цифрового ввода-вывода должны переключаться по определенному шаблону из одного из режимов привода, указанных выше, на высоких скоростях. Хотя эти сигналы можно создать, настроив линии ввода-вывода непосредственно с компьютера, более эффективно использовать возможности Lua Scripting LabJack и создать гибридное приложение, в котором некоторая логика находится на главном компьютере и имеет код управления шаговым двигателем. выполнение непосредственно на устройстве серии T. На следующей функциональной блок-схеме показано, как LabJack можно использовать для управления шаговыми двигателями:
  
  После понимания на высоком уровне того, что необходимо выполнить, можно следовать основному рабочему процессу: подключение к устройству, настройка устройства и управление устройством.
  
  Подключение к LabJack
  
  Первым шагом в большинстве приложений LabJack является открытие подключения к устройству с использованием библиотеки LJM. Это делается с помощью функции LJM_Open, которой можно передать тип устройства, идентификатор, представляющий серийный номер или IP-адрес устройства, и тип подключения для открытия определенного устройства. Функцию открытия также можно вызвать с помощью LJM _Open(LJM_dtANY, LJM_ctANY, LJM_idANY. ), и она откроет любое подключенное устройство. После открытия соединения с устройством функция open вернет дескриптор, который затем можно будет использовать для чтения или записи на устройство LabJack для тела приложения. После завершения тела приложения рекомендуется закрыть соединение с устройством с помощью функции LJM_Close. Дополнительные сведения о подключении к устройству LabJack см. в разделе LJM — открытие и закрытие.
  
  Настройка LabJack для управления шаговым двигателем
  
  Чтобы настроить LabJack в качестве контроллера униполярного шагового двигателя, сначала загрузите и запустите один из сценариев LUA, unipolar_full_step.lua или unipolar_half_step.lua (исходный код можно найти в разделе «Примеры сценариев Lua» на нашем веб-сайте), на LabJack и сохраните сценарий как значение по умолчанию при включении питания. Руководство по загрузке и сохранению LUA-скрипта в LabJack см. в Учебнике по написанию автономных скриптов на Lua. Скрипты также можно загружать через внешнюю программу, как это видно из приведенного здесь примера Python и примеров LabVIEW, обсуждаемых ниже. Эти сценарии lua объявляют каналы FIO из приведенного выше руководства по подключению, а затем определяют массивы, определяющие порядок, в котором концы катушки должны быть запитаны, чтобы успешно переместить двигатель на желаемое количество шагов в полном или полушаговом режиме. Затем сценарий LUA объявляет следующие регистры USER_RAM, которые могут быть изменены внешними программами для управления двигателем:
  - USER_RAM1_I32 (46080): целевая позиция (шаги)
  - USER_RAM2_I32 (46082): текущая позиция (шаги)
  - USER_RAM0_U16 (46180): Включить (1 = включить, 0 = отключить)
  - USER_RAM1_U16 (46181): eStop (1 = eStop, 0 = запуск)
  - USER_RAM2_U16 (46182): удержание положения (1 = блокировка положения двигателя, 0 = отключение двигателя после текущего перемещения)
  - USER_RAM3_U16 (46183): установить исходное положение (1 = устанавливает текущую позицию как позицию 0 шага)
  После понимания основных сценариев можно разработать расширенные сценарии, реализующие более сложные приложения, такие как:
  - При использовании вращательного двигателя положение можно отслеживать по градусам.
  - Если шаговый двигатель управляет линейным ползунком, положение можно отслеживать по расстоянию.
  - Движение двигателя на полной скорости в одном направлении.
  Псевдокод управления шаговым двигателем
  
  После того, как шаговый двигатель правильно подключен и один из LUA-скриптов конфигурации загружен в LabJack, внешнее управляющее приложение может считывать и записывать данные из регистров USER_RAM для контроля и управления работой. Псевдокод для базового управления двигателем для перемещения на 200 шагов можно увидеть ниже:
  
  handle = ljm.openS("ЛЮБОЙ,"ЛЮБОЙ","ЛЮБОЙ")
  target_position = 200
  
  ljm.eWriteAddress(handle,46183,0,1) //Сигнал для возврата в исходное положение
  ljm.eWriteAddress(handle,46182,0,0) //Не держите двигатель для стендовых испытаний, так как он генерирует много тепла
  
  лм.eWriteAddress(handle,46080,2,target_position) //Запись новой целевой позиции
  ljm.eWriteAddress(handle,46180,0,1) //Включить движение двигателя
  
  //Подождите, пока двигатель достигнет пункта назначения (включение автоматически отключится в пункте назначения)
  waiting = true
  во время ожидания:
  waiting = ljm.eReadAddress(handle,46180,0) == 1
  
  Пример приложения (только для Windows)
  
  Чтобы упростить начало управления шаговыми двигателями, мы разработали приложение LabVIEW, которое загружает правильный сценарий .lua на устройство серии T после редактирования требуемых линий ввода-вывода, которыми необходимо управлять, и выбора между полными и пошаговый сценарий, а также полушаговый сценарий. Приложение доступно в виде «.exe» (ссылка на него внизу страницы и здесь) и запустится после загрузки и установки нашей библиотеки LJM для Windows и установки механизма выполнения LabVIEW 7.1. Если требуется межплатформенный пример, у нас также есть пример Python, который можно загрузить и использовать, он опубликован в разделе «Примеры сценариев Lua» на нашем веб-сайте.
  
  Подключение и настройка устройства:
  
  Загрузить и запустить последовательность шагов
  <р>1. Загрузить последовательность (.csv): нажмите эту кнопку, и появится приглашение выбрать файл .csv в формате:
  position1,duration1,
  position2,duration2.
  При выборе допустимого файла .csv будет заполнен массив позиций и продолжительности.
  
  Уроженец Чикаго Джон Папевски имеет степень по физике и пишет с 1991 года. Он участвует в информационном бюллетене Foresight Institute "Foresight Update", посвященном нанотехнологиям. Он также участвовал в написании книги «Нанотехнологии: молекулярные размышления о глобальном изобилии».
  
  Введение. Управляйте своим компьютером с помощью шагового двигателя!
  
  В одном из моих предыдущих руководств я показал вам, как можно использовать шаговый двигатель в качестве поворотного энкодера. В этом пособии давайте узнаем, как мы можем использовать его для управления нашим компьютером. Итак, без лишних слов, приступим!
  
  Шаг 1. Посмотрите видео
  
  Посмотрите видео выше, чтобы лучше понять, что это такое и что делать.
  
  Шаг 2. Получите все необходимое
  
  Для этого проекта вам потребуется:
  - Плата микроконтроллера Arduino, совместимая с USB HID (Human Interface Device) (Leonardo, Micro, Pro Micro)
  - Шаговый двигатель*.
  - Подходящий USB-кабель (обычно micro USB-A)
  - 2 пары проводов типа "папа-мама" (для подключения платы поворотного энкодера к плате Arduino)
  - Комплект из 3 проводов "папа-мама" (для подключения шагового двигателя к плате поворотного энкодера)
  *В проекте может использоваться любой шаговый двигатель, униполярный или биполярный. Рекомендуется использовать униполярный шаговый двигатель, так как он имеет простую проводку, но биполярный шаговый двигатель также можно использовать с небольшим изменением проводки.
  
  Шаг 3. Изготовление платы поворотного энкодера
  
  Нажмите на изображение выше, чтобы узнать больше.
  
  Следуйте этой инструкции, чтобы сделать преобразователь поворотного энкодера. Вы можете сделать макетную версию, но постоянная версия печатной платы более компактна, надежна и может помочь вам попрактиковаться в пайке. Вы также можете добавить светодиод на каждый выход платы усилителя последовательно с резистором (рекомендуется 220 Ом), чтобы контролировать состояние выхода усилителя, что может оказаться полезным при устранении неполадок.
  
  Шаг 4. Запрограммируйте микроконтроллер Arduino
  
  Рекомендуется просмотреть код Arduino, прежде чем загружать его на плату микроконтроллера. Это может помочь вам понять, что происходит внутри микроконтроллера, когда вы вращаете шаговый двигатель.
  
  Вложения
  
  Шаг 5. Подключите шаговый двигатель к плате поворотного энкодера
  
  Внимательно изучите принципиальную схему.
  
  Если используется униполярный шаговый двигатель, подключите центральный ответвитель двигателя к любому из контактов «Q» или «R». Затем подключите любые два из четырех оставшихся проводов шагового двигателя к контактам «P» и «S» соответственно. Здесь я использовал заголовок 1x3 вместо 1x4, показанного на схеме.
  
  Если используется биполярный шаговый двигатель, сначала определите провода пары катушек двигателя. Затем возьмите провод от каждой катушки и соедините их вместе с любым из контактов «Q» или «R». Затем подключите оставшиеся два провода шагового двигателя к контактам «P» и «S» соответственно.
  
  Шаг 6. Подключите плату поворотного энкодера к плате Arduino
  - Подключите контакты +ve и -ve платы поворотного энкодера к контактам +5 вольт и GND платы Arduino соответственно.
  - Подключите выходные контакты платы поворотного энкодера к цифровым контактам D5 и D6 платы Arduino.
  Шаг 7. Подключите программу установки к компьютеру и протестируйте ее
  
  Подключите установку к компьютеру и откройте любую программу, которая позволяет пользователю прокручивать вверх и вниз с помощью клавиш со стрелками, или программу, в которой текстовый курсор можно перемещать с помощью клавиш со стрелками.
  
  Шаг 8. Поделитесь с нами своей работой
  
  Если ваш проект удался, почему бы не поделиться своим творением с другими, чтобы вдохновить их. Нажмите «Я сделал это» и поделитесь одной-двумя фотографиями своего творения, мне бы очень хотелось на это посмотреть.
  
  Шаг 9. Идите дальше
  
  Попробуйте изменить код Arduino, чтобы сделать что-то еще, добавить еще один поворотный энкодер или любой другой вход, вы можете многое сделать. Что бы вы ни делали, всего наилучшего!
  
  Этот контроллер шагового двигателя на базе ПК является, пожалуй, самым дешевым, маленьким и простым. Пара H-мостов с программным обеспечением, написанным на «C++», используется для управления биполярным шаговым двигателем с разрешением шага 18 градусов на импульс.
  
  Контроллер шагового двигателя на базе ПК представляет собой комбинацию драйвера и схемы переключения. Драйвер — это фактическая схема, которая управляет шаговым двигателем, а схема переключения решает, как двигатель должен управляться. Таким образом, это в основном схема переключения, которая управляет двигателем. Транзисторы (с T1 по T8) действуют как переключатели.Переключение этих транзисторов управляется программным обеспечением через контакты данных D0–D7.
  
  Вы можете управлять тремя параметрами шагового двигателя: скоростью, направлением и количеством шагов. Чтобы изменить скорость двигателя, вы должны изменить частоту повторения импульсов (PRF). Чтобы изменить направление вращения двигателя, вы должны изменить последовательность импульсов, подаваемых на его катушки. Ограничив количество подаваемых импульсов, вы можете запретить двигателю выполнять желаемое количество шагов.
  
  Рис. 1: Схема контроллера шагового двигателя на базе ПК
  
  Характеристики шагового двигателя
  
  Шаговые двигатели различных номиналов/спецификаций доступны на рынке для различных приложений. Здесь шаговый двигатель взят из дисковода 8,9 см (3,5 дюйма). Это биполярный шаговый двигатель, рассчитанный на 5 В постоянного тока с разрешением шага 18 градусов на импульс. Двигатель имеет две катушки внутри и четыре клеммы (с цветовой маркировкой, но не всегда) для внешних подключений. С этой схемой и управляющим программным обеспечением также можно использовать шаговые двигатели с номинальным напряжением 5 В и током до 1 ампера и другим размером шага (например, 1,8º на импульс).
  
  Описание схемы
  
  Драйвер H-моста: H-мост — это стандартная, хорошо известная схема, широко используемая в качестве драйвера шагового двигателя. Он представляет собой мостовое соединение четырех транзисторов (см. рис. 1). Поскольку в биполярном шаговом двигателе две катушки, были использованы две схемы Н-моста, по одной на каждую катушку. Один H-мост образован транзисторами с T1 по T4, а другой — с транзисторами с T5 по T8.
  
  Рис. 2: Расположение выводов транзистора BD139 и регулятора IC 7805
  
  Транзисторы с T1 по T8 относятся к типу BD139 и должны использоваться с радиаторами. Детали контактов BD139 и стабилизатора IC 7805 показаны на рис. 2. Базы всех восьми транзисторов подключены к контактам данных (D0–D7) 25-контактного разъема D-типа через ток 1 кОм. ограничительные резисторы с R1 по R8.
  
  Базы транзисторов T1 и T4 подключены к выводам 2 (D0) и 3 (D1) параллельного порта через резисторы R1 и R2 соответственно, а базы транзисторов T2 и T3 подключены к выводам 4 параллельного порта. (Д2) и 5 (Д3) через резисторы R3 и R4 соответственно. Красная и оранжевая клеммы первой катушки (COIL1) подключены к первой секции H-моста, как показано на рис. 1.
  
  Базы транзисторов Т5 и Т8 подключены к выводам 6 (D4) и 7 (D5) через резисторы R5 и R6 соответственно, а базы транзисторов Т6 и Т7 подключены к выводам 8 (D6) и 9 ( Д7) через резисторы R7 и R8 соответственно. Желтая и зеленая клеммы второй катушки (COIL2) подключены ко второй секции H-моста, как показано на рис. 1.
  
  Электропитание
  
  Секция источника питания показана на рис. 3. Она состоит из трансформатора вторичной обмотки 230–9 В переменного тока, 1 А (X1), фильтра, мостовых выпрямителей и регулятора постоянного тока 5 В 7805 (IC1). Регулируемый постоянный ток 5 В подключен к схемам Н-моста. Земля цепи закорочена на контакты с 18 по 25 разъема параллельного порта D-типа. Когда переключатель S1 замкнут, LED1 светится, указывая на наличие питания в цепи.
  
  Рис. 3: Источник питания для схемы
  
  Операция
  
  Определенная последовательность импульсов подается на красные и оранжевые клеммы COIL1 и желтые и зеленые клеммы COIL2 для вращения двигателя по часовой стрелке или против часовой стрелки, как описано в следующем абзаце.
  
  Управление направлением
  
  В таблицах I и II «0» указывает на низкий уровень логики, а «1» — на высокий уровень логики. Мы знаем, что ток течет от высшего к низшему. Изменение направления вращения есть не что иное, как изменение направления тока, протекающего через катушки.
  
  Контроль скорости
  
  Чтобы изменить скорость, вы должны изменить частоту повторения импульсов (PRF). Частота повторения импульсов 20 Гц означает, что шаговому двигателю будет передано 20 импульсов за одну секунду. Поскольку разрешение шага двигателя составляет 18°/импульс, двигатель будет вращаться 20×180=3600 (один полный оборот) за одну секунду. Таким образом, скорость двигателя составляет один оборот в секунду (об/с) или 60 об/мин. Теперь, если вы увеличите частоту повторения запросов с 20 Гц до 40 Гц, RPS также удвоится и составит 2 RPS (120 об/мин).
  
  Читайте также: