Шаговые двигатели классифицируются на биполярные и униполярные. ШД первого типа имеют две обмотки и четыре провода.
Рассмотрим типовую схему включения биполярного ШД.
Кратко рассмотрим работу данной схемы. Каждая из обмоток включается по индивидуальной мостовой схеме. В центре проходит обмотка двигателя, на верхней точке схемы находится «плюс» источника питания, «минус» — на нижней. Диоды предназначены, чтобы защитить транзисторы от ЭДС самоиндукции; их влияние на функционирование схемы не будем рассматривать. Подается логическая единица на вход 1А, затем происходит включение транзистора Q1 и выключение Q3. Т.о. напряжение питания посредством открытого Q1 идет на левую точку присоединения обмотки. Одновременно на вход 1В подают логический нуль, что позволяет открыть транзистор Q4 и закрыть транзистор Q2. Так на правой точке присоединения обмотки получается напряжение «минуса» источника питания. Итогом является образование на левой клемме обмотки «плюса», а на правой — «минуса», и ток начинает поступать через обмотку, в результате ротор ШД на 1 шаг поворачивается. Если затем А1 дать логический нуль, а A2 — логическую единицу, транзисторы переходят в противоположное состояние, обмотка запитывается в обратную сторону (правая клемма — «плюс», левая – «минус»). Это заставляет ШД выполнить еще шаг. Но обмотки только две, таким образом, вариантов прохождения тока только четыре. В таблице выше приведены вариации логических состояний на входах 1A, 1В, 2А, 2В, чтобы у двигателя была возможность шагать в любую сторону. Отрицательным моментов в данной схеме являются сквозные токи, возникающие, когда происходит переключение транзисторов одного плеча из одного в другое состояние. Иначе говоря, в положении, когда транзистор Q1 еще не закрыт, а Q3 уже стал открываться, тогда ток идет от «плюса» источника питания через два полуоткрытых транзистора к «минусу». Это приводит к разогреву транзисторов и искажению на обмотке формы сигнала. Специализированные драйвера аппаратно решают данную проблему. Если Вы решили разрабатывать собственную схему, вероятнее всего нужно будет ознакомиться с данным эффектом и способах его преодоления в спецлитературе, к примеру, в книге авторов У.Хилла, П.Хоровица «Искусство схемотехники». Однако на принцип функционирования моста это нисколько не влияет – отдельно взятое плечо способно подавать на клемму обмотки только «минус» или «плюс» питания.
Рассмотрим схему униполярных шаговых двигателей.
Униполярный ШД: типовая схема включения:
Функционирование униполярной схемы гораздо проще для понимания. Каждая обмотка имеет центральный провод, всегда подключенный к «плюсу» питания. Предназначение диодов — защита от обратного ЭДС. Открывается транзистор Q1 — ток течет по верхней половине обмотки на «минус». Открывается Q2 — ток идет по нижней половине обмотки на «минус». Проблема сквозных токов полностью отсутствует.
На схеме показано, что биполярный ШД разработан на основе более простой схемы обмоток, но более сложной схемы управления. Униполярный двигатель отличается более сложной схемой обмоток, но более простой управления. Существуют двигатели, которые включаются любым из приведенных способов, в зависимости от драйвера ШД и типа двигателя, который он поддерживает.
Рассмотрим типовую схему генератора сигналов для приведенных схем.
На вход генератора производится подача логических сигналов Dir и Step. Dir задает направление вращения двигателя — порядок изменения логических состояний на выходе 1A, 1B, 2A, 2B. Step тактует шаги, а также указывает схеме, какое следующее логическое состояние на выходах согласно таблице выработать.
Таким образом, электросхемы управления ШД довольно просты. В Сети можно найти различные варианты подобных схем на основе микросхем 555ТМ7 и силовых ключей. Они недороги, хорошо функционируют, не требуют наладки. Сложные схемы представляют собой по сути улучшенные приведенные здесь схемы, которые оснащены еще и регулировкой тока (обратной связью по току) и возможностью дробления шага. Существуют также специализированные микросхемы-драйверы для управления ШД. К примеру, TB 6560 (PDF), содержащая в себе микроконтроллер, оснащенный таблицами Брадиса и формирующий правильную синусоиду для различных режимов полушага, а также имеющий возможность программного регулирования токов обмоток.
Стоимость повторения данных схем — порядка 250 рублей на ШД. Стоимость специальной микросхемы TB 6560 — 400 рублей, к тому же следует приобрести обвязку. Итого 700 рублей/канал. Приобрести полностью плату управления можно за 1500 рублей/канал, но сделать ее самому не составит особого труда.
Предлагаем рассмотреть еще пример того, как реализован Step/Dir драйвер.
Такой драйвер реализован на основе логического контроллера L 297 (PDF), а также токовых усилителях L 6203 (PDF). Данная схема позволяет регулировать ток обмоток, а также полушаговый режим, наладка и программирование при этом не нужны. Можно порекомендовать связку L 297 + L 298. Драйвер L 297 (PDF) поддерживает питание до 46W, ток обмоток — до 5А.