Для того, чтобы выполнить самостоятельную сборку устройства управления ЧПУ-станком, необходимо иметь в наличии (см. рисунок 1):

—           платы управления (три);

—           интерфейсную плату (одна);

—           станок для сверления;

—           сверла;

—           компоненты для плат;

—           паяльник;

—           плоскогубцы;

—           антистатическую повязку;

—           резак;

—           приспособление для зачистки провода;

—           припой;

—           инструмент для удаления припоя при отпайке;

—           мультиметр.

Рис. 1. Материалы и инструменты

Первым этапом при монтаже будут работы по сверлению отверстий для составляющих плат. Эти работы  — самые утомительные и менее интересные при изготовлении любого вида электроники. Сверлильный станок небольшого размера, к примеру, как на рисунке 2, и тонкие острые сверла позволят с легкостью осуществить этот этап работы.

Рис. 2. Сверлильный станок небольшого размера

После протравливания платы полости контактных площадок содержат только стекловолокно, из которого выполнена плата. Следует заметить, что центрирование сверла в отверстии будет происходить само собой, и сверлить можно будет быстрее и аккуратнее, чем при нахождении в полостях контактных площадок меди или бумаги (см. рисунок 3).

Рис. 3. Отверстия контактной площадки (крупный план)

Для того, чтобы высверлить сквозные отверстия, а также отверстия под резисторы, и разместить интегральные компоненты, нами применялось сверло, имеющее диаметр 1 мм. Монтажные отверстия под диоды и под места подключения проводов от моторов проделываются сверлом диаметром 1,6 мм; сверление монтажных отверстий под DB35-разъем выполняется  сверлами 3,2 мм (см. рисунок 4).

Рис. 4. Сверла

Перед началом сверления отверстий необходимо положить под плату деревянную пластинку небольшого размера, чтобы не были повреждены дорожки (см. рисунок 5)

Рис. 5. Сверление отверстий в плате

После высверливания всех монтажных отверстий следует включить паяльник. Если он имеет функцию регулирования температуры, нужно установить ее такой, чтобы была возможность паять довольно быстро, но чтобы при этом от стеклопластика не отделялись контактные площадки (см. рисунок 6).

Рис. 6. Паяльник

Мы при пайке действовали таким образом: прикладывали к контактной площадке кончик паяльника так, чтобы он касался проводника, затем подносили припой к месту совмещения контактной площадки с проводником прямо напротив конца паяльника (см. рисунок 7).

Рис. 7. Метод паяния

Такая схема работы позволяет припою вытягиваться от контактной площадки и проводника к теплу. Поскольку статическое электричество способно повредить интегральные схемы, прежде, чем трогать какую-либо из них, нужно позаботиться об антистатической защите. Мы применяли повязку на запястье, соединенную в задней части паяльника с заземлением (см. рисунок 8).

Рис. 8. Антистатическая повязка

Порядок размещения элементов на интерфейсной и управляющей платах изображен на рисунках 9 и 10.

 Рис. 9. Расположение элементов на плате управления 

Рис. 10. Расположение элементов на интерфейсной плате

Начать следует с реализации перемычек вверху платы. Можно применять изолированный провод (см. рисунок 11) для того, чтобы соединить концы верхних дорожек. Может подойти одножильный провод либо другие материалы, которые могут служить в качестве проводника сквозных отверстий между верхней и нижней частью. При работе с одной из плат нами были применены кусочки скрепок, которые были отрезаны таким образом, чтобы слегка выходить за пределы отверстия с каждой из сторон (см. рисунок 12).

 Рис. 11. Применение изолированных проводов

 Рис. 12. Применение кусочков скрепок

Для данного метода копирования металлизированного отверстия необходима спайка проводящего материала с обеих сторон платы. При этом, если материал слабо крепится в отверстии, такой способ является довольно сложным в применении. Если имеется люфт, материал может слегка сдвинуться, тогда соединение между верхом и низом не будет образовано. После создания перемычек следует  проверить наличие проводимости между контактами посредством мультиметрома (см. рисунок 13).

Рис. 13. Проверка соединений посредством мультиметра

Далее можно начинать установку самых низких элементов платы – диодов и резисторов. Резисторы не обязательно устанавливать согласно полярности, однако установку диодов следует выполнять с ориентиром на полоску, расположенную на их корпусе (см. рисунок 9). Загибая контактные выводы, следует прижать их вплотную с помощью плоскогубцев к корпусу элемента и загнуть.  Это даст возможность избежать превышения нагрузок на корпус. Чрезмерные нагрузки приводят к поломке корпуса элемента.

Далее следует вставить в определенные отверстия на плате контактные выводы элементов, затем загнуть их и откусить плоскогубцами, при этом оставив длину, необходимую для удержания элементов. Контакты диодов откусываются по максимуму, так как из-за их размера процедура пайки может стать более сложной – необходимо будет затрачивать дополнительное время для их нагрева до нужной температуры (см. рисунок 15).

 Рис. 14. Загибание контактных выводов элементов 

Рис. 15. Загибание и откусывание контактных выводов

После того, как установлены низкие компоненты, нужно поставить на плату разъемы, сделать заготовки требуемого размера и припаять их к плате (см. рисунок 16).

 Рис. 16. Подготовка разъемов требуемого размера

Чтобы сделать гнездо под микросхему L_297, нужно загнуть с каждой из сторон по одному контакту и закрепить его в месте пайки. Микросхема L_298 не имеет гнезда, поэтому мы припаяли ее напрямую к плате (см. рисунок 17).

 Рис. 17. Установка чипа L_298 и гнезда под чип 1297

Единственный элемент на плате, который необходимо устанавливать с соблюдением полярности – это конденсатор, имеющий емкость 470 мкФ. Необходимо убедиться в правильности его установки (см. рисунок 18).

Провода, которые идут от платы на питание электродвигателя, мы отрезали от шестижильного экранированного кабеля, применяемого нами при подключении мотора к управляющим платам (см. рисунок 19).

Рис. 18. Правильная установка конденсатора 

Рис. 19. Катушка кабеля

Следует отрезать и зачистить четыре куска провода на каждый из  двигателей и припаять их напрямую к плате (см. рисунок 20).

Рис. 20. Спаянные напрямую провода и плата

Если Вы не желаете припаивать провода напрямую к плате, нужно отыскать подходящий разъем и установить на место спайки платы и провода.

На микросхему L_298 нужно поставить радиатор. Его мы изготовили, разрезав радиатор большого размера от негодного блока питания (см. рисунок 21). На рисунке 22 изображена готовая управляющая плата.

Рис. 21. Радиатор

Рис. 22. Готовая управляющая плата

Интерфейсная плата

Следует воспользоваться изображением интерфейсной платы для определения расположения на ней элементов. Для начала нужно установить перемычки и резисторы. Необходимо подготовить все разъемы, установить их и далее подключить разъем DB25 шины данных.

Данная плата служит обеспечением связи компьютера с внешними устройствами, для присоединения  концевых выключателей, а также для связи устройств между собой (см. рисунок 23).

Рис. 23. Готовая интерфейсная плата

Теперь Вы имеете четыре готовые печатные платы. Далее следует выяснить, смогут ли они выполнять все требуемые задачи. В следующей статье мы расскажем об установке программы KCam и тестировании  платы.

Для изготовления плат потребуются следующие инструменты и материалы (см. рисунок 1):

—         глянцевая бумага для применения в лазерных принтерах;

—         фольгированный пластик для печатной платы;

—         маркер;

—         ванночка из пластмасса или стекла;

—         утюг;

—         хлорное железо;

—         стэплер;

—         термометр;

—         наждачка;

—         лупа;

—         раковина.

 Создание шаблонов

Ранее мы рассмотрели схему для сборки. Наиболее простой способ ее реализации – сборка на макетной плате с соединением  соответствующих вы­водов проводами. Но такой способ можно применять только в случае, когда нужно проверить, работает ли схема; его не используют как способ конечной реализации схемы. Для создания печатной платы следует освободить пластину от всей лишней меди. Не трогаем только  медные дорожки, которые впоследствии заменят провода, для чего на основе принципиальной схемы создаем шаблон платы. Далее необходимо воспроизвести этот шаблон на медной поверхности таким образом, чтобы она не могла вступить в реакцию с кислотой. Разработан ряд методов, которые можно применить для того,  чтобы перенести схемный рисунок на медную поверхность. Используем один из них — метод фоторезиста. В широкой продаже есть наборы, содержащие химические вещества и инструменты для решения данной задачи.

Перед тем, как применять  метод фоторезиста, необходимо отсканировать шаблон и на прозрачной подложке напечатать нужные изображения. Все наборы оснащены подробными инструкциями.

Нами были изготовлены платы с применением метода переноса тонера. Такой метод имеет недостатки, среди которых самым очевидным является ширина дорожки. Невозможно сделать дорожки узкими,  а также близко расположить их относительно друг друга. Узкие дорожки, имеющие малое промежуточное расстояние, будут замыкаться, поскольку после обработки утюгом довольно сложно убрать оставшуюся бумагу. Конечно, итогом будет плата немного большего размера, чем созданная методом фоторезиста, однако беспокоиться не следует, так как при изготовлении данной платы применение  слишком мелких элементов не требуется.

Для того, чтобы разместить управляющие элементы, нами была изготовлена двухсторонняя плата (см. рисунок 2). Но Вы можете поступить иначе, если  у Вас нет достаточного количества материала или просто желания.

Рис. 1. Материалы и инструменты

Рис. 2. Управляющая плата: нижняя часть

Для создания односторонней платы следует применять изображение верхней части платы управления в качестве схемы соединений проводов (см. рисунок 3). Интерфейсная плата — это одностороння плата с единственной перемычкой, находящейся на верхней стороне (см. рисунок 4).

Рис. 3. Управляющая плата: верхняя часть

Рис. 4. Интерфейсная плата: нижняя часть

Необходимо отсканировать изображения схем с помощью программы по обработке изображений и проверить соответствие их размеров. Следует установить максимально высокое разрешение параметров печати.  Если позволяют характеристики принтера, рекомендуется сделать изображение по возможности более темным. Основной целью здесь является печать изображения с большим количеством тонера, тогда при переносе схем на медную поверхность не появятся никакие зазоры на участках, которые необходимо сохранить.

Мы применяли лазерный принтер HP4. Настройки принтера представлены на рисунке 5.

Рис. 5. Настройки параметров печати

Следующим этапом является печать шаблонов платы на поверхность глянцевой бумаги для лазерного принтера. Нежелательно применять бумагу, предназначенную для струйных принтеров. Стоит отметить, что при экспериментах на начальном этапе Вы можете использовать большое количество бумаги, поэтому необходимо иметь ее запас.

Нами применялась сначала глянцевая бумага для струйной печати, распечатывали  на струйном принтере. Однако, такую бумагу потом просто невозможно было отклеить от платы. В результате воздействия высокой температуры она просто сплавилась с медью. Распечатку можно делать и на фотокопировальном аппарате, так как он также позволяет работать с глянцевой бумагой.

 Вырезание и очистка платы

После того, как напечатаны шаблоны, мы определили размеры медной пластины, а затем вырезали ее с помощью маленького отрезного станка с применением режущего диска из цветного металла (см. рисунок 6). Произошло окисление меди на пластине, и мы произвели зачистку поверхности мелкой наждачкой (см. рисунок 7).

Рис. 6. Вырезание пластины

 Рис.7 Отполированная медная пластина

После того, как плата обработана наждачной бумагой, ее необходимо промыть  в горячей воде с применением средства для мытья посуды (см. рисунок 8). Необходимо помнить, что нельзя касаться меди руками, поскольку жир с рук не позволит тонеру прочно покрыть медь, а при травлении будет действовать как резист.

На последнем этапе выполняем сушку пластины (см. рисунок 9).

 Рис. 8. Промывка платы 

Рис. 9. Сушка пластины на бумажном полотенце

Перенос тонера

После того, как шаблоны изготовлены, необходимо совместить и сложить вместе два листа, развернув их краской внутрь, чтобы тонер касался меди на пластине, вложенной между листами. Для того, чтобы выполнить эти операции, следует воспользоваться ярким источником света или приложить листы к окну (см. рисунки 10 и 11).

Рис. 10. Невыровненные шаблоны 

 Рис. 11. Выровненные шаблоны

Далее скрепляем слоеную бумагу, соединив края в трех местах, чтобы совмещение было точным (см. рисунок 12).

Затем, как изображено на рисунке 13, следует вложить между листами пластину. Совмещение не должно  сбиться!

Рис. 12. Фиксирование шаблонов скрепками 

Рис. 13. Размещение пластины между листами

Необходимо нагреть утюг до максимума. Чтобы избежать пригорания к глянцевой бумаге, можно сверху положить лист обычной бумаги (см. рисунок 14).

 Рис. 14. Применение бумажного защитного слоя

Далее следует немного прогладить одну сторону для ее фиксации. Затем пластину переворачивают с бумагой и проглаживают другую сторону минуту или дольше: необходимо слегка надавливать и стараться одинаково обработать каждый участок платы. Проглаживаем еще раз первую сторону (см. рисунок 15).

Рис. 15. Обработка платы с помощью утюга

Чтобы тонер зафиксировался, нужно ополоснуть или подержать пластину холодной воде несколько минут (см. рисунок 16).

Рис. 16. Ополаскивание пластины в холодной воде

Чтобы легко можно было снять с пластины бумагу, следует погрузить ее на 10 минут в теплую воду (см. рисунки 17 и 18), а затем отделить бумагу.

Рис. 17. Отделение бумаги 

Рис. 18. Отделение бумаги пальцем

В случае, если оставшаяся бумага плохо снимается при незначительном надавливании пальцем, нужно снова погрузить плату в теплую воду для  полного размокания бумаги (см. рисунок 19).

Рис. 19. Повторное замачивание

После того, как будет удалена вся оставшаяся бумага, нужно внимательно осмотреть плату. Присутствие тонера должно быть везде, где проходят дорожки. В случае обнаружения участков без тонера, нужно подправить их маркером (см. рисунки 20 и 21).

Рис. 20. Участок без  тонера 

Рис. 21. Исправление

Следует внимательно осмотреть  все несколько раз, дабы убедиться, что Вы хорошо защитили медь тонером или маркером. После того, как найдены все области без тонера, нужно проверить отверстия контактных площадок, а затем осторожно удалить из них всю ненужную бумагу с помощью булавки или кончика ножа (см. рисунок 22 и 23).

Рис. 22. Бумага в отверстии

 Рис. 23. Удаление бумаги

Сверление незначительно облегчается вытравливанием меди из отверстий контактных площадок. Для того, чтобы тщательно осмотреть плату и подправить участки без тонера,  можно применять лупу.

Травление

После того, как Вы убедитесь, что в местах прохождения дорожки медь надежно защищена, и после удаления бумаги можно начинать травление плат. Для того, чтобы удалить всю незащищенную медь, применяется раствор хлорного железа.

При использовании травящего раствора во избежание ожога кожи необходимо использовать перчатки, респиратор и средство защиты для глаз. Следует поддерживать рабочую температуру, не превышающую 40°С (104°F) (см. рисунок 24). В случае превышения рекомендуемой температуры раствор  будет выделять вредные испарения.

Рис. 24. Установка для травления

Для отслеживания температуры можно применять термометр. Мы использовали плавающий термометр. В ходе работы нужно следить за поведением платы в растворе хлорного железа (см. рисунок 25 и 26).

Рис. 25. Неготовая плата

Рис. 26. Готовая плата

Время травления платы зависит от того, сколько раз применялся травящий раствор до этого, а также от температуры раствора. Когда плата примет надлежащий вид (см. рисунок 26), процедуру травления следует прекратить. Для этого нужно ополоснуть плату в чистой воде, тем самым удалив с ее поверхности раствор хлорного железа (см. рисунок 27).

Возможно, что Вам пригодится поролоновая кисточка для протравливания отдельных участков платы (см. рисунок 28).

Рис. 27. Ополаскивание 

Рис. 28. Протравливание отдельных участков платы

Итак, на плате остается только медь, покрытая тонером. Далее следует удалить тонер, для чего на некоторое время необходимо поместить плату в растворитель, а затем немного смочить тряпку жидкостью для снятия лака и протереть  плату (см. рисунок 29).

Следующим этапом нашей работы является лужение платы. Для этой процедуры нужно поместить плату в небольшую ванночку, содержащую лудильный раствор, таким образом, чтобы плата погрузилась полностью. Затем нужно подождать, пока на поверхности меди не будет появляться равномерное покрытие, после чего следует вынуть плату и промыть ее. Лужение существенно облегчит дальнейшую пайку (см. рисунок 30).

Рис. 29. Удаление тонера 

Рис. 30. Лужение плат

На рисунке 31 изображены полностью законченные, подготовленные к сверлению, платы.

Итак, мы рассказали, как самостоятельно изготовить печатные платы, рассмотрели  методы создания и перечислили необходимые для данных работ материалы. Теперь у Вас имеется еще одна интерфейсная плата, а также три управляющие. Можно приступать к их обработке. В следующей статье мы поделимся с Вами информацией, каким образом можно выполнять сверление в платах отверстий, а также опишем процесс завершения сборки.

Рис. 31. Протравленные луженые платы

Управление ШД  и интерфейс компьютера

Рассмотрим процесс разработки и конструирования электроники, которой оснащается станок с ЧПУ, разработанный для домашней мастерской с применением компьютера и программного продукта KCam. На рисунке 1  представлены готовые платы.

  Рис. 1. Готовые платы

Поскольку электродвигатели уже приобретены, именно их показатели  обуславливают требования к управляющим устройствам (см. рисунок 2).

Рис. 2. ШД Step-syn

Как дополнение к уже приобретенным, купил 3 новых электродвигателя от компании Pacific Scientific (см. рисунок 3). 

Рис. 3. ШД Pacific Scientific

Такие  электродвигатели берут 1,4А на канал, однако синхронные ШД рассчитаны на 4,5В-ное напряжение, а на Pacific Scientific возможно подавать и 170В.

Управляющие платы могут применяться для обоих видов электродвигателей, однако они рассчитаны лишь на напряжение не более 36В: при превышении нормы происходит выход из строя интегральной схемы L_298. В статье с разрешения компании STMicroElectronics привожу перечень технических характеристик и приложений в полном объеме. Данная информация является основой для разработки управляющей платы. Для того, чтобы оценить положительные и отрицательные характеристики интегральных схем L_297/L_298, следует ознакомиться  с приведенными ниже сведениями.

Устройство управления ШД

Платы управления ШД — это своеобразные мышцы ЧПУ-станка. Они позволяют принимать сигнал от компьютера, показывающий, куда и на какое расстояние необходимо выполнять движение по оси. Данные о направлении перемещения и числе шагов, полученные от  компьютера,  переводятся посредством плат в значения напряжения, а также силы тока, что предопределяет подаваемую мощность. Поданная на обмотки мощность  разделяется по ним в установленной последовательности, что определяет  вращение вала мотора в нужном направлении на определенное число шагов.

Будет необходимо наличие трех управляющих плат — по одной на определенную ось перемещения. Проектирование платы ведется с применением комплекта интегральных схем L_297 и L_298, изготовленных фирмой STMicroElectronics.  

Рис. 4. Микросхема управления двигателем L_297

Рис. 5. Микросхема управления двигателем L_298

Применение этих двух чипов ведет к упрощенной схеме платы и уменьшению числа компонентов. При этом соединение двух данных чипов образует прочную плату драйвера, которая выдерживает 36В и 2А на один  канал.  Сегодня основная масса биполярных и униполярных ШД с достаточной мощностью для применения в нашем станке имеются в свободной продаже. Я решил применять ШД Sanyo Denki, которые рассчитаны на напряжение 4,5 В и потребление 1,4А на один канал и имеют разрешение 2 градуса/ шаг. В допустимом интервале находится и номинальная мощность. Для определения компонентов, необходимых для данной платы, можно рассмотреть схему, представленную на рисунке 6. 

Рис. 6. Схема платы управления ШД

Таблица 1. Компоненты управляющей платы

Следует обратить внимание, что в целях сокращенного пояснения схемы мной был включен перечень тех.характеристик микросхем L_298 и L_297, чтобы по необходимости пользователь мог обратиться к исходникам. Информация, размещенная в данной документации, достаточна для выполнения работ по проектированию нужной схемы.

Для активизации схемы сигнал, определяющий направление вращения, подается от параллельного компьютерного порта на 17 вывод микросхемы L_297, а определяющий количество шагов — на 18 вывод. На вход микросхемы L_298 осуществляется подача управляющих сигналов от L_297, задающих последовательность переключения обмоток и определяющих вращение двигателя. Микросхема L_298 обеспечивает питание обмоток двигателя в установленном порядке. Следует обратить внимание, что питание обеих микросхем ведется при наличии питания напряжением 5В. 8 диодов FR_304 присоединяют обмотки мотора к определенным выводам микросхемы L_298. Отметим, что следует применять диоды, имеющие возможность накопления заряда, что способно защитить микросхему от наведенного высокого напряжения, возникающего в момент, когда одна из обмоток отключена. По своим характеристикам диоды различаются в зависимости от мощности, которую потребляет электродвигатель. Мощность же определяет ток, который идет через диоды.

1 и 15 выводы микросхемы L_298 подключаются двумя силовыми резисторами, имеющими сопротивление 0,5Ом к общему проводу. Токи управления, применяемые обмотками возбуждения мотора, идут через данные резисторы. Резистор, подключенный к 1 выводу, соединяется с одной из 2-х обмоток возбуждения, при этом подключенный к 15 выводу — со 2-ой обмоткой, что позволяет контроллеру L_297 выполнять измерение тока, который течет внутри мотора. Микросхема L_297 также меряет  напряжение между данными резисторами, затем на его основе определяет режим модуля ШИМ, применяемого в целях контроля тока на обмотках электродвигателя. R5 и R6 – резисторы, которые подключаются к выводу 15 (VRЕF) L_297. Они функционируют как делитель напряжения и определяют уровень, достигнув которого,  на обмотках возбуждения L_298 производится сигнал об их отключении. Это дает возможность диодам разгружать обмотку возбуждения, и она остается отключенной до завершения временной паузы, задаваемой микросхемой L_297. R4 (резистор) и С1 (конденсатор) подключаются перемычкой JP2 на вывод 16 L_297 и определяют тактовую частоту функционирования микросхемы. Конденсаторы С2-С4 необходимы для фильтрации цепи питания электроники и моторов. Переключатель JР1 дает питание электродвигателей и схемы. Контакт 1JР3 ловит сигналы о шаге, а контакт 2 – сигналы, задающие направление. Контакт 3 применяется для соединения всех плат управления, которые синхронизированы между собой, а 4 контакт работает как заземление. Перемычка JР4 переводит уровень логической единицы с вывода 19 L_297 на 1 контакт для реализации режима полного шага или уровень логического нуля на 3 контакт для режима полушага. JР5 служит для трансляции логической единицы от 11 вывода L_297 на 1 контакт для разрешения управления или логического нуля  на 3 контакт с целью запрета управления.

Интерфейсная плата

Данная плата применяется в целях обеспечения компьютера возможностью передачи и получения сигналов от управляющих устройств и концевых выключателей.  Плата оборудована соединителем для кабеля параллельного порта, несколькими контактами для проводов, которые идут от каждой платы управления и концевого выключателя, а также защитными резисторами (см. рисунок 7).

Рис. 7. Схема интерфейсной платы

Таблица 2. Перечень компонентов интерфейсной платы

Резисторы, имеющие сопротивление 4,7кОм, способны ограничивать ток для защиты схемы и параллельного порта. Максимально надежным защитным методом является применение оптической развязки, а также монтаж специальной платы параллельного порта, которая предназначена для работы с интерфейсной платой. Для применения данных плат мной был куплен старый компьютер, который имел ресурсы, вполне достаточные для моих целей.

Выполнить подключение интерфейсной платы просто. 1-17  контакты на JР1 присоединяют к контактам 1-17 параллельного компьютерного порта:

—          контакт 1JР2  — с контактом 10 JР1; контакт 2 — с землей;

—          1JР3  — с 11 JР1; 2 — с землей;

—          1JР4 — с 12 JР1;  2 — с землей;

—          1JР5  — с 13 JР1; 2 — с землей.

Мной были выведены контакты 10-13, для того, чтобы развести провода и сделать более облегченным соединение их и концевых выключателей. Контакт 1JР6 необходимо подключать к напряжению 5В, а 2 контакт — к земле на блоке питания.

Я даю краткое описание схем, необходимых для соединения ШД с компьютером, посредством которого осуществляется управление. Также были предоставлены интегральные схемы, на которых основываются устройства управления. В будущем это позволит быстрее находить неисправности в платах. Далее речь будет идти об изготовлении печатных плат способом переноса тонера.

Контроллеры ШД L_297 и L_297D

—          стандартный/колебательный привод;

—          режимы полушага/полного шага;

—          направление по часовой стрелке/против часовой стрелки;

—          программируемый ток нагрузки;

—          режим коммутации регулируемого тока нагрузки;

—          ряд внешних компонентов;

—          пусковой вход/выход возврата;

—          вход включения.

Описание

Рис. 8. Корпусы микросхемы L_297

Интегральным контроллером ШД L_297/A/D формируются 4 ведущих фазовых сигнала для 2-х фазных биполярных и 4-х фазных униполярных ШД в прикладных системах, которые контролируются микроЭВМ. Мотор может быть запущен в режиме полушага, обычном, колебательном режимах. При этом встроенный в чип прерыватель ШИМ дает возможность выполнять импульсное управление током в обмотках. Данное устройство имеет особенности: ему нужны только входные сигналы направления, синхронизации и режима. Так как генерирование фаз происходит внутри чипа, то существенно снижается нагрузка на микропроцессор и программатор. Микросхема L_297, которая монтируется в корпус DIP_20 или SO_20, может применяться транзисторами дискретными и составными, а также монолитными мостовыми ИС (L_298N и L_293E) (схема Дарлингтона).

Таблица 3. Абсолютные максимально допустимые значения

 Рис. 9. Управляющая схема для двухфазного биполярного ШД

Таблица 4. Назначение выводов

Таблица 5. Параметры температур

Рис. 10. Расположение выводов (сверху)

Рис. 11. Структурная схема (L_297/L_297D)

Работа схемы

Микросхема L_297 служит для применения с двойным мостовым драйвером, матрицей Дарлингтона квадратного типа  или дискретными устройствами в управляющих системах ШД. Она принимает сигналы синхронизированного шага, режима работы и направления от системного контроллера (чипа микрокомпьютера) и выполняет генерацию сигналов управления для каскада электропитания. Основные функции – преобразование последовательности чередования фаз электродвигателя,  двойная цепь прерывателей ШИМ, которая регулирует ток в обмотках двигателя.

Преобразователь формирует три последовательности, которые выбираются  входом HALF/FU: обычную последовательность (включается две фазы), колебательную (включается одна фаза), полушаговую (поочередно включаются одна и две фазы). В первых двух режимах L_297 генерирует два сигнала запрета, предназначенных для увеличения скорости снижения тока при отключении обмотки. Вход CONTROL устанавливает, на что будет воздействовать прерыватель: шины фаз АВCD, шины запрета IN и IN. При прерванных шинах  включается неактивная линия фазы пар (АВ или СD) вместо того, чтобы осуществлять прерывание активной линии. В конфигурациях L_297+L_298 данная методика уменьшает потери в эталонных резисторах тока нагрузки.

Общий генератор, встроенный в чип, позволяет управлять двойным прерывателем. Он производит подачу импульсов на разряд прерывателя, устанавливающего два триггера  — FF1 и FF2. При достижении тока в обмотке максимального запрограммированного значения, на концах контрольных резисторов образуется разность потенциалов V_ref, затем соответствующий компаратор производит сбрасывание  триггера, прерывая ток возбуждения,  пока генератор не подаст следующий сигнал. Максимальный показатель тока для обеих обмоток задается программой делителя напряжения на входе V_ref. Для того, чтобы избежать шумовых проблем в усложненных конфигурациях,  генераторы синхронизируют с прерывателями посредством соединения  всех выводов SYNС вместе, монтажом RС цепочки лишь на одно устройство, путем заземления выводов ОSC на прочих устройствах.

Чередование фаз электродвигателя

Преобразователь на L_297 производит генерирование последовательного чередования фаз для всех режимов — обычного, колебательного, полушагового. Структура последовательностей, а также форма кривых  сигнала на выходе для данных трех режимов изображена на рисунке 12. Для всех случаев преобразователь начинает работу на переходе от минимального к высокому уровню сигнала CLOCK. На рисунке изображено вращение по  часовой стрелке; для вращения в обратном направлении последовательность просто переворачивается. RES-сигнал переводит преобразователь в положение 1; здесь AВCD = 0101.

Полушаговый режим

Выбор полушагового режима осуществляется посредством подачи высокоуровневого напряжения на вход HALF/FU.

Рис.12. Фазовое чередование в полушаговом режиме

Режим обычного хода

Режим обычного хода, при котором включены две фазы, выбирается в процессе подачи на вход HALF/FULL низкоуровневого напряжения, когда преобразователь стоит в нечетном положении (1, 3, 5, 7). Тогда уровень сигналов INH1 и INH2  остается высоким.

Рис.13. Фазовое чередование  в обычном режиме

Режим колебательного хода

Выбор режима колебательного хода (включена одна фаза) выбирается в ходе подачи на вход HALF/FULL низкого уровня напряжения, при этом  преобразователь стоит в четном положении (2, 4, 6, 8). 

Рис.14. Фазовое чередование в колебательном режиме

Рис. 15. Эпюры напряжений

Таблица 6. Электротехнические характеристики (основываясь на структурной схеме, Т_amb = 25 ºС, V_S = 5В, при отсутствии других)

Приложение

Управляющая схема для двухфазного биполярного двигателя

Схема, обозначенная на рисунке 16, позволяет управлять биполярными двухфазными ШД, имеющими токи обмоток до 2А. Здесь применяются 8 импульсных диодов, которые рассчитаны на  прямой ток не более 2А. На рисунке 17 приведена схема синхронизации. 

Рис. 16. Схема управления

Рис. 17. Синхронизация чипов L_297

Рис. 19. Чертеж корпуса S_02

Таблица 7. Размеры корпуса DIP_20 (по рис. 18)

Рис. 18. Чертеж корпуса DIP_20

Таблица 8. Габариты корпуса SO_20 (по рис. 19)

Двухполупериодный мостовой драйвер L_298

—          напряжение питания по номиналу до 46В;

—          величина суммарного постоянного тока до 4А;

—          невысокое напряжение насыщения;

—          защита от перегрева;

—          напряжение логического нуля на входе до 1,5В (высокий уровень  помехозащищенности).

Типы корпусов: L_298N (MultiwattVert.), L_298 HN (MultiwattHoriz.),  L_298P (PowerSO_20).

Multlwatt 15                  Power SO_20

Рис. 20. Корпусы микросхемы

Описание

L_298 — монолитная схема интегрального типа в 15-контактном корпусе типа Multiwatt или PowerSO_20. Представляет высоковольтный сильноточный мостовой драйвер (двухполупериодный), который предназначен для того, чтобы принимать стандартную транзисторно-транзисторную логику и управлять индуктивной нагрузкой – соленоидами, реле, электродвигателями постоянного тока и ШД.  Для отключения/включения устройства в независимости от входных сигналов существуют два входа.

Эмиттеры нижних транзисторов мостиков соединены вместе, при этом соответствующий внешний вывод используется  для соединения с внешним измерительным резистором. Дополнительный вход питания разработан так, что работа логической схемы возможна  при малом напряжении.

Таблица 9. Максимально допустимые значения

Рис. 21. Структурная схема L_298

Таблица 10. Параметры температур

 Рис. 22. Расположение выводов

Таблица 11. Назначение выводов L_298

Таблица 12. Электротехнические характеристики

(V_s = 42В, V_ss = 5В, Tj = 25 ºС; пока не заданы другие)

Рис. 23. Типовая зависимость напряжения насыщения от выходного тока

Рис. 24. Схема установления времени переключения

Рис. 25. График зависимости времени задержки тока источника от коммутации сигналов входа и включения

Рис. 26. Схема установки времени переключения

Рис. 27. График зависимости времени задержки тока на приемнике от коммутации входного сигнала включения

Инструкция по применению

Выходной мощный каскад

Микросхема L_298 (см. рисунок 29) является объединением двух выходных мощных каскадов (А; В). Выходной каскад имеет мостиковую структуру. Его выходы имеют возможность управления индуктивной нагрузкой посредством обычного и дифференциального метода – зависит от состояния входов. Ток, который проходит через нагрузку, идет из моста по внешнему резистору (R_SА или R_SВ), позволяющему определить силу данного тока.

Входной каскад

Каждый из мостиков управляется посредством четырех логических элементов с входами In l; In 2; EnА и In 3; In 4; EnВ. In-выходы определяют нахождение мостика в случае высокого уровня сигнала на входе Еn. Все входы являются совместимыми с ТТЛ.

Указания

Необходимо между контактами V_s и V_ss, а также общим выводом (на минимальном расстоянии от него) установить неиндуктивные конденсаторы, имеющие емкость порядка 100 нФ. В случае, если конденсатор источника питания расположен вдали от интегральной схемы, то у L_298 следует  установить еще по одному с небольшой емкостью. Рядом с отрицательным  полюсом V_s у общего вывода интегральной схемы необходимо располагать заземленный непроволочный резистор. На каждом из входов следует выполнить соединение с источником управляющих сигналов наикратчайшим путем. Перед включением/отключением напряжения питания входной сигнал  Enable следует привести в состояние с невысоким уровнем.

Приложение

На рисунке 28 изображена принципиальная схема управления двунаправленного типа электродвигателем постоянного тока: для нее необходим только один мостик.

Рис. 28. Двунаправленное управление двигателем постоянного тока

Таблица 13. Функционал в зависимости от входного уровня

L-низкий уровень сигнала
Н-высокий уровень сигнала
X-безразлично

Внешний мостик изготовлен из 4-х диодов D1 — D4, имеющих быстрое восстановление  (t≤200 нс). Их нижняя частота должна быть очень малой, дабы предусмотреть возможность работы с неблагоприятными токами нагрузки. Напряжение считывания на выходе  может применяться в целях  регулирования токовой амплитуды прерывания входных сигналов или в целях обеспечения защиты от сверхтоков посредством переключения на более слабый сигнал. Функция торможения (быстрой остановки электродвигателя) блокирует действие двигателя при превышении эффективным максимальным значением силы тока в 2А. При максимальном периодическом токе более 2А возможно осуществить выбор конфигурации с параллельным соединением (см. рисунок  29).

Внешний диодный мост уместен в случае возбуждения индуктивной нагрузки и прерывания сигналов на ИС-входах. Предпочтительным является применение диодов Шоттки, которые выдерживают токи до 3А в ходе работ с постоянным током, а также до 3,5А периодического тока. Рисунок 30 изображает управляющую схему двухфазного биполярного шагового  электродвигателя: нужные сигналы, идущие на входы L_298, генерируются на ИС L_297. Рисунок 31 показывает образец печатной платы, которая спроектирована в целях применения с рассмотренной на рисунке 30 схемой. На рисунке 32 показан второй тип управляющей схемы двухфазного биполярного ШД: в ней регулирование тока ведется посредством ИС L_6506.

Рис. 29. Схема подключения L_298. При сильных токах выводы можно соединять параллельно. Следует позаботиться о параллельном включении 1  и 4 канала, 2 и 3 канала

Рис. 30. Управляющая схема двухфазного биполярного ШД при токе в обмотках не более  2А. Применяются импульсные двухамперные диоды

Рис. 31. Печатная плата для схемы (рис. 30) (масштаб 1:1)

 Рис. 32. Схема управления двухфазным биполярным ШД с применением контроллера тока L_6506

Характеристики микросхемы L_298 в корпусе Multiwatt15V

Рис. 33. Корпус Multiwatt15V микросхемы L_298

Таблица 14. Габариты корпуса Multiwatt15V (рис. 34)

Рис. 34. Чертеж корпуса Multiwatt15V

Характеристики микросхемы L_298 в корпусе Multiwatt15Н

Рис. 35. Корпус Multiwatt15Н микросхемы L_298

Таблица 15. Размеры корпуса Multiwatt15Н (рис. 36)

Рис. 36. Чертеж корпуса Multiwatt15Н

Характеристики микросхемы L_298 в корпусе PowerSO_20

Рис. 37. Корпус PowerSO_20 микросхемы L_298

Таблица 16. Габаритные размеры корпуса PowerSO_20 (рис. 38)

В D и F нет заусенцев и выступов. Габариты заусенцев и выступов не должны превышать 0.15мм (0,006 дюймов).

Рис. 38. Чертеж корпуса PowerSO_20

Контроллер ШД  L_297

Введение

Микросхема L_297 является объединением всех схем, необходимых для управления функционалом би- и униполярных ЩД. При применении  двухполупериодного мостового драйвера L_298, к примеру, L_298N, данные  чипы организуют бесперебойный интерфейс: «микропроцессор — биполярный ШД». Управлять униполярным ШД можно посредством L_297, сочетая его с квадратной матрицей Дарлингтона. Приведем описание работы схемы и покажем способ ее применения.

В управляющих системах контроллер ШД L_297 применяется в основном с микросхемой L_298N или L_293E. Он принимает сигналы от контроллера системного типа  (как правило, это чип микроЭВМ), затем доставляет все сигналы возбуждения каскаду усиления мощности. L_297 дополнительно содержит два прерывателя ШИМ, служащих для управления током на  обмотках мотора. Чип L_297, имеющий подходящий силовой привод, управляет 2-х фазными биполярными и 4-х фазными униполярными электродвигателями, имеющими постоянный магнит и 4-х фазными электродвигателями с переменным магнитным сопротивлением. Чип также служит для контроля режимов обычного, колебательного и полушагового хода. В доступе находятся два типа устройства: простой чип L_297 и спецверсия – L_297A. Микросхема L_297A оснащена удвоителем шаговых импульсов и создана специально в целях позиционирования головки прибора на гибких дисках.

Преимущества

Сочетание микросхемы L_297 с управляющим устройством имеет массу преимуществ: небольшое число компонентов (малые затраты, большая  надежность, небольшие габаритные размеры), простое ПО и сниженная нагрузка на микропроцессор. Технологически два чипа довольно гибки в применении: L_298N может использоваться в работе электродвигателей постоянного тока, L_297 — с различными источниками электроэнергии, даже с дискретными устройствами, поставляя для этой цели ток  20мА.

Типичная конфигурация, включающая контроллер ШД L_297, соединенный с мостовым двойным драйвером L_298, является интерфейсом, показанным  на рисунке 39. Рис. 39. Соединение контроллера L_297 с драйвером L_298

В биполярных моторах, имеющих токи в обмотках до 2А, микросхема L_297 применяется совместно с L_298N; при токах, не превышающих 1А,  рекомендовано применять L_293E (если нет необходимости в прерывателе, L_293). В случае более сильных токов применяются более мощные транзисторы, а также схема Дарлингтона. В электродвигателях униполярного типа предлагается реализация  матрицы Дарлингтона, к примеру,  ULN-2075B. Структурная схема, приведенная  на рисунке 39,  — это и есть представление подобной типовой системы.

Достать контроллер L_297 просто: он имеется в принтерах (применяется при позиционировании каретки, в лепестковом шрифтоносителе, при подаче бумаги и протяжке красящей ленты), в пишущих машинках и плоттерах, ЧПУ станках и роботах, флоппи-дисководах. Применяется чип также в электронных швейных машинках, кассах, фотокопирах, телексных аппаратах, карбюраторах электронного типа, факсимильных приборах, фотооборудовании, приборах для считывания с бумажных перфолент, в оптических системах распознавания, выпрямителях и пр.

Микросхема L_297 выполнена по аналого-цифровой технологии. Она помещена в 20-контактный DIP-корпус из пластика. Применяется питание при напряжении 5В. Все сигнальные линии являются совместимыми со структурами ТТЛ / КМОП. Одна из основных характеристик данной технологии — высокая плотность, поэтому контроллер L_297 является предельно компактным.

Микросхемы L_298N и L_293E

Поскольку контроллер L_297, как правило, применяется с мостовым драйвером L_298N или L_293E, дадим их краткий обзор, существенно облегчающий дальнейший процесс изучения. L_298N и L_293E имеют  две ступени драйверов мостового типа; каждый из них контролируется двумя логическими и одним включающим сигналом ТТЛ на входе. Дополнительно к этому оба вывода эмиттеров транзисторов нижнего уровня выведены на внешний терминал, дабы дать возможность подключения к резисторам считывания тока (см. рисунок 40).

Рис. 40. Структурная схема L_298N

Применение новых ионно-имплантационных высоковольтных/сильноточных систем дает возможность данному чипу работать при мощности до 160Вт (с напряжением питания 46В, токам 2А на каждый из мостов). В целях снижения рассеиваемой мощности, а также для возможности прямого соединения с контроллером L_297 или прочими схемами управления существует отдельный логический вход на 5В. Здесь приведена маркировка выводов  L_298N названиями определенных выводов L_297.

L_298N изготовлен в 15-ти контактном корпусе Multiwatt. Предыдущая версия —  L_293E, имеющая идентичные функции, поставлялась в корпусе Powerdip — обрамленном медью DIP-корпусе, 4 центральных вывода которого применяются для теплоотвода на медную поверхность платы. Микросхема L_293E имеет внешние выводы от всех 4-х эмиттеров.

Основы ШД

Разработаны 2 основных типа ШД для общего применения: оснащенные постоянным магнитом и оснащенные переменным магнитным сопротивлением. ШД с постоянным магнитом делятся на биполярные и униполярные.

Биполярные электродвигатели

Упрощенно биполярный электродвигатель, имеющий постоянный магнит, включает вращающийся постоянный магнит, окруженный  полюсами статора, которые несут на себе обмотки (см. рисунок 41). Применяется двунаправленный ток возбуждения, а ШД делает шаги посредством поочередного включения обмоток.

Рис. 41. Состав биполярного двигателя с постоянным магнитом

Для данного типа есть 3 возможные последовательности подключения обмоток. Первая последовательность — включение обмоток в следующем порядке: АВ / CD / BA / DC (ВА  — это обратное направление). Данная последовательность является однофазным режимом с целым шагом или однофазным колебательным режимом. В определенный фиксированный временной момент включенной является только одна фаза (см. рисунок 42а).

Рис. 42а. Однофазный режим с целым шагом

Вторая возможность – включение одновременно двух фаз; при этом ротор всегда себя центрирует между 2-мя полюсами. Данный режим, который носит название двухфазный с целым шагом,  — это обычный для биполярного электродвигателя режим, дающий максимальный вращающий момент (см. рисунок 42б).

Следующий вариант — подключение одной фазы, потом двух, затем снова одной и далее в таком же порядке. В данном случае вращение электродвигателя производится с полушаговым приращением. Такая последовательность, называемая режимом полушага, разделяет пополам полезный шаговый угол электродвигателя, однако производит меньший постоянный момент вращения (см. рисунок 42в).

Рис. 42б. Двухфазный режим

Рис. 42в. Режим полушага

Рис.  42. Последовательность включения обмоток биполярного двухфазного ШД. Вращение по часовой стрелке

Последовательности, которым дана характеристика выше, применяются также для вращения в обратном направлении (против часовой стрелки), исключение — сохранение порядка.

На трех рисунках показано, что шаговый угол электродвигателя равняется 90°. В реальности электродвигатели оснащены большим числом полюсов в целях большого уменьшения шагового угла, но количество обмоток и последовательностей пуска неизменны. Стандартный биполярный ШД изображен на рисунке 43.

Рис. 43. Изображение реального двигателя. Многочисленные полюса снижают угол шага. Принцип функционирования и последовательности включения остаются прежними

Униполярные электродвигатели

Униполярный электродвигатель, имеющий постоянный магнит, является идентичным биполярному механизму, приведенному выше, однако для изменения направления магнитного потока здесь применен реверсивный привод вместо бифилярных обмоток статора (см. рисунок 44).

Рис. 44. Изображение униполярного двигателя с постоянным магнитом и бифилярными обмотками

Управлять данным электродвигателем можно аналогично биполярному, но здесь произведена замена мостовых драйверов униполярными каскадами – 4-мя парами Дарлингтона либо квадратной матрицей Дарлингтона. Ясно, что униполярные электродвигатели обеспечивают меньший вращающий момент, поскольку имеют вдвое большее число обмоток. Для требуемого размера мотора вращающий момент также более низкий, так как обмотки изготовлены с применением более тонкого провода. До недавнего времени подобные двигатели привлекали производителей, так как упрощали реализацию управляющих устройств. Сегодня, когда в свободном доступе имеются интегральные двухтактные управляющие устройства (L_298N), набирают  популярность биполярные электродвигатели. На все электродвигатели, оснащенные постоянным магнитом, негативно воздействует противоЭДС, создаваемая ротором, которая уменьшает  скорость вращения. В случае больших скоростей вращения применяются электромоторы с переменным магнитным сопротивлением.

Электродвигатели с переменным магнитным сопротивлением

В электродвигателе, имеющем переменное магнитное сопротивление, есть  ненамагниченный магнитно-мягкий ротор, изготовленный из стали,  с меньшим, чем у статора, количеством полюсов (см. рисунок 45). Применяется униполярный привод, при этом электродвигателем выполняется  шаг посредством включения полюсных пар, для того, чтобы выровнять ротор и концы полюсов включенной обмотки.

Рис. 45. Электродвигатель с переменным магнитным сопротивлением

В данном случае также возможны три чередования фаз. Колебательный ход — A/С/B/D; двухфазный ход — АС/СВ/ВD/DA; полушаговый ход — A/AС/C/ВС/B/ВD/D/DА. Следует обратить внимание, что шаговый угол рассмотренного выше электродвигателя составляет 15°, а не стандартные 45°. В целях получения минимального шагового угла, реальные электродвигатели применяют множество полюсов, что не оказывает никакого влияния на принцип функционирования последовательного привода.

Формирование последовательности чередования фаз

Ядро структурной схемы чипа L_297 (см. рисунок 46) – это преобразователь, формирующий необходимые последовательности чередования фаз в целях функционирования в режиме полушага, а также полного шага с одной и 2-мя фазами. Управление данного блока осуществляется посредством двух  режимных входных сигналов — CW/ССW (направление), HALF/FULL, и  синхронизатором, продвигающим преобразователь от шага к шагу.

Рис. 46. L_297 оснащен преобразователем (формирователем последовательности фаз), прерывателем ШИМ и выходными логическими схемами

Преобразователь доставляет 4 выходных сигнала в целях их дальнейшей обработки в логическом блоке на выходе, который гарантирует выполнение процедур запрета и прерывания. Он включает 3-битный счетчик и несколько  комбинационных логических схем, генерирующих двоичный циклический код (Грея) главной 8-ми шаговой последовательности (см. рисунок 47). Данные три рабочие последовательности легко генерируются из основной, которая прямо соответствует полушаговому режиму, который выбирается на входе HALF/FULL при наличии высокого уровня сигнала.  На рисунке 48 изображены формы кривых сигнала на выходе. Следует обратить внимание генерацию в данной последовательности двух  других сигналов – INH1 и INH2.

Рис. 47. Основная 8-ми шаговая последовательность преобразователя. Отображено вращение по часовой стрелке

Рис. 48. Формы кривых сигнала на выходе; соответствуют полушаговой последовательности. Действие прерывателя не отображено

Каждый из режимов полного шага получается посредством пропуска противоположных позиций в восьмишаговой последовательности. Синхронизатор шага пропускает первый уровень трехбитного счетчика преобразователя. Младший двоичный разряд данного счетчика не применяется, а значит, данная последовательность зависит от такого положения преобразователя, в результате которого выбирается режим полного  шага (входной сигнал HALF/FULL минимальный). Если в данном случае преобразователь стоит в одном из нечетных положений, создается последовательность фазового чередования для 2-х фазного режима целого шага, изображенная на рисунке 49. В случае четного положения преобразователя подключается однофазный режим (см. рисунок  50). 

Рис. 49. Фазовая последовательность; формы кривых сигнала на выходе (двухфазный цикл)

Рис. 50. Последовательность чередования фаз; форма кривых сигнала на выходе (колебательный ход, однофазный режим)

Сигналы INH1 и INH2

В полушаговом режиме  и в однофазном режиме полного шага происходит генерирование дополнительных сигналов INH1 и INH2. Эти два сигнала запрещающие, связанные с входами подключения на L_298N и предназначенные для максимизации скорости затухания тока при отключении обмотки. Поскольку в двухфазном режиме полного шага две обмотки являются постоянно включенными и не отключаются, данные сигналы не генерируются.

Следует обратить внимание на часть микросхемы L_298N, которая подключена к 1-ой фазе биполярного 2-х фазного двигателя (см. рисунок 51). Необходимо помнить, что входы А и В L_298N показывают, какой из транзисторов из двухтактной пары следует  включить. Сигнал IN отключает  все 4 транзистора.

Рис. 51. При отключении обмотки активируется запрещающий вход в целях ускорения спада тока. Иначе ток рециркулирует через D2 и 04.  Уменьшается рассеиваемая мощность на R_S

Путь на входе А  — высокий уровень, на выходе В – низкий;  ток идет через Ql, Q4, обмотки мотора. Если снизить уровень А, ток потечет через D2, Q4 и R_S, образуя медленный спад, а также повышенное рассеяние на R_S. При активации IN все 4 транзистора будут заперты, при этом ток от заземления потечет к V_s через D2 и D3, образуя высокую скорость спада и давая возможность двигателю работать быстрее. Аналогичный процесс происходит с другой обмоткой,  со второй половиной L_298 и сигналами С, D и INF. Генерирование сигналов IN и IN происходит по дизъюнкции:

А + В =INН1

С + D =INH2

Но выходная логика является более сложной, так как шины запрета тоже применяются прерывателем.

Другие сигналы

Два других сигнала также подключаются к блоку преобразователя: выхода RESET и входа НОМЕ. Первый является асинхронным выходным сигналом сброса, возвращающим преобразовательный блок в начальное положение (1, ABСD = 0101). Второй — НОМЕ  — является сигналом, подающим команду «открыть коллектор» и оповещающим об этом условии; он ссылается на АND с выходом возвратного мех.датчика в начальное положение. Имеется  также вход ENABLE, который соединяется с выходной логической схемой. Невысокий уровень сигнала на данном входе понижает уровни IN, IN, A, В, С и D. Вход ENABLE необходим для выключения управляющего устройства электродвигателя в случае возврата системы в начальное состояние.

Регулировка тока нагрузки

В целях получения хороших показателей скорости и вращающего момента, необходимо осуществлять контроль тока нагрузки, для выполнения которого имеется возможность переключения питания между 2-мя напряжениями источника, прерывания частоты импульсной модуляции или длительности ее импульсов. Контроллером L_297 обеспечивается регулирование тока посредством прерывателей ШИМ, по одному для любой из фаз биполярного или каждой пары обмоток электродвигателя униполярного типа. В униполярных моторах включение обмоток А и В никогда происходит одновременно, потому один из прерывателей можно использовать совместно; аналогично  —  обмотки С и D.

В состав каждого прерывателя входит компаратор, триггеры внешнего резистора считывания. Передача импульсов на оба прерывателя ведется общим генератором чипа. Управление триггерами (см. рисунок 52) осуществляется каждым генераторным импульсом с пропуском выходного сигнала и разрешением увеличения тока нагрузки. Ток растет, вместе с этим  происходит увеличение падения напряжения на резисторе считывания. При  достижении им  значения V_ref происходит переброска триггера и запрещается выход сигнала до того момента, пока на него не будет подан следующий генераторный импульс. Таким образом, выходной сигнал приведенной схемы (сигнал выхода Q-триггера) представляет собой сигнал ШИМ с постоянной интенсивностью. Следует отметить, что V устанавливает максимальный ток нагрузки.

Прерывание фаз и задержки

Действие прерывателя может быть оказано на шину фаз или запрета через CONTROL. Процесс прерывания запрета применяется в униполярных двигателях, однако может использоваться и в биполярных. Данный выбор обусловлен следующим примером. Приведем ситуацию, в которой прерываются линии фаз. Нами производится управление двухфазным биполярным электродвигателем, где А – высокий уровень, В — низкий (см. рисунок 53).

Рис. 53. Схема прерывания фаз. Прерывание тока X происходит  при активации В, который создает рециркуляционный контур Y. В другом варианте  отключение А дает контур Z, который увеличивает рассеиваемую мощность на R_s

Таким образом, движение тока происходит через Q1, обмотку, Q4, R. При достижении напряжения на R_s опорного уровня V_ref происходит увеличение  уровня В прерывателем, чтобы отключить обмотку. Энергия, накопившаяся в обмотке, посредством тока, проходящего через Q1 и D3, рассеивается. Снижение тока происходит очень медленно, так как напряжение на обмотке является низким, равным V_CEsatQI+ V_D3 (см. рисунок 54). Зачем производить увеличение уровня В и снижение уровня А? Затем, что существует необходимость уменьшения тока, идущего через R_S. Поскольку циркуляция тока происходит в верхней части мостика, выключение обмотки приводит к тому, что он идет через считывающий резистор. Таким образом, на R_S происходит рассеивание меньшей мощности, и можно будет обойтись недорогостоящим резистором.

Рис. 54. Формы сигналов для прерывания фаз. Показано включение обмотки АВ: положительный А относительно В. Сигнал CONTROL высокого уровня

Это поясняет, что прерывание фаз для униполярных моторов неприемлемо: когда функционирует обмотка А, оказывается действие прерывателя на обмотку В. Понятно, что вообще не имеет смысла применение прерывания фаз для двигателя, оснащенного переменным магнитным сопротивлением, и является малоэффективным для двигателей, имеющих постоянный магнит и бифилярную обмотку. Альтернативным является способ соединения входа CONTROL и земли, чтобы действие прерывателя происходило на  INH1 и INH2. Приведем пример, когда уровень А является высоким, а В — низким. Таким образом, транзисторы Q1 и Q4  — проводники, и ток идет через Q1, обмотку, Q4, R_S (см. рисунок 55). При достижении напряжения на R_S.  значения V_ref, происходит сбрасывание триггера прерывателя, активируется минимальный INH1. INH1 отключает все 4 транзистора, происходит рециркуляция тока через D2, обмотку, D3 к V_s. Ток, разряженный посредством источника до 46В, спадает с высокой скоростью (см. рисунок 56).

Полезность подобного спада тока бесспорна – данный вариант позволяет ускорить работу биполярных электродвигателей, а также является единственным в отношении к униполярным. Но в связи с чем мы остановились на медленном варианте — прерывании фаз? Такой выбор обоснован тем, что с мотором, который не производит запас в обмотках большой энергии, работа ведется на низких частотах прерывания. В случае очень быстрого спада тока средний ток мотора может быть слишком слабым для  того, чтобы обеспечить полезный вращающий момент. Малые частоты прерывателя принимаются в случае, когда в той же системе применяется  больший электродвигатель. Во избежание помех при коммутации на заземлении, управляющие устройства необходимо синхронизировать, поэтому определение частоты прерывателя будет производиться по наибольшему электродвигателю всей установки.

Основная масса микросхем L_297 с легкостью синхронизируется посредством вывода SYNC, который представляет собой выход для прямоугольных генераторных сигналов и синхронизирующий вход для прерывателей. Рисунок 57 отображает первую микросхему L_297,  оснащенную компонентами генератора, через которую выходит прямоугольный сигнал. Следующие ИС L_297 в генераторных компонентах не нуждаются: как синхронизирующий  вход применяется вывод SYNC. В случае синхронизации микросхемы L_297 с остальными компонентами системы, на данный вывод могут быть поданы также сигналы внешней синхронизации.

Рис. 55. Прерывание задержек. Здесь происходит прерывание тока возбуждения (01, обмотка, Q4)  при активации INH1. Процесс затухания через D1 и D3 идет  быстрее, чем по пути на рисунке 53

Рис. 56. Формы сигналов для прерывания задержки. Обмотка АВ включена; низкий уровень сигнала CONTROL

Рис.57. Генераторы прерывателей ИС L_297 синхронизированы посредством соединения всех входов SYNC

Микросхема L_297A

ИС L_297 А является специальной модификацией L_297, первоначально разработанной в целях позиционирования головки дисководов гибких дисков. Однако применять ее можно и в других целях. В отличие от микросхемы L_297 стандартного типа, на синхронизирующий вход L_297A добавляется удвоитель импульсов, а также появляется возможность вывода сигнала, сообщающего о направлении с триггера. Структура L_297A показана на рисунке 58. 

Рис. 58. Структурная схема ИС L_297A, включающая удвоитель импульсов,  вывод от триггера направления (DIR-МEM)

В недорогостоящем  двадцативыводном корпусе данной версии отсутствуют выводы CONTROL и SYNC (в них нет необходимости). Прерыватель оказывает действие на шины фаз А, В, С, D. Для каждого из входных синхронизирующих импульсов, на котором в итоге преобразователь совершает 2 хода, внутри удвоителя генерируются ложные импульсы. RC -внешняя цепь — устанавливает период задержки между входными импульсами и ложными таким образом, чтобы ложные были именно в середине промежутка между входными, что позволяет мотору выполнить шаг. Данный режим применяется  в целях повышения точности позиционирования. Поскольку накопление ошибки угловой координаты не происходит (в моторе с четырехшаговой системой происходит ее сброс каждые 4 шага), увеличение точности производится путем прохождения 2-х или 4-х шагов за один раз.

Рекомендации по использованию

Управление биполярными электродвигателями можно осуществлять посредством микросхем L_297, L_298N или L_293E с мостовым драйвером, а также небольшим количеством внешних компонентов (см. рисунок 59).

Рис. 59. Пример применения ИС L_297 и L_298N при управлении биполярным ШД с фазными токами до 2А

В совокупности данные ИС формируют интерфейс «микропроцессор-шаговый двигатель». С применением микросхемы L_298N подобная  конфигурация может являться управляющей для двигателей с током до 2А в обмотках; для моторов с током до 1А применяется L_293E. Если отсутствует необходимость в использовании прерывателей ШИМ, то можно  задействовать ИС L_293 (у нее не имеются выводы от эмиттеров для резисторов считывания), однако применение L_297 не будет эффективным. Для того, чтобы достичь большей мощности, производится замена мостового драйвера эквивалентной цепью дискретных транзисторов. Если токи до 3,5А, могут применяться ИС L_298N, имеющие параллельно соединенные выходы. Оптимальным выбором для униполярных моторов считается  квадратная матрица Дарлингтона. Если нет необходимости применять прерыватели, можно использовать ИС L_702B, однако предпочтительнее задействовать ULN_2075B.

Подключение внешних контактов эмиттеров матрицы производится со считывающими резисторами (см. рисунок 60). Поскольку прерыватель оказывает действие на шины запрета, в данную систему необходимо добавить четыре логические схемы И. Рисунок 60 отображает защитные диоды.

Рис. 60. Для униполярных электродвигателей к ИС L_297 выполнено подключение квадратной матрицы Дарлингтона. Необходимо добавить четыре логические схемы И, поскольку применяется прерывание задержек

В ходе работы с системами без применения прерывателей не стоит забывать, что считывающие входы следует заземлять, a V_ref необходимо  подключить к V_s или к иному потенциалу, находящемуся между V_s и заземлением.

Таблица  17. Назначение выводов ИС L_297

Цепь  RC на 16 выводе определяет частоту прерывающего генератора: она примерно равна 1/0,7 RC, при этом R должно превышать 10 кОм. При применении удвоителя импульсов микросхемы L_297A период задержки определяет цепь R_dC_d. Показатель примерно равен 0,75 R_dC_d. R_d находится в диапазоне  3-100 кОм (см. рисунок 61). Синхронизирующий удвоитель импульсов осуществляет подачу ложного импульса через т₀ секунд после входного синхронизирующего сигнала. Чтобы обеспечить задержку, равную порядка половины периода входного синхросигнала, производят замыкание цепи R_dC_d.

 Рис. 61. Использование  контроллера L_297A

Таблица 17а. Назначение выводов L_297A аналогичное L_297;  исключение составляют выводы 1, 11

Рис. 62. Расположение выводов ИС L_297 и L_297А

Драйверы ШД

Далее описан процесс устранения ошибок, наиболее часто появляющихся при разработке управляющих схем электродвигателя. Основанием является авторский опыт; содержатся ответы на актуальные вопросы данной сферы.

Введение

За период многолетней работы мы общались  и с новичками, и с опытными пользователями, задающими зачастую одинаковые вопросы. Данный раздел является сборником ответов на наиболее актуальные из вопросов. Приведен ряд книг и статей, на которые читатель сможет при необходимости опираться при работе с шаговыми электродвигателями. Здесь указана справочная информация о микросхемах L_6201, L_6202 и L_6203. Так как данные устройства разработаны на одном и том же кристалле, их отличие заключается только в корпусах, любую справку по каждому из них необходимо рассматривать по отношению к любому из 3-х типов микросхем.

Выбираем двигатель  — униполярный или биполярный

ШД классифицируются, как правило, на униполярные и биполярные. Ранее униполярные электродвигатели являлись особо распространенными, им отдавалось предпочтение ввиду простоты конфигурации устройств управления. Однако сегодня появились эффективные интегральные устройства управления и биполярные электродвигатели стали более популярными. При определенных конструктивных характеристиках такие двигатели  способны обеспечить больший вращающий момент [1].

Выбор топологической управляющей схемы

В зависимости от того, какая требуется скорость и вращающий момент от электродвигателя, доступными являются ряд топологических управляющих схем [5, гл.3]. В случае  низких скоростей достаточно осуществлять подачу необходимого напряжения, дабы внутреннее сопротивление электродвигателя могло ограничивать ток до допустимого значения (см. рисунок 63).

Рис. 63. Непосредственная подача на униполярный двигатель напряжения

Но в случае более высоких скоростей происходит существенное падение вращающего момента, поскольку индуктивность обмотки является ограничением скорости изменения тока, и он не позволяет достигать максимального значения при каждом из  шагов (см. рисунок 64).

Рис. 64. Непосредственная подача напряжения, где низкая скорость – А и В — слишком высокая скорость,  уменьшающая вращающий момент

Одно из решений заключается в применении того, что называют обычно возбуждением L/nR (см. рисунок 63б). На данной топологической схеме показано, как задействовано более высокое напряжение, при этом токовое ограничение устанавливается посредством внешнего резистора, последовательно включенного с обмоткой таким образом, чтобы суммарное значение внешнего и внутреннего сопротивления снижало ток до допустимого значения. Такой метод приведения в движение способен увеличить скорость нарастания тока, что дает больший вращающий момент в случае высоких скоростей вращения. Однако имеется существенный недостаток – наличие дополнительного рассеяния мощности на внешнем резисторе. Для избавления от дополнительного рассеяния мощности в целях регулирования тока применяют прерыватель (см. рисунок 65).

Рис. 65. Работа с прерывателем показывает оптимальные  рабочие характеристики

В данной схеме ток, который течет через мотор, считывается и регулируется посредством прерывающей цепи, чтобы поддерживать его на заданном уровне. Типы устройств L_297, L_6506 и PBL_3717A способны реализовать такой тип управления. Данный способ может сократить время нарастания тока в моторе и увеличить вращающий момент, поддерживая при этом максимальную эффективность управления [2]. Рисунок 66 отображает сравнение форм волн тока того же мотора, функционирующего тремя способами.

Рис. 66. Ток двигателя при работе с прерывателем; способы L/R и L/5R

Если вести речь о вращающем моменте, стоит сказать, что оптимальные характеристики можно достичь регулированием тока посредством прерывателя [2]. Данный способ также дает возможность с  легкостью реализовать множественные методы управления током, чтобы оптимизировать работу двигателя.

Выполнение пуска  униполярного двигателя с ИС L_298N или L_6202

Зачастую требования дизайна являются ограничением выбора двигателей, хотя данное решение не будет оптимальным. При поиске проектировщиком высокоинтегрированного устройства управления с наилучшими эксплуатационными характеристиками, если требуется использовать униполярный (шестиконтактный) электродвигатель, можно применить такие устройства, как L_298N или L_6202. При запуске двигателя его центральный отвод необходимо оставить неподключенным, при этом произвести подключение двух выводов обмоток к выводам моста (см. рисунок 67). При применении данной конфигурации явно увеличивается вращающий момент для того же тока катушки. В результате получается аналогичный вращающий момент при меньших токах.

Рис. 67. Запуск униполярного двигателя с применением биполярного привода

Система, в которой при управлении униполярным двигателем применяется  ИС L_298N или L_6202 и производится подключение центрального вывода каждой катушки к источнику электропитания, функционировать не будет, поскольку защитные диоды, находящиеся между коллектором и эмиттером (стоком/истоком) мостовых транзисторов, испытывают прямое смещение от трансформаторного действия обмоток мотора, выполняя короткое замыкание источника. К тому же, даже в случае, когда напряжения питания являются разделенными, L_298N не может применяться без высоковольтного источника электропитания, поскольку часть тока возбуждения берется для выходного моста от данного источника.

Выбор прерывания сигнала или фаз

Имеется ряд способов реализации прерывистого регулирования тока в ШД. Управление мостовым выводом (L_6202 или L_298N) может осуществляться прерыванием сигнала отключения, одно- или двухфазным прерыванием (см. рисунки 68-70). Микросхема L_297 позволяет прерывать сигнал включения или осуществлять однофазное прерывание, которое выбрано управлением входа. В случае, когда 4 вывода присоединены к 4-м входам моста, L_6506 устанавливает однофазное прерывание с контуром рециркуляции для нижней части моста; в случае подключения к входам нечетных выводов включения — прерывание включения. Избрание правильного режима прерывания  — важный момент, который оказывает влияние на стабильность системы и на энергопотери. В таблице 18 отображено относительное сравнение разных режимов для константной частоты прерывания, тока двигателя и его индуктивности.

Рис. 68. Двухфазное прерывание

Рис. 69. Однофазное прерывание

Таблица 18. Сравнение  режимов прерывания

 Рис. 70. Прерывание сигнала включения

Прерывистый ток

Поскольку скорость изменения тока прямо зависит от  напряжения, приложенного к катушке, прерывистый ток определяется частотой прерывания, а также напряжением на катушке. При включенной катушке напряжение на ней константно, равно напряжению источника за минусом напряжения насыщения устройства управления. С другой же стороны, напряжение катушки в течение рециркуляционного периода находится в зависимости от выбранного режима прерывания. В ходе прерывания сигнала включения, а также при однофазном прерывании величина напряжения на катушке в ходе периода рециркуляции равна напряжению V_F  -диодов или IR ДМОП-устройств (при применении L_6202 в режиме 2-х фазного прерывания). В данном случае наклоны кривых роста/спада тока приблизительно одинаковы, возможно возрастание прерывистого тока.

При реализации режима однофазного прерывания в ходе периода рециркуляции напряжение на катушке равняется сумме оставшегося напряжения V_QN (V_SAT в случае  биполярных устройств или Ix R_DSon  в случае ДМОП-устройств) транзистора и напряжения V_F одного диода, а также падения напряжения на резисторе считывания, в случае нахождения в контуре рециркуляции. При этом ток затухает гораздо медленнее, нежели происходит  нарастание, и пульсирующий ток гораздо меньше, нежели в предыдущем. Эффект будет более значимым в случае  высоких напряжений питания.

Потери в электродвигателе

Возникающие в электродвигателе потери включают  резистивные (I²R) и паразитные потери. При росте прерывистого тока и частоты паразитные потери, как правило,  увеличиваются. Прерывание сигнала включения, а также 2-х фазное прерывание является причиной роста температур в  электродвигателе. Менее значимые потери достигаются посредством применения однофазного прерывания.

Энергопотери  в мостовой интегральной схеме

Внутренняя управляющая схема в микросхеме L_298N обеспечивает выключение устройств выхода в активном режиме, когда происходит их переключение  в ответ на 4 фазовых входных сигнала. Но в ходе переключения в устройствах выхода при ответе  на сигналы включения все базовое возбуждение снимается, при этом схема не содержит активного элемента, способного устранить из базы накопленный заряд. В ходе прерывания сигнала включения в силовых устройствах период спада тока дольше, нежели при применении прерывания фаз, потому потери в ходе переключения также будут крупными.

Действие в ответ на сигнал включения или входной сигнал внутренней логической управляющей схемы в микросхемах L_6202 и L_6203 одинаковое, поэтому при применении фазового прреывания или прерывания сигнала включения одинаковы. Возможно их уменьшение при использовании прерывания одной фазы. Однако потери, обусловленные спадом  напряжения на концах устройства, не равны. В ходе прерывания сигнала включения 4 выходные ДМОП-устройства отключены, рециркуляция тока идет от корпуса на диоды утечки выходных ДМОП – транзисторов. В условиях фазового прерывания ДМОП-устройства являются включенными и ток проводят в противоположном направлении. Так как падение напряжения на концах ДМОП — устройств менее прямого падения напряжения на диоде при прохождении тока  меньше 2А, ДМОП-устройства отбирают существенный ток, при этом рассеяние мощности при применении прерывания фаз имеет гораздо более  малые значения, чем в ходе прерывания сигнала включения, что проиллюстрировано на графиках в проспектах устройств.

Для данных устройств прерывание фаз сопровождается небольшими потерями. Для определения, какие потери являются меньшими дискретных мостов — переключения или насыщения – следует произвести их вычисление.

Расчет мощности рассеяния на мостовых управляющих микросхемах

Мощность, которая рассеивается на монолитных интегральных управляющих схемах  (L_298N или L_6202), представляет собой сумму 3-х компонентов: потерь в статике, потерь насыщения и потерь при коммутации. Потери в статическом режиме представляют собой потери цепей смещения, вычисляемые для данных устройств  по формуле V_sxl_s. Здесь V_s – это напряжение источника питания,  I_s — ток смещения/покоя источника. При использовании в устройстве двух напряжений питания, к примеру, L_298N, следует рассчитать потери для каждого их них и вычислить сумму для получения величины общих потерь в статическом режиме. Как правило,  ток покоя основной массы микросхем при значительном диапазоне входных напряжений равен, и максимум, указанный в проспекте, можно применять  для напряжений питания в рамках допустимого диапазона.

Следующий компонент потерь — потери насыщения – представляют собой сумму произведений падения напряжения на идущий ток в каждом из резисторов выходного типа. В биполярных устройствах (L_298N): V_SATxI; в  силовых ДМОП-устройствах: I²xR_DSon.

Третьим компонентом потерь являются коммутационные потери, связанные с устройствами вывода. Для общих случаев она может быть рассчитана по формуле:

Vsupply  х  Iload  x  tcross x  fswitch

Чтобы произвести вычисление общих потерь, компоненты  формулы, рассчитанные по их рабочим циклам, суммируются. Ток покоя имеет рабочий цикл 100%.

Минимальный ток

Показатель минимального тока, который имеется возможность стабилизировать, является существенным при работе с малыми шагами, многоуровневом управлении током, при попытке стабилизации  тока, очень маленький по сравнению с максимальным, появляющимся при прямом соединении электродвигателя к применяемому напряжению питания.

При применении сигнала включения или фазового прерывания основная проблема — потеря возможности регулировки тока ниже минимума. На рисунке 71 изображена типовая характеристика чувствительности для тока на выходе как функции от опорного уровня.

Рис. 71. Типовая характеристика чувствительности для тока на  выходе как функция от опорного уровня

Посредством характеристик мотора (в основном, сопротивлением обмоток), напряжения питания и минимальным рабочим циклом, который доступен при применяемой управляющей схеме, задается минимальное значение. Минимальный ток идет  по обмотке при пуске на минимальном рабочем цикле. Регулировка тока ниже данного значения невозможна. Когда происходит прерывание сигнала включения, ток, идущий через катушку, может возвратиться к нулевому показателю при каждом из циклов, как изображено на рисунке 72.

 Рис. 72. Зависимость тока, идущего через электродвигатель, от времени прерывания

В ходе прерывания одной фазы ток может достичь, а может и не достичь нулевого значения, также возможно появление остаточной составляющей постоянного тока. При применении управляющих устройств с постоянной частотой (L_297 или L_6506) минимальным рабочим циклом является рабочий цикл генератора, так как триггер осуществляет поддержку выходного сигнала, пока активен генератор. В регуляторах,  нестабильных по времени, к примеру, PBL_3717A, установка минимального выходного времени происходит по задержке распространения в цепи сигнала и его отношению к установленному времени нахождения в отключенном положении.

Ни одной из доступных управляющих микросхем не осуществляется режим прерывания двух фаз. Мы его рассматриваем, так как очень легко сформировать катастрофические токи, если 2-х фазное прерывание применяется вместе со способом обнаружения максимального тока. Если величина максимального тока меньше половины прерывистого тока (I_рр), 2-х фазное прерывание является особенно опасным. В таком случае его способность к реверсии является основанием обратного тока в обмотке двигателя и утери контроля схемы управления. На рисунке 73 изображена форма колебания для этого  случая. Рис. 73. Утрата контроля над током обмотки в случае двухфазного  прерывания

При достижении током максимального значения происходит выключение  обеих частей моста. Спад тока осуществляется до тех пор, пока его величина не достигнет нулевого значения. Поскольку силовые транзисторы включены, ток растет в обратном направлении. Когда происходит  новое включение триггера, входы тоже активируются, ток становится положительным. Но задача единственного считывающего резистора состоит в выпрямлении тока, при этом компаратор учитывает лишь его значение, но не знак. В случае, когда абсолютное значение тока, текущего в отрицательном направлении, выше, чем  заданное, компаратор будет обманутым и сбросит триггер. Будет продолжаться рост тока в отрицательном направлении, при этом схема стабилизации его контроль выполнять не сможет. По данной причине режим 2-х фазного прерывания со схемами типа L_298N и L_6203 применять не рекомендовано, он не является осуществимым ни в одной из доступных интегральных схем управления. Данной проблемы можно будет избежать, если применить усложненную технику считывания, которая не будет спрямлять обратный ток.

Стабильность прерывателя и звуковые шумы

Одной из проблем, с которой зачастую сталкиваются при применении прерывистой регулировки тока, считается высокий уровень шума мотора.  В цепях, имеющих постоянную частоту ШИМ, такое явление оставляет свой след на стабильности управляющей током схемы, где действующая частота прерывания будет сдвинута к субгармонике, которую задает генератор. В схемах, имеющих одинаковое время выключения,  оно существенно изменяется в сравнении с устанавливаемым ждущим мультивибратором. Имеются две общие причины данного явления, первая из которых связана с электропомехами и резким повышением системного тока. Это может обмануть схему регулирования тока. В схемах ШИМ детектирования максимума (L_297, L_6506) контроль тока двигателя выполняется посредством наблюдения за резким снижением напряжения на считывающем резисторе, который соединен с землей. В ходе включения генератора внутренним триггером вызывается активация выводов моста. Как правило, на данном резисторе возникает резкое повышение напряжения, которое вызвано системными шумами и восстанавливающимся обратным током диода рециркуляции, который идет через считывающий резистор (см. рисунок 74).

Рис. 74. Восстанавливающийся обратный ток диода рециркуляции идет через резистор считывания, устанавливая  на нем повышение напряжения

При достаточности величины повышения для превышения эталонного напряжения, обманутым будет компаратор, что приведет к преждевременному сбрасыванию триггера на нулевое значение (см. рисунок 75).

Рис. 75. Повышение напряжения на считывающем резисторе, которое вызвано восстанавливающимися обратными токами и шумами, может обмануть компаратор, который контролирует  ток

В данном случае происходит отключение выхода, и падение тока продолжается. Как результат — уменьшение основной частоты колебания тока, которая подается на двигатель, к субгармонике генераторной частоты, которая, как правило, колеблется в диапазоне звуковых частот. Практически столкнуться с ситуацией, в которой период колебания тока равняется двум, трем, четырем периодам колебания генератора, почти невозможно. Данная проблема является более заметной при эксплуатации макетных схем, имеющих не очень хорошо расположенные заземления, при этом фоновый шум также провоцирует повышение напряжения.

При применении микросхем L_6506 и L_298N показатель  повышения теоретически должен быть меньше, так как восстанавливающийся обратный ток идет  на заземление, а не на считывающий резистор. Однако в приложениях, применяющих  монолитные мостовые управляющие устройства (L_298N), паразитные структуры зачастую формируют всплески восстанавливающегося тока, которые по характеру схожи с обратным током диода, и которые могут идти через эмиттерный контакт устройства, то есть и через считывающий резистор.

При применении управляющих ДМОП-устройств (L_6202) обратный восстанавливающийся ток всегда идет через считывающий резистор, так как внутренний диод, который параллелен нижнему транзистору, подключается к ДМОП-устройству, но не к заземлению. В цепях управления, нестабильных по времени,  типа PBL_3717A шумовым выбросом нарушается работа компаратора и повторно включается ждущий мультивибратор, чем увеличивается установленный период выключенного состояния на целое число.

Данная проблема решается двумя способами. Первый  —  устанавливается RC фильтр нижних частот между входом компаратора и считывающим резистором. В типовом ШД это требует монтажа 4-х дополнительных элементов. Вторым решением является использование доминирующей установки внутреннего триггера микросхем L_297 или L_6506 [1, 3], чтобы спрятать повышение. В этих целях длительность синхронизирующего генераторного импульса должна быть больше, нежели сумма задержки на проход сигнала (для L_298N это показатель 2-3 мкс) и длительность повышения (как правило, в пределах ста не для удовлетворительных диодов с накоплением заряда) (см. рисунок 76).

Рис. 76. Оснащение микросхемы L_297 доминирующей фиксацией может быть применено для сокрытия всплесков напряжения на считывающем резисторе в ходе переключения

Когда происходит подача этого импульса на триггерный вход, любой сигнал, который попадает на вход сброса на компараторе, будет проигнорирован. По окончании импульса сбрасывание компаратором триггера выполняется в необходимый момент. Разрешение проблемы в схемах, имеющих частотную модуляцию, производится установкой времени запирания, в ходе которого не происходит перезапуск ждущего мультивибратора.

Лучшим способом оценки стабильности цепи прерывания является остановка  двигателя (удержание минимального синхросигнала микросхемы L_297 или постоянных четырех входных сигналов на L_6506) и анализ  кривой тока, на которой не должно содержаться фазовых сдвигов. Подобная оценка каждого из уровней регулируемых токов осуществляется дважды. Пробник, к примеру, устройство Тektronix АМ_503, дает максимально точную картину тока в двигателе. При стабильной работе цепи кривая тока по времени совпадает с синхронизирующим сигналом управляющей схемы. Поскольку  рассмотренные выше повышения в диапазоне 50-150 не являются недолговременными, для того, чтобы дать оценку схеме, следует применять  высокочастотный осциллограф, имеющий полосу пропускания 200 МГц. L_297 или L_6506 предоставляют оптимальный запускающий сигнал.

Еще одним фактором, влияющим на стабильность схем с постоянной частотой ШИМ, является установленный режим прерывания. Сигнал прерывания на микросхеме L_297 можно приложить или к входному сигналу отключения, или к входам четырех фаз. В ходе прерывания входных сигналов включения рециркуляционный путь идет от заземления к нижнему диоду рециркуляции, на нагрузку, и далее  на верхний рециркуляционный диод, затем обратно на источник, как изображено на рисунке 70.

Без учета противоЭДС, во время t₁ включениянапряжение на катушке, когда растет ток, и в процессе рециркуляции t₂ рассчитывается  по следующим формулам:

V₁=V_s-2V_sat— V_Rsense

V₂ = V_SS +2V_F

Следующее выражение задает время изменения тока (последовательное сопротивление не учитывается):

U=L(dI/dt)во внимание, происходит увеличение рабочего цикла, так как во время включения нарастанию тока противостоит противоЭДС. В таких условиях схема управления может ровно функционировать на ½ частоты генератора (см. рисунок 77).

Рис. 77. Когда рабочий выходной цикл более 50%, цепь прерывания возможно  синхронизировать субгармоникой частоты генератора

Выключение выходов происходит по достижении током заданного максимального значения. До того момента, как включается триггер, ток спадает, но затем вновь начинает расти. Так как  t₁>t₂, он не может достичь максимального значения, когда с генератора идет второй импульс. Потому  второй импульс не может действовать, и ток растет до тех пор, пока не будет достигнуто установленное максимальное  значение, при котором происходит сбрасывание триггера компаратором. Таким образом, реально управляющая током схема может работать в одном из 2-х стационарных режимов, что зависит от времени, за которое током впервые будет достигнут максимум.

Наиболее  простым решением является накладка прерывающего сигнала на 1 фазный вход в режиме прерывания фаз, что является осуществимым для микросхем L_297 или L_6506. Другим решением, срабатывающим в ряде случаев, является установка минимального  рабочего цикла в границах  30% через подачу синхронизирующего сигнала на входы L_297 или L_6506. При использовании данной конфигурации в процессе каждого тактового интервала схемой должен производиться минимальный рабочий цикл. Это сможет задать более поздний временной момент, при котором будет зафиксирован максимальный ток, при этом частота прерывания будет засинхронизирована основной частотой. Существенным недостатком такого решения является высокий показатель минимального тока, который возможно стабилизировать. В ряде первых циклов прерывания ток двигателя тоже стремится выйти за разреженный предел, так как реальное максимальное значение не контролируется при минимальном рабочем цикле.

Влияние противоЭДС

ПротивоЭДС в ШД  стремится максимизировать рабочий цикл схем управления прерыванием, поскольку они мешают возрастанию тока и способствуют спаду. В крайнем случае, когда источник питания имеет напряжение, практически несравнимое с максимальной противоЭДС мотора, необходимый рабочий цикл может превышать  50%. При этом создается проблема стабильности рабочей частоты, указанная выше. Здесь невозможно применение методики прерывания при константной частоте.  Остается способ прерывания, в котором применяется нестабильная по времени частотная модуляция, аналогично выполненной в устройствах PBL_3717A, ТЕА_3717, ТЕА_3718 и L_6219.

По какой причине электродвигатель не работает

Начинающими пользователями прерывисто управляемых приводов обнаруживается, что электродвигатель не функционирует при включении цепи. Причиной является отсутствие достаточного вращающего момента. Если при установленной скорости мотор может создавать необходимый вращающий момент, причиной может быть погрешность в работе схемы регулирования тока. Выше было сказано, что схема контроля тока может и  ошибаться. Бывают случаи, когда шумы являются настолько сильными, что реальный ток в моторе близок нулю, и электродвигателем не создается вращающий  момент. Еще одной причиной может быть недостаточный ток, идущий от источника питания.

Каким образом избежать повреждений устройства управления

Пользователи интересуются,  по какой причине происходит выход устройств из строя. Практически во всех случаях неисправности возникают вследствие электрических перегрузок (напряжением или током, вышедшим за регламентируемые пределы). Если устройство дало сбой, следует с особой тщательностью оценить системные режимные параметры.  Зачастую повреждения вызваны переходным напряжением, которое создается индукцией в двигателе. Правильно разработанная система удерживает наибольшее  напряжение на источнике, эмиттере, коллекторе выходных устройств, а в микросхемах – в промежутках от одного вывода к другому в границах максимального значения. Хорошая схема содержит фильтры напряжения питания, фиксирующие диоды, а также на выходах демпфирующие устройства [6].

Важным является грамотный выбор фиксирующих диодов. Выбор подходящего диода осуществляется в зависимости от скорости устройства переключения и поддерживает V_F,  сдерживаемое максимальное напряжение в заданных пределах. Требуется, чтобы совпадали характеристики дискретных внешних  диодов и выходных транзисторов. Как правило, для биполярных устройств (L_298N) применение диодов со временем восстановления менее 150 не является допустимым. Применять 1N4001 не рекомендуется, поскольку  диоды данной серии являются низкочастотными. Наличие избыточного тока также может навредить устройству, хотя подобное случается довольно редко. В основной массе  систем избыточный ток – это результат коротких замыканий в нагрузке. В случае склонности системы к коротким замыканиям, целесообразно продумать монтаж  внешней защиты.

Существует еще одна причина для беспокойства  — это сквозной ток, который идет с источника к земле. Он обусловлен совместной проводимостью нижних и верхних транзисторов на мостовом выходе. В конструкцию устройств L_298N, L_293 и L_6202 входят цепи, служащие для предотвращения данного явления. Пользователь не сможет спутать восстанавливающийся обратный ток диодов, а также паразитных структур со сквозным.

Список дополнительных источников справочной информации

1. Sax, Herbert. «Stepper Мotor Driving» (AN_235).

2. «Сonstant Сurrent Chopper Drive Ups Stepper Мotor Performance» (AN_468).

3. Hopkins, Тhomas. «Using the L_6506 for Current Сontrol of Stepper Motors» (AN_469).

4. «The L_297 Stepper Motor Сontroller» (AN_470).

5. Leenouts, Albert. The Art and Practice of Step Motor Control. Ventura CA: Intertec Communications Inc, 1987.

6. Hopkins, Thomas. «Controlling Voltage Transients in Full Bridge Drivers» (AN_280).

7. Scrocchi G. and Fusarolli G. «Short Circuit Protection on L_6203» (AN_279).