Twoim problemem jest to, że powszechną NICOŚĆ mylisz z osobistą PUSTKĄ
Podzespoły
Silniki
krokowe
część 6 − właściwości
i sterowniki
Obwody prądu
Impulsowy sposób sterowania według idei z
rysunku 49 wygląda bardzo obiecująco, jeśli
chodzi o sprawność, należy jednak pamiętać,
że w przerwach pomiędzy impulsami klucza
S prąd w cewce musi płynąć, pomimo odłą−
czenia napięcia. Wynika to z elementarnych
właściwości cewki – indukcyjność nie lubi
gwałtownych zmian prądu i reaguje na nie
przepięciami, które próbują podtrzymać
przepływ prądu.
Problem dotyczy nie tylko sterowania im−
pulsowego według rysunku 49, ale także
wszystkich prostszych układów sterujących,
gdzie następuje wyłączanie prądu. W chwili
przerywania obwodu prądu zawsze w induk−
cyjności uzwojeń powstają przepięcia, które
przy niewłaściwie zaprojektowanym ukła−
dzie mogą spowodować uszkodzenie tranzy−
storów sterujących. Aby wyeliminować takie
ryzyko, trzeba przewidzieć i zapewnić obwo−
dy przepływu prądu cewki także po wyłącze−
niu tranzystora sterującego. Zazwyczaj reali−
zują to dodatkowe diody.
W przypadku silnika VR wystarczyłyby
diody lub kondensatory według
rysunku 51
.
Kolorem czerwonym zaznaczony jest obwód
prądu po zatkaniu tranzystora.
Silnik unipolarny ma dzielone uzwojenie,
które działa jak autotransformator. Jeśli na ko−
lektorze wyłączającego się tranzystora poja−
wia się dodatni impuls przepięcia, to na kolek−
torze drugiego tranzystora (który np. przy
sterowaniu półkrokowym pozostaje wyłą−
czony) pojawia się impuls ujemny. Dlatego
na schematach sterowników silników unipo−
larnych zazwyczaj znajduje się podwójna
liczba diod według
rysunku 52a
. Zielona li−
nia pokazuje ob−
wód prądu, gdy T1
jest otwarty. Gdy
T1 zostaje zatkany
(i T2 także nie
przewodzi), ener−
gia zgromadzona w
indukcyjności po−
woduje przepływ
prądu w dwóch ob−
wodach przez diodę D1 oraz przez D4, w ob−
wodach zaznaczonym kolorem czerwonym.
Można też zastosować kondensatory we−
dług
rysunku 52b
. W przypadku stosowania
kondensatorów należałoby dobrać ich pojem−
ność, żeby częstotliwość rezonansowa obwo−
du LC odpowiadała częstotliwości rezonansu
mechanicznego. Zdecydowanie częściej sto−
suje się jednak sposób z diodami.
W przypadku tranzystorów MOSFET
układ można uprościć, bo tranzystor ma w
swej strukturze włączoną równolegle do ob−
wodu źródło−dren. W przypadku stosowania
dużych tranzystorów MOSFET do sterowania
małych silników krokowych można też zwy−
kle pominąć „górne” diody, jak pokazuje
ry−
sunek 53
. Energia „dodatniego” impulsu jest
mała, bo dzięki działaniu autotransformatora
większość energii przepływa przez diodę
„ujemną”. Energia
„dodatnia” związana
jest z indukcyjnością
rozproszenia takiego
autotransformatora.
Jest ona niezbyt duża
i może być pochło−
nięta przez zatykają−
cy się tranzystor
Rys. 51
Rys. 52
MOSFET, który
wtedy przez chwilę
pracuje w dozwolo−
nym przez produ−
centa trybie przebi−
cia lawinowego i
działa podobnie jak
dioda Zenera.
Rys. 53
Rys. 54
22
Grudzień 2002
Elektronika dla Wszystkich
od
podstaw
Podzespoły
Omawiany problem dotyczy też silników
bipolarnych. Dlatego w układach sterowni−
ków mostkowych też występują dodatkowe
diody według
rysunku 54a
. Choć silniki nie
pracują przy dużych prędkościach obroto−
wych, nie zaszkodzi zastosowanie tu diod
szybkich, a nie zwykłych prostowniczych.
W przypadku tranzystorów MOSFET, za−
równo z kanałem N, jak i P, problem zostaje
rozwiązany przez wewnętrzne diody, jak po−
kazują
rysunki 54b, 54c
.
Układy scalone
Produkowane są rozmaite układy scalone do
sterowania silników krokowych. Można za−
kupić układy, które zawierają niemal kom−
pletny sterownik z całą elektroniką sterują−
cą i stopniem mocy. Są stopnie sterujące,
wytwarzające potrzebne sekwencje impul−
sów. Dostępne są też same stopnie mocy,
najczęściej zawierające dwa mostki po−
trzebne dla silników bipolarnych. W pierw−
szym odcinku cyklu (EdW 7/2002) był za−
prezentowany układ ULN2803, który czę−
sto jest stosowany do sterowania małych
silników unipolarnych. Można też wyko−
rzystać kostkę ULN2003, zawierającą nie
osiem, tylko siedem stopni.
Znanym od lat uniwersalnym stopniem mo−
cy, produkowanym przez wiele firm, jest
L298D. Schemat wewnętrzny pokazany jest na
rysunku 55
. Maksymalny prąd stopnia przy
pracy impulsowej wynosi 1,2A, a maksymalne
napięcie stopnia mocy sięga 50V. Wersja bez
litery D (L298) nie zawiera diod zabezpiecza−
jących i trzeba takowe dołączyć z zewnątrz.
Rys. 57
Na układ ten muszą być podane odpowie−
dnie impulsy sterujące. Do ich wytworzenia
można wykorzystać układ UC3517 (Unitrode)
lub odpowiednik PBD3517/1 (Ericsson). Upro−
szczony schemat wewnętrzny pokazany jest na
rysunku 56
. Rozbudowane obwody wyjścio−
we umożliwiają różnorodne wykorzystanie.
Układ ‘3517 może też bezpośrednio współpra−
cować z małymi silnikami o prądzie do 0,5A.
Kostka, taktowana sygnałem prostokąt−
nym podawanym na wejście STEP (nóżka 7),
wytwarza potrzebne sygnały sterujące, zależ−
nie od stanu wejść DIR (kierunek, nóżka 6)
i HSM\ (praca pół−/pełnokrokowa, nóżka 10).
Układ ‘3517 może też sterować stopniem
wykonawczym PBL3775/1 (Ericsson),
zawierającym dwa kompletne mostki mocy.
Kostka PBL3776 przeznaczona jest do stero−
wania mostków z zewnętrznymi tranzystora−
mi mocy MOSFET. Pełny mostek MOSFET
o prądzie maksymalnym 6A (w impulsie)
oraz obwody sterujące i diagnostyczne za−
wiera też kostka TLE5205, produkowana
przez Infineon (Siemens).
Jeden pełny mostek o prądzie 3A (6A w
impulsie) i rozbudowane stopnie sterujące,
pozwalające na pracę siekaną (chopper), za−
wiera układ LMD18245 (National Semicon−
ductor). Schemat blokowy pokazany jest na
rysunku 57
. Układ IMT901 (Nanotec) za−
wiera stopnie mocy (2,5A w impulsie) i logi−
kę sterującą, pozwalające w prosty sposób
zrealizować także sterowanie mikrokrokowe.
Prędkość określa sygnał zegarowy podawany
z zewnątrz. Układ sam wytwarza wszystkie
przebiegi potrzebne do pracy mikrokrokowej.
Szczegółowe omówienie tych i jeszcze in−
nych interesujących układów wykracza poza
ramy artykułu. Zainteresowani tematem ze−
chcą samodzielnie przeanalizować karty ka−
talogowe, które można też ściągnąć z pol−
skiej strony
www.wobit.com.pl
Ciąg dalszy na stronie 26.
Rys. 55
Rys. 56
Elektronika dla Wszystkich
Grudzień 2002
23
Podzespoły
Ciąg dalszy ze strony 23.
szego silnika pokrywa koszt bardziej skompli−
kowanego sterownika. Warto przypomnieć, że
podczas pracy silnik krokowy może być bar−
dzo gorący. Temperatura uzwojeń nie powinna
przekroczyć +130
o
C, co oznacza, że metalowa
obudowa silnika może mieć +90
o
C. Ponieważ
maksymalna moc silnika ograniczona jest
przez temperaturę uzwojeń, można i warto za−
stosować radiator chłodzący, co pozwoli wy−
korzystać mniejszy i znacznie tańszy silnik.
Warto dodać, że tylko w nielicznych przy−
padkach zachodzi potrzeba dogłębnej analizy
wszystkich niuansów tego obszernego zagad−
nienia. Profesjonalny konstruktor, mając
przed sobą cel, określa warunki pracy silnika
i dobiera z szerokiej oferty rynkowej zarów−
no silnik, jak i obwody sterowania. Uwzglę−
dnia wszystkie czynniki, a celem jest zapro−
jektowanie możliwie taniego systemu, speł−
niającego podane wymagania.
Hobbysta zazwyczaj jest w innej sytuacji.
Najczęściej wykorzystuje silniki z odzysku, a
sterowniki wykonuje, wykorzystując stosun−
kowo proste sposoby i układy (silnik unipo−
larny, sterowanie półkrokowe).
Informacje podane w kolejnych częściach
cyklu zawierają wszystkie kluczowe kwestie
związane z silnikami krokowymi. Ale siłą
rzeczy nie obejmują wszystkich szczegółów.
Czytelnicy zainteresowani dalszymi informa−
cjami zechcą samodzielnie przeanalizować
poszczególne rozwiązania sterowników. Po−
mocą będą obfite zasoby Internetu. Można
zacząć od polskojęzycznej strony
www.silni−
ki.pl
i wspomnianej strony firmy Wobit.
Przy dalszych poszukiwaniach warto wpi−
sać do wyszukiwarki „silnik* krokow*” oraz
„stepper moto*”.
Piękno silników
krokowych
Pierwszy artykuł kończącego się właśnie cy−
klu udowodnił, że silniki krokowe można
sterować w bardzo prosty sposób za pomocą
czterech MOSFET−ów i dwóch układów scalo−
nych kosztujących w detalu złotówkę. Kolejne
odcinki pokazały, że można w pełni wykorzy−
stać możliwości tych interesujących silników,
stosując zaawansowane sposoby sterowania.
Obecnie coraz częściej stosuje się silniki
bipolarne – lepiej wykorzystane są wtedy
możliwości silnika, a koszt scalonych sterow−
ników i tak jest znacznie mniejszy od ceny sil−
nika hybrydowego. Często przy sterowaniu bi−
polarnym można zastosować mniejszy i tańszy
silnik. Wtedy różnica cen większego i mniej−
Leszek Potocki
24
Grudzień 2002
Elektronika dla Wszystkich