Униполярный шаговый двигатель

отcatcatcat

Ноя 14, 2017 stepper

В приводах различных устройств часто применяются шаговые двигатели, Шаговый двигатели различают двух типов униполярные – когда обмотки коммутируются током текущим только в одну сторону, например при помощи обычных транзисторных ключей и биполярные когда для управления шаговым двигателем необходимо направление тока в обмотках менять на противоположное. Биполярные двигатели требуют специальных драйверов и управление в этом случае сводить к двум сигналам направление и количество шагов. Но применение драйверов иногда резко удорожает конструкцию изделия. Для удешевления проще использовать униполярные шаговые двигатели и применить возможности самого микроконтроллера, для силовых ключей можно использовать недорогие сборки типа ULN2003.

Классическая схема шагового двигателя

Принцип управления 4 обмоточного шагового двигателя заключается в коммутации обмоток двигателя. В инете я нашел три варианта

one phase on – управление запиткой по одной фазе. В этом варианте мы получим самый экономичный режим работв, но и саму малую мощность.
two phase on – управление запиткой двух обмоток сразу в это варианте потребление увеличивается в два раза соответственно и мощность вращения ротора, по оценкам на 40-50%.
one and two phase on – это полушаговый режим работы, в принципе комбинация первого и второго метода.

Механизм управления обмотками

one phase on

two phase on

one and two phase on

Схема подключения для тестирования

Функция управления в режимах one phase on и two-phase-on

Управление шаговым двигателем возложено на таймер 2, он занимается всем процессом. Управление производиться с использование механизма прерываний, это важно, нам надо сделать такую функцию, чтобы управление работой шагового двигателя не влияло на работу основной программы или имело минимальное влияние.

Я показываю, этот проект на 8 битном контроллере, что можно было понять, что при правильной организации работы, 8-битка PIC справляется с управление на уровне 32 битных микроконтроллеров других производителей.

Вспомогательные функции

Задание скорости перемещения шагового двигателя

void speed (uint8_t speedstep)
{
    if(speedstep<25)T2PR=25;
    else T2PR=speedstep;
}

void speed (uint8_t speedstep)

{

if(speedstep<25)T2PR=25;

else T2PR=speedstep;

}

Режим работы

void restep  (bool regimstep)
{
    if(regimstep) uprlfaz=3;       // регистр управления фазами
    else uprlfaz=1;             // регистр управления фазами
}

void restep (bool regimstep)

{

if(regimstep) uprlfaz=3; // регистр управления фазами

else uprlfaz=1; // регистр управления фазами

}

Основная функция управления

Запуск двигателя, направление и количество шагов

void steping (bool directionF, uint16_t stepF)
{
    // загрузка во внешние переменные
    if(stepF)
    {
        steps = stepF;
        direction = directionF;

        // запуск шагового
        T2TMR = 0x00;
        PIR4bits.TMR2IF =0;
        PIE4bits.TMR2IE = 1;
    }
}

void steping (bool directionF, uint16_t stepF)

{

// загрузка во внешние переменные

if(stepF)

{

steps = stepF;

direction = directionF;

// запуск шагового

T2TMR = 0x00;

PIR4bits.TMR2IF =0;

PIE4bits.TMR2IE = 1;

}

Принцип работы, мы задаем количество шагов, направление и включаем прерывание от таймера Т2. Все остальное происходит автоматически. Для контроля выполнения позиционирования ШД, можно использовать сброс разрешения прерываний для таймера T2.

Если использовать МСС для конфигурации, то функцию прерываний от T2 надо модернизировать следующим образом:

void TMR2_ISR(void)
{
uint8_t maska;
//------------------------------------------------------------------------------
    maska = (uint8_t)(LATC&0xF0);           // загрузить текущее значение регистра и очистить биты для шагового
    if(!steps)
    {
        LATC = maska;                       //
        PIE4bits.TMR2IE = 0;
    }
    else
    {
        LATC = (uint8_t)(uprlfaz|maska);    // загрузить текущее значение для управления шаговым двигателем
        if(direction) // направление вращения
        {
            uprlfaz=(uint8_t)((uprlfaz >> 1) | (uprlfaz << 3));
        }
        else
        {
            uprlfaz=(uint8_t)((uprlfaz << 1) | (uprlfaz >> 3));
        }
        uprlfaz=(uint8_t)(uprlfaz&0x0F);    // очистить "лишнии биты"
//------------------------------------------------------------------------------
        steps--;                            // уменьшить шаг 
    }
//------------------------------------------------------------------------------
    // clear the TMR2 interrupt flag
    PIR4bits.TMR2IF = 0;

    if(TMR2_InterruptHandler)
    {
        TMR2_InterruptHandler();
    }
}

void TMR2_ISR(void)

{

uint8_t maska;

//------------------------------------------------------------------------------

maska = (uint8_t)(LATC&0xF0); // загрузить текущее значение регистра и очистить биты для шагового

if(!steps)

{

LATC = maska; //

PIE4bits.TMR2IE = 0;

}

else

{

LATC = (uint8_t)(uprlfaz|maska); // загрузить текущее значение для управления шаговым двигателем

if(direction) // направление вращения

{

uprlfaz=(uint8_t)((uprlfaz >> 1) | (uprlfaz << 3));

}

else

{

uprlfaz=(uint8_t)((uprlfaz << 1) | (uprlfaz >> 3));

}

uprlfaz=(uint8_t)(uprlfaz&0x0F); // очистить "лишнии биты"

//------------------------------------------------------------------------------

steps--; // уменьшить шаг

}

//------------------------------------------------------------------------------

// clear the TMR2 interrupt flag

PIR4bits.TMR2IF = 0;

if(TMR2_InterruptHandler)

{

TMR2_InterruptHandler();

}

Что происходит во время прерывания? Программы в прерываниях должны выполняться с максимальной скорость, т.е. быть минимальной длины. Чтобы не мешать выполнять основное задание. В нашем случае задача состоит в том. что-бы во время прерывание изменить состояние порта и закончить прерывание. И это всё. Если мы будем переключать порт по битам, это будет долго, единственный вариант выполнить запись в порт сразу.

Мы считываем состояние порта (в нашем случае порт С) это необходимо, когда мы будем выполнять управление шаговым двигателем, надо не забывать, что двигатель использует, только часть выводов порта, а другую, часть надо оставлять не тронутой. Вот по этому мы считывает текущее состояние с очисткой бито шагового двигателя, затем суммируем с переменной которая определяет следующее положение ротора и загружаем в порт (Если количество шагов не равно нулю), далее в зависимости от бита направление делаем вращение битов в нашей перемененной подготавливая данные для следующего прерывания. Дополнительно корректируем нашу перемененную, т.к. сдвиг может изменить не только “рабочие” битв, но и “сторонние”. И последнее уменьшаем количество заданных шагов.

Пример тестовой программы для управления шаговым двигателем.

void main(void)
{
    CLRWDT();               // сброс сторожевого таймера
    // Initialize the device
    SYSTEM_Initialize();

    // If using interrupts in PIC18 High/Low Priority Mode you need to enable the Global High and Low Interrupts
    // If using interrupts in PIC Mid-Range Compatibility Mode you need to enable the Global and Peripheral Interrupts
    // Use the following macros to:

    // Enable high priority global interrupts
    //INTERRUPT_GlobalInterruptHighEnable();

    // Enable low priority global interrupts.
    //INTERRUPT_GlobalInterruptLowEnable();

    // Disable high priority global interrupts
    //INTERRUPT_GlobalInterruptHighDisable();

    // Disable low priority global interrupts.
    //INTERRUPT_GlobalInterruptLowDisable();

    // Enable the Global Interrupts
    INTERRUPT_GlobalInterruptEnable();

    // Disable the Global Interrupts
    //INTERRUPT_GlobalInterruptDisable();

    // Enable the Peripheral Interrupts
    INTERRUPT_PeripheralInterruptEnable();

    // Disable the Peripheral Interrupts
    //INTERRUPT_PeripheralInterruptDisable();
//------------------------------------------------------------------------------ 
    CLRWDT();               // сброс сторожевого таймера
bool nop;                   // флаг управления направлением
    
    // Настройка    
// задание скорости
    speed (25);
// задание режима работы по фазам
    restep  (one_phase_on);       // малая мощность
//    restep  (two_phase_on);       // большая мощность    
    
    
    // работа    
    // запуск шагового двигателя 
    steping (forward, 800);     // 
    
    CLRWDT();                   // сброс сторожевого таймера
    while(PIE4bits.TMR2IE);     // ожидать окончания вращения шагового   
    
    steping (backward, 400);    // 
//------------------------------------------------------------------------------
    while (1)
    {
        CLRWDT();               // сброс сторожевого таймера
        // Add your application code
        // вращяем вперед, назад на 50 шагов
        if(!PIE4bits.TMR2IE) // ждем окончания выполнения команды
        {
            if(nop)
            {
                nop=0;
                steping (backward, 50);    //  назад на 50 шагов
            }
            else
            {
                nop=1;
                steping (forward, 50);     // вперед на 50 шагов
            }
        }
    }
}



/**
 End of File
*/

void main(void)

{

CLRWDT(); // сброс сторожевого таймера

// Initialize the device

SYSTEM_Initialize();

// If using interrupts in PIC18 High/Low Priority Mode you need to enable the Global High and Low Interrupts

// If using interrupts in PIC Mid-Range Compatibility Mode you need to enable the Global and Peripheral Interrupts

// Use the following macros to:

// Enable high priority global interrupts

//INTERRUPT_GlobalInterruptHighEnable();

// Enable low priority global interrupts.

//INTERRUPT_GlobalInterruptLowEnable();

// Disable high priority global interrupts

//INTERRUPT_GlobalInterruptHighDisable();

// Disable low priority global interrupts.

//INTERRUPT_GlobalInterruptLowDisable();

// Enable the Global Interrupts

INTERRUPT_GlobalInterruptEnable();

// Disable the Global Interrupts

//INTERRUPT_GlobalInterruptDisable();

// Enable the Peripheral Interrupts

INTERRUPT_PeripheralInterruptEnable();

// Disable the Peripheral Interrupts

//INTERRUPT_PeripheralInterruptDisable();

//------------------------------------------------------------------------------

CLRWDT(); // сброс сторожевого таймера

bool nop; // флаг управления направлением

// Настройка

// задание скорости

speed (25);

// задание режима работы по фазам

restep (one_phase_on); // малая мощность

// restep (two_phase_on); // большая мощность

// работа

// запуск шагового двигателя

steping (forward, 800); //

CLRWDT(); // сброс сторожевого таймера

while(PIE4bits.TMR2IE); // ожидать окончания вращения шагового

steping (backward, 400); //

//------------------------------------------------------------------------------

while (1)

{

CLRWDT(); // сброс сторожевого таймера

// Add your application code

// вращяем вперед, назад на 50 шагов

if(!PIE4bits.TMR2IE) // ждем окончания выполнения команды

{

if(nop)

{

nop=0;

steping (backward, 50); // назад на 50 шагов

}

else

{

nop=1;

steping (forward, 50); // вперед на 50 шагов

}

/**

End of File

Перед началом работы надо задать режим работы one phase on и two-phase-on и необходимую скорость вращения. Далее для перемещения двигателя на заданное количество шагов используем функцию steping.

Следует учитывать, что для конкретного шагового двигателя надо определить минимальную длительность которой возможно привести во вращения ротор, это и будет максимальная скорость вращения.

Проект для тестирования