Управление энкодером шагового двигателя

Управление энкодером шагового двигателя

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Превращаем шаговый двигатель в энкодер

В электромеханике одним из интересных моментов является то, что обычный двигатель постоянного тока может играть роль также генератора. Вы можете использовать электричество для вращения вала или использовать вращающийся вал для выработки электроэнергии. На основе этого принципа можно сделать немало полезных вещей. И в данном материале мы покажем, как использовать шаговый двигатель в качестве датчика.

Применение шагового мотора в качестве датчика имеет смысл. Если катушки в двигателе могут перемещать вал, то перемещение вала должно вызвать ток в катушках. Однако следует заметить, что при низких скоростях вы можете пропустить импульсы. Опять же, устройство не оптимизировано для этого типа операций.

В схеме используется дифференциальный усилитель на основе двух ОУ для считывания импульсов от катушки. Два операционных усилителя с двух катушек создают квадратурный сигнал, как обычный энкодер.

Когда вал поворачивается в одном направлении, один импульс будет следовать за другим. При вращении в другом направлении последовательность импульсов будет реверсирована.

Для проверки работоспособности концепции можно собрать схему из Arduino, двух двигателей и драйвера A4988.

А можно с одним двигателем и светодиодным кольцом AdaFruit NeoPixel в качестве индикатора, как на видео ниже.

В любом случае считывать импульсы с датчика/двигателя поможет следующий код:

Энкодер из шагового двигателя.

Автор: Александр Кленин
Опубликовано 26.08.2009

Использование шаговых двигателей (ШД) в качестве энкодера по-прежнему остается привлекательным решением, т.к. промышленные энкодеры, при всех своих достоинствах, имеют существенные недостатки — цена и сложности при покупке единичных экземпляров. Если контактные энкодеры еще с трудом можно приобрести, то цена бесконтактных энкодеров совершенно неподъемная.
В моем случае исключалось применение контактного энкодера, т.к. не допускались пропуски и генерация паразитного (из-за дребезга) сигнала при вращении. Мне не удалось получить удовлетворительных результатов при испытаниях контактных инкрементального и абсолютного энкодеров. Марки называть не буду.

Читайте также:  Как сохранить чат в телеграмме

В итоге, склонился к применению ШД от старого 5-дюймового дисковода. За основу взял https://ru3ga.qrz.ru/UZLY/encod.htm, но большое число элементов совсем не радовало.

В результате, схема была приведена к виду, показанному на Рис.1. Для подавления паразитных колебаний у обоих каналов закорочена одна из полуобмоток, что обеспечило достаточное демпфирование, резко снизило скорость нарастания сигнала при больших скоростях вращения и позволило использовать ШД с внутренним соединением средних выводов обмоток.
Также введен гистерезис порядка 50. 100 мВ (зависит от напряжения питания 4. 5В).
После изменений работа схемы при напряжении питания 5В меня устроила, но хотелось, чтобы она работала от 3В. Большое число элементов и сравнительно большой потребляемый ток, привели к схеме Рис.2.

Подключение обмоток двигателя осталось таким же, а в качестве формирователя сигнала использована микросхема HEF4069 (можно заменить CD4069, MC14069). Ввод схемы в линейную область сделан на одном инверторе, выход которого соединен с входом. Такое соединение позволяет превратить инвертор в повторитель напряжения, примерно равного половине напряжения питания без использования дополнительного резистивного делителя.
При 3В схема на LM358 отказалась работать из-за недостаточно хороших выходных уровней компаратора.
Качество работы обеих схем при 5В питании получилось примерно одинаковое. При монотонном пошаговом повороте вала двигателя наблюдалась четкая последовательность 2-битного кода Грея. Но! При смене направления вращения первый шаг нарушал эту последовательность.
Например:

Вращение по часовой

Вращение против часовой

Видно, что при смене направления происходило изменение состояния обоих каналов, что противоречило правилу кодирования. Последующие шаги соответствовали правильной последовательности нового направления.
Эта особенность поведения ШД (смена состояния в обоих каналах) учитывалась программно. Для примера приведены ассемблерные программы обработки сигналов ШД в качестве энкодера для AVR и MSP430.

Читайте также:  Как установить линейку в ворде 2007

На Рис.3 приведены диаграммы сигналов, генерируемых ШД при включении обмоток в соответствии со схемами. Алгоритм обработки сигналов энкодера показан на двух нижних диаграммах Рис.3
-при поступлении прерывания от активного фронта канала А анализируется уровень и флаг требования прерывания канала B. Если флаг установлен, что говорит о смене направления вращения, дополнительно анализируется состояние внутреннего рабочего флага, который сигнализирует о предыдущем направлении вращения и идет соответствующее изменение значения счетчика шагов. Это сделано для исключения неоднозначности определения кодовой последовательности, возникающей при смене направления вращения. Если флаг сброшен, что говорит об отсутствии смены направления вращения, идет простое изменение значения счетчика шагов.
-совершенно аналогично идет обработка прерывания от активного фронта канала В.
В итоге получается обработка каждого шага двигателя.
Шаговый двигатель, в качестве энкодера, был встроен в конструкцию ленточной пилорамы для повышения точности изготовления пиломатериалов.

Механический энкодер — вещь удобная в использовании, но он имеет некоторые досадные недостатки. В частности, контакты со временем изнашиваются и приходят в негодность, появляется дребезг. Оптические энкодеры гораздо надежнее, но они дороже, многие из них боятся пыли, и они редко встречаются в таком виде, в котором их удобно было бы использовать в радиотехнике.

Короче, когда я узнал о том, что шаговый двигатель можно использовать как энкодер, эта идея мне очень понравилась.
Практически вечный энкодер! Замучить его невозможно: соберешь раз и можешь энкодить всю жизнь.

Содержание / Contents

↑ Шаговый двигатель и схема

Я разобрал несколько дисководов, везде двигатели были разные. Встречались на шлейфе, встречались с косой цветных проводов. На шлейфе общий провод — крайний. Всё остальное находится прозвонкой. По сопротивлению понятно: с выхода на выход сопротивление вдвое больше, чем с выхода на общую точку. А можно даже не прозванивать. Если открутить четыре винта, внутри коммутационная плата, на ней видно, где общий провод.

Читайте также:  Загадка киркволла dragon age 2

Исходная схема многократно встречается в Сети в вариациях. Я оттолкнулся от статьи Thomas (OZ2CPU) .

У неё есть достоинства, но есть и недостатки, об этом далее. Собрал пробный вариант в виде макета, и понял, что ничего не понял
Для начала хотелось бы сразу видеть, в какую сторону происходит шаг. Схема выдавала квадратурный код, как и обычный энкодер. Этот код надо было каким-то образом превратить в мигание светодиода — «правый» или «левый».

Разработал и протестировал вот такую схему:

Кстати, эту схему на логике можно использовать и для обычного энкодера, я её и отрабатывал на нём.

Для сборки понадобятся 8 элементов «2И-НЕ», я использовал два чипа 74HC00.
Элемент U2A, диод, конденсатор и U2B создают короткий импульс в момент положительного фронта. Элемент U6D, U4D и U2D — мультиплексор, который пересылает этот испульс либо на один, либо на другой светодиод.

Разумеется, этот же функционал можно сделать на единственном микроконтроллере, но это далеко не для всех доступно и удобно. Всё-таки элементы 2И-НЕ можно найти где угодно, в т. ч. советские (74хх00, К155ЛА3, К555ЛА3).
Последние два инвертора (U5D и U3D) можно выкинуть, ведь ничто нам не мешает подключить светодиоды не к земле, а к плюсу питания. Если крепко пошевелить мозгом, схему можно было бы ещё упростить, но эту задачу оставляем на будущее.
Печатки нет, поскольку всё собиралось только на макетке.

↑ Недостатки схемы и их преодоление

↑ Видео в работе

Жалко, что видео не передает тактильные ощущения на валу!

↑ Итого

В целом работа энкодера меня устраивает. Крутить такую «ручку громкости» необычно приятно.
Работа над устройством будет продолжена.

Ссылка на основную публикацию
Умный браслет с функцией измерения давления
Вы посвящаете свою жизнь спорту или просто стараетесь всеми возможными способами следить за своим здоровьем? Придерживаетесь того, что во время...
Тонны в сутки в кг в секунду
Сколько Килограмм в секунду в Метрическая тонна в сутки: 1 Килограмм в секунду = 86.4 Метрическая тонна в сутки 1...
Тонер для заправки картриджей canon 725
Совместимость: Картридж Canon 728 подходит к принтерам MF-4410, 4430, 4450, 4550, 4570, 4580, 4730, 4750, 4780, 4870, 4890. Аналог —...
Умный выключатель zigbee aqara
Протокол передачи данных в домашних системах автоматизации. Реле Xiaomi Aqara Xiaomi Aqara wireless relay Систему "Умного дома" сложно представить без...
Adblock detector