L293D Драйвер для 2-х двигателей постоянного тока

L293D Драйвер для 2-х двигателей постоянного тока

Драйвер двигателя позволяет пользователю управлять мотором с помощью микроконтроллера. Напрямую соединять вывод микроконтроллера и мотор запрещается, поскольку большое потребление двигателем тока приведет к поломке управляющей платы. Модуль используется при сборке робототехнических устройств, электромагнитов и в других случаях, когда требуется управлять мощной нагрузкой.

Принцип работы

Суть использования драйвера заключается в согласовании уровней напряжения, поскольку имеется логическая низковольтная цепь, она же командная, напряжение в которой не превышает 5 вольт, также имеется цепь питания электродвигателя, потребление которого зависит от типа подключаемого двигателя и может составлять, например, 12 вольт. Также важно знать, что максимальный ток, который способен выдать порт микроконтроллера — 20 мА, тогда как потребляемый ток мотора может составлять, например, 2А, то есть в 100 раз больше. Если попытаться подключить двигатель к контроллеру напрямую — контроллер неизбежно выйдет из строя.

Управление двигателями происходит через некий «переходник» между контроллером и мотором, им слушит драйвер, который обычно выполнен в виде микросхемы. В итоге команда, принятая микросхемой от контроллера, замыкает цепь питания двигателя и он начинает работать.

Этот модуль на микросхеме L293D является самым популярным драйвером для работы с двигателями. L293D более мощный, чем его предшественник, и может не только изменять направление вращения, но скорость. Рабочее напряжение двигателей от 5В до 36 В, рабочий ток достигает 600 мА. На двигатель L293D может подавать максимальный ток в 1,2А.

Микросхема L293D обеспечивает разделение электропитания для микросхемы и для управляемых ею двигателей, что позволяет подключить электродвигатели с большим напряжением питания, чем у микросхемы. Разделение электропитания микросхем и электродвигателей также способствует уменьшению помех, вызванных бросками напряжения, связанными с работой моторов.

Подключение

Подключение осуществляется с помощью макетных проводов. Выводы модуля имеют следующие назначения:

VCC 5V — питание микросхемы драйвера двигателей

MOTOR 2.5 — 36V — питание двигателей

IN3, IN4 — управление направлением вращения и скоростью двигателя М2

GND — земля (общий)

IN1, IN2 — управление направлением вращения и скоростью двигателя М1

GND — земля (общий)

M1, M2 — подключение двигателей постоянного тока

Для контроля скорости вращения с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) имеются отдельные входы. Для генерации ШИМ-сигнала можно использовать специальные микросхемы либо платформу Arduino.

Кроме драйвера понадобится контроллер DaVinci, два мотора постоянного тока, соединительные провода и дополнительный источник питания, так как контроллер выдает маленькие токи и на двигатели необходимо подавать питание отдельным источником питания к контакту MOTOR 5-36V.

Управление двигателями производится с помощью ШИМ сигналов через контакты IN1..IN4.
Двигатели подключаются к клеммам М1 и М2. При этом полярность не имеет значения, ее можно поменять программно.

Чтобы начать работу с датчиком его необходимо подключить к микроконтроллеру по схеме ниже.

Программа

Далее необходимо загрузить в микроконтроллер следующую программу, которая будет вращать один из двигателей, меняя направление каждую секунду.

Программу можно усложнить и кроме направления менять еще и мощность.

В итоге сначала мотор вращается с максимальной скоростью, затем замедляется, и повторяет все в обратном направлении.

Для того, чтобы задействовать второй двигатель, необходимо поменять код следующим образом:

Теперь моторы сначала вращаются с небольшой скоростью, затем переходят на увеличенные обороты, и повторяют все в обратном направлении.

Решение задачи позиционирования

Основными компонентами промышленной системы автоматизации являются контроллеры (ПЛК), модули позиционирования и панели управления.

При этом центральную роль играет модуль позиционирования. Этот модуль на протяжении многих лет совершенствовался инженерами-разработчиками мехатроники. Позиционирование означает движение и требует быстроты и точности. Чем быстрее происходят движения, тем выше производительность автоматизированной производственной линии. Поэтому необходимо сочетать высокую точность с высокой скоростью. Повышение скорости часто приводит к менее точному останову в требуемой позиции. Чтобы решить эту проблему, были разработаны специализированные модули для различных задач позиционирования.

Повышение производительности производственной установки означает увеличение выхода продукции за то же время. Тем самым можно сэкономить стоимость дополнительных установок, становящихся излишними, а также производственную площадь для этих установок и стоимость их обслуживания. Если в какой-либо установке еще никогда не возникали проблемы с позиционированием, это может быть признаком того, что эта установка эксплуатируется еще не достаточно эффективно и в ней имеется потенциал для повышения производительности. В этом случае следует рассмотреть возможность переоснащения установки системой управления, оптимизированной для соответствующих задач.

2. Варианты привода

Пневмопривод

Свойства и недостатки:

• Необходим сжатый воздух, причем этот воздух должен распределяться по высококачественной системе трубопроводов
• Ограниченный крутящий момент
• Позиционирование по нескольким точкам может быть реализовано лишь с большими затратами
• Затрудненное изменение позиций

Принцип действия пневмопривода

Двигатель с тормозом

Свойства и недостатки:

• Простая позиционирующая механика
• Плохая воспроизводимость настроек
• Затрудненное изменение позиций (если для указания позиции остановки используются оптические датчики или выключатели)

Принцип действия двигателя с тормозом

Блок муфты и тормоза

Свойства и недостатки:

• Возможно частое позиционирование
• Ограниченный срок службы диска муфты
• Затрудненное изменение позиций (если для указания позиции остановки используются оптические датчики или выключатели)

Принцип действия тормоза с муфтой

Шаговый двигатель

Свойства и недостатки:

• Простая позиционирующая механика
• Проскок шагов двигателя при большой нагрузке
• Низкая мощность двигателя
• Неточное позиционирование при высокой скорости

Принцип действия шагового привода

Сервосистема постоянного тока

Свойства и недостатки

• Точноe позиционирование
• Затраты на техобслуживание щеток двигателя
• Невозможны высокие частоты вращения

Принцип действия сервопривода постоянного тока

Стандартный преобразователь частоты со стандартным двигателем

Свойства и недостатки

• Позиционирование с переменной скоростью при использовании быстрого счетчика
• Неточное позиционирование
• Низкий пусковой крутящий момент (более высокий крутящий момент возможен только при использовании специального преобразователя)

Принцип действия стандартного преобразователя частоты со стандартным приводом

Сервосистема переменного тока

Свойства и недостатки

• Точноe позиционирование
• Не требует техобслуживания
• Адреса позиций можно легко изменять
• Компактное исполнение при высокой мощности

Принцип действия сервосистемы переменного тока

3. Методы позиционирования

В принципе, имеется два способа управления деталью: регулирование частоты вращения и регулирование положения. Для сравнительно простых задач позиционирования достаточно регулировать частоту вращения с помощью преобразователя частоты и стандартного двигателя. Если предъявляются высокие требования к точности позиционирования, применима только сервосистема с улучшенной обработкой командных импульсов.

Регулирование частоты вращения

Установка с концевыми выключателями

На пути движения детали установлены два концевых выключателя. При прохождении первого выключателя скорость двигателя понижается. При прохождении второго выключателя двигатель отключается и активируется тормоз для останова детали. При такой задаче может быть применена недорогая система позиционирования без контроллера и модулей позиционирования.

– Ориентировочная точность целевой позиции: ±1,0. 5,0 мм (это ориентировочное значение относится к низкой скорости 10. 100 мм/с после прохождения первого концевого выключателя)

Схема позиционирования по концевым выключателям

Установка со счетчиком импульсов

Датчик импульсов (энкодер) для определения текущего положения встраивается в двигатель или устанавливается на вращающийся вал. Импульсы энкодера регистрируются высокоскорос-тным счетчиком. Как только счетчик достигает заданного состояния, соответствующего задан-ной позиции, деталь останавливается.

При такой системе целевую позицию можно легко изменять, так как не используются концевые выключатели.

– Ориентировочная точность целевой позиции: ±0,1. 0,5 мм(Это ориентировочное значение действительно при небольших скоростях 10. 100 мм/с.)

Схема позиционирования со счётом импульсов

В системах с регулированием частоты вращения, использующих преобразователь, точность целевой позиции не очень высока. В системах с концевыми выключателями нет обратной связи, т. е. контроллер не получает информацию о целевой позиции детали.

Система со счетом импульсов допускает переменную скорость движения. Целевая позиция может задаваться в виде состояния счетчика (с учетом частоты сигналов, возвращаемых от датчика импульсов двигателя).

Если деталь требуется перемещать с различными скоростями, то и в системе с концевыми выключателями, и в системе со счетчиком импульсов точность целевого положения ухудшается, что связано с замедленной реакцией на сигнал останова и инерцией вращения двигателя.

Для автоматического останова детали, приводимой в движение двигателем, всегда используйте сигнал положения от концевого выключателя или сигнал сравнительного счета. В общем случае должен также одновременно активироваться тормоз.

Из-за последействия двигателя и инерции масс деталь всегда немного "проезжает" целевую позицию. Путь, вызванный инерцией, не может быть точно определен. На следующей диаграмме он изображен в виде серой зоны.

На следующей иллюстрации показана задержка понижения скорости после сигнала останова. Область разброса задержки зависит от скорости движения детали.

Во многих случаях точность позиции остановки при останове с рабочей скорости не достаточна. Простейшим средством для повышения точности позиционирования является понижение рабочей скорости. Однако при этом понижается и производительность машины. Более эффективной мерой является понижение скорости лишь незадолго до позиции останова, как это показано на следующей диаграмме. В этом случае производительность машины остается почти прежней, а точность позиционирования улучшается.

Регулирование положения

Система с задающими импульсами

При регулировании положения с помощью задающих импульсов привод представляет собой серводвигатель переменного тока, вращающийся пропорционально количеству входных импульсов.

Количество импульсов, соответствующее пути перемещения, обрабатывается сервоусилителем. Сервоусилитель управляет серводвигателем переменного тока. В результате позиционирование происходит при высокой скорости пропорционально частоте импульсов.

– Ориентировочная точность целевой позиции: ±0,01. 0,05 мм (Это ориентировочное значение действительно при небольших скоростях 10. 100 мм/с.).

В этой системе с сервоусилителем и задающими импульсами вышеописанные недостатки регулирования частоты вращения в значительной степени устранены. На серводвигателе установлен энкодер, определяющий долю оборота серводвигателя (перемещение детали) на данный момент и передающий эту информацию в сервоусилитель. В результате этого сервоусилитель непрерывно и с высокой скоростью управляет движением детали в целевую позицию. В этой системе устранены такие явления как последействие двигателя и замедленная реакция на останавливающие сигналы, поэтому точность позиционирования существенно выше. Кроме того, для обычных операций позиционирования не нужны концевые выключатели и счет импульсов контроллером.

4. Позиционирование с использованием сервосистемы переменного тока

Позиционирование с помощью сервосистемы переменного тока также осуществляется различными способами. Обычно для такой системы нужен модуль позиционирования, сервоусилитель и серводвигатель. Такая конфигурация изображена на рисунке ниже.

В сервосистемах переменного тока новейшего поколения были улучшены следующие свойства:

Многофункциональный контроллер для двигателя постоянного тока. Схема

Представленное устройство предназначено для управления двигателем постоянного тока, позволяющее ему вращаться в обоих направлениях с регулируемой скоростью. Контроллер оснащен функцией плавного пуска с остановкой: через концевые выключатели, по истечении заданного времени или в случае перегрузки.

Рекомендация: благодаря своей функциональности контроллер может выступать в качестве, например, контроллера привода ворот, жалюзи и подобных устройств.

Устройство управляется по одному каналу (входу). В нейтральном состоянии (двигатель остановлен) на управляющем входе присутствует напряжение 2,5 В. Подключение этого входа на землю приводит к тому, что двигатель начинается вращаться в одном направлении, а подключение входа к +5 В вызывает вращение в противоположном направлении. Таким образом, для управления можно использовать переключатель.

Скорость вращения двигателя пропорциональна изменению напряжения на управляющем входе от нейтрального положения. Поэтому, вместо переключателя можно использовать потенциометр и плавно регулировать скорость вращения в обоих направлениях.

Это также может быть ползунковый потенциометр — в среднем положении двигатель не вращается, а перемещение ползуна в одну или другую сторону вызовет вращение двигателя в одном или другом направлении соответственно.

Еще более интересным решением может быть использование потенциометрического джойстика. Тогда скорость будет пропорциональна отклонению ручки джойстика.

Есть еще один способ управления устройством. Сигнал на управляющий вход может быть подан, например, от контроллера PLC (программируемый логический контроллер). Популярный в автоматизации стандарт сигнала 0…10 В можно уменьшить резистивным делителем до напряжения 0…5 В.

Контроллер не допускает резкого изменения направления вращения двигателя. Если сигнал на входе управления резко изменяется, вынудив двигатель изменить вращение в противоположном направлении, система сначала отключит питание двигателя примерно на 2 секунды, чтобы двигатель (и механизм привода) мог полностью остановиться. После такой короткой паузы двигатель начинает вращаться с функцией плавного пуска в обратном направлении.

Если концевой выключатель, предназначенный для этого направления вращения, замкнется во время работы двигателя, двигатель будет немедленно остановлен. Для срабатывания концевого выключателя достаточно короткого импульса. В этом состоянии контроллер препятствует работе двигателя в этом направлении, но позволяет работать в противоположном направлении.

Контроллер также имеет режим таймера, в котором после каждого запуска двигатель измеряет время работы, и если оно превышает установленное значение, двигатель останавливается. Повторное включение в любом направлении будет возможно только после перевода управляющего входа в нейтральное положение. Время работы устанавливается потенциометром с надписью «TIME». Функцию таймера можно отключить, установив потенциометр в положение максимального сопротивления.

Устройство также имеет функцию отключения при перегрузке. Если ток, потребляемый двигателем, значительно превышает установленное значение (потенциометр «RANGE»), он будет остановлен. Это особенно полезно в чрезвычайных ситуациях, таких как повреждение или блокировка приводного механизма. Заблокированный двигатель будет выключен, что позволит уменьшить возможные повреждения. Как и в режиме таймера, повторное включение (в любом направлении) будет возможно только после перевода управляющего входа в нейтральное положение.

Функцию контроля перегрузки можно отключить, установив потенциометр в положение максимального сопротивления.

Принципиальная схема контроллера показана ниже.

Основой схемы является микроконтроллер Attiny24. Исполнительный каскад реализован с помощью двух реле (которые отвечают за изменение поляризации напряжения на выводах двигателя) и силового транзистора, который подает питание. Полевой транзистор (IRL3705) управляется с помощью ШИМ сигнала. Таким образом, регулируя средний ток, протекающий через обмотку двигателя, обеспечивается регулировка скорости вращения двигателя и функция плавного пуска.

Важно, чтобы полевой транзистор был типа «Logic Level Compatible», потому что он управляется непосредственно с вывода микроконтроллера.

Резистор R17, включенный в цепь истока транзистора — шунт для измерения тока. Он должен иметь сопротивление 0,1 Ом. Диапазон ограничения по току зависит от значения сопротивления этого резистора. В прототипе был использован кусок проволоки диаметром 1 мм. (ограничение примерно с 8 А)

Все входы защищены простыми RC-фильтрами, которые устраняют помехи и защищают от повреждений. Разъем REG является управляющим входом устройства, который имеет дополнительный делитель напряжения, устанавливающий напряжение нейтрали на уровне 2,5 В. Смежные клеммы имеют заземление и +5 В, поэтому вы можете напрямую подключить потенциометр и другие элементы управления.

Разъем EXT используется для подключения двух концевых датчиков. Отключение должно произойти при коротком замыкании на SA1 или SA2 на минус.

Элементы IC1 (7812) и IC2 (7805)должны быть установлены на радиатор через изолирующие прокладки, диодный мост B1 не требует теплоотвода. Дорожки платы, которые будут проводить значительные токи, необходимо залудить.

Устройство имеет два разъема питания. Через разъем POW2 запитывается как сам контроллер, так и двигатель. Разъем POW используется для подключения источника питания двигателя. На него может подаваться напряжение, отличное от напряжения питания самого контроллера.

Важно, чтобы оно соответствовало номинальному напряжению и току двигателя и находилось в диапазоне 3…48 В (максимальный ток нагрузки составляет 15 А). Если напряжение питания двигателя подходит для питания контроллера, установив перемычку на контакты CFG1, вы можете подать на контроллер напряжение питания двигателя.

Когда питание включено, короткие вспышки светодиода LED1 сигнализируют о работе устройства. При включении двигателя диод начнет светиться непрерывно. При срабатывании концевых выключателей, таймера или режима перегрузки светодиод будет мигать значительно быстрее.

В начале потенциометры настройки таймера «TIME» и уровня перегрузки «RANGE» следует установить в максимальное положение (в сторону «+»), чтобы эти функции не блокировали двигатель во время тестирования. Затем вы можете установить необходимые значения пробным методом.

блок управления коллекторным двигателем постоянного тока.

Приложение к статье : Важнейший станок «деревянного» моделиста .

Прежде всего — для чего это нужно. Почти у каждого моделиста имеется самодельный или промышленный электроинструмент с приводом от коллекторного двигателя постоянного тока. При этом обычно такой инструмент не имеет регулятора оборотов или имеется простейшая ступенчатая регулировка. Не буду лишний раз доказывать, что наличие регулятора оборотов в электроинструменте позволяет оптимально подобрать режим для каждой операции, особенно при использовании различных насадок. Кроме того, моделисты часто используют низковольтные нагреватели — паяльники, приспособления для гибки деревянных реек и т. п. При этом с помощью регулятора можно получить оптимальную температуру нагревателя. Моделисту иногда приходится наносить гальванические покрытия, для чего необходим регулируемый источник постоянного тока. Все эти функции способно выполнить устройство, описанное ниже.

При конструировании бормашинывстал вопрос о выборе схемы регулятора оборотов. Реостатные схемы регулирования скорости вращения коллекторных двигателей постоянного тока, в том числе с применением силовых транзисторов, на которых падает часть напряжения, обладают низким КПД при малых и средних оборотах. На балластных транзисторных ключах рассеивается значительная тепловая мощность, что ужесточает требования к системе их охлаждения. Поэтому выбор системы регулирования скорости вращения пал на импульсные схемы с изменением ширины прямоугольных импульсов напряжения, подаваемых на обмотку двигателя (широтно-импульсная модуляция — ШИМ). Принцип ШИМ заключается в следующем: напряжение в нагрузку подается импульсами постоянной амплитуды, причем соотношение между шириной импульса и паузы (скважность) регулируется, что эквивалентно изменению напряжения питания на нагрузке. Достоинством этой схемы является ее высокая экономичность и надежность. Управляющий нагрузкой транзистор бывает только либо полностью включен, либо выключен, поэтому он практически не нагревается и его можно устанавливать без теплоотвода.

После анализа различных регуляторов качестве базовой была выбрана схема , опубликованная в журнале (№4/2001., перепечатка из «Hobby Elektronika» №7/01, автор Иштван Кекеш). Регулятор (см.схему) содержит задающий генератор напряжения треугольной формы частотой 2кГц (DA1.1, DA1.4), электронный ключ VT1 и регулятор скважности (DA1.2, DA1.3, R8). На рисунке ниже показаны графики напряжений в типовых точках схемы.

Здесь синим цветом показано напряжение на выходе генератора треугольного напряжения (вывод 1 DA1), красным — напряжение регулировки оборотов с потенциометра R8, зеленым — напряжение на двигателе. Очень наглядно видно, что включение и выключение напряжения на нагрузке происходит в момент совпадения напряжения задающего генератора и напряжения на регулирующем потенциометре. Чем выше управляющее напряжение, тем шире импульс на нагрузке.

В схеме предусмотрена возможность включения двигателя с помощью ножной педали SA2. В моем варианте в качестве педали работает обыкновенный короткоходовый концевой выключатель с нормально замкнутыми контактами (в народе — ), лежащий на полу. При выключенном SA1 двигатель работает постоянно, при включенном — только при нажатии на педаль. Благодаря наличию конденсатора C2 пуск двигателя осуществляется плавно, что иногда может быть полезно (при указанной емкости C2 примерно за 1 сек.). Переключатель SA4 служит для реверсирования двигателя. Диод D3 стабилизирует питание регулятора. Питание осуществляется через понижающий трансформатор TV1 и выпрямитель D4. Параметры трансформатора зависят от примененного электродвигателя. В первом приближении напряжение вторичной обмотки трансформатора должно быть равно номинальному напряжению электродвигателя плюс 5 вольт, падающих на выпрямителе и ключевом транзисторе. Для возможности работы в форсированном режиме можно добавить еще процентов 20-30. Расчетный ток вторичной обмотки трансформатора, диодов выпрямителя и ключевого транзистора должны быть больше, чем ток, потребляемый электродвигателем, причем для надежности работы лучше дать запас в 3-5 раз. При напряжении питания менее 20В диод D3 можно исключить. Напряжения, указанные на схеме, соответствуют двигателю 27В 30 Вт.

Большинство элементов схемы смонтировано на печатной плате размером 65Х40 мм. (более тонкой линией показана перемычка) Плата установлена в корпусе на двух трубчатых стойках с винтами М2,5 (см. также схему расположения элементов и шаблон для сверления отверстий). Внутри корпуса смонтированы трансформатор, конденсатор С4, выпрямитель D4. Регулятор оборотов R8, переключатели и разъемы для подключения двигателя и педали смонтированы на лицевой панели, резисторы R13 И R14 смонтированы на R8.

В качестве DA1 можно применить любой универсальный счетверенный операционный усилитель. В оригинале были указаны TL064, TL075, TL084, я применил LM324. Ключевой транзистор применен КТ829А (100В, 8А ), для более мощных двигателей можно применить КТ827А (100В, 20А). Диоды D1 и D2 защищают VT1 от выбросов напряжения на индуктивной нагрузке.

При налаживании R13 и R14 не устанавливают, провода от платы припаивают прямо к R8. При правильном монтаже и исправных деталях схема начинает работать сразу. Вращением R8 проверяют регулировку оборотов от нуля до максимума. Если последние не совпадают с крайними положениями R8, необходимо подобрать R13 и R14, чтобы максимум и минимум совпали с крайними положениями регулятора. Возможен вариант, когда схема не будет работать из-за того, что не запускается задающий генератор. В этом случае можно попробовать немного увеличить номинал R4. Для изменения времени плавного пуска можно изменять емкость C2.

В заключение хочу отметить, что потратив всего около $10 и немного свободного времени, можно значительно улучшить характеристики своего электроинструмента. Все вопросы по изготовлению и наладке данного устройства задавайте в форуме.