АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”, NOVEMBER 20, 2025 559 АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ З.Д. Абдужалолов, Ф.Я. Худайкулов Белорусско-Узбекский совместный межотраслевой институт прикладных технических квалификаций https://doi.org/10.5281/zenodo.17810245 Аннотация. В тезисе рассмотрены особенности построения микропроцессорных систем управления шаговыми двигателями. Проведён анализ архитектуры, алгоритмов и принципов функционирования микропроцессорных устройств, обеспечивающих программное управление электромеханическими приводами. Определены ключевые элементы системы: микроконтроллер, драйвер силовой части, интерфейс управления и программное обеспечение. Показана роль программного регулирования в повышении точности, надёжности и энергоэффективности шаговых электроприводов. Ключевые слова: шаговый двигатель, микропроцессор, управление, драйвер, алгоритм, микроконтроллер. В современном приборостроении и автоматизированных системах управления шаговые двигатели (ШД) широко применяются благодаря их способности обеспечивать точное позиционирование без использования обратной связи. Для эффективного управления такими двигателями требуется микропроцессорное устройство, способное формировать последовательность управляющих импульсов в соответствии с заданной программой. Системы управления шаговыми двигателями играют важную роль в современной автоматизации и робототехнике. Шаговые двигатели являются популярным выбором для точного позиционирования и контроля движения в различных приложениях, включая принтеры, роботы, автоматические системы и медицинское оборудование. Однако для эффективного управления шаговыми двигателями необходима специализированная система управления. Цифровая система управления шаговым двигателем представляет собой передовой подход, который обеспечивает более точное и гибкое управление двигателем, чем аналоговые системы. Она сочетает в себе преимущества цифровой обработки сигналов и передачи данных, что позволяет достичь высокой скорости, точности позиционирования и контроля двигателя. В данном дипломном проекте рассматривается цифровая система управления шаговым двигателем, ее преимущества, принцип работы и возможности настройки. Рассмотрены основные компоненты такой системы, включая контроллеры двигателей и программное обеспечение. Проведен анализ различных алгоритмов и методов, используемых для управления шаговыми двигателями, и их влияния на производительность и точность работы. Цифровая система управления шаговым двигателем имеет широкий спектр применений и значительно повышает эффективность и точность работы в сравнении с традиционными аналоговыми THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”, NOVEMBER 20, 2025 560 системами. Ее использование способствует развитию автоматизации и робототехники, открывая новые возможности в сферах промышленности, транспорта, медицины и многих других областях. Дальнейшее исследование и усовершенствование цифровых систем управления шаговыми двигателями содействуют прогрессу в области автоматизации и разработке передовых технических решений. Шаговые двигатели уже давно и успешно применяются в самых разнообразных устройствах. Их можно встретить в дисководах, принтерах, плоттерах, сканерах, факсах, а также в разнообразном промышленном и специальном оборудовании В настоящее время выпускается множество различных типов шаговых двигателей на все случаи жизни. Шаговые двигатели - это устройства, задача которых преобразование электрических импульсов в поворот вала двигателя на определенный угол. В отличие от обычных двигателей, шаговые двигатели имеют особенности, которые определяют их свойства при использовании в специализированных областях управляя шаговым двигателем с помощью специального устройства (драйвер шагового двигателя), можно поворачивать его вал на строго заданный угол. Это позволяет применять его там, где требуется высокая точность перемещений. Шаговый двигатель является бесколлекторным двигателем постоянного тока. Как и другие бесколлекторные двигатели, шаговый двигатель высоконадежен и при надлежащей эксплуатации имеет длительный срок службы. Достоинства истекают из особенностей конструкции: шаговый двигатель может обеспечить очень точное перемещение на заданный угол, причем без обратной связи - поворот ротора зависит от числа поданных импульсов на устройство управления; высокая точность позиционирования и повторяемость, так качественные шаговые двигатели имеют точность не хуже 5% от величины шага, при этом данная ошибка не накапливается; хорошая надежность двигателя, обусловленная отсутствием щеток, при этом срок службы двигателя ограничивается лишь ресурсом подшипников; обеспечивает получение сверхнизких скоростей вращения вала без использования редуктора; работа в широком диапазоне скоростей, т.к. скорость напрямую зависит от количества входных импульсов. Недостатки: шаговый двигатель подвержен резонансу; может пропустить шаги и реальная позиция вала окажется рассинхронизирована с позицией, заданной в управляющей системе; низкая удельная мощность шагового привода. Шаговый двигатель - тип электродвигателя, который преобразует электрические импульсы в дискретные механические шаги. Чтобы управлять шаговым двигателем, требуется драйвер шагового двигателя. Шаговый электродвигатель представляет собой бесщёточный синхронный двигатель, функционирующий на постоянном токе, принцип работы которого основан на поочерёдной подаче управляющих импульсов на обмотки. В отличие от традиционных двигателей, движение ротора происходит не непрерывно, а дискретно – с определённым угловым приращением, что обеспечивает высокоточное позиционирование. Ключевой особенностью шагового двигателя является возможность точно установить положение вала без использования обратной связи. Частота вращения и количество угловых перемещений (шагов) зависят от числа и частоты импульсов, поступающих от управляющего контроллера. Таким образом, оператор может гибко THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”, NOVEMBER 20, 2025 561 настраивать параметры движения, что делает данный тип двигателя особенно востребованным в системах, требующих высокой точности. В таблице 1 приведена сравнительная характеристика шаговых двигателей. Таблица 1 – Сравнительные характеристики шаговых двигателей Характеристика Leadshine 23HS22 Wantai 42BYGHW609 LDO-23HS44 NEMA 23 Номинальное напряжение 2.8 В 3.0 В 4.2 В 3.0 В Номинальный ток 2.0 А 2.5 А 3.0 А 2.0 А Момент (крутящий момент) 1.26 Нм 1.65 Нм 2.0 Нм 1.26 Нм Шаг угла 1.8° 1.8° 1.8° 1.8° Тип обмотки Биполярная Биполярная Биполярная Биполярная Размеры 56.4 x 56.4 x 112 мм 56.4 x 56.4 x 112 мм 56.4 x 56.4 x 112 мм 56.4 x 56.4 x 112 мм Масса 1.2 кг 1.3 кг 1.4 кг 1.2 кг Применение CNC, 3Dпринтеры CNC, автоматизация Робототехника, автоматизация CNC, 3Dпринтеры Выбор пал на шаговый двигатель NEMA 23 (рисунок 1), так как это универсальное и экономичное решение, которое сочетает в себе высокую точность, надежность и долговечность. Он обладает стандартными размерами и характеристиками, что делает его легко интегрируемым в различные системы, такие как CNC-станки, 3D-принтеры и автоматизацию. Благодаря доступности, широкому выбору моделей и хорошей совместимости с контроллерами, он обеспечивает отличную производительность при разумной цене, что делает его идеальным для промышленных и образовательных проектов. Рисунок 1 – Двигатель шаговый NEMA 23 Принцип действия шагового двигателя Шаговый двигатель, как и большинство электромеханических устройств, включает в себя две основные части — статор и ротор. В конструкции статора размещены электромагнитные обмотки, каждая из которых при подаче напряжения формирует магнитное поле. Эти обмотки располагаются в специально предназначенных пазах на статоре и выполняют роль полюсов. Ротор, в зависимости от конструкции двигателя, может быть выполнен либо из магнитомягкого материала (например, электротехнической стали), либо содержать постоянные магниты. При активации одной из обмоток статора, создаётся электромагнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем ротора, вызывая его THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”, NOVEMBER 20, 2025 562 угловое смещение. Таким образом, ротор перемещается на фиксированный угол, известный как шаг. Дальнейшее вращение осуществляется за счёт последовательной активации обмоток, при этом каждое новое включение вызывает очередной поворот ротора на заданный шаг. Частота подаваемых импульсов на обмотки определяет скорость вращения, а общее количество импульсов — угол поворота вала. Плавность хода напрямую зависит от числа шагов, необходимых для одного полного оборота: чем их больше, тем движение становится более равномерным и точным. Драйвер шагового двигателя - электронное устройство, которое принимает управляющие сигналы, такие как направление вращения, скорость и микрошаг, и преобразует их в последовательность электрических импульсов, которые подаются на обмотки шагового двигателя. Существует множество типов драйверов шаговых двигателей, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Некоторые из наиболее распространенных типов включают: • биполярные драйверы. Управляют биполярным шаговым двигателем, где обмотки имеют две полярности; • униполярные драйверы. Управляют униполярным шаговым двигателем, где обмотки имеют одну полярность; • драйверы с микрошагом. Позволяют шаговому двигателю выполнять более мелкие шаги, уменьшая вибрацию и улучшая плавность движения; • цифровые драйверы. Они используют цифровые сигналы для управления шаговым двигателем, обеспечивая более высокую точность и гибкость. Рассмотрим одни из самых распространенных драйверов: • TMC2208: Отличный универсальный драйвер для маломощных шаговых двигателей, предлагающий базовую функциональность и защиту (рисунок 2); • TMC2130: Высокопроизводительный драйвер для двигателей BLDC и PMSM, обеспечивающий превосходное управление FOC; • TMC2100: Компактный и экономичный драйвер для небольших шаговых двигателей, предлагающий микрошаг и надежную работу. Рисунок 2 – Драйвер TMC2208 В таблице 2 приведена сравнительная характеристика драйверов TMC2208, TMC2130, TMC2100. THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”, NOVEMBER 20, 2025 563 Таблица 2 – Сравнительные характеристики драйверов Характеристика TMC2208 TMC2130 TMC2100 Тип двигателя Биполярный шаговый PMSM шаговый Номинальный ток 1,7a 3a 2a Пиковый ток 1,8a 3a 2a Микрошаг 1/256 n/a 1/256 Регулировка тока Встроенная n/a n/a Управление FOC нет да нет Защита Интегрированная n/a n/a TMC2208 - драйвер шагового двигателя с выходным током до 2 А на обмотку (до 2,5 А в пике) при напряжении питания 4,75-36 В. Он поддерживает микрошаг 1/2, 1/4, 1/8 и 1/16 с возможностью интерполяции до 1/256. Благодаря своей эффективности и бесшумной работе (достигаемой за счет алгоритмов StealthChop2™) TMC2208 идеально подходит для использования в устройствах с маломощными режимами работы и в приложениях, где требуется высокая энергоэффективность двигателей. Широко используется в 3D-принтерах и ЧПУ благодаря своей способности выдавать достаточный ток на обмотку и обеспечивать тихую работу шаговых двигателей. A4988 - это драйвер шагового двигателя, предназначенный для управления биполярными шаговыми двигателями (рисунок 3). Он имеет следующие характеристики: • двухфазный биполярный драйвер шагового двигателя; • номинальный ток: 1 А на фазу; • пиковый ток: 2 А на фазу; • напряжение питания: 8-35 В; • микрошаг: до 1/16 с возможностью интерполяции; • защита от перегрузки по току и перегрева. Допустимый выходной ток на обмотку с дополнительным охлаждением – до 2 А, без охлаждения – до 1 А. Напряжения питания силовой части: 8-35 В. Преимущества драйвера А4988 – наличие защиты от перегрузок и перегрева, возможность регулировки тока и несколько вариантов микрошага. Дробление шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16. На 9В значительно тише, чем на 12В, без потери крутящего момента. Резкое усиление шумной работы происходит с 11В до12В. THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”, NOVEMBER 20, 2025 564 Рисунок 3 – Драйвер A4988 Драйвер A4988 является хорошим и недорогим вариантом для управления биполярными шаговыми двигателями в приложениях с низким и средним крутящим моментом. DRV8825 - это драйвер шагового двигателя, предназначенный для управления биполярными шаговыми двигателями с высоким крутящим моментом (рисунок 4). Он имеет следующие характеристики: • двухфазный биполярный драйвер шагового двигателя; • номинальный ток: 1,5 А на фазу; • пиковый ток: 2,2 А на фазу; • напряжение питания: 8,2-45 В; • микрошаг: до 1/32 с возможностью интерполяции; • защита от перегрузки по току, перегрева и короткого замыкания. Допустимый выходной ток на обмотку с дополнительным охлаждением – до 2 А. Напряжения питания силовой части: 8-45 В. Электрическая и механическая совместимость с драйвером A4988. Дробление шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. Рисунок 4 – Драйвер DRV8825 1.3 Выбор программного обеспечения для разработки В качестве программного средства, необходимого для построения схем системы управления роботизированной системой по адаптивному алгоритму, была выбрана программа AutoCAD, а для трехмерного проектирования деталей и сборки SolidWorks. AutoCAD является одной из самых популярных и мощных программ, разработанной компанией Autodesk, для создания и редактирования 2D и 3D чертежей и проектов. Программа широко используется в различных отраслях, таких как архитектура, инженерный дизайн, производство, электроника и многих других. AutoCAD обладает удобным и гибким пользовательским интерфейсом, который позволяет пользователю THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”, NOVEMBER 20, 2025 565 создавать сложные чертежи с высокой точностью. Полезные функции AutoCAD для создания чертежей: 1) Работа с размерами и координатами 2) Слои: программа позволяет пользователям создавать и управлять слоями, что облегчает работу над сложными проектами. 3) Блоки: это одна из ключевых возможностей, которая позволяет пользователям создавать, редактировать и повторно использовать блоки графических объектов. 4) Таблицы и аннотации: AutoCAD обладает функциональным инструментарием для создания и редактирования аннотаций, таблиц, размерных линий и других текстовых элементов. 5) Импорт и экспорт: поддерживаются различные форматы файлов, что позволяет пользователям легко импортировать и экспортировать чертежи для дальнейшего использования в других программах. 6) Шаблоны: AutoCAD позволяет создавать и загружать пользовательские шаблоны. SolidWorks — это программное обеспечение компании Dassault Systemes, которое предназначено для проектирования и моделирования в 3D. SolidWorks позволяет создавать детали, сборки и чертежи с применением широкого спектра функций и инструментов. Оно широко используется в различных отраслях, включая машиностроение, автомобилестроение, аэрокосмическую промышленность, электротехнику и других областях. SolidWorks позволяет конструировать и визуализировать сложные модели, а также проводить анализ и симуляцию для проверки прочности и работоспособности конструкций. SolidWorks предоставляет широкий спектр функций и инструментов для проектирования и моделирования в 3D. Перечень основных функций, которые предлагает программа: • создание 3D-моделей: SolidWorks позволяет создавать сложные трехмерные модели деталей, сборок и комплексных систем. Вы можете создавать формы, задавать размеры, применять материалы и добавлять детали для полной визуализации проекта; • генерация чертежей: в SolidWorks можно создавать чертежи из 3D-моделей. Это позволяет создавать детальные и точные чертежи с размерами, надписями, спецификациями и другими необходимыми данными, с автоматическим расчётом характеристик и заполнением документации детали; • сборки и разборки: SolidWorks позволяет создавать сложные сборки, состоящие из нескольких деталей, и проводить разборку для проверки взаимодействия компонентов. Также позволяет выполнять монтажные и демонтажные операции, управлять связями между деталями и проводить интерференционные проверки; • анализ и симуляция: SolidWorks включает возможности анализа и симуляции для проверки прочности, деформаций, гидродинамики и других физических характеристик проектируемой модели; • визуализация: SolidWorks предлагает мощные инструменты визуализации, которые позволяют создавать высококачественные фотореалистичные изображения и анимации моделей. Программа позволяет создавать визуализации с использованием различных материалов, текстур, освещения и теней; • работа с другими системами: SolidWorks предоставляет возможности импорта и экспорта файлов различных форматов, таких как STEP, IGES, STL, DWG и другие. Это позволяет вам совместно работать с другими системами CAD и обмениваться данными в различных форматах. THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”, NOVEMBER 20, 2025 566 Общая гибкость и многофункциональность этого программного обеспечения позволяют инженерам эффективно реализовывать свои проекты в 3D и делает его одним из лидеров в области CAD-систем. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. System and method for mobile soil sampling [Электронный ресурс] – Электронные данные – режим доступа: https://patents.google.com/patent/US7216555B2/en. 2. ТЕХНОЛОГИЯ VERIS [Электронный ресурс] – Электронные данные – режим доступа: https://agri2.com.ua/tehnologiya-veris. 3. Баранов В. Н. Конструирование устройств на микроконтроллерах. – Москва: Изд-ий дом «Додэка-XXI», 2006, 147 с. 4. ГОСТ 2.702-2011 ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ [Электронный ресурс] – Электронные данные. – Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/1200086241. 5. Интегральный стабилизатор напряжения [Электронный ресурс] – Электронные данные – режим доступа: https://seventools.ru/faq/7805-stabilizator-shema-vklyucheniya.html. 6. Кварцевый резонатор [Электронный ресурс] – Электронные данные – режим доступа: https://www.ruselectronic.com/kvartsevyj-rezonator/. 7. LiquidCrystal_I2C library documentation // Arduino Reference. — https://www.arduino.cc/reference/en/