Схема управления для монтировок с шаговыми двигателями

[Павел Бахтинов]

Выполняю данное в теме "Моя переносная монтировка" обещание опубликовать описание схемы задействованной там электроники (https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,22380.msg419876.html#msg419876). Схема была разработана мной несколько лет назад, с тех пор знакомыми любителями было изготовлено несколько работающих экземпляров для монтировок с довольно различными параметрами (к примеру, применялись движки от "дисководных" до ДШИ200-2), но сложилось так, что сам я такую схему в наблюдательной практике никогда не использовал. Представленный здесь вариант - позднейшая модификация схемы, она несколько отличается (довольно незначительно) от используемой в вышеупомянутых переносных монтировках.
----
Схема предназначена для управления двумя шаговыми двигателями (ШД) приводов полярной оси и оси склонений экваториальной монтировки, она обеспечивает часовое ведение со звездной скоростью, тонкую коррекцию (гидирование) с малыми скоростями, а также наведение на объект с плавной регулировкой скорости в широком диапазоне. Конкретные значения скоростей определяются прошивкой микроконтроллера, типовые скорости гидирования - 50% от звездной по часовому углу и 30% - по склонению, максимальная скорость наведения может достигать 50-150крат от звездной (в зависимости от используемых ШД).

Перечень элементов к принципиальной схеме (приведена на рисунке).

DD1        PIC16F873A-I/SP (замены: PIC16F876A, PIC16F873-20, PIC16F876-20)
DA1        7805
DA2,DA3    L6219
HL1        L-132XID (или любой красный)
HL2        L-132XGD (или любой зеленый)
VD1-VD4    КД522
ZQ1        5 МГц
C1         0.1 мкФ
C2,C3      22 пФ
C4         0.1 мкФ
C5         10 мкФ
C6,C7      0.1 мкФ
C8         10 мкФ
C9-C12     0.1 мкФ
C13,C14    100 мкФ
C15-C22    1000 пФ
R1         16 кОм *
R2         10 кОм *
R3         10 кОм
R4         27 кОм
R5         10 кОм
R6         10 Ом
R7         2.2 кОм
R8         10 кОм
R9-R14     10 кОм
R15,R16    4.7 кОм
R17,R18    2.2 кОм
R19-R22    820 Ом
R23-R26    1 Ом **
R27-R30    47 кОм

* подбирается исходя из желаемой яркости светодиода
** для ШД с допустимым током обмотки не менее 500мА

Внимание! В показанный здесь первоначальный вариант схемы в дальнейшем вносились изменения (см. здесь).

[Павел Бахтинов]

Использование принципа импульсной стабилизации токов обмоток обеспечивает сравнительно небольшое энергопотребление и работу двигателей в режиме четвертьшага. Максимальный импульсный ток обмоток двигателя, обеспечиваемый схемой - до 500мА, при этом потребление от источника напряжением 12В составляет около 250мА в режиме гидирования и 700мА в режиме наведения (для двигателей ДШИ200-1).

В случае использования маломощных ШД ток обмоток может быть задан менее 500мА, при этом меньше будет и потребление. Ток обмоток Iобм задается выбором сопротивления Rs токоизмерительных резисторов (R23-R26):
Rs = 0,5В / Iобм

Первоначально схема разрабатывалась для 12В питания (бортсеть автомобиля и т.п.), но допустимо питать ее от источника постоянного тока напряжением от 10 до 30В (цепь +Е на схеме). Выбор конкретной величины питающего напряжения зависит от решаемой задачи и типа примененных двигателей. В общем случае, более высокое напряжение позволяет разогнать ШД до больших скоростей, но может оказаться неудобным по конструктивным или экономическим соображениям. Кроме того, питающее схему напряжение не должно быть меньше падения напряжения на сопротивлении обмоток ШД при заданном токе Iобм:
Eп > Iобм*Rобм

Верхняя граница диапазона допустимых для схемы напряжений питания (30В) определяется параметрами микросхемы-стабилизатора 7805 (DA1). Следует внимательно следить за происхождением применяемых деталей и их параметрами, т.к. у некоторых из многочисленных аналогов 7805 предельно допустимое входное напряжение может оказаться меньше, чем 30В (в частности, у стабилизаторов советской разработки КР142ЕН5 - всего 15В).
В случае питания схемы от источника напряжением более 15В микросхему стабилизатора 7805 (DA1) следует установить на радиатор. Возможен также вариант питания DA1 от отдельного низковольтного источника (8-15В). В последнем случае драйверы DA2, DA3 (L6219) могут быть при необходимости запитаны от повышенного напряжения - до 45В.

Следует обратить внимание на обеспечение надежного теплоотвода от микросхем-драйверов (особенно при их работе с током обмоток, близким к максимальному - 500мА). Для микросхемы L6219 установка радиатора на ее корпус не предусмотрена, теплоотвод обеспечивается впаиванием выводов 6, 7, 18, 19 в широкую "земляную" шину, соединенную с достаточно большой площадью металлизации на печатной плате. По этой же причине установка данных микросхем на панельки настоятельно не рекомендуется.

Источник питания должен обеспечивать заданные токи обмоток ШД и может представлять собой как химический источник тока (аккумулятор, бортсеть автомобиля), так и стабилизированный или нестабилизированный сетевой адаптер (трансформатор с выпрямителем). В последнем случае, пульсации выходного напряжения под нагрузкой не должны выходить за выбранный диапазон напряжений питания, для чего емкость конденсатора фильтра выпрямителя должна быть достаточно велика. Например, в случае постоянного (среднего) выходного тока выпрямителя 1А желательна емкость фильтра примерно 4000мкФ или более.

В целях снижения потребляемой мощности предусмотрено 1,5-кратное автоматическое снижение тока обмоток при остановке и работе на низких скоростях (часовое ведение и гидирование). Если этот экономичный режим не нужен, его можно отключить, для чего достаточно удалить резисторы R15, R16.

[Павел Бахтинов]

Особенностью данной схемы является плавная регулировка скорости в режиме наведения с использованием кнопок с "полунажатием" (по типу применяемых для спуска затвора в цифровых фотоаппаратах).

Пульт управления (примерный вид его показан на рисунке) содержит кнопки управления двигателем полярной оси SB1 и SB2, оси склонений SB3 и SB4, а также выключатель блокировки скоростей наведения SA1. Каждая из четырех кнопок - трехпозиционная, в зависимости от усилия нажатия может находиться в одном из трех состояний, переход между которыми ощущается на ощупь в виде характерного "щелчка". В дальнейшем эти состояния будут именоваться следующим образом: 1) не нажатое ("отпущена"); 2) "полунажатие"; 3) "полное нажатие".

[Павел Бахтинов]

Часовое ведение включается выключателем SA2 (индикатор HL2 - светится), все кнопки пульта - отпущены. Двигатель полярной оси при этом вращается с постоянной (звездной) скоростью, двигатель склонения остановлен, но его обмотки запитаны постоянным током (происходит удержание ротора в положении текущего четверьтьшага).
Гидирование производится с помощью соответствующих кнопок пульта: полунажатие на кнопки SB1, SB2 приводит, соответственно, к увеличению или уменьшению часовой скорости на 50%, а полунажатие на кнопки SB3, SB4 приводит во вращение двигатель оси склонений в том или ином направлении со скоростью, соответствующей 30% звездной. Для привода оси склонений предусмотрена функция ускоренного выбора люфта, величина которого настраивается пользователем (по умолчанию - выключена).

Выключение SA2 (индикатор HL2 - не светится) приводит к обесточиванию всех обмоток двигателей и сводит потребляемый устройством ток к минимуму. Точного удержания положения роторов двигателей при этом не происходит. Обесточивание обмоток действует, лишь когда все кнопки пульта отпущены, в случае же нажатия на любую из кнопок устройство функционирует при выключенном SA2 точно также, как и при включенном (в т.ч. возможен и переход в режим наведения).

Режим наведения включается после полного нажатия одной из кнопок (до упора). При удержании кнопки в таком положении соответствующий двигатель начнет постепенно разгоняться в выбранном направлении в соответствии с графиком разгона (см. ниже). После достижения желаемой скорости следует ослабить нажим на кнопку (до состояния полунажатия), набранная скорость при этом будет сохраняться неизменной. Полное отпускание кнопки приведет к постепенному торможению двигателя в соответствии с тем же графиком, и, в итоге, к переходу в режим часового ведения. Повторное полунажатие кнопки до окончания торможения также поддерживает текущее значение скорости неизменным, таким образом, последний отрезок пути до выбранного объекта можно пройти на малой скорости, окончательно отпустив кнопку в непосредственной близости от объекта.
Переход в режим наведения возможен лишь при замкнутых контактах выключателя блокировки скоростей наведения (SA1).

График разгона прошит в микроконтроллере в виде таблицы, и, в принципе, может быть любым. В типовом варианте, первые 0.4с после включения режима наведения двигатель работает на постоянной скорости (напр., 4-кратной), после чего начнется плавный рост скорости по экспоненциальному закону вплоть до предельного значения (напр., 75 крат на представленном примере графика). Полное время набора предельной скорости составляет 2.55с. Поскольку столько же времени занимает и плавное торможение при отпущенной кнопке, что в некоторых случаях может оказаться чрезмерным, предусмотрена возможность быстрого останова двигателя (возврата в режим часового ведения), для чего достаточно кратковременно нажать на кнопку противоположного направления.

В случае неустойчивой работы двигателей на высоких скоростях (например, в результате повышенной механической нагрузки), предельная скорость может быть настроена пользователем на меньшее значение (чем прошитое в таблице разгона). При этом время набора предельной скорости также окажется меньше, чем 2.55с.

Двигатели обеих осей в режиме наведения могут работать одновременно и независимо друг от друга

[Павел Бахтинов]

Для настройки величины автоматически выбираемого люфта по склонению, а также предельной скорости двигателей, необходимо нажать кнопку SB1, и, удерживая ее, включить питание устройства, после чего кнопку отпустить.

В режиме настройки меняются функции выключателя SA2 и индикатора HL2. Если при включенном SA2 (HL2 - светится) устройство функционирует обычным образом, то при выключении SA2 обмотки двигателей не обесточиваются, двигатель полярной оси продолжает вращаться, а кнопки пульта, вместо управления двигателями, служат для изменения настраиваемых параметров. Нажатие на кнопку SB3 увеличивает, а на SB4 - уменьшает величину автоматически выбираемого люфта по склонению с дискретностью в 1 четвертьшаг. Кнопки SB1 и SB2 позволяют, соответственно, увеличивать или уменьшать предельную скорость в режиме наведения. Каждое нажатие сопровождается вспышкой индикатора HL2, прекращение же вспышек говорит о том, что изменяемый параметр достиг границы своего диапазона и в эту сторону больше меняться не может. Диапазон настройки люфта по склонению составляет от 0 до 255 четвертьшагов, а предельной скорости - приблизительно от 1/6 максимального значения до максимума.

После изменения параметра можно сразу же опробовать его новое значение, включив SA2 и нажимая на кнопки пульта (которым при этом вернутся их обычные функции управления двигателями), после чего, в случае необходимости, вновь выключить SA2 и продолжить настройку.

Для восстановления значений параметров "по умолчанию" следует нажать одновременно кнопки SB1 и SB2, после чего, удерживая их в таком положении, включить питание устройства. Это действие надо обязательно выполнить при установке в схему вновь прошитого микроконтроллера.

Настроенные параметры сохраняются при выключенном питании устройства.

[Павел Бахтинов]

Предусмотрена возможность подключения автогида на ФЭУ с аналоговым выходом (http://astrophoto.chat.ru/guider.htm), для чего используется разъем XS1, а также дополнительный переключатель (на схеме не показан), служащий для включения режима гидирования. Если подключение аналогового автогида не планируется, разъем XS1 можно не устанавливать, но резисторы R4, R5 - нужны.

Для подключения автогидов с импульсным (логическим) выходом служит разъем XS2. Могут быть подключены различные автогиды, имеющие на выходе активный низкий уровень. Во многих случаях для этого достаточно установить подходящий разъем, выводы которого соединить с соответствующими выводами XS2. Аналогичным образом может быть подключен "Телевизионный автогид" (https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,11139.0.html), для которого нужно лишь изготовить соединительный кабель.

К разъему XS2 может быть подключен также автогид, функционирующий на базе компьютера, например, ProGuider. Такое подключение желательно осуществлять через устройство сопряжения, обеспечивающее электрическую развязку, например, через блок URB. Прямое соединение разъема XS2 с LPT-портом компьютера, хотя и возможно, но нежелательно, поскольку при этом велик риск повреждения устройства в случае случайного нарушения заземления компьютера (особенно, если используется не ноутбук, а настольный компьютер). В подобных случаях можно использовать также схему сопряжения с оптронной развязкой, приведенную на рисунке. Переключатель SA1 на этой схеме обеспечивает принудительное отключение автогида, независимо от того, включен ли компьютер, и запущена ли программа автогидирования. Для выдачи управляющих сигналов задействованы четыре старших разряда данных LPT-порта (показана их нумерация в стандартном разъеме DB25), настройками программы ProGuider следует установить для них активный уровень - высокий.

[Павел Бахтинов]

Управление с помощью всего лишь четырех чувствительных к силе нажатия кнопок, при отсутствии переключателя скоростей, на мой взгляд, весьма удобно и "интуитивно понятно". Однако приобретение или самостоятельное изготовление подходящих для этого кнопок может оказаться затруднительным.

Испробовав несколько способов изготовления кнопок с состоянием "полунажатия", я все же нашел простой и приемлемый по качеству вариант. Он основан на доработке распространенных кнопок типа КМ2 (КМД2).
Кнопку (рис.1) надо разобрать, высверлив скрепляющие ее заклепки. Затем в бронзовой плоской пружине нужно сделать дополнительную прорезь, примерно такую, как показано на рис.2. Получившийся "флажок" надо немного отогнуть, с таким расчетом, чтобы при нажатии на толкатель срабатывал сначала один "микрик", а затем другой (рис.3). Для сборки кнопки вместо заклепок можно использовать подходящие винты М2 с гайками, "микрики" при сборке желательно перевернуть на 180гр. относительно их исходного положения (см. рис.4), так они с надрезанной пружиной работают лучше.
При правильно подобранном изгибе пружины второе срабатывание происходит при существенно большем, чем первое, но не чрезмерном усилии, причем эти положения разделены достаточно заметным на ощупь ходом штока. Это позволяет практически гарантировать от непреднамеренного включения режима наведения и даже отказаться от блокировочного переключателя SA1.

[Bilbo]

Вопросы можно?
1. Размер платы?
2. ZQ1   5 МГц - это что?
3.

Такое подключение желательно осуществлять через устройство сопряжения, обеспечивающее электрическую развязку, например, через блок URB.

USB ?
4. Какие двигатели рекомендуете из тех что продают в "Чип и Дип" ?

[Денис Никитин]

Про кнопки понравилось, возьму на вооружение, спасибо!

[АндрейЦ]

С кнопками супер!
А готовых таких никому не попадалось, пусть даже в каталоге?

[Aurorыч]

у меня завалялась готовая, только откуда она взялась ума не приложу, скорее всего от старой советской аппаратуры

[Александр Л.]

    Такие кнопки выпускают, но в продаже не видел, правда особенно и не искал. Они используются например в пульте телескопа GEM1. Это можно понять анализирую печатную плату пульта на сайте Питера Катрениака, где я впервые такие кнопки и обнаружил.  Фото верх платы - http://www.pk3.org/Astro/Images/GEM1/gem1_controller_pcb2.jpg , низ платы - http://www.pk3.org/Astro/Images/GEM1/gem1_controller_pcb1.jpg .

[foxmx (Олег)]

Схема предназначена для управления двумя шаговыми двигателями (ШД) приводов полярной оси и оси склонений экваториальной монтировки

А есть фото печатной платы сего устройства?

[Un4given]

Сдвоенные микрики с "двойным" нажатием между прочим и готовыые в совковии были. У меня валяется несколько штук, не самопал. На толпе где-нибудь в развалах найти, я думаю, до сих пор можно.

[Bilbo]

Ещё вопросы (чайник я в радиоэлектронике ):
1. В микросхемах как аналог указан PIC16F876A - PIC16F876A-I/SP это то же самое?
2. Допускается ли замена резисторов 2.2 на 2.4 и 10 на 11 ?

[Павел Бахтинов]

1. Размер платы?

Разводку печатной платы я не делал, так что на ваше усмотрение. Макетный вариант был у меня что-то вроде 100х50мм.

2. ZQ1   5 МГц - это что?

Кварцевый резонатор.

3.

Такое подключение желательно осуществлять через устройство сопряжения, обеспечивающее электрическую развязку, например, через блок URB.

USB ?

Я имел в виду именно URB (http://www.astronica.ru/index.php?id=139).

4. Какие двигатели рекомендуете из тех что продают в "Чип и Дип" ?

Возможно, что и никакие (у них там очень ограниченный выбор). Все зависит от того, какая у Вас монтировка.

1. В микросхемах как аналог указан PIC16F876A - PIC16F876A-I/SP это то же самое?

Да. "I/SP" может относиться к любому из перечисленных контроллеров ("SP" - DIP-корпус, "I" - температурный диапазон от -40^оС).

2. Допускается ли замена резисторов 2.2 на 2.4 и 10 на 11 ?

2.2 на 2.4 и 10 на 11 Допускается 
Но в следующий раз пишите, пожалуйста, с позиционным обозначением и с единицами измерения, а то еле догадался 

А есть фото печатной платы сего устройства?

Печатной платы, как таковой, не делал. Нашел вот старый снимок "макетки" самого первого экземпляра.

[Bilbo]

2. ZQ1   5 МГц - это что?

Кварцевый резонатор.

Глянул в "ЧИД", у них или 4 MHZ или 6 MHZ, подойдут или поискать в других местах (кстати, есть ли в Самаре места аналогичные Митинскому рынку в Москве?) (кварцы нашел, вопрос снят благодаря foxmx)

3.

Такое подключение желательно осуществлять через устройство сопряжения, обеспечивающее электрическую развязку, например, через блок URB.

USB ?

Я имел в виду именно URB (http://www.astronica.ru/index.php?id=139).

Но на плату ставим разъем USB? (вопрос снят, разобрался.)

4. Какие двигатели рекомендуете из тех что продают в "Чип и Дип" ?

Возможно, что и никакие (у них там очень ограниченный выбор). Все зависит от того, какая у Вас монтировка.

Монтировка EQ-5. Но выбора у них действительно нет. Никакого. Озадачил знакомых на переборку чердаков, может кто и найдет пятидюймовики

[foxmx (Олег)]

Глянул в "ЧИД", у них или 4 MHZ или 6 MHZ, подойдут или поискать в других местах

ЧИД не единственное место в Самаре по продаже электронных компонентов.
Есть хороший магазин за пл. Кирова. Или "птичий рынок"

[Serj]

А чем контроллер программировать? Где прошивку взять? Хотелось бы тоже такую систему повторить, но ведь голая схема без прошивки работать не будет.

[CombaSoft]

Где прошивку взять?

Вот он, главный вопрос