Для борьбы с резонансом можно использовать различные методы. Например, применение эластичных материалов при выполнении механических муфт связи с нагрузкой. Эластичный материал способствует поглощению энергии в резонансной системе, что приводит к затуханию паразитных колебаний. Другим способом является применение вязкого трения. Выпускаются специальные демпферы, где внутри полого цилиндра, заполненного вязкой кремнийорганической смазкой, может вращаться металлический диск. При вращении этой системы с ускорением диск испытывает вязкое трение, что эффективно демпфирует систему. Существуют электрические методы борьбы с резонансом. Колеблющийся ротор приводит к возникновению в обмотках статора ЭДС. Если закоротить обмотки, которые на данном шаге не используются, это приведет к демпфированию резонанса. И, наконец, существуют методы борьбы с резонансом на уровне алгоритма работы драйвера. Например, можно использовать тот факт, что при работе с двумя включенными фазами резонансная частота примерно на 20% выше, чем с одной включенной фазой. Если резонансная частота точно известна, то ее можно проходить, меняя режим работы. Если это возможно, при старте и остановке нужно использовать частоты выше резонансной. Увеличение момента инерции системы ротор-нагрузка уменьшает резонансную частоту. Однако, самой эффективной мерой для борьбы с резонансом является применение микрошагового режима.
Чем же его кормить?
Для питания обычного двигателя постоянного тока требуется лишь источник постоянного напряжения, а необходимые коммутации обмоток выполняются коллектором. С шаговым двигателем всё сложнее. Все комутации должен выполнять внешний контроллер. В настоящее время примерно в 95% случаев для управления шаговыми двигателями используются микроконтроллеры. В простейшем случае для управления шаговым двигателем в полношаговом режиме требуются всего два сигнала, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Направление вращения зависит от того, какая фаза опережает. Скорость определяется часотой следования импульсов. В полушаговом режиме всё несколько сложнее и требуется уже минимум 4 сигнала. Все сигналы управления шаговым двигателем можно сформировать программно, однако это вызовет большую загрузку микроконтроллера. Поэтому чаще применяют специальные микросхемы драйверов шагового двигателя, которые уменьшают количество требуемых от процессора динамических сигналов. Типично эти микросхемы требуют тактовую частоту, которая является частотой повторения шагов и статический сигнал, который задает направление. Иногда еще присутствует сигнал включения полушагового режима. Для микросхем драйверов, которые работают в микрошаговом режиме, требуется большее количество сигналов. Распространенным является случай, когда необходимые последовательности сигналов управления фазами формируются с помощью одной микросхемы, а необходимые токи фаз обеспечивает другая микросхема. Хотя в последнее время появляется все больше драйверов, реализующих все функции в одной микросхеме. Мощность, которая требуется от драйвера, зависит от размеров двигателя и составляет доли ватта для маленьких двигателей и до 10-20 ватт для больших двигателей. Максимальный уровень рассеиваемой мощности ограничен нагревом двигателя. Максимальная рабочая температура обычно указывается производителем, но можно приблизительно считать, что нормальной является температура корпуса 90 градусов. Поэтому при конструировании устройств с шаговыми двигателями, непрерывно работающими на максимальном токе, необходимо принимать меры, исключающие касание корпуса двигателя обслуживающим персоналом. В отдельных случаях возможно применение охлаждающего радиатора. Иногда это позволяет применить двигатель меньших размеров и добиться лучшего отношения мощность/стоимость. Для данного размера шагового двигателя место, занимаемое обмотками, ограничено. Поэтому очень важно сконструировать драйвер так, чтобы для данных параметров обмоток обеспечить наилучшую эффективность.
Схема драйвера должна выполнять три главных задачи:
· иметь возможность включать и выключать ток в обмотках, а также менять его направление
· поддерживать заданное значение тока
· обеспечивать как можно более быстрое нарастание и спад тока для хороших скоростных характеристик
Способы изменения направления тока
При работе шагового двигателя требуется изменение направления магнитного поля независимо для каждой фазы. Изменение направления магнитного поля может быть выполнено разными способами. В униполярных двигателях обмотки имеют отвод от середины или имеются две отдельные обмотки для каждой фазы. Направление магнитного поля меняется путем перключения половинок обмоток или целых обмоток. В этом случае требуются только два простых ключа A и B для каждой фазы (рис. 18).
Рис. 18. Питание обмотки униполярного двигателя.
В биполярных двигателях направление меняется путем переполюсовки выводов обмоток. Для такой переполюсовки требуется полный H-мост (рис. 19). Управление ключами в том и другом случае должно осуществляться логической схемой, реализующей нужный алгоритм работы. Предпологается, что источник питания схем имеет номинальное для обмоток двигателя напряжение.
Рис. 19. Питание обмотки биполярного двигателя.
Это простейший способ управления током обмоток, и как будет показано в дальнейшем, он существенно ограничивает возможности двигателя. Нужно отметить, что при раздельном управлении транзисторами H-моста возможны ситуации, когда источник питания закорочен ключами. Поэтому логическая схема управления должна быть построена таким образом, чтобы исключить эту ситуацию даже в случае сбоев управляющего микроконтроллера. Обмотки двигателя представляют собой индуктивность, а это значит, что ток не может бесконечно быстро нарастать или бесконечно быстро спадать без привлечения бесконечной разности потенциалов. При подключении обмотки к источнику питания ток будет с некоторой скоростью нарастать, а при отключении обмотки произойдет выброс напряжения. Этот выброс способен повредить ключи, в качестве которых используются биполярные или полевые транзисторы. Для ограничения этого выброса устанавливают специальные защитные цепочки. На схемах рис. 18 и 19 эти цепочки образованы диодами, значительно реже применяют конденсаторы или их комбинацию с диодами. Применение конденсаторов вызывает появление электрического резонанса, что может вызвать увеличение момента на некоторой скорости. На рис. 18 потребовалось 4 диода по той причине, что половинки обмоток униполярного двигателя расположены на общем сердечнике и сильно связаны между собой. Они работают как автотрансформатор и выбросы возникают на выводах обеих обмоток. Если в качестве ключей применены МОП-транзисторы, то достаточно только двух внешних диодов, так как у них внутри уже имеются диоды. В интегральных микросхемах, содержащих мощные выходные каскады с открытым коллектором, также часто имеются такие диоды. Кроме того, некоторые микросхемы, такие как ULN2003, ULN2803 и подобные имеют внутри оба защитных диода для каждого транзистора. Нужно отметить, что в случае применения быстродействующих ключей требуются сравнимые по быстродействию диоды. В случае применения медленных диодов требуется их шунтирование небольшими конденсаторами.
Стабилизация тока
Для регулировки момента требуется регулировать силу тока в обмотках. В любом случае, ток должен быть ограничен, чтобы не превысить рассеиваимую мощность на омическом сопротивлении обмоток. Более того, в полушаговом режиме ещё требуется в определенные моменты обеспечивать нулевое значение тока в обмотках, а в микрошаговом режиме вообще требуется задание разных значений тока. Для каждого двигателя производителем указывается номинальное рабочее напряжение обмоток. Поэтому простейший способ питания обмоток – это использование источника постоянного напряжения. В этом случае ток ограничен омическим сопротивлением обмоток и напряжением источника питания (рис. 20а), поэтому такой способ питания называют L/R-питанием. Ток в обмотке нарастает по экспоненциальному закону со скоростью, определяемой индуктивностью, активным сопротивлением обмотки и приложенным напряжением. При повышении частоты ток не достигает номинального значения и момент падает. Поэтому такой способ питания пригоден только при работе на малых скоростях и используется на практике только для маломощных двигателей.
Рис. 20. Питание обмотки номинальным напряжением (а) и использование ограничительного резистора (б).
При работе на больших скоростях требуется увеличивать скорость нарастания тока в обмотках, что возможно путем повышения напряжения источника питания. При этом максимальный ток обмотки должен быть ограничен с помощью дополнительного резистора. Например, если используется напряжение питание в 5 раз большее номинального, то требуется такой дополнительный резистор, чтобы общее сопротивление составило 5R, где R – омическое сопротивление обмотки (L/5R-питание). Этот способ питания обеспечивает более быстрое нарастание тока и как следствие, больший момент (рис. 20б). Однако он имеет существенный недостаток: на резисторе рассеивается дополнительная мощность. Большие габариты мощных резисторов, необходимость отвода тепла и повышенная необходимая мощность источника питания – всё это делает такой метод неэффективным и ограничивает область его применение небольшими двигателями мощностью 1 – 2 ватта. Нужно сказать, что до начала 80-х годов прошлого века параметры шаговых двигателей, приводимые производителями, относились именно к такому способу питания. Еще более быстрое нарастание тока можно получить, если использовать для питания двигателя генератор тока. Нарастание тока будет происходить линейно, это позволит быстрее достигать номинального значения тока. Тем более, что пара мощных резисторов может стоить дороже, чем пара мощных транзисторов вместе с радиаторами. Но, как и в предыдущем случае, генератор тока будет рассеивать дополнительную мощность, что делает эту схему питания неэффективной. Существует еще одно решение, обеспечивающее высокую скорость нарастания токи и низкую мощность потерь. Основано оно на применении двух источников питания.
Исполнительные органы ряда рабочих машин должны совершать строго дозированные перемещения с фиксацией своего положения в конце движения. В электроприводах таких машин и механизмов успешно применяются шаговые двигатели (ШД) различных типов, образующие основу дискретного электропривода.
Широкое распространение дискретного электропривода определяется еще и тем обстоятельством, что он естественным образом сочетается с цифровыми управляющими машинами и программными устройствами, которые все шире применяются во многих отраслях техники. Например, дискретный электропривод широко используется для металлообрабатывающих станков с числовым программным управлением (ЧПУ), а также для роботов и манипуляторов.
Шаговый двигатель по принципу своего действия является синхронным двигателем. Однако в отличие от последнего магнитное поле ШД перемещается (вращается) в воздушном зазоре не непрерывно, а дискретно, шагами. Это достигается за счет импульсного возбуждения обмоток ШД с помощью электронного коммутатора, который преобразует одноканальную последовательность управляющих импульсов в многофазную систему напряжений, прикладываемых к обмоткам (фазам) ШД.
Ступенчатому характеру изменения напряжения на фазах ШД соответствует дискретное вращение (перемещение) электромагнитного поля в его воздушном зазоре, вследствие чего движение ротора состоит из последовательных элементарных поворотов или шагов, совершаемых по апериодическому или колебательному закону.
а) Принцип действия и основные свойства ШД
Принцип получения дискретного перемещения ротора рассмотрим на примере простейшей схемы двухфазного ШД, изображенной на рис. 6.3.
Шаговый двигатель имеет на статоре две пары явно выраженных полюсов, на которых находятся обмотки возбуждения (управления): обмотка I с выводами 1Н–1K. и вторая обмотка II с выводами 2Н–2K. Каждая из обмоток состоит из двух частей, находящихся на противоположных полюсах ШД.
Питание обмоток ШД осуществляется, как правило, импульсами напряжения прямоугольной формы, поступающими с электронного коммутатора, входящего в состав схемы управления ШД Коммутатори ШД образуют основную силовую часть шагового привода. Ротор ШД в рассматриваемой схеме представляет собой двухполюсный постоянный магнит, расположенный на валу двигателя внутри статора.
Рассмотрим работу ШД, предположив, что в начальный момент напряжение подано на обмотку I. Прохождение тока по этой обмотке вызовет появление магнитного поля статора с вертикально расположенными полюсами N–S. В результате взаимодействия поля с постоянным магнитом ротора последний займет указанное на рис. 6.3, а равновесное положение, в котором оси магнитных полей статора и ротора совпадают. Положение будет устойчивым, поскольку при отклонении от него на ротор будет действовать вращающий момент (обычно называемый синхронизирующим), который стремится вернуть ротор в. положение равновесия. Этот момент определяется по формуле
(6.2)
где a – угол между осями магнитных полей статора и ротора; Mmax – максимальный момент.
Допустим, что с помощью схемы управления напряжение снимается с обмотки I и подается на обмотку II. В этом случае образуется магнитное поле статора с горизонтальными полюсами (рис. 6.3, б), т. е. магнитное поле статора дискретно совершило поворот на четверть окружности статора. При этом между осями статора и ротора появится угол рассогласования a=90° и на ротор будет действовать в соответствии с формулой (6.2) максимальный вращающий момент М=Мтах. Под его действием ротор повернется на четверть окружности статора и займет новое устойчивое равновесное положение, показанное сплошной линией на рис. 6.3, б. Таким образом, вслед за шаговым перемещением поля статора совершит такое же шаговое перемещение и ротор двигателя.
Предположим, что отключилась обмотка II и вновь подано питание на обмотку I, но с противоположной по сравнению с рис. 6.3, а полярностью напряжения. Магнитное поле статора опять будет иметь вертикально расположенные полюсы, но другой по сравнению с рис. 6.3, а полярности. Это означает, что поле совершит еще один шаг на четверть окружности. Снова на ротор будет действовать синхронизирующий момент, который повернет его в положение, показанное на рис. 6.3, в. Следующий шаг в том же направлении ротор может совершить, если будет отключена обмотка I и подключена обмотка II с обратной полярностью напряжения. И, наконец, ротор завершит полный оборот при снятии напряжения с обмотки II и подаче напряжения на обмотку I.
Кроме рассмотренного способа коммутации обмоток двигателя, обеспечивающего шаговое перемещение ротора на 90°, существует другой способ, позволяющий при той же конструкции ШД уменьшить размер шага ротора вдвое.
Допустим, что исходное положение ШД соответствует схеме, показанной на рис. 6.3, а. Подключим обмоткуII с полярностью, соответствующей магнитному полю рис. 6.3, б, не отключая обмотку I. При этом образуется вторая, горизонтальная система полюсов и магнитное поле будет складываться из магнитных полей горизонтальных и вертикальных полюсов. Ось такого результирующего поля будет располагаться между полюсами с одинаковой полярностью, как это показано на рис. 6.3, г, т. е. ось магнитного поля совершит поворот на 45°. Поэтому ротор при таком порядке возбуждения обмоток ШД повернется токе на 45, а не на 90°, как было ранее.
Для совершения следующего шага достаточно снять напряжение с обмоткиI, в результате чего магнитное поле будет соответствовать схеме рис. 6.3, б. Следующее перемещение магнитного ноля и ротора на 45° совершится при возбуждении обмотки I без отключения обмотки II и т. д. Схема коммутации, при которой подключаются поочередно одна или две обмотки, называется несимметричной в отличие от рассмотренной вначале симметричной схемы.
Угловое перемещение ШД в общем случае определяется выражением
(6.3)
где р – число пар полюсов ротора ШД; п – число переключений (тактов) в цикле, равное числу фаз ШД при симметричной и удвоенному числу фаз при несимметричной коммутации.
Шаговое перемещение ротора осуществляется с помощью последовательности управляющих импульсов, при этом каждому импульсу соответствуют одно переключение обмоток ШД (один такт коммутации) и один шаг ротора. Суммарный угол поворота ШД пропорционален числу импульсов, а его скорость – частоте импульсов. Амплитуда и форма импульсов могут изменяться в определенных пределах, не нарушая нормальной работы шагового привода.
Шаговый двигатель может легко изменять направление своего движения (реверсироваться). Для реверса ШД, например, при симметричной схеме коммутации необходимо включить на обратную полярность напряжения обмотку, которая была отключена на данном такте коммутации. Тогда ротор ШД совершит шаг в противоположном направлении.
Основным режимом работы шагового привода является динамический. В отличие от СД ШД рассчитаны на вхождение в синхронизм из состояния покоя и принудительное электрическое торможение. Благодаря этому в шаговом электроприводе обеспечиваются пуск, торможение, реверс и переход с одной частоты управляющих импульсов на другую. Пуск ШД осуществляется скачкообразным или постепенным увеличением частоты входного сигнала от нуля до рабочей, торможение – снижением ее до нудя, а реверс – изменением последовательности коммутации обмоток ШД.
На рис. 6.4 показаны примеры переходных процессов в шаговом электроприводе при отработкеим серии импульсов управления, где (j – полный угол поворота вала ШД, а a – единичный угол поворота (единичный шаг).
Переходные режимы для ШД сложны и ответственны, так как вследствие электромагнитной инерции обмоток ШД, механической инерции его ротора и момента нагрузки на валу при резких изменениях частоты следования импульсов управления ротор ШД может не успеть отработать полностью все импульсы, поступившие на вход шагового привода. Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск ШД из неподвижного состояния без выпадения из синхронизма (пропуска шагов), называется частотой приемистости. Чем выше электромагнитная и механическая инерция ШД и больше момент его нагрузки, тем меньше частота приемистости.
Современные ШД различны по конструктивному исполнению. В зависимости от числа фаз ШД и устройства магнитной системы ШД бывают однофазными, двухфазными и многофазными с активным или пассивным ротором.
Активный ротор у ШД выполняетсяиз постоянных магнитов или снабжается обмоткой возбуждения, как у обычных СД. Вследствие высокой экономичности и надежности в работе, технологичности изготовления, небольших габаритов и массы широкое распространение получили ШД с ротором из постоянных магнитов, называемые магнитоэлектрическими шаговыми двигателями (см. рис. 6.3). Обычно ШД с активным ротором имеют крупный шаг ротора – от 90 до 15° в связи с трудностями изготовления активного ротора с малыми полюсными делениями. Для уменьшения шага в таких ШД увеличивают число фаз и тактов коммутации, а также используют двухстаторную или двухроторную конструкцию.
Максимальная скорость ШД с активным ротором составляет 208 – 314 рад/с, частота приемистости от 70 до 500 Гц, номинальные вращающие моменты от 10×Ю-6 до 10×10-3 Н×м.
Промышленность выпускает несколько серий шаговых магнитоэлектрических двигателей четырехфазные ШДА, двух- и четырехфазные ШД и ДШ-А, четырехфазные ШДА-3 и др.
При необходимости получения небольших единичных перемещений ротора и в то же время больших частот приемистости используются ШД с пассивным ротором, которые делятся на реактивные и индукторные. Работа таких ШД основана на взаимодействии магнитного поля и ферромагнитного тела. Статор и ротор реактивного ШД имеют явно выраженные полюсы, называемые обычно зубцами. На зубцах статора размещаются обмотки возбуждения, питаемые от электронного коммутатора. Ротор ШД выполнен из ферромагнитного материала и не имеет обмоток возбуждения, вследствие чего и назван пассивным.
Отличительная особенность реактивного ШД заключается в неравенстве числа зубцов статора zc и ротора zр, причем обычно zc>zр. Вследствие такой конструкции при каждом переключении обмоток статора ротор совершает поворот (шаг) a, равный разности полюсных делений статора tс и ротора tр, а именно:
(6.4)
Уменьшив разность чисел зубцов zp и zс, можно снизить шаг ротора. Практически эту разность выбирают четной, что улучшает использование ШД. Для уменьшения шага полюсы статора выполняют с несколькими зубцами.
Реактивные ШД при простоте и технологичности конструкции, малых размерах шагов и скорости ротора имеют существенный недостаток – незначительные мощность и синхронизирующий момент, что ограничивает их применение. Этот недостаток отсутствует в индукторных ШД, в которых для увеличения синхронизирующего момента ротор подмагничивается со стороны статора с помощью постоянных магнитов или дополнительной обмотки возбуждения.
Электропромышленностью выпускается несколько серий ШД с пассивным ротором (Ш, ШДР, ШД, РШД), имеющих шаг от 1,5 до 9°, вращающие моменты от 2,5×10-6 до 10×10-3 Н×м и частоту приемистости от 250 до 1200 Гц.
Развитие дискретного электропривода привело к созданию специальных видов ШД – линейных, волновых, с малоинерционным и катящимся роторами.
На базе цилиндрических линейных ШД созданы двухкоординатные линейно-поворотные ШД, суммирующие на своем валу два независимых движения – вращательное и поступательное. Линейно-поворотные ШД типов ДШЛ-8 и ДШЛ-9 обеспечивают шаг поворота в 1° и шаг поступательного перемещения от 0,011 до 1,25×10-3м, полные перемещения до 50×10-3 м, моменты до 0,16 Н×м и усилия до 36 Н.
Важным достижением в области дискретного электропривода является создание так называемых многокоординатных ШД, осуществляющих перемещение исполнительных органов по всем трем координатам пространства. Двигатели такого рода, отличаясь высокой точностью и скоростью позиционирования, используются в приводах манипуляторов, роботов и автоматических линиях станков. Современный дискретный электропривод способен (в пределах небольших мощностей) обеспечить разнообразные виды движения исполнительных органов рабочих машин и механизмов.
б) Схемы управления дискретным электроприводом
Управление движением ШД осуществляется подачей на обмотки возбуждения статора определенной последовательности импульсов напряжения. Средняя скорость ШД определяется выражением
(6.5)
где a – шаг двигателя, рад; fк – частота коммутации обмоток, 1/с.
Управление ШД обеспечивается силовым электронным коммутатором, частота выходного напряжения которого (частота коммутации фаз ШД), задаваемая частотой входного управляющего сигнала, меняется в широких пределах. По существу своей работы такой коммутатор является ПЧ, а сам дискретный электропривод представляет собой систему с частотным управлением СД.
Современные схемы управления ШД состоят из нескольких функциональных блоков, выполняемых по различным схемам и с использованием разнообразных элементов и устройств, главным образом полупроводниковых. Стремление расширить области применения дискретного привода, повысить качество и точность его движения, надежность, удобство и простоту в наладке и эксплуатации отразилось в унификации схем управления ШД.
Функциональная схема дискретного привода показана на рис. 6.5. Основная ее часть, обычно называемая разомкнутой схемой дискретного электропривода, на рисунке выделена штриховой линией, содержит формирователь импульсов ФИ, распределитель импульсовРИ,промежуточный усилитель ПУ, коммутаторK (ПЧ) и блок питания элементов привода БП. Рассмотрим кратко назначение элементов и принцип действия этой схемы применительно к четырехфазному ШД, который в настоящее время получил наибольшее распространение среди других типов ШД.
Сигнал управления fу в виде импульсов напряжения поступает на вход ФИ от программного или другого внешнего командного устройства. Блок ФИ видоизменяет входные импульсы, формируя их по длительности и амплитуде, как необходимо для нормальной работы последующего блока схемы управления РИ. Распределитель импульсов РИ преобразует последовательность сформированных ФИ импульсов в четырехфазную систему однополярных импульсов напряжения, соответствующую числу фаз (обмоток) двигателя.
Импульсы с выхода РИ усиливаются с помощью промежуточного усилителя ПУ и поступают на коммутатор, питающий обмотки ШД. В коммутаторе K они обеспечивают управление силовыми элементами усилителя (транзисторами), работающими в режиме ключа (для ШД небольшой мощности), или тиристорами (для силовых ШД). Обычно K питается от источника постоянного тока (выпрямителей) и обеспечивает в обмотках ШД пульсирующий ток одного направления.
Рассмотрим схему (рис. 6.6) тиристорного коммутатора K, управляющего обмотками управления ШД ОУ1–ОУ4. Основная часть схемы образована тиристорами VS1–VS4, обеспечивающими парную коммутацию обмоток ШД, при которой в каждый момент времени включены две фазы (обмотки) из четырех. Тиристоры VS1 и VS3, VS2 и VS4 образуют схемы двух триггеров, в которых переключение тиристоров производится с помощью колебательных контуров Lк–Ск и диодов VD1 и VD2. Принцип действия схемы поясним на примере работы триггера на тиристорах VS1 – VS3.
Допустим, что в исходном положении тиристор VS1 открыт и по обмотке ОУ1 проходит ток, а тиристор VS3 закрыт. Конденсатор Ск при этом заряжается с «+» на правой обкладке, как это показано на рисунке сплошными линиями. Если подать импульс управления на VS3, он откроется и по обмотке ОУ3 начнет проходить ток. Одновременно по цепи VS3–VD3–VD1 начнется быстрый перезаряд конденсатора Ск, в процессе которого потенциал катода VS1 становится более положительным, чем потенциал его анода, ток через него будет уменьшаться и тиристор VS1 закроется. К концу перезаряда конденсатора плюсовой станет его левая обкладка (пунктир на рисунке) и триггер готов к новому переключению, которое произойдет при снятии импульса управления с VS3 и его подаче вновь на VS1. Таким образом, тиристоры в схеме триггера работают попеременно.
Аналогично работает триггер на тиристорах VS2 и VS4. Для обеспечения вращения ШД одного направления тиристоры переключают в последовательности VS1 и VS2®VS2 и VS3®VS3 и VS4®VS4 и VSI- VS1 и VS2, а для противоположного направления вращения – в последовательности VS1 и VS2®VS1 и VS4®VS4 и VS3®VS3 и VS2®VS2 и VS1 и т. д.
Для снятия перенапряжений с обмоток ШД в период их коммутации параллельно этим обмоткам включены цепочкииз последовательно включенных резистора R и диода VD3.
Рассмотренная разомкнутая схема управления ШД не всегда обеспечивает высокие динамические свойства, точность и энергетические показатели дискретного привода. Поэтому современные схемы управления ШД содержат дополнительные блоки и устройства, с помощью которых характеристики электропривода улучшаются. К таким блокам (см. рис. 6.5) относятся частотно импульсный регулятор напряжения ЧИРН, усилитель обратной связи по току УОС, блок электронного дробления шага БЭДШ, блок плавного разгона и торможения БПРТ (задатчик интенсивности), датчик положения и скорости ДП и цифровой регулятор ЦР.
Блок ЧИРН совместно с УОС служит для автоматической стабилизации тока в обмотках ШД и поддержания момента ШД, что существенно улучшает энергетические показатели его работы. Стабилизация тока осуществляется введением отрицательной обратной связи по току, сигнал которой снимается с резистора Rо,с (см рис. 6.6), включенного в общую шину питания обмоток ШД. Разность сигналов Uо,с и задающего Uз, образует сигнал управления, который поступает на вход УОС. С помощью этого сигнала за счет изменения частоты переключения ЧИРН (частотно-импульсная модуляция) изменяется среднее значение напряжения питания и тем самым регулируется ток в обмотках ШД.
Для улучшения качества движения ШД при низких частотах и повышения точности отработки входных импульсов управления с помощью БЭДШ уменьшается единичный шаг ШД.
Расширение динамических свойств дискретного электропривода, в частности увеличение диапазона рабочих частот входного сигнала, значительно превышающих частоту приемистости ШД, может быть достигнуто введением в схему блока БПРТ, обеспечивающего разгон и торможение ШД с заданным темпом, при котором еще не происходит пропуска управляющих импульсов. При использовании БПРТ область рабочих частот шагового электропривода может быть расширена в 2–3 раза.
Возможности дискретного электропривода расширяются при создании замкнутых структур схем управления, выполняемых с помощью показанных блоков ДП и ЦР (см. рис. 6.5). В таком дискретном приводе информация о действительном положении вала и скорости ШД поступает на вход цифрового регулятора ЦР, который обеспечивает заданные движения привода.
Область применения дискретного привода очень широкая. Его используют в механизмах подачи станков, газорезательных и сварочных автоматах, приборах времени, нажимных устройствах прокатных станов, лентопротяжных и регистрирующих устройствах, а также для роботов и манипуляторов, в медицинской технике, для производства элементов микроэлектроники и т. д.
studopedya.ru
Рис. 30. Принципиальная схема контроллера шагового двигателя.
Основой устройства (рис. 30) является микроконтроллер U1 типа AT90S2313 фирмы Atmel. Сигналы управления обмотками двигателя формируются на портах PB4 – PB7 программно. Для коммутации обмоток используются по два включенных параллельно полевых транзистора типа КП505А, всего 8 транзисторов (VT1 – VT8). Эти транзисторы имеют корпус TO-92 и могут коммутировать ток до 1.4А, сопротивление канала составляет около 0.3 ома. Для того, чтобы транзисторы оставались закрытыми во время действия сигнала «сброс» микроконтроллера (порты в это время находятся в высокоимпедансном состоянии), между затворами и истоками включены резисторы R11 – R14. Для ограничения тока перезарядки емкости затворов установлены резисторы R6 – R9. Данный контроллер не претендует на высокие скоростные характеристики, поэтому вполне устраивает медленный спад тока фаз, который обеспечивается шунтированием обмоток двигателя диодами VD2 – VD5. Для подключения шагового двигателя имеется 8-контактный разъем XP3, который позволяет подключить двигатель, имеющий два отдельных вывода от каждой обмотки (как, например, ДШИ-200). Для двигателей с внутренним соединением обмоток один или два общих контакта разъема останутся свободными. Необходимо отметить, что контроллер может быть использован для управления двигателем с большим средним током фаз. Для этого только необходимо заменить транзисторы VT1 – VT8 и диоды VD2 – VD5 более мощными. Причем в этом случае параллельное включение транзисторов можно не использовать. Наиболее подходящими являются МОП-транзисторы, управляемые логическим уровнем. Например, это КП723Г, КП727В и другие. Стабилизация тока осуществляется с помощью ШИМ, которая тоже реализована программно. Для этого используются два датчика тока R15 и R16. Сигналы, снятые с датчиков тока, через ФНЧ R17C8 и R18C9 поступают на входы компараторов U3A и U3B. ФНЧ предотвращают ложные срабатывания компараторов вследствие действия помех. На второй вход каждого компаратора должно быть подано опорное напряжение, которое и определяет пиковый ток в обмотках двигателя. Это напряжение формируется микроконтроллером с помощью встроенного таймера, работающего в режиме 8-битной ШИМ. Для фильтрации сигнала ШИМ используется двухзвенный ФНЧ R19C10R22C11. Одновременно резисторы R19, R22 и R23 образуют делитель, который задает масштаб регулировки токов фаз. В данном случае максимальный пиковый ток, соответствующий коду 255, выбран 5.11А, что соответствует напряжению 0.511В на датчиках тока. Учитывая тот факт, что постоянная составляющая на выходе ШИМ меняется от 0 до 5В, необходимый коэффициент деления равен примерно 9.7. Выходы компараторов подключены к входам прерываний микроконтроллера INT0 и INT1. Для управления работой двигателя имеются два логических входа: FWD (вперед) и REW (назад), подключенных к разъему XP1. При подаче НИЗКОГО логического уровня на один из этих входов, двигатель начинает вращаться на заданной минимальной скорости, постепенно разгоняется с заданным постоянным ускорением. Разгон завершается, когда двигатель достигает заданной рабочей скорости. Если подается команда изменения направления вращения, двигатель с тем же ускорением тормозится, затем реверсируется и снова разгоняется. Кроме командных входов, имеются два входа для концевых выключателей, подключенных к разъему XP2. Концевой выключатель считается сработавшим, если на соответствующем входе присутствует НИЗКИЙ логический уровень. При этом вращение в данном направлении запрещено. При срабатывании концевого выключателя во время вращения двигателя он переходит к торможению с заданным ускорением, а затем останавливается. Командные входы и входы концевых выключателей защищены от перенапряжений цепочками R1VD6, R2VD7, R3VD8 и R4VD9, состоящими из резистора и стабилитрона. Питание микроконтроллера формируется с помощью микросхемы стабилизатора 78LR05, которая одновременно выполняет функции монитора питания. При понижении напряжения питания ниже установленного порога эта микросхема формирует для микроконтроллера сигнал «сброс». Питание на стабилизатор подается через диод VD1, который вместе с конденсатором C6 уменьшает пульсации, вызванные коммутациями относительно мощной нагрузки, которой является шаговый двигатель. Питание на плату подается через 4-контактный разъем XP4, контакты которого задублированы. Демонстрационная версия программы позволяет осуществлять разгон и торможение двигателя с постоянным ускорением, а также вращение на постоянной скорости в полношаговом или полушаговом режиме. Эта программа содержит весь необходимый набор функций и может быть использована как базовая для написания специализированных программ. Поэтому имеет смысл рассмотреть ее структуру более подробно. Главной задачей программы является формирование импульсных последовательностей для 4-х обмоток двигателя. Поскольку для этих последовательностей временные соотношения являются критичными, формирование выполняется в обработчике прерывания таймера 0. Можно сказать, основную работу программа делает именно в этом обработчике. Блок-схема обработчика приведена на рис. 31.
Рис. 31. Блок-схема обработчика прерывания таймера 0.
Несомненно, было бы удобнее использовать таймер 1, так как он 16-разрядный и способен вызывать периодические прерывания по совпадению с автоматическим обнулением. Однако он занят формированием с помощью ШИМ опорного напряжения для компараторов. Поэтому приходится перезагружать таймер 0 в прерывании, что требует некоторой корректировки загружаемой величины и вызывает некоторый джиттер, который, однако, на практике не мешает. В качестве основной временной базы выбран интервал 25мкс, который и формируется таймером. С такой дискретностью могут формироваться временные последовательности фаз, такой же период имеет и ШИМ стабилизации тока в фазах двигателя. Для формирования периода повторения шагов используется программный 16-разрядный таймер STCNT. В отличие от таймера 0, его загрузочная величина не является константой, так как именно она определяет скорость вращения двигателя. Таким образом, переключение фаз происходит только при переполнении программного таймера. Последовательность чередования фаз задана таблично. В памяти программ микроконтроллера имеются три разных таблицы: для полношагового режима без перекрытия фаз, полношагового с перекрытием и для полушагового режима. Все таблицы имеют одинаковую длину 8 байт. Нужная таблица в начале работы загружается в ОЗУ, что позволяет наиболее просто переходить между разными режимами работы двигателя. Выборка значений из таблицы происходит с помощью указателя PHASE, поэтому переключение направления вращения двигателя тоже осуществляется очень просто: для вращения вперед требуется инкрементировать указатель, а для вращения назад – декрементировать. Самая «главная» переменная в программе – это 24-битная знаковая переменная VC, которая содержит значение текущей скорости. Знак этой переменной определяет направление вращения, а значение – частоту следования шагов. Нулевое значение этой переменной говорит о том, что двигатель остановлен. Программа в этом случае выключает ток всех фаз, хотя во многих приложениях в этой ситуации требуется оставить включенными текущие фазы и лишь несколько уменьшить их ток, обеспечив этим удержание положения двигателя. При необходимости такое изменение логики работы программы сделать очень просто. Таким образом, в случае переполнения программного таймера STCNT происходит анализ значения переменной VC, в случае положительного значения указатель PHASE инкрементируется, а в случае отрицательного – декрементируется. Затем из таблицы выбирается очередная комбинация фаз, которая выводится в порт. В случае нулевого значения VC указатель PHASE не изменяется, и в порт выводятся все нулевые значения.
Величина T, которой следует загружать таймер STCNT, однозначно связана со значением переменной VC. Однако перевод частоты в период занимает довольно много времени, поэтому эти вычисления производятся в основной программе, и не на каждом шаге, а гораздо реже. Вообще, эти вычисления нужно периодически производить только во время разгона или торможения. В остальных случаях скорость, и, соответственно, период повторения шагов, не меняются. Для осуществления ШИМ-стабилизации тока фазы должны периодически включаться, а затем, при достижении током заданного уровня, выключаться. Периодическое включение производится в прерывании таймера 0, для чего даже в случае отсутствия переполнения программного таймера STCNT в порт выводится текущая комбинация фаз. Происходит это с периодом 25мкс (что соответствует частоте ШИМ 40кГц). Выключением фаз управляют компараторы, выходы которых подключены к входам прерывания INT0 и INT1. Прерывания разрешаются после того, как ток фаз включается, и запрещаются сразу после переключения компараторов. Это исключает их повторную обработку. В обработчиках прерываний происходит только отключение соответствующих фаз (рис. 32).
Рис. 32. Блок-схема обработчика прерываний INT0 и INT1.
Процессы, происходящие при ШИМ-стабилизации тока, показаны на рис. 33. Особо следует отметить, что ток в датчике тока имеет прерывистый характер даже в том случае, если ток обмотки не прерывается. Это связано тем, что во время спада тока его путь не проходит через датчик тока (а проходит через диод).
mirznanii.com
