Рис. 15. Зависимость момента шагового двигателя от скорости
Разгон двигателя. Для того, чтобы работать на большой скорости из области разгона (рис. 15), необходимо стартовать на низкой скорости из области старта, а затем выполнить разгон. При остановке нужно действовать в обратном порядке: сначала выполнить торможение, и только войдя в область старта можно прекратить подачу управляющих импульсов. В противном случае произойдет потеря синхронности и положение ротора будет утеряно. Использование разгона и торможения позволяет достичь больших скоростей – используются скорости до 10000 полных шагов в секунду. Необходимо отметить, что непрерывная работа шагового двигателя на высокой скорости не всегда допустима ввиду нагрева ротора. Однако высокая скорость кратковременно может быть использована при осуществлении позиционирования.
При разгоне двигатель проходит ряд скоростей, при этом на одной из скоростей можно столкнуться с неприятным явлением резонанса. Для нормального разгона желательно иметь нагрузку, момент инерции которой как минимум равен моменту инерции ротора. На ненагруженном двигателе явление резонанса проявляется наиболее сильно. Подробно методы борьбы с этим явлением будут описаны ниже.
При осуществлении разгона или торможения важно правильно выбрать закон изменения скорости и максимальное ускорение. Ускорение должно быть тем меньше, чем выше инерционность нагрузки. Критерий правильного выбора режима разгона – это осуществление разгона до нужной скорости для конкретной нагрузки за минимальное время. На практике чаще всего применяют разгон и торможение с постоянным ускорением.
Реализация закона, по которому будет производится ускорение или торможение двигателя, обычно производится программно управляющим контроллером, так как именно он является источником тактовой частоты для коммутатора обмоток шагового двигателя.
Для генерации тактовой частоты удобно использовать аппаратный таймер, который имеется в составе практически любого микроконтроллера. Когда двигатель вращается с постоянной скоростью, достаточно загрузить в таймер постоянное значение периода повторения шагов (длительность шага). Если же двигатель разгоняется или тормозится, этот период меняется с каждым новым шагом. При разгоне или торможении с постоянным ускорением частота повторения шагов должна изменяться линейно, соответственно значение периода, которое необходимо загружать в таймер, должно меняться по гиперболическому закону.
Явление резонанса. Шаговым двигателям свойственен нежелательный эффект, называемый резонансом. Эффект проявляется в виде внезапного падения момента на некоторых скоростях. Это может привести к пропуску шагов и потере синхронности. Эффект проявляется в том случае, если частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора двигателя.
Когда двигатель совершает шаг, ротор не сразу устанавливается в новую позицию, а совершает затухающие колебания. Систему ротор – магнитное поле – статор можно рассматривать как пружинный маятник, частота колебаний которого зависит от момента инерции ротора (плюс нагрузки) и величины магнитного поля. Ввиду сложной конфигурации магнитного поля, резонансная частота ротора зависит от амплитуды колебаний. При уменьшении амплитуды частота растет, приближаясь к так называемой малоамплитудной частоте, которая достаточно просто вычисляется количественно. Эта частота зависит от угла шага и от отношения момента удержания к моменту инерции ротора. Больший момент удержания и меньший момент инерции приводят к увеличению резонансной частоты.
Необходимо заметить, что резонансную частоту определяет момент инерции собственно ротора двигателя плюс момент инерции нагрузки, подключенной к валу двигателя. Поэтому резонансная частота ротора ненагруженного двигателя, которая иногда приводится среди параметров, имеет невысокую практическую ценность, так как любая нагрузка, подсоединенная к двигателю, изменит эту частоту.
На практике эффект резонанса приводит к трудностям при работе на частоте, близкой к резонансной. Момент на частоте резонанса равен нулю и без принятия специальных мер шаговый двигатель не может при разгоне пройти резонансную частоту. В любом случае, явление резонанса способно существенно ухудшить точностные характеристики привода.
В системах с низким демпфированием существует опасность потери шагов или повышения шума, когда двигатель работает вблизи резонансной частоты. В некоторых случаях проблемы могут возникать и на гармониках частоты основного резонанса.
Когда используется не микрошаговый режим, основной причиной появления колебаний является прерывистое вращение ротора. При осуществлении шага ротору толчком сообщается некоторая энергия. Этот толчок возбуждает колебания. Энергия, которая сообщается ротору в полушаговом режиме, составляет около 30% от энергии полного шага. Поэтому в полушаговом режиме амплитуда колебаний существенно меньше. В микрошаговом режиме с шагом 1/32 основного при каждом микрошаге сообщается всего около 0.1% от энергии полного шага. Поэтому в микрошаговом режиме явление резонанса практически незаметно.
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 подавлению резонанса.
И, наконец, существуют методы борьбы с резонансом на уровне алгоритма работы драйвера. 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.
Питание обмоток шагового двигателя
Для питания обычного двигателя постоянного тока требуется лишь источник постоянного напряжения, а необходимые коммутации обмоток выполняются коллектором. С шаговым двигателем всё сложнее. Все коммутации 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 частотой следования импульсов.
В полушаговом режиме всё немного сложнее и требуется уже минимум 4 сигнала. Все сигналы управления шаговым двигателем можно сформировать программно, однако это вызовет большую загрузку управляющего микропроцессора контроллера. Поэтому чаще применяют специальные микросхемы драйверов шагового двигателя, которые уменьшают количество требуемых от процессора динамических сигналов. Типично эти микросхемы требуют сигнал тактовой частоты, которая является частотой повторения шагов и статический сигнал, который задает направление вращения. 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 коммутатора, 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. Рабочая температура ШД обычно указывается производителем, но общепринято, 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 коммутатор так, чтобы для заданных параметров обмоток обеспечить наилучшую эффективность.
Схема коммутатора 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 в обмотках. 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 переключения половинок обмоток или целых обмоток. В этом случае требуются только два простых ключа A и B для каждой фазы (рис. 16).
Рис. 16. Питание обмотки униполярного двигателя
В биполярных двигателях направление тока меняется путем переполюсовки выводов обмоток. Для такой переполюсовки требуется полный H-мост (рис. 17). Управление ключами в том и другом случае должно осуществляться логической схемой, реализующей нужный алгоритм работы. Предполагается, что источник питания схем имеет номинальное для обмоток двигателя напряжение. Это простейший способ управления током обмоток биполярного лвигателя.
Рис. 17. Питание обмотки биполярного двигателя
Нужно отметить, что при раздельном управлении транзисторами 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 контроллера.
Обмотки двигателя представляют собой индуктивность. При подключении обмотки к источнику питания ток будет с некоторой скоростью нарастать, а при отключении обмотки произойдет выброс напряжения, обусловленного ЭДС самоиндукции. Этот выброс способен повредить ключи, в качестве которых используются биполярные или полевые транзисторы. Для ограничения этого выброса устанавливают специальные защитные цепочки. На схемах рис. 16 и 17 эти цепочки образованы диодами, значительно реже применяют конденсаторы или их комбинацию с диодами. Применение конденсаторов может привести к появлению электрического резонанса, что иногда приводит к увеличению момента на некоторой скорости.
На рис. 16 потребовалось 4 диода по той причине, что половинки обмоток униполярного двигателя расположены на общем сердечнике и магнитно 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 (включенные параллельно каналу сток – исток). В интегральных микросхемах, содержащих мощные выходные каскады с открытым коллектором или открытым стоком, также часто имеются такие диоды.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Структурная схема лабораторной установки приведена на рис. 18. Установка состоит из контроллера, управляемого с помощью интерфейса Centronics IBM-совместимого компьютера, и шагового двигателя М1 типа ШДА-1. Используемый ШД является униполярным, с двумя парами обмоток, соединенных одними из выводов попарно. Два таких “общих” вывода соединены вместе и подключены к источнику питания напряжением +U. Оставшиеся четыре вывода обмоток, обозначенных как Ф1-Ф4, подключены к контроллеру.
Контроллер выполнен на двух печатных платах, соединенных вместе плоским кабелем. Первая из них содержит блок управления, вторая – блок ключей, коммутирующих обмотки двигателя и индикаторы. Принципиальные схемы указанных блоков приведены на рис. 19 и рис. 20 соответственно.
Рассмотрим устройство блока управления. На микросхеме DA1 выполнен стабилизатор напряжения, обеспечивающий питание микросхем DD1–DD5 стабилизированным напряжением +5В. Диод VD1 служит для защиты схемы от выхода из строя при подключении источника питания неправильной полярности. Конденсаторы C1–C3 необходимы для фильтрации напряжения источника питания и для защиты от проникновения помех по цепям питания в схему блока управления.
Тактовый генератор служит источником импульсов для реверсивного счетчика и выполнен по стандартной схеме мультивибратора на двух инверторах DD1.1 и DD1.2. Элемент DD1.3 является буферным. К его выходу подключен индикаторный светодиод HL1 “Такт”, который используется для визуального наблюдения за частотой импульсов тактового генератора. Импульсы с выхода тактового генератора также поступают на один из входов “+1” или “-1” реверсивного счетчика на микросхеме DD2. Выбор входа осуществляется перестановкой положения перемычки S1 “Направление”, расположенной на плате блока управления. От положения этой перемычки зависит направление вращения ШД в автономном режиме работы установки.
На микросхемах DD2–DD4 выполнен реверсивный счетчик-дешифратор. DD2 представляет собой четырехразрядный реверсивный двоичный счетчик со входами предварительной записи. Данные входы в приведенной схеме не используются. Слово на выходах счетчика инкрементируется или декрементируется по фронту импульса, пришедшего на вход “+1” или “-1”. При этом на другом входе должен быть зафиксирован уровень лог. 1. Начальное состояние счетчика не имеет значения, поэтому вход начальной установки R не используется.
Двоичный код с двух младших разрядов счетчика подается на входы микросхемы DD3. Эта микросхема является сдвоенным дешифратором-демультиплексором, преобразующим входной двоичный код в выходной десятичный. Используется только один из встроенных в нее дешифраторов (нижний на схеме). На входы разрешения этого дешифратора E и C2 постоянно подается активный уровень лог. 0.
Выходы микросхемы DD3 – инверсные. Сигнал с этих выходов следует на входы преобразователя кодов, выполненного на микросхеме DD4, содержащей четыре двухвходовых логических элемента И-НЕ. Такая схема преобразователя позволила организовать требуемые для обеспечения работы ШД в полношаговом двухфазном режиме последовательности импульсов.
Мультиплексор построен с использованием микросхемы сдвоенного шинного усилителя-формирователя DD5. Назначение мультиплексора – переключение потоков данных с выхода преобразователя (в автономном режиме работы, входы А на рис. 18)
Рис. 19. Принципиальная схема блока управления
и интерфейса Centronics (в режиме управления от компьютера, входы В, рис. 18).
Выходы обоих усилителей-формирователей В0–В3 объединены вместе и подключены ко входам ключей, управляющих обмотками ШД. Выходы могут быть переведены в отключенное Z-состояние путем подачи сигнала с уровнем лог. 1 на вход разрешения EO каждого формирователя. Входы EO DD5.1 и DD5.2 объединены через инвертор DD1.4. На вход этого инвертора (и, соответственно, на вход ЕО DD5.2) подключена линия данных D4 интерфейса Centronics. Подача уровня лог. 0 на эту линию приводит к отключению схем блока управления от ключей ШД и подключению к этим ключам линий D0-D3 интерфейса Centronics.
Принципиальная схема блока ключей приведена на рис. 20. Блок состоит из четырех одинаковых ключей, выполненных на транзисторах VT1–VT4. Используются мощные составные транзисторы КТ8131А, что позволило обойтись без использования дополнительных каскадов усиления управляющих сигналов.
Обмотки ШД M1 включены в цепь коллектора каждого из транзисторов ключей. Для защиты от выбросов ЭДС самоиндукции обмотки шунтируются обратносмещенными импульсными диодами VD1-VD4, обеспечивающими шунтирование ЭДС самоиндукции, возникающей в моменты размыкания ключа. Параллельно этим диодам включены индикаторные светодиоды HL1-HL4, позволяющие контролировать наличие напряжения на обмотках Ф1-Ф4 шагового двигателя.
Рис. 20. Принципиальная схема блока ключей
Для включения контроллера необходимо:
подключить источник питания установки напряжением 15–24В к гнездам "+" и "-" на плате блока управления соблюдая полярность;
подключить кабель интерфейса Centronics к LPT-порту персонального компьютера;
подключить шаговый двигатель к разъему на плате блока ключей;
включить источник питания установки;
включить питание компьютера.
Внимание:все подключения и отключения выполняются только при выключенных компьютере и источнике питания установки. Несоблюдение данного требования может привести к выходу компьютера и (или) блока управления установки из строя.
ЗАДАНИЯ К РАБОТЕ
Изучите теоретический материал, посвященный шаговым двигателям и ответьте на контрольные вопросы, приведенные в конце работы.
Изучите устройство и принципы программирования параллельного порта Centronics (см. Приложение). Ответьте на контрольные вопросы, приведенные в конце Приложения.
Изучите описание лабораторной установки, ее электрическую схему.
Включите лабораторную установку, переведя ее в автономный режим работы (D4=1, кабель интерфейса не подключен к адаптеру LPT-порта компьютера). Напряжение питания установки +15В. С помощью двухлучевого осциллографа исследуйте используемый в автономном режиме способ формирования импульсов на обмотках ШД. На основании изученного теоретического материала охарактеризуйте этот способ. Определите число шагов ШД, требуемое для поворота вала на 360 градусов.
Подключите установку к параллельному порту Centronics персонального компьютера. Используя компилятор языка Паскаль напишите программу, реализующую постоянное вращение ШД в полношаговом однофазном режиме со скоростью 5 шагов в секунду по часовой стрелке без разгона.
Выполните задание 5, реализуя вращение вала двигателя на заданное пользователем количество шагов в полношаговом двухфазном режиме против часовой стрелки.
Напишите программу, выполняющую вращение вала двигателя в полушаговом режиме против часовой стрелки на 100 шагов и затем на 200 шагов в обратном направлении со скоростью 30 шагов в секунду.
Напишите универсальную подпрограмму, выполняющую поворот вала ШД на заданное количество шагов с плавным разгоном до заданной скорости в полушаговом режиме, считая, что частота приемистости используемого двигателя равна 50 Гц. Параметры вращения (количество шагов, скорость, направление) задаются в виде параметров подпрограммы.
Плавно увеличивая скорость вращения вала ненагруженного и нагруженного ШД, определите резонансные скорости ШД, на которых работа носит неустойчивый характер.
Постройте зависимость максимальной скорости вращения (в шагах в секунду) ненагруженного и нагруженного ШД от напряжения источника питания (в пределах 15–24 В). Объясните полученную зависимость.
СПИСОК КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ
Какое устройство называют шаговым двигателем?
Где применяются шаговые двигатели?
Перечислите достоинства и недостатки ШД.
Какие виды шаговых двигателей Вы знаете?
Как устроен ШД с переменным магнитным сопротивлением?
Как устроен ШД с постоянными магнитами?
Какие шаговые двигатели называются гибридными?
В чем различие между биполярными и униполярными ШД?
Как использовать униполярный ШД в биполярном режиме?
Чем определяется момент, создаваемый ШД?
Какие способы управления фазами ШД Вам известны?
Как реализуется полношаговый режим работы ШД?
Как реализуется полушаговый режим работы ШД?
Что такое микрошаговый режим работы? В чем его преимущества и недостатки?
Как обеспечить вращение ШД с постоянной скоростью?
Что такое мертвые зоны ШД?
Чем определяется форма тока в обмотках двигателя?
Что такое частота приемистости ШД?
Как осуществляется разгон шагового двигателя?
Какие причины приводят к возникновению резонанса в шаговых двигателях?
Какими средствами необходимо бороться с явлением резонанса в ШД?
Как организуется коммутация обмоток униполярного ШД?
Как организуется коммутация обмоток биполярного ШД?
Какие методы используются для защиты ключей, коммутирующих обмотки ШД, от явления самоиндукции?
Список использованных источников:
Ридико Л. Раз–шажок, два– шажок // Схемотехника.– 2001.–№7–10.
Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. М.: Высшая школа, 1985.
Ивоботенко Б.А. и др. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями.М.: Энергия,1971.
Подлипенский B.C., Сабинин Ю.А., Юрчук Л.Ю. Элементы и устройства автоматики. / Под ред. Ю.А.Сабинина. Л.: Политехника, 1994.
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР
Описание лабораторной установки | |
Задания к работе | |
Список контрольных вопросов | |
Список использованных источников |
Цель Работы:
Изучить принципы построения, программирования и отладки автоматизированных систем сбора и обработки аналого-цифровой информации на основе оптического спектрометра.
ОБОРУДОВАНИЕ:
Макет оптического спектрометра (источник света, держатель образца, монохроматор с шаговым двигателем, фокусирующая оптика, фотодетектор с усилителем), макет устройства управления шаговым двигателем, макет АЦП, макет коммутатора портов (демультиплексора), три регулируемых источника питания 0-30В, мультиметр, двухлучевой осциллограф, персональный компьютер, соединительные провода, светофильтры-образцы с известными и неизвестными спектрами оптического поглощения
Рис. 1. Структурная схема макета одноканального оптического спектрометра
Рис. 1. Принципиальная схема макета демультиплексора портов
Список использованных источников:
Ридико Л. Раз–шажок, два– шажок // Схемотехника.– 2001.–№7–10.
Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. М.: Высшая школа, 1985.
Ивоботенко Б.А. и др. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями.М.: Энергия,1971.
Подлипенский B.C., Сабинин Ю.А., Юрчук Л.Ю. Элементы и устройства автоматики. / Под ред. Ю.А.Сабинина. Л.: Политехника, 1994.
ИНТЕРФЕЙС
CENTRONICS И ЕГО ПРОГРАММИРОВАНИЕ
Параллельный интерфейс Centronics | 1 |
Понятие Centronics | 2 |
Стандарт IEEE 1284 | 3 |
Физический и электрический интерфейс | 4 |
Работа с параллельным портом на низком уровне | 5 |
Регистр данных (DR) | 6 |
Регистр состояния (CR) | 7 |
Регистр управления (CR) | 8 |
Программирование интерфейса | 9 |
Список контрольных вопросов | 10 |
Список использованных источников | 11 |
Параллельный интерфейс CENTRONICS
textarchive.ru
Рис. 10. Зависимость момента от угла поворота ротора для двух запитанных обмоток.
При этом, если токи в обмотках одинаковы, то точка максимума момента будет смещена на половину шага. На половину шага сместится и точка равновесия ротора (точка e на рисунке). Этот факт и положен в основу реализации полушагового режима. Пиковое значение момента (момент удержания) при этом будет в корень из двух раз больше, чем при одной запитанной обмотке.
Th3 = 2 0.5*Th2, где Th3 – момент удержания при двух запитанных обмотках, Th2 – момент удержания при одной запитанной обмотке.
Именно этот момент обычно и указывается в характеристиках шагового двигателя. Величина и направление магнитного поля показаны на векторной диаграмме (рис. 11).
Рис. 11. Величина и направление магнитного поля для разных режимов питания фаз.
Оси X и Y совпадают с направлением магнитного поля, создаваемого обмотками первой и второй фазы двигателя. Когда двигатель работает с одной включенной фазой, ротор может занимать положения 1, 3, 5, 7. Если включены две фазы, то ротор может занимать положения 2, 4, 6, 8. К тому же, в этом режиме больше момент, так как он пропорционален длине вектора на рисунке. Оба эти метода управления обеспечивают полный шаг, но положения равновесия ротора смещены на пол-шага. Если скомбинировать два этих метода и подать на обмотки соответствующие последовательности импульсов, то можно заставить ротор последовательно занимать положения 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, что соответствует половинному шагу. По сравнению с полношаговым режимом, полушаговый режим имеет следующие преимущества:
более высокая разрешающая способность без применения более дорогих двигателей
меньшие проблемы с явлением резонанса. Резонанс приводит лишь к частичной потере момента, что обычно не мешает нормальной работе привода.
Недостатком полушагового режима является довольно значительное колебание момента от шага к шагу. В тех положениях ротора, когда запитана одна фаза, момент составляет примерно 70% от полного, когда запитаны две фазы. Эти колебания могут явиться причиной повышенных вибраций и шума, хотя они всё равно остаются меньшими, чем в полношаговом режиме. Способом устранения колебаний момента является поднятие момента в положениях с одной включенной фазой и обеспечение таким образом одинакового момента во всех положениях ротора. Это может быть достигнуто путем увеличения тока в этих положениях до уровня примерно 141% от номинального. Некоторые драйверы, такие как PBL 3717/2 и PBL 3770A фирмы Ericsson, имеют логические входы для изменения величины тока. Нужно отметить, что величина 141% является теоретической, поэтому в приложениях, требующих высокой точности поддержания момента эта величина должна быть подобрана экспериментально для конкретной скорости и конкретного двигателя. Поскольку ток поднимается только в те моменты, когда включена одна фаза, рассеиваемая мощность равна мощности в полношаговом режиме при токе 100% от номинального. Однако такое увеличение тока требует более высокого напряжения питания, что не всегда возможно. Есть и другой подход. Для устранения колебаний момента при работе двигателя в полушаговом режиме можно снижать ток в те моменты, когда включены две фазы. Для получения постоянного момента этот ток должен составлять 70.7% от номинального. Таким образом реализует полушаговый режим, например, микросхема драйвера A3955 фирмы Allegro. Для полушагового режима очень важным является переход в состояние с одной выключенной фазой. Чтобы заставить ротор принять соответствующее положение, ток в отключенной фазе должен быть уменьшен до нуля как можно быстрее. Длительность спада тока зависит от напряжения на обмотке в то время, когда она теряет свою запасенную энергию. Замыкая в это время обмотку на источник питания, который представляет максимальное напряжение, имеющееся в системе, обеспечивается максимально быстрый спад тока. Для получения быстрого спада тока при питании обмоток двигателя H-мостом все транзисторы должны закрываться, при этом обмотка через диоды оказывается подключенной к источнику питания. Скорость спада тока значительно уменьшится, если один транзистор моста оставить открытым и закоротить обмотку на транзистор и диод. Для увеличения скорости спада тока при управлении униполярными двигателями подавление выбросов ЭДС самоиндукции предпочтительнее осуществлять не диодами, а варисторами или комбинацией диодов и стабилитрона, которые ограничат выброс на большем, но безопасном для транзисторов уровне. Микрошаговый режим Микрошаговый режим обеспечивается путем получения поля статора, вращающегося более плавно, чем в полно- или полушаговом режимах. В результате обеспечиваются меньшие вибрации и практически бесшумная работа вплоть до нулевой частоты. К тому же меньший угол шага способен обеспечить более точное позиционирование. Существует много различных микрошаговых режимов, с величиной шага от 1/3 полного шага до 1/32 и даже меньше. Шаговый двигатель является синхронным электродвигателем. Это значит, что положение равновесия неподвижного ротора совпадает с направлением магнитного поля статора. При повороте поля статора ротор тоже поворачивается, стремясь занять новое положение равновесия.
Рис. 12. Зависимость момента от угла поворота ротора в случае разных значений тока фаз.
Чтобы получить нужное направление магнитного поля, необходимо выбрать не только правильное направление токов в катушках, но и правильное соотношение этих токов. Если одновременно запитаны две обмотки двигателя, но токи в этих обмотках не равны (рис. 12), то результирующий момент будет
Th = ( a2 + b2 )0.5, а точка равновесия ротора сместится в точку x = ( S / (pi/2) ) arctan( b / a ), где a и b – момент, создаваемый первой и второй фазой соответственно, Th – результирующий момент удержания, x – положение равновесия ротора в радианах, S – угол шага в радианах.
Смещение точки равновесия ротора говорит о том, что ротор можно зафиксировать в любой произвольной позиции. Для этого нужно лишь правильно установить отношение токов в фазах. Именно этот факт используется при реализации микрошагового режима. Ещё раз нужно отметить, что приведенные выше формулы верны только в том случае, если зависимость момента от угла поворота ротора синусоидальная и если ни одна часть магнитной цепи двигателя не насыщается. В пределе, шаговый двигатель может работать как синхронный электродвигатель в режиме непрерывного вращения. Для этого токи его фаз должны быть синусоидальными, сдвинутыми друг относительно друга на 90 град. Результатом использования микрошагового режима является намного более плавное вращение ротора на низких частотах. На частотах в 2 – 3 раза выше собственной резонансной частоты ротора и нагрузки, микрошаговый режим дает незначительные преимущества по сравнению с полу- или полношаговым режимами. Причиной этого является фильтрующее действие инерции ротора и нагрузки. Система с шаговым двигателем работает подобно фильтру нижних частот. В микрошаговом режиме можно осуществлять только разгон и торможение, а основное время работать в полношаговом режиме. К тому же, для достижения высоких скоростей в микрошаговом режиме требуется очень высокая частота повторения микрошагов, которую не всегда может обеспечить управляющий микроконтроллер. Для предотвращения переходных процессов и потери шагов, переключения режимов работы двигателя (из микрошагового режима в полношаговый и т.п.) необходимо производить в те моменты, когда ротор находится в положении, соответствующем одной включенной фазе. Некоторые микросхемы драйверов микрошагового режима имеют специальный сигнал, который информирует о таком положении ротора. Например, это драйвер A3955 фирмы Allegro. Во многих приложениях, где требуются малые относительные перемещения и высокая разрешающая способность, микрошаговый режим способен заменить механический редуктор. Часто простота системы является решающим фактором, даже если при этом придется применить двигатель больших габаритов. Несмотря на то, что драйвер, обеспечивающий микрошаговый режим, намного сложнее обычного драйвера, всё равно система может оказаться более простой и дешевой, чем шаговый двигатель, плюс редуктор. Современные микроконтроллеры иногда имеют встроенные ЦАПы, которые можно использовать для реализации микрошагового режима взамен специальных контроллеров. Это позволяет сделать практически одинаковой стоимость оборудования для полношагового и микрошагового режимов. Иногда микрошаговый режим используется для увеличения точности величины шага сверх заявленной производителем двигателя. При этом используется номинальное число шагов. Для повышения точности используется коррекция положения ротора в точках равновесия. Для этого сначала снимают характеристику для конкретного двигателя, а затем, изменяя соотношение токов в фазах, корректируют положение ротора индивидуально для каждого шага. Такой метод требует предварительной калибровки и дополнительных ресурсов управляющего микроконтроллера. Кроме того, требуется датчик начального положения ротора для синхронизации его положения с таблицей корректирующих коэффициентов. На практике при осуществлении каждого шага ротор не сразу останавливается в новом положении равновесия, а осуществляет затухающие колебания вокруг положения равновесия. Время установления зависит от характеристик нагрузки и от схемы драйвера. Во многих приложениях такие колебания являются нежелательными. Избавиться от этого явления можно путем использования микрошагового режима. На рис. 13 показаны перемещения ротора при работе в полношаговом и микрошаговом режимах.
Рис. 13. Перемещения ротора в полношаговом и микрошаговом режимах.
Видно, что в полношаговом режиме наблюдаются выбросы и колебания, в то время как в микрошаговом режиме их нет. Однако и в этом режиме график положения ротора отличается от прямой линии. Эта погрешность объясняется погрешностью геометрии деталей двигателя и может быть уменьшена путем проведения калибровки и последующей компенсации путем корректировки токов фаз. На практике существуют некоторые факторы, ограничивающие точность работы привода в микрошаговом режиме. Некоторые из них относятся к драйверу, а некоторые непосредственно к двигателю. Обычно производители шаговых двигателей указывают такой параметр, как точность шага. Точность шага указывается для положений равновесия ротора при двух включенных фазах, токи которых равны. Это соответствует полношаговому режиму с перекрытием фаз. Для микрошагового режима, когда токи фаз не равны, никаких данных обычно не приводится. Идеальный шаговый двигатель при питании фаз синусоидальным и косинусоидальным током должен вращаться с постоянной скоростью. У реального двигателя в таком режиме будут наблюдаться некоторые колебания скорости. Связано это с нестабильностью воздушного зазора между полюсами ротора и статора, наличием магнитного гистерезиса, что приводит к погрешностям величины и направления магнитного поля и т.д. Поэтому положения равновесия и момент имеют некоторые отклонения. Эти отклонения зависят от погрешности формы зубцов ротора и статора и от примененного материала магнитопроводов. Конструкция некоторых двигателей оптимизирована для наилучшей точности в полношаговом режиме и максимального момента удержания. Специальная форма зубцов ротора и статора спроектирована так, чтобы в положении равновесия для полношагового режима магнитный поток сильно возрастал. Это приводит к ухудшению точности в микрошаговом режиме. Лучшие результаты позволяют получить двигатели, у которых момент удержания в обесточенном состоянии меньше. Отклонения можно разделить на два вида: отклонения величины магнитного поля, которые приводят к отклонениям момента удержания в микрошаговом режиме и отклонения направления магнитного поля, которые приводят к отклонениям положения равновесия. Отклонения момента удержания в микрошаговом режиме обычно составляют 10 – 30% от максимального момента. Нужно сказать, что и в полношаговом режиме момент удержания может колебаться на 10 – 20 % вследствие искажений геометрии ротора и статора. Если измерить положения равновесия ротора при вращении двигателя по и против часовой стрелки, то получатся несколько разные результаты. Этот гистерезис связан в первую очередь с магнитным гистерезисом материала сердечника, хотя свой вклад вносит и трение. Магнитный гистерезис приводит к тому, что магнитный поток зависит не только от тока обмоток, но и от предыдущего его значения. Погрешность, создаваемая гистерезисом может быть равна нескольким микрошагам. Поэтому в высокоточных приложениях при движении в одном из направлений нужно проходить за желаемую позицию, а затем возвращаться назад, чтобы подход к нужной позиции всегда осуществлялся в одном направлении. Вполне естественно, что любое желаемое увеличение разрешающей способности наталкивается на какие-то физические ограничения. Не стоит думать, что точность позиционирования для 7.2 град. двигателя в микрошаговом режиме не уступает точности 1.8 град. двигателя. Препятствием являются следующие физические ограничения:
нарастание момента в зависимости от угла поворота у 7.2 градусного двигателя в четыре раза более пологое, чем у настоящего 1.8-градусного двигателя. Вследствие действия момента трения или момента инерции нагрузки точность позиционирования уже будет хуже
как будет показано ниже, если в системе есть трение, то вследствие появления мертвых зон точность позиционирования будет ограничена
большинство коммерческих двигателей не обладают прецизионной конструкцией и зависимость между моментом и углом поворота ротора не является в точности синусоидальной. Вследствие этого зависимость между фазой синусоидального тока питания и углом поворота вала будет нелинейной. В результате ротор двигателя будет точно проходить положения каждого шага и полушага, а между этими положениями будут наблюдаться довольно значительные отклонения
Эти проблемы наиболее ярко выражены для двигателей с большим количеством полюсов. Существуют однако двигатели, ещё на этапе разработки оптимизированные для работы в микрошаговом режиме. Полюса ротора и статора таких двигателей менее выражены благодаря скошенной форме зубцов. Еще один источник погрешностей позиционирования – это ошибка квантования ЦАП, с помощью которого формируются токи фаз. Дело в том, что ток должен формироваться по синусоидальному закону, поэтому для минимизации погрешности линейный ЦАП должен иметь повышенную разрядность. Существуют специализированные драйверы со встроенным нелинейным ЦАПом, который позволяет сразу получать отсчеты функции sin. Примером может служить драйвер A3955 фирмы Allegro, который имеет встроенный 3-х разрядный ЦАП, который обеспечивает следующие значения тока фаз: 100%, 92.4%, 83.1%, 70.7%, 55.5%, 38.2%, 19.5%, 0%. Это позволяет работать в микрошаговом режиме с величиной шага 1/8, при этом погрешность установки тока фаз не превышает 2%. Кроме того, этот драйвер имеет возможность управлять скоростью спада тока обмоток двигателя во время работы, что позволяет произвести «тонкую подстройку» драйвера под конкретный двигатель для получения наименьшей погрешности позиционирования. Даже если ЦАП точно сформировал синусоидальное опорное напряжение, его нужно усилить и превратить в синусоидальный ток обмоток. Многие драйверы имеют значительную нелинейность вблизи нулевого значения тока, что вызывает значительные искажения формы и, как следствие, значительные ошибки позиционирования. Если используются высококачественные драйверы, например PBM3960 и PBL3771 фирмы Ericsson, погрешность, связанная с драйвером исчезающе мала по сравнению с погрешностью двигателя. Иногда контроллеры шаговых двигателей позволяют корректировать форму выходного сигнала путем добавления или вычитания из синуса его третьей гармоники. Однако такая подстройка должна производится индивидуально под конкретный двигатель, характеристики которого должны быть перед этим измерены. Из-за этих ограничений микрошаговый режим используется в основном для обеспечения плавного вращения (особенно на очень низких скоростях), для устранения шума и явления резонанса. Микрошаговый режим также способен уменьшить время установления механической системы, так как в отличие от полношагового режима отсутствуют выбросы и осцилляции. Однако в большинстве случаев для обычных двигателей нельзя гарантировать точного позицианирования в микрошаговом режиме. Синусоидальный ток фаз может быть обеспечен применением специальных драйверов. Некоторые из них, например A3955, A3957 фирмы Allegro, уже содержат ЦАП и требуют о микроконтроллера только цифровых кодов. Другие же, такие как L6506, L298 фирмы SGS-Thomson, требуют внешних опорных напряжений синусоидальной формы, которые должен формировать микроконтроллер с помощью ЦАПов. Нужно сказать, что слишком большое количество дискретов синуса не приводит к повышению точности позиционирования, так как начинает доминировать ошибка, связанная с неидеальностью геометрии полюсов двигателя. Тем более, в этом случае отсчеты должны следовать с большой частотой, что является проблемой при их программном формировании. При работе на больших скоростях разрешающую способность ЦАПов можно уменьшить. Более того, при очень больших скоростях вообще рекомендуется работать в обычном полношаговом режиме, так как управление гармоническим сигналом теряет преимущества. Происходит это по той причине, что обмотки двигателя представляют собой индуктивность, соответственно любая конкретная схема драйвера с конкретным напряжением питания обеспечивает вполне определенную максимальную скорость нарастания тока. Поэтому при повышении частоты форма тока начинает отклоняться от синусоидальной и на очень больших частотах становится треугольной. Зависимость момента от скорости, влияние нагрузки Момент, создаваемый шаговым двигателем, зависит от нескольких факторов:
На рис. 14а показана зависимость момента от угла поворота ротора.
Рис. 14. Возникновение мертвых зон в результате действия трения.
У идеального шагового двигателя эта зависимость синусоидальная. Точки S являются положениями равновесия ротора для ненагруженного двигателя и соответствуют нескольким последовательным шагам. Если к валу двигателя приложить внешний момент, меньший момента удержания, то угловое положение ротора изменится на некоторый угол Ф.
Ф = (N/(2*pi))*sin(Ta/Th), где Ф – угловое смещение, N – количество шагов двигателя на оборот, Ta – внешний приложенный момент, Th – момент удержания.
Угловое смещение Ф является ошибкой позиционирования нагруженного двигателя. Если к валу двигателя приложить момент, превышающий момент удержания, то под действием этого момента вал провернется. В таком режиме положение ротора является неконтролируемым. На практике всегда имеется приложенный к двигателю внешний момент, хотя бы потому, что двигателю приходится преодолевать трение. Силы трения могут быть разделены на две категории: статическое трение или трение покоя, для преодоления которого требуется постоянный момент и динамическое трение или вязкое трение, которое зависит от скорости. Рассмотрим статическое трение. Предположим, что для его преодоления требуется момент в половину от пикового. На рис. 14а штриховыми линиями показан момент трения. Таким образом, для вращения ротора остается только момент, лежащий на графике за пределами штриховых линий. Отсюда следуют два вывода: трение снижает момент на валу двигателя и появляются мертвые зоны вокруг каждого положения равновесия ротора (рис. 14б):
d = 2 ( S / (pi/2) ) arcsin(T f /T h) = ( S / (pi/4) ) arcsin(T f / Th), где d – ширина мертвой зоны в радианах, S – угол шага в радианах, Tf – момент трения, Th – момент удержания.
Мертвые зоны ограничивают точность позиционирования. Например, наличие статического трения в половину от пикового момента двигателя с шагом 90 град. вызовет наличие мертвых зон в 60 град. Это означает, что шаг двигателя может колебаться от 30 до 150 град., в зависимости от того, в какой точке мертвой зоны остановится ротор после очередного шага. Наличие мертвых зон является очень важным для микрошагового режима. Если, например, имеются мертвые зоны величиной d, то микрошаг величиной менее d вообще не сдвинет ротор с места. Поэтому для систем с использованием микрошагов очень важно минимизировать трение покоя. Когда двигатель работает под нагрузкой, всегда существует некоторый сдвиг между угловым положением ротора и ориентацией магнитного поля статора. Особенно неблагоприятной является ситуация, когда двигатель начинает торможение и момент нагрузки реверсируется. Нужно отметить, что запаздывание или опережение относится только к положению, но не к скорости. В любом случае, если синхронность работы двигателя не потеряна, это запаздывание или опережение не может превышать величины двух полных шагов. Это весьма приятный факт. Каждый раз, когда шаговый двигатель осуществляет шаг, ротор поворачивается на S радиан. При этом минимальный момент имеет в место, когда ротор находится ровно между соседними положениями равновесия (рис. 15).
Рис. 15. Момент удержания и рабочий момент шагового двигателя.
Этот момент называют рабочим моментом, он означает, какой наибольший момент может преодолевать двигатель при вращении с малой скоростью. При синусоидальной зависимости момента от угла поворота ротора, этот момент Tr = Th/(20.5). Если двигатель делает шаг с двумя запитанными обмотками, то рабочий момент равен моменту удержания для одной запитанной обмотки. Параметры привода на основе шагового двигателя сильно зависят от характеристик нагрузки. Кроме трения, реальная нагрузка обладает инерцией. Инерция препятствует изменению скорости. Инерционная нагрузка требует от двигателя больших моментов на разгоне и торможении, ограничивая таким образом максимальное ускорение. С другой стороны, увеличение инерционности нагрузки увеличивает стабильность скорости. Такой параметр шагового двигателя, как зависимость момента от скорости является важнейшим при выборе типа двигателя, выборе метода управления фазами и выборе схемы драйвера. При конструировании высокоскоростных драйверов шаговых двигателей нужно учитывать, что обмотки двигателя представляют собой индуктивность. Эта индуктивность определяет время нарастания и спада тока. Поэтому если к обмотке приложено напряжение прямоугольной формы, форма тока не будет прямоугольной. При низких скоростях (рис. 16а) время нарастания и спада тока не способно сильно повлиять на момент, однако на высоких скоростях момент падает. Связано это с тем, что на высоких скоростях ток в обмотках двигателя не успевает достигнуть номинального значения (рис. 16б).
Рис. 16. Форма тока в обмотках двигателя на разных скоростях работы.
Для того, чтобы момент падал как можно меньше, необходимо обеспечить высокую скорость нарастания тока в обмотках двигателя, что достигается применением специальных схем для их питания. Поведение момента при увеличении частоты коммутации фаз примерно таково: начиная с некоторой частоты среза момент монотонно падает. Обычно для шагового двигателя приводятся две кривые зависимости момента от скорости (рис. 17).
Рис. 17. Зависимость момента от скорости.
Внутренняя кривая (кривая старта, или pull-in curve) показывает, при каком максимальном моменте трения для данной скорости шаговый двигатель способен тронуться. Эта кривая пересекает ось скоростей в точке, называемой максимальной частотой старта или частотой приемистости. Она определяет максимальную скорость, на которой ненагруженный двигатель может тронуться. На практике эта величина лежит в пределах 200 – 500 полных шагов в секунду. Инерционность нагрузки сильно влияет на вид внутренней кривой. Большая инерционность соответствует меньшей области под кривой. Эта область называется областью старта. Внешняя кривая (кривая разгона, или pull-out curve) показывает, при каком максимальном моменте трения для данной скорости шаговый двигатель способен поддерживать вращение без пропуска шагов. Эта кривая пересекает ось скоростей в точке, называемой максимальной частотой разгона. Она показывает максимальную скорость для данного двигателя без нагрузки. При измерении максимальной скорости нужно иметь в виду, что из-за явления резонанса момент равен нулю еще и на резонансной частоте. Область, которая лежит между кривыми, называется областью разгона. Нужно отметить, что схема драйвера в значительной степени влияет на ход кривой момент-скорость, но этот вопрос будет рассмотрен ниже. Разогнать! Для того, чтобы работать на большой скорости из области разгона (рис. 17), необходимо стартовать на низкой скорости из области старта, а затем выполнить разгон. При остановке нужно действовать в обратном порядке: сначала выполнить торможение, и только войдя в область старта можно прекратить подачу управляющих импульсов. В противном случае произойдет потеря синхронности и положение ротора будет утеряно. Использование разгона и торможения позволяет достичь значительно больших скоростей - в индустриальных применениях используются скорости до 10000 полных шагов в секунду. Необходимо отметить, что непрерывная работа шагового двигателя на высокой скорости не всегда допустима ввиду нагрева ротора. Однако высокая скорость кратковременно может быть использована при осуществлении позиционирования. При разгоне двигатель проходит ряд скоростей, при этом на одной из скоростей можно столкнуться с неприятным явлением резонанса. Для нормального разгона желательно иметь нагрузку, момент инерции которой как минимум равен моменту инерции ротора. На ненагруженном двигателе явление резонанса проявляется наиболее сильно. Подробно методы борьбы с этим явлением будут описаны ниже. При осуществлении разгона или торможения важно правильно выбрать закон изменения скорости и максимальное ускорение. Ускорение должно быть тем меньше, чем выше инерционность нагрузки. Критерий правильного выбора режима разгона – это осуществление разгона до нужной скорости для конкретной нагрузки за минимальное время. На практике чаще всего применяют разгон и торможение с постоянным ускорением. Реализация закона, по которому будет производится ускорение или торможение двигателя, обычно производится программно управляющим микроконтроллером, так как именно микроконтроллер обычно является источником тактовой частоты для драйвера шагового двигателя. Хотя раньше для этих целей применялись управляемые напряжением генераторы или программируемые делители частоты. Для генерации тактовой частоты удобно использовать аппаратный таймер, который имеется в составе практически любого микроконтроллера. Когда двигатель вращается с постоянной скоростью, достаточно загрузить в таймер постоянное значение периода повторения шагов (длительность шага). Если же двигатель разгоняется или тормозится, этот период меняется с каждым новым шагом. При разгоне или торможении с постоянным ускорением частота повторения шагов должна изменяться линейно, соответственно, значение периода, которое необходимо загружать в таймер, должно меняться по гиперболическому закону. Для наиболее общего случая требуется знать зависимость длительности шага от текущей скорости. Количество шагов, которое осуществляет двигатель при разгоне за время t равно: N = 1/2At2+Vt, где N – число шагов, t – время, V – скорость, выраженная в шагах в единицу времени, A – ускорение, выраженное в шагах, деленных на время в квадрате. Для одного шага N = 1, тогда длительность шага t1 = T = (-V+(V2+2A)0.5)/A В результате осуществления шага скорость становится равной Vnew = (V2+2A)0.5 Вычисления по приведенным формулам довольно трудоемки и требуют значительных затрат процессорного времени. В то же время, они позволяют изменять значение ускорения в произвольный момент. Расчеты можно существенно упростить, если потребовать постоянства ускорения во время разгона и торможения. В этом случае можно записать зависимость длительности шага от времени разгона: V = V0+At, где V – текущая скорость, V0 – начальная скорость (минимальная скорость, с которой начинается разгон), A – ускорение; 1/T = 1/T0+At, где T – длительность шага, T0 – начальная длительность шага, t – текущее время; Откуда T = T0/(1+T0At) Вычисления по этой формуле осуществить значительно проще, однако для того, чтобы поменять значение ускорения, требуется остановить двигатель. Резонанс Шаговым двигателям свойственен нежелательный эффект, называемый резонансом. Эффект проявляется в виде внезапного падения момента на некоторых скоростях. Это может привести к пропуску шагов и потере синхронности. Эффект проявляется в том случае, если частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора двигателя. Когда двигатель совершает шаг, ротор не сразу устанавливается в новую позицию, а совершает затухающие колебания. Дело в том, что систему ротор – магнитное поле – статор можно рассматривать как пружинный маятник, частота колебаний которого зависит от момента инерции ротора (плюс нагрузки) и величины магнитного поля. Ввиду сложной конфигурации магнитного поля, резонансная частота ротора зависит от амплитуды колебаний. При уменьшении амплитуды частота растет, приближаясь к малоамплитудной частоте, которая более просто вычисляется количественно. Эта частота зависит от угла шага и от отношения момента удержания к моменту инерции ротора. Больший момент удержания и меньший момент инерции приводят к увеличению резонансной частоты. Резонансная частота вычисляется по формуле:
studfiles.net
Рис. 15. Зависимость момента шагового двигателя от скорости
Разгон двигателя. Для того, чтобы работать на большой скорости из области разгона (рис. 15), необходимо стартовать на низкой скорости из области старта, а затем выполнить разгон. При остановке нужно действовать в обратном порядке: сначала выполнить торможение, и только войдя в область старта можно прекратить подачу управляющих импульсов. В противном случае произойдет потеря синхронности и положение ротора будет утеряно. Использование разгона и торможения позволяет достичь больших скоростей – используются скорости до 10000 полных шагов в секунду. Необходимо отметить, что непрерывная работа шагового двигателя на высокой скорости не всегда допустима ввиду нагрева ротора. Однако высокая скорость кратковременно может быть использована при осуществлении позиционирования.
При разгоне двигатель проходит ряд скоростей, при этом на одной из скоростей можно столкнуться с неприятным явлением резонанса. Для нормального разгона желательно иметь нагрузку, момент инерции которой как минимум равен моменту инерции ротора. На ненагруженном двигателе явление резонанса проявляется наиболее сильно. Подробно методы борьбы с этим явлением будут описаны ниже.
При осуществлении разгона или торможения важно правильно выбрать закон изменения скорости и максимальное ускорение. Ускорение должно быть тем меньше, чем выше инерционность нагрузки. Критерий правильного выбора режима разгона – это осуществление разгона до нужной скорости для конкретной нагрузки за минимальное время. На практике чаще всего применяют разгон и торможение с постоянным ускорением.
Реализация закона, по которому будет производится ускорение или торможение двигателя, обычно производится программно управляющим контроллером, так как именно он является источником тактовой частоты для коммутатора обмоток шагового двигателя.
Для генерации тактовой частоты удобно использовать аппаратный таймер, который имеется в составе практически любого микроконтроллера. Когда двигатель вращается с постоянной скоростью, достаточно загрузить в таймер постоянное значение периода повторения шагов (длительность шага). Если же двигатель разгоняется или тормозится, этот период меняется с каждым новым шагом. При разгоне или торможении с постоянным ускорением частота повторения шагов должна изменяться линейно, соответственно значение периода, которое необходимо загружать в таймер, должно меняться по гиперболическому закону.
Явление резонанса. Шаговым двигателям свойственен нежелательный эффект, называемый резонансом. Эффект проявляется в виде внезапного падения момента на некоторых скоростях. Это может привести к пропуску шагов и потере синхронности. Эффект проявляется в том случае, если частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора двигателя.
Когда двигатель совершает шаг, ротор не сразу устанавливается в новую позицию, а совершает затухающие колебания. Систему ротор – магнитное поле – статор можно рассматривать как пружинный маятник, частота колебаний которого зависит от момента инерции ротора (плюс нагрузки) и величины магнитного поля. Ввиду сложной конфигурации магнитного поля, резонансная частота ротора зависит от амплитуды колебаний. При уменьшении амплитуды частота растет, приближаясь к так называемой малоамплитудной частоте, которая достаточно просто вычисляется количественно. Эта частота зависит от угла шага и от отношения момента удержания к моменту инерции ротора. Больший момент удержания и меньший момент инерции приводят к увеличению резонансной частоты.
Необходимо заметить, что резонансную частоту определяет момент инерции собственно ротора двигателя плюс момент инерции нагрузки, подключенной к валу двигателя. Поэтому резонансная частота ротора ненагруженного двигателя, которая иногда приводится среди параметров, имеет невысокую практическую ценность, так как любая нагрузка, подсоединенная к двигателю, изменит эту частоту.
На практике эффект резонанса приводит к трудностям при работе на частоте, близкой к резонансной. Момент на частоте резонанса равен нулю и без принятия специальных мер шаговый двигатель не может при разгоне пройти резонансную частоту. В любом случае, явление резонанса способно существенно ухудшить точностные характеристики привода.
В системах с низким демпфированием существует опасность потери шагов или повышения шума, когда двигатель работает вблизи резонансной частоты. В некоторых случаях проблемы могут возникать и на гармониках частоты основного резонанса.
Когда используется не микрошаговый режим, основной причиной появления колебаний является прерывистое вращение ротора. При осуществлении шага ротору толчком сообщается некоторая энергия. Этот толчок возбуждает колебания. Энергия, которая сообщается ротору в полушаговом режиме, составляет около 30% от энергии полного шага. Поэтому в полушаговом режиме амплитуда колебаний существенно меньше. В микрошаговом режиме с шагом 1/32 основного при каждом микрошаге сообщается всего около 0.1% от энергии полного шага. Поэтому в микрошаговом режиме явление резонанса практически незаметно.
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 подавлению резонанса.
И, наконец, существуют методы борьбы с резонансом на уровне алгоритма работы драйвера. 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.
Питание обмоток шагового двигателя
Для питания обычного двигателя постоянного тока требуется лишь источник постоянного напряжения, а необходимые коммутации обмоток выполняются коллектором. С шаговым двигателем всё сложнее. Все коммутации 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 частотой следования импульсов.
В полушаговом режиме всё немного сложнее и требуется уже минимум 4 сигнала. Все сигналы управления шаговым двигателем можно сформировать программно, однако это вызовет большую загрузку управляющего микропроцессора контроллера. Поэтому чаще применяют специальные микросхемы драйверов шагового двигателя, которые уменьшают количество требуемых от процессора динамических сигналов. Типично эти микросхемы требуют сигнал тактовой частоты, которая является частотой повторения шагов и статический сигнал, который задает направление вращения. 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 коммутатора, 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. Рабочая температура ШД обычно указывается производителем, но общепринято, 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 коммутатор так, чтобы для заданных параметров обмоток обеспечить наилучшую эффективность.
Схема коммутатора 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 в обмотках. 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 переключения половинок обмоток или целых обмоток. В этом случае требуются только два простых ключа A и B для каждой фазы (рис. 16).
Рис. 16. Питание обмотки униполярного двигателя
В биполярных двигателях направление тока меняется путем переполюсовки выводов обмоток. Для такой переполюсовки требуется полный H-мост (рис. 17). Управление ключами в том и другом случае должно осуществляться логической схемой, реализующей нужный алгоритм работы. Предполагается, что источник питания схем имеет номинальное для обмоток двигателя напряжение. Это простейший способ управления током обмоток биполярного лвигателя.
Рис. 17. Питание обмотки биполярного двигателя
Нужно отметить, что при раздельном управлении транзисторами 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 контроллера.
Обмотки двигателя представляют собой индуктивность. При подключении обмотки к источнику питания ток будет с некоторой скоростью нарастать, а при отключении обмотки произойдет выброс напряжения, обусловленного ЭДС самоиндукции. Этот выброс способен повредить ключи, в качестве которых используются биполярные или полевые транзисторы. Для ограничения этого выброса устанавливают специальные защитные цепочки. На схемах рис. 16 и 17 эти цепочки образованы диодами, значительно реже применяют конденсаторы или их комбинацию с диодами. Применение конденсаторов может привести к появлению электрического резонанса, что иногда приводит к увеличению момента на некоторой скорости.
На рис. 16 потребовалось 4 диода по той причине, что половинки обмоток униполярного двигателя расположены на общем сердечнике и магнитно 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 (включенные параллельно каналу сток – исток). В интегральных микросхемах, содержащих мощные выходные каскады с открытым коллектором или открытым стоком, также часто имеются такие диоды.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Структурная схема лабораторной установки приведена на рис. 18. Установка состоит из контроллера, управляемого с помощью интерфейса Centronics IBM-совместимого компьютера, и шагового двигателя М1 типа ШДА-1. Используемый ШД является униполярным, с двумя парами обмоток, соединенных одними из выводов попарно. Два таких “общих” вывода соединены вместе и подключены к источнику питания напряжением +U. Оставшиеся четыре вывода обмоток, обозначенных как Ф1-Ф4, подключены к контроллеру.
Рис. 18. Структурная схема лабораторной установки
Контроллер выполнен на двух печатных платах, соединенных вместе плоским кабелем. Первая из них содержит блок управления, вторая – блок ключей, коммутирующих обмотки двигателя и индикаторы. Принципиальные схемы указанных блоков приведены на рис. 19 и рис. 20 соответственно.
Рассмотрим устройство блока управления. На микросхеме DA1 выполнен стабилизатор напряжения, обеспечивающий питание микросхем DD1–DD5 стабилизированным напряжением +5В. Диод VD1 служит для защиты схемы от выхода из строя при подключении источника питания неправильной полярности. Конденсаторы C1–C3 необходимы для фильтрации напряжения источника питания и для защиты от проникновения помех по цепям питания в схему блока управления.
Тактовый генератор служит источником импульсов для реверсивного счетчика и выполнен по стандартной схеме мультивибратора на двух инверторах DD1.1 и DD1.2. Элемент DD1.3 является буферным. К его выходу подключен индикаторный светодиод HL1 “Такт”, который используется для визуального наблюдения за частотой импульсов тактового генератора. Импульсы с выхода тактового генератора также поступают на один из входов “+1” или “-1” реверсивного счетчика на микросхеме DD2. Выбор входа осуществляется перестановкой положения перемычки S1 “Направление”, расположенной на плате блока управления. От положения этой перемычки зависит направление вращения ШД в автономном режиме работы установки.
На микросхемах DD2–DD4 выполнен реверсивный счетчик-дешифратор. DD2 представляет собой четырехразрядный реверсивный двоичный счетчик со входами предварительной записи. Данные входы в приведенной схеме не используются. Слово на выходах счетчика инкрементируется или декрементируется по фронту импульса, пришедшего на вход “+1” или “-1”. При этом на другом входе должен быть зафиксирован уровень лог. 1. Начальное состояние счетчика не имеет значения, поэтому вход начальной установки R не используется.
Двоичный код с двух младших разрядов счетчика подается на входы микросхемы DD3. Эта микросхема является сдвоенным дешифратором-демультиплексором, преобразующим входной двоичный код в выходной десятичный. Используется только один из встроенных в нее дешифраторов (нижний на схеме). На входы разрешения этого дешифратора E и C2 постоянно подается активный уровень лог. 0.
Выходы микросхемы DD3 – инверсные. Сигнал с этих выходов следует на входы преобразователя кодов, выполненного на микросхеме DD4, содержащей четыре двухвходовых логических элемента И-НЕ. Такая схема преобразователя позволила организовать требуемые для обеспечения работы ШД в полношаговом двухфазном режиме последовательности импульсов.
Мультиплексор построен с использованием микросхемы сдвоенного шинного усилителя-формирователя DD5. Назначение мультиплексора – переключение потоков данных с выхода преобразователя (в автономном режиме работы, входы А на рис. 18)
Рис. 19. Принципиальная схема блока управления
и интерфейса Centronics (в режиме управления от компьютера, входы В, рис. 18).
Выходы обоих усилителей-формирователей В0–В3 объединены вместе и подключены ко входам ключей, управляющих обмотками ШД. Выходы могут быть переведены в отключенное Z-состояние путем подачи сигнала с уровнем лог. 1 на вход разрешения EO каждого формирователя. Входы EO DD5.1 и DD5.2 объединены через инвертор DD1.4. На вход этого инвертора (и, соответственно, на вход ЕО DD5.2) подключена линия данных D4 интерфейса Centronics. Подача уровня лог. 0 на эту линию приводит к отключению схем блока управления от ключей ШД и подключению к этим ключам линий D0-D3 интерфейса Centronics.
Принципиальная схема блока ключей приведена на рис. 20. Блок состоит из четырех одинаковых ключей, выполненных на транзисторах VT1–VT4. Используются мощные составные транзисторы КТ8131А, что позволило обойтись без использования дополнительных каскадов усиления управляющих сигналов.
Обмотки ШД M1 включены в цепь коллектора каждого из транзисторов ключей. Для защиты от выбросов ЭДС самоиндукции обмотки шунтируются обратносмещенными импульсными диодами VD1-VD4, обеспечивающими шунтирование ЭДС самоиндукции, возникающей в моменты размыкания ключа. Параллельно этим диодам включены индикаторные светодиоды HL1-HL4, позволяющие контролировать наличие напряжения на обмотках Ф1-Ф4 шагового двигателя.
Рис. 20. Принципиальная схема блока ключей
Для включения контроллера необходимо:
подключить источник питания установки напряжением 15–24В к гнездам "+" и "-" на плате блока управления соблюдая полярность;
подключить кабель интерфейса Centronics к LPT-порту персонального компьютера;
подключить шаговый двигатель к разъему на плате блока ключей;
включить источник питания установки;
включить питание компьютера.
Внимание: все подключения и отключения выполняются только при выключенных компьютере и источнике питания установки. Несоблюдение данного требования может привести к выходу компьютера и (или) блока управления установки из строя.
ЗАДАНИЯ К РАБОТЕ
Изучите теоретический материал, посвященный шаговым двигателям и ответьте на контрольные вопросы, приведенные в конце работы.
Изучите устройство и принципы программирования параллельного порта Centronics (см. Приложение). Ответьте на контрольные вопросы, приведенные в конце Приложения.
Изучите описание лабораторной установки, ее электрическую схему.
Включите лабораторную установку, переведя ее в автономный режим работы (D4=1, кабель интерфейса не подключен к адаптеру LPT-порта компьютера). Напряжение питания установки +15В. С помощью двухлучевого осциллографа исследуйте используемый в автономном режиме способ формирования импульсов на обмотках ШД. На основании изученного теоретического материала охарактеризуйте этот способ. Определите число шагов ШД, требуемое для поворота вала на 360 градусов.
Подключите установку к параллельному порту Centronics персонального компьютера. Используя компилятор языка Паскаль напишите программу, реализующую постоянное вращение ШД в полношаговом однофазном режиме со скоростью 5 шагов в секунду по часовой стрелке без разгона.
Выполните задание 5, реализуя вращение вала двигателя на заданное пользователем количество шагов в полношаговом двухфазном режиме против часовой стрелки.
Напишите программу, выполняющую вращение вала двигателя в полушаговом режиме против часовой стрелки на 100 шагов и затем на 200 шагов в обратном направлении со скоростью 30 шагов в секунду.
Напишите универсальную подпрограмму, выполняющую поворот вала ШД на заданное количество шагов с плавным разгоном до заданной скорости в полушаговом режиме, считая, что частота приемистости используемого двигателя равна 50 Гц. Параметры вращения (количество шагов, скорость, направление) задаются в виде параметров подпрограммы.
Плавно увеличивая скорость вращения вала ненагруженного и нагруженного ШД, определите резонансные скорости ШД, на которых работа носит неустойчивый характер.
Постройте зависимость максимальной скорости вращения (в шагах в секунду) ненагруженного и нагруженного ШД от напряжения источника питания (в пределах 15–24 В). Объясните полученную зависимость.
СПИСОК КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ
Какое устройство называют шаговым двигателем?
Где применяются шаговые двигатели?
Перечислите достоинства и недостатки ШД.
Какие виды шаговых двигателей Вы знаете?
Как устроен ШД с переменным магнитным сопротивлением?
Как устроен ШД с постоянными магнитами?
Какие шаговые двигатели называются гибридными?
В чем различие между биполярными и униполярными ШД?
Как использовать униполярный ШД в биполярном режиме?
Чем определяется момент, создаваемый ШД?
Какие способы управления фазами ШД Вам известны?
Как реализуется полношаговый режим работы ШД?
Как реализуется полушаговый режим работы ШД?
Что такое микрошаговый режим работы? В чем его преимущества и недостатки?
Как обеспечить вращение ШД с постоянной скоростью?
Что такое мертвые зоны ШД?
Чем определяется форма тока в обмотках двигателя?
Что такое частота приемистости ШД?
Как осуществляется разгон шагового двигателя?
Какие причины приводят к возникновению резонанса в шаговых двигателях?
Какими средствами необходимо бороться с явлением резонанса в ШД?
Как организуется коммутация обмоток униполярного ШД?
Как организуется коммутация обмоток биполярного ШД?
Какие методы используются для защиты ключей, коммутирующих обмотки ШД, от явления самоиндукции?
Список использованных источников:
Ридико Л. Раз–шажок, два– шажок // Схемотехника.– 2001.–№7–10.
Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. М.: Высшая школа, 1985.
Ивоботенко Б.А. и др. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями.М.: Энергия,1971.
Подлипенский B.C., Сабинин Ю.А., Юрчук Л.Ю. Элементы и устройства автоматики. / Под ред. Ю.А.Сабинина. Л.: Политехника, 1994.
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР
| Описание лабораторной установки | |
| Задания к работе | |
| Список контрольных вопросов | |
| Список использованных источников |
Цель Работы:
Изучить принципы построения, программирования и отладки автоматизированных систем сбора и обработки аналого-цифровой информации на основе оптического спектрометра.
ОБОРУДОВАНИЕ:
Макет оптического спектрометра (источник света, держатель образца, монохроматор с шаговым двигателем, фокусирующая оптика, фотодетектор с усилителем), макет устройства управления шаговым двигателем, макет АЦП, макет коммутатора портов (демультиплексора), три регулируемых источника питания 0-30В, мультиметр, двухлучевой осциллограф, персональный компьютер, соединительные провода, светофильтры-образцы с известными и неизвестными спектрами оптического поглощения
Рис. 1. Структурная схема макета одноканального оптического спектрометра
Рис. 1. Принципиальная схема макета демультиплексора портов
Список использованных источников:
Ридико Л. Раз–шажок, два– шажок // Схемотехника.– 2001.–№7–10.
Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. М.: Высшая школа, 1985.
Ивоботенко Б.А. и др. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями.М.: Энергия,1971.
Подлипенский B.C., Сабинин Ю.А., Юрчук Л.Ю. Элементы и устройства автоматики. / Под ред. Ю.А.Сабинина. Л.: Политехника, 1994.
ИНТЕРФЕЙС
CENTRONICS И ЕГО ПРОГРАММИРОВАНИЕ
| Параллельный интерфейс Centronics | 1 |
| Понятие Centronics | 2 |
| Стандарт IEEE 1284 | 3 |
| Физический и электрический интерфейс | 4 |
| Работа с параллельным портом на низком уровне | 5 |
| Регистр данных (DR) | 6 |
| Регистр состояния (CR) | 7 |
| Регистр управления (CR) | 8 |
| Программирование интерфейса | 9 |
| Список контрольных вопросов | 10 |
| Список использованных источников | 11 |
Параллельный интерфейс CENTRONICS
refdb.ru
