Электрические схемы управления шаговыми двигателями

Система управления шаговым двигателем

преподаватель, Донской государственный технический университет.

344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, Гагарина, 1

Gubanova Aleksandra Anatol’evna

Lecturer at Don State Technical University.

344000, Russia, Rostovskaya oblast’, g. Rostov-Na-Donu, Gagarina, 1

344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, Гагарина, 1

Guzarevich Aleksandra Sergeevna

344000, Russia, Rostovskaya oblast’, g. Rostov-na-Donu, Gagarina, 1

344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, Гагарина, 1

Taridonov Nikita Evgen’evich

344000, Russia, Rostovskaya oblast’, g. Rostov-na-Donu, Gagarina, 1

Просмотров статьи: 7125 c 5.5.2015

Дата направления статьи в редакцию:

Дата публикации:

Аннотация: В настоящее время хорошей альтернативой микроприводам, состоящим из быстроходного двигателя с обратной связью и механического редуктора, является шаговый электропривод, ставший уже традиционным исполнительным устройством многих электронных приборов и систем. Предметом исследования в данной работе является шаговый двигатель. В данной работе объектом управления (ОУ) является двухкоординатный транспортный модуль на основе линейных шаговых двигателей (ЛШД), который применяется для изготовления микросхем высокой степени интеграции. Для этой цели используется зондовая установка, включающая в себя двухкоординатный транспортный модуль. В данной работе при проектировании системы применима методика управления режимом полного шага для линейного шагового двигателя. Система управления шаговым двигателем предназначена для формирования сигналов на обмотках шагового двигателя и управления скоростью вращения его вала и контроля количества шагов поворота. В ходе работы были разработаны схемы структурная и электрическая принципиальная, разработан алгоритм управления системой. Разработанная система отличается малыми габаритными размерами, низкой потребляемой мощностью, широкими функциональными возможностями. В устройстве используется современная, широкодоступная, дешевая элементная база.

Ключевые слова: шаговый линейный двигатель, драйвер управления, интерфейс управления, контроллер, электропривод, датчик импульсов, обратная связь, скорость вращения, источник питания, датчик положения

Abstract: At present, a stepper motor drive which has already become a traditional executive device for many electronic devices and systems is a good alternative to microdrives consisting of a high-speed motor with feedback and a mechanical gearbox. The subject of study of this article is a stepper motor. In this paper, the control object (OS) is a two-coordinate transport module based on linear stepper motors (LSD) which is used for the manufacture of high integration chips. For this purpose, a probe that includes a two-coordinate transport module is used. In this article, the technique of controlling the full-step mode was used for a linear stepper motor when designing the system. The stepper motor control system is designed to generate signals on the stepper motor windings and control the rotation speed of its shaft as well as to control the number of pivot steps. In the course of the study, the author developed structural and electric schemes and an algorithm for controlling the system. The developed system is characterized by small overall dimensions, low power consumption, wide functionality. The device uses a modern, widely available, low-cost element base.

Feedback, pulse sensor, electric drive, controller, management interface, management driver, linear stepper motor, rotational speed, source of power, position sensor

Шаговый привод как недорогая альтернатива наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов, модулей и систем, где не требуется высокая динамика [1] . Задачи, решаемые при помощи шагового привода, разнообразны. Шаговые двигатели устанавливаются в устройствах и механизмах, требующих высокой надежности и точности: когда требуется позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый двигатель является наиболее экономичным решением [2] .

Рисунок 1- Структурная схема системы управления шаговым двигателем

Структурно схема состоит из следующих блоков:

— шагового двигателя 1 и 2;

— драйвера управления 1 и 2;

— датчика положения 1 и 2;

-импульсного источника питания;

Принцип работы системы более подробно рассмотрим на примере схемы электрической принципиальной, представленной на рисунке 2.

Управляющие команды двигателем могут поступать по одному из двух интерфейсов связи либо по USB, либо по UART, при этом выбор между одним из этих интерфейсов осуществляется переключением соответствующих четырех микропереключателей, так же установленных на плате.

Модуль управления реализован на микроконтроллере AVR ATMega48, совмещенный с драйвером L6205, позволяющим управлять приводом, как на базе шагового двигателя, так и двигателя постоянного тока. Контроллер работает с тактовой частотой 10МГц, с напряжением питания +5В. USB интерфейс реализован на базе преобразователя FTDI FT232R, позволяющего выполнить быстрое сопряжение стандартных UART и USB интерфейсов. Для отслеживание начального (нулевого) положения вала двигателя на плате установлен оптический щелевой датчик нуль-метки, производства компании Honeywell HOA08. Этот датчик позволяет однозначно определить начальное положение вала двигателя при новой подаче напряжения питания или сброса программы микроконтроллера. Стабильное напряжение питания микроконтроллера поддерживает импульсный понижающий DC-DC преобразователь LM2594M.

Модуль подключается к стандартному USB порту персонального компьютера, через кабель с ответным разъемом miniUSB, или по последовательному интерфейсу UART к другой микропроцессорной системе, при этом уровень сигналов составляет +5В. Для программирования микроконтроллера предусмотрен интерфейс ISP, с контакными площадками для подключения стандартного программатора AVR. Стоит так же отметить то, что для отображения текущего режима работы или индикации ошибки на модуле установлен светодиод, подключенный непосредственно к контроллеру. Типовое напряжение питания системы управления +12В , при этом минимальные его уровень составляет чуть более 8 В и ограничен 20В.

Рисунок 2 — Схема электрическая принципиальная системы управления шаговым двигателем

Алгоритм основной программы (рисунок 3) выполняет управление скоростью вращения вала шагового двигателя и контролирует количество шагов поворота. Данный алгоритм идентичен для двигателя 1 и двигателя 2.

Принцип работы алгоритма приведен ниже.

1. Начало работы

2. Установление ШД в нулевом положении

3. Ожидание данных частоты вращения ω и скорости импульсов С от разъема miniUSB.

4. Цикл «Новые данные?» (в этом цикле если приходят новые данные, то программа переходит к следующему блоку. Если чтение данных не началось, то происходит возврат к блоку «Ожидание данных частоты вращения ω и скорости импульсов С»)

5. Пересчет частоты вращения ω в частоту импульсов.

6. Формирование управляющих импульсов (в этом блоке происходит непосредственное включение ШД)

7. Считывание данных с датчика импульсов обратной связи.

8. Цикл «Скорость меньше требуемой?» (в этом цикле если значение скорости равно заданному, то двигатель работает в стационарном режиме и обновлений не требуется. Если скорость меньше требуемой, то в работу включается блок «Ускорение управляющих импульсов», т.е. двигатель ускоряется и достигает требуемой скорости. Если в цикле «Скорость больше требуемой?» условие выполняется, то двигатель замедляется, реверсируется и достигает требуемой скорости).

9. Цикл «Количество импульсов достигло требуемого?» (если данное условие не выполняется, то сигнал поступает на блок «Считывание данных с датчика импульсов обратной связи» до тех пор, пока количество импульсов не будет соответствовать требуемому значению. Если условие цикла выполняется, то происходит переход на следующий блок).

10. Остановка ШД (информация с данного блока по циклу возвращается к блоку «Ожидание данных частоты вращения ω и скорости импульсов С от разъема miniUSB» и работа системы возобновляется заново).

Рисунок 3- Алгоритм работы системы управления шаговым двигателем

Таким образом, в данной работе была разработана система управления шаговым двигателем на основе современной электронной базы. Разрабатываемая система по технической реализации должна осуществлять управление шаговым двигателем, обеспечивать скоростью вращения его вала и контролировать количество шагов поворота.

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи

Контроллеры систем управления шаговыми двигателями электромеханических устройств специального назначения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Тарасов, Андрей Анатольевич

• Специальность ВАК РФ 05.13.05
• Количество страниц 254

• Скачать автореферат
• Читать автореферат

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тарасов, Андрей Анатольевич

1. Общие принципы контроллерного управления электроприводами.

1.1 Современное состояние контроллерных систем управления.

1.2 Требования к системам управления электромеханических устройств ВГИ.

1.3 Анализ характеристик ШД.

1.4 Проблемы использования шагового электропривода в системах управления.

1.5 Вывод. Возникающие задачи исследования.

2. Специальные требования к алгоритму работы контроллера, методы реализации и анализ структур формирования электрических состояний ШД.

2.1 Учет в алгоритме управления контроллера статических и динамических погрешностей и условий устойчивости ШД в переходных процессах.

2.2 Синтез базового программного алгоритма управления для контроллера шагового электропривода.

2.3 Реализация базовых структур формирования электрических состояний контроллером на основе алгоритма.

2.4 Анализ особенностей базовых структур контроллера, требования к их схемным параметрам.

2.5 Энергетические оценки эффективности управления силовым инвертором контроллера и методы ее повышения.

3. Синтез контроллерной САУ, схемная реализация контроллера с учетом требований алгоритма работы

3.1 Анализ существующих функциональных и структурных схем САУ ШД. Классификация.

3.2 Общее описание функциональной и структурной схем контроллера САУ ШД в составе ЭМУ ВГИ.

3.3 Анализ и синтез блока управляющего электрическим дроблением шага. Исследование структурной схемы ФРИ в составе контроллера.

3.4 Схемная реализация контроллера с учетом особенностей алгоритма функционирования. Анализ внедрения в производство полезной модели контроллера в составе электромеханического устройства ВГИ.

3.5 Расчет усилителя мощности для базового силового модуля контроллера.

4. Математическое описание контроллера. Моделирование режимов работы ШД.

4.1 Обоснование идеализированной модели ШД.

4.2 Исследование требований к алгоритму контроллера для общего случая двухфазного ШД.

4.3 Методика определения рационального годографа электрических состояний фаз и угловых моментных характеристик ШД с учетом искажения реального момента.

4.4 Обобщенная модель и граничные оценки привода с электрическим дроблением шага.

4.5 Синтез эквивалентной структурной схемы ШД при управлении на уровне электрического дробления шага. Моделирование режимов работы ШД.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», 05.13.05 шифр ВАК

Разработка систем управления шаговыми и вентильно-индукторными двигателями на базе специализированных микроконтроллеров и нового поколения силовых модулей 2002 год, кандидат технических наук Трофимов, Сергей Александрович

Модели, алгоритмическое и программное обеспечение интеллектуальной системы управления многосвязными электроприводами 1999 год, кандидат технических наук Харитонова, Елена Борисовна

Разработка силовых электромеханических модулей многокоординатного шагового электропривода 1984 год, кандидат технических наук Попов, Михаил Александрович

Разработка математической модели для исследования динамических режимов работы шагового электропривода с трехфазным инвертором напряжения 2005 год, кандидат технических наук Семисалов, Виталий Вениаминович

Развитие теории и практика создания автоматического электропривода большой мощности в составе технологических комплексов 1997 год, доктор технических наук Островлянчик, Виктор Юрьевич

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Контроллеры систем управления шаговыми двигателями электромеханических устройств специального назначения»

Современное конкурентоспособное производство требует применения гибкой и быстро настраиваемой технологии, которая обеспечивает точное планирование объемов выпуска продукции и частую смену ассортимента моделей. Эти требования приводят к тому что, расширяется номенклатура технологических установок, электромеханических устройств (ЭМУ) и станков, которые должны быть задействованы.

В это же время все большее число электроприводов ЭМУ малой и средней мощности прецизионного типа, комплектуется шаговыми электродвигателями (ШД). ШД как частный случай синхронной машины обладает рядом достоинств: надежность конструкции, минимум затрат для реализации цифрового дискретного управления и контроля [33,26,126]. Однако наилучших характеристик управления электроприводом на базе ШД можно добиться при определенном и достаточно сложном управлении.

Учитывая, что применение микропроцессорного управления позволяет повысить гибкость и производительность производственных мощностей[125,129], а также необходимость унификации систем управления на уровне групп ЭМУ, важной проблемой современного этапа научно-технического развития является исследование и создание универсальных контроллерных систем автоматического управления (САУ) шаговым электроприводом.

Исходя из того, что контроллерное управление шаговым электроприводом остается пока наиболее малоосвоенным, но открывающим большие перспективы для систем управления ЭМУ, решение указанной проблемы обеспечит:

— расширение функциональных возможности и повышение эффективности систем управления шаговым электроприводом;

— удобство модернизации САУ существующих ЭМУ;

— научную базу для синтеза структуры контроллера шагового электропривода специального назначения, уровень характеристик которых сравним с зарубежными аналогами.

Последний из указанных пунктов определен как наиболее значимый в рамках темы диссертации, поэтому отдельную часть исследовательской работы занимают вопросы создания универсального цифрового контроллера на базе отечественной аппаратуры и ЭРИ, входящих в межотраслевой ограничительный перечень.

Структура данного контроллера реализует эффективный метод управления ШД и соответствует тяжелым условиям эксплуатации ЭМУ специального назначения.

Целью работы является совершенствование САУ ШД и улучшение их характеристик, создание структурно-функциональной модели универсального контроллера, которая реализует эффективный метод управления ШД и соответствует условиям эксплуатации ЭМУ специального назначения.

В качестве базы для создания структурно-функциональной модели универсального контроллера выбран, синтез современной контроллерной САУ электромеханического устройства вывода графической информации (ЭМУ ВГИ). Такого рода САУ по реализуемым функциям сопоставима с универсальной, синтез которой требует проведения комплексных научных исследований в разных аспектах, связанных со свойствами электропривода, структурой САУ, алгоритмом управления и выбором аппаратуры.

Основными задачами исследований в работе являются:

— анализ ошибок, возникающих при управлении шаговым электроприводом, исследование особенностей электромеханической части ШД и его предельных возможностей по восприятию управляющей информации, определение требований к структуре контроллерного управления;

— исследование методов формирования управления током в фазах статора ШД и соответствующих им структурных схем, формулирование требований к базовому программному алгоритму управления контроллера;

— определение структуры контролера, обеспечивающей универсальные свойства: управление ШД с разным числом полюсов, реализация сложного вида движений многокоординатного электропривода, исключение узлов кинематического преобразования движения и реализация функций контроллерной САУ электропривода с учетом технологического процесса выполняемого ЭМУ;

— выбор элементной базы, оптимизация аппаратного состава контроллера и проектирование блочно-модульной контроллерной системы управления, которая рассчитана на условия эксплуатации в составе специальных ЭМУ;

— определение математического аппарата, используемого для моделирования процесса управления ШД, анализ качества алгоритма управления и структурной схемы контроллера.

Научная новизна, исследований связанных с темой данной работы состоит в следующем:

— предложена базовая стуктурно-функциональная модель контроллера САУ ШД, на ее основе разработана структурная схема универсального цифрового контроллера шагового электропривода для САУ электромеханических устройств СН. Оригинальность данной модели контроллера подтверждена патентом на полезную модель;

— исследован ряд математических алгоритмов для формирования годографа результирующего тока фаз ШД. Определен базовый алгоритм задания тока в фазах ШД, который обеспечивает квазинепрерывный годограф результирующего тока. Данный алгоритм отличается от традиционных тем, что позволяет учесть ошибки, вносимые аппаратурой САУ ШД, конструкцией электропривода, параметрами управляющего сигнала (частота, коэффициент дробления элементарного шага);

— предложен графоаналитический метод определения динамической составляющей момента ШД на основе предельных динамических характеристик. Данный метод, в отличие от других, более эффективен в практике синтеза САУ, которые используют в алгоритме управления переходными процессами ШД функциональную связь между частотой управления и током его фаз;

— определены требования к программному алгоритму управления ШД в переходных процессах на базе разработанного графоаналитического метода определения динамической составляющей момента ШД. Эти требования обеспечили расширение диапазона управления ШД по частоте выше частоты приемистости, что позволило уменьшить массогабаритные характеристики и стоимость шагового электропривода в ЭМУ, сократить состав аппаратуры управления ШД;

— предложена классификация структур управления ШД, которая по сравнению с традиционными классификациями основана на параметрах САУ, влияющих на качественные свойства шагового электропривода. Данная классификация позволяет свести синтез САУ ШД к нескольким основным типам САУ. На основе классификации были проанализированы эквивалентные схемы описания ШД в структурных схемах САУ, реализующих разные способы управления;

— разработана подробная структурная эквивалентная схема модели ШД на основе математических уравнений, описывающих электромеханические процессы формирования тока в отдельных фазах ШД. Данная математическая модель позволила исследовать функциональные зависимости характеристик САУ ШД от режимов управления, формируемых различными методами электрического дробления шага;

— определены практические рекомендации по реализации электрических схем, конструкции и аппаратному составу контроллеров САУ электропривода для ЭМУ различного назначения.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Расчет параметров математической модели электрического шагового двигателя гибридного типа на основе анализа картины магнитостатического поля

Полный текст:

• Аннотация
• Об авторах
• Список литературы
• Cited By

Аннотация

Представлен вариант решения задачи расчета параметров математической модели электрического шагового двигателя гибридного типа на основе анализа картины его магнитостатического поля. Показан один из основных недостатков такого двигателя — среднечастотный резонанс, возникающий из-за совпадения частоты собственных колебаний ротора с частотой подачи импульсов напряжения питания. Обоснована необходимость учета данного фактора при проектировании системы дискретного электропривода на основе исполнительного двигателя данного типа путем расчета значений резонансных частот и использования их при разработке алгоритма управления приводом. Поставлена задача разработки математической модели двигателя, позволяющей выполнить анализ влияния его конструктивных параметров на спектр резонансных частот. Сформирована методика расчета параметров заданной математической модели. Рассмотрены варианты математического описания данной электрической машины и выполнен подбор ее известной математической модели на основе схемы замещения электрической цепи. Выполнен численный расчет пространственной картины магнитостатического поля электродвигателя. На основе анализа результатов расчета сформирована система допущений для разработки эквивалентной схемы замещения магнитной цепи электрической машины. Разработана эквивалентная схема замещения магнитной цепи и соответствующая ей система уравнений. Сформирована система уравнений математической модели на основе схем замещения электрической и магнитной цепей. На основе системы уравнений разработана имитационная модель дискретного электропривода в программном пакете Simulink. С помощью полученной имитационной модели выполнен расчет переходных процессов по углу поворота ротора и электромагнитному моменту и проведен анализ влияния одного из конструктивных параметров на частоту собственных колебаний ротора. На основе результатов моделирования показано, что при увеличении высоты воздушного зазора у гибридного шагового двигателя уменьшается значение результирующего электромагнитного момента, и снижается частота собственных колебаний ротора, соответственно снижается и частота, при которой возникает среднечастотный резонанс. Полученная математическая модель может быть использована на этапе поверочного расчета выбранного двигателя, так как позволяет проанализировать влияние конкретного конструктивного параметра машины, в частности воздушного зазора, на частоту собственных колебаний ротора, а следовательно, на спектр резонансных частот дискретного электропривода.

Ключевые слова

Об авторах

Кандидат технических наук

Доктор технических наук, профессор

Кандидат технических наук, доцент

Список литературы

1. Денисов В. А., Жуков А. В. Математическое моделирование работы шагового двигателя в составе мехатронного модуля компенсации износа режущего инструмента // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14, № 6. С. 54—58.

2. Елецкая Г. П., Илюхина Н. С., Панков А. П. Электромеханические системы. Тула: ТулГУ, 2009. 214 с.

3. Емельянов А. В., Шилин А. Н. Шаговые двигатели: Учеб. пособ. Волгоград: ВолгГТУ, 2005. 48 с.

4. Рыбак Л. А., Черкашин Н. Н., Гунькин А. А., Чичварин А. В. Моделирование электромеханического привода с гибридным шаговым двигателем роботизированной платформы // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6.

5. Austin Hughes. Electric Motors and Drives. Fundamentals, Types and Applications. Third edition. Published by Elsevier Ltd, 2006.

6. Binglin Lu, Yanliang Xu. Presentation and Performance Evaluation of a Novel Stator-Permanent-Magnet Hybrid Stepper Motor. College of Electrical Engineering, Shandong University. Jinan. China, 2015.

7. Chirila A., Deaconu I.,Navrapescu V., Albu M., Ghita C. On the model of a Hybrid Stepper Motor // Proc IEEE international conference on industrial electronics. 2008. P. 496—501.

Система управления шаговым двигателем

В современном мире всё большую роль играет автоматизация процессов. Для этого необходимо преобразовывать сигналы управления в механические движения. Одним из способов достижения данной цели является использование шаговых двигателей.

Шаговый двигатель — это электромеханичское устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения.

Преимущества применения шаговых двигателей

• угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель;
• если обмотки запитаны, то двигатель в режиме остановки обеспечивает полный момент;
• хорошие шаговые двигатели обеспечивают точность 3-5% от величины шага, при этом ошибка не накапливается от шага к шагу;
• возможность быстрого старта/остановки/реверсирования;
• высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников;
• однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи;
• возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора;
• может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Недостатки применения шаговых двигателей

• шаговым двигателем присуще явление резонанса;
• из-за работы без обратной связи возможна потеря контроля положения, поэтому рекомендуется дополнять системы управления шаговым двигателем энкодером;
• потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки;
• затруднена работа на высоких скоростях;
• невысокая удельная мощность;
• относительно сложная схема управления.

Применение шаговых двигателей:

• приводы осей координатных столов и манипуляторов;
• системы линейного перемещения;
• упаковочные и конвейерное оборудование;
• оборудование для текстильного и пищевого производств;
• полиграфическое оборудование;
• устройство подачи, дозирования;
• сварочные автоматы.

Принцип работы шагового двигателя

Основной принцип работы шагового двигателя заключается в следующем — двухполюсный ротор электродвигателя, сделанный из специальной магнитомягкой стали, располагается в четырехполюсном статоре. Первая полюсная пара сделана из магнитов (постоянных), на второй паре имеется обмотка управления шаговым электродвигателем. В то время, когда ток в обмотках управления отсутствует, ротор двигателя располагается вдоль магнитов и стабильно удерживается с некоторым усилием (зависящее от силы магнитного потока).

Как только осуществляется подача напряжения (постоянного) на обмотку управления шаговым электродвигателем, появляется магнитный поток, что больший магнитного потока имеющихся постоянных магнитов. Под воздействием усилия (электромагнитного) ротор начинает менять угол, стараясь войти в положение соосное с полюсами обмотки управления. Последующий импульс управления полностью отключает электрическое напряжение с обмотки управления. Вследствие этого ротор движка движется под воздействием магнитного потока магнитов.

В данной работе описывается алгоритм управления шаговыми двигателями двухфазного (биполярного) и четырёхфазного (униполярного) типа с помощью модуля управления шаговым двигателем с интерфейсом CAN ZET 7160-S StepMotor-CAN или интерфейсом RS-485 ZET 7060-S StepMotor-485.

Биполярный (двухфазный) шаговый двигатель

Двухфазный шаговый двигатель (биполярный шаговый двигатель) имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода.

Рис. 1 Внутренняя схема биполярного Ш.Д.

Рис. 2 Схема выводов биполярного Ш.Д.

Рис. 3 Схема подключения биполярного Ш.Д. к ZET7X60-S

Униполярный (четырёхфазный) шаговый двигатель

Четырёхфазный шаговый двигатель (униполярный шаговый двигатель) также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов.

Рис. 4 Внутренняя схема униполярного Ш.Д.

Рис. 5 Схема выводов униполярного Ш.Д.

Рис. 6 Схема подключения униполярного Ш.Д. к ZET7X60-S

Режимы работы шагового двигателя

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя. Наиболее распространёнными из них являются полношаговый и полушаговый режим. Существуют также режимы управления с 1/4, 1/8, 1/16 шага. Но эти режимы нужны только для узкого круга задач, и они требуют значительного усложнения схемы микроконтроллера и алгоритма управления. Ниже приводится последовательность генерируемых импульсов для различных режимов работы шагового двигателя, на примере униполярного двигателя.

Рис. 7 Полношаговый режим, с 1-ой активной обмоткой на каждом шаге

Рис. 8 Полношаговый режим, с 2-мя активными обмотками на каждом шаге

Рис. 9 Полушаговый режим

Разгон и торможение шагового двигателя

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. 10а) 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. 10б).

Рис. 10 Зависимость тока в обмотках Ш.Д. от частоты

Таким образом, для работы с шаговым двигателем на большой скорости необходимо выполнять его разгон и замедление, в противном случае произойдёт потеря синхронности между шаговым двигателем и контроллером, и положение ротора шагового двигателя будет утеряно.

Управление шаговым двигателем с помощью модуля ZET7X60-S StepMotor

Перед началом работы с шаговым двигателем необходимо выставить необходимые параметеры на вкладке «Настройки»:

• Частота опроса — частота, с которой будет обновляться информация в канале о количестве проделанных шагов;
• Тип двигателя — тип двигателя, подключенного к модулю ZET 7X60-S StepMotor.

После этого с помощью вкладки «Управление» можно начинать управление шаговым двигателем.

• Старт/Стоп — начать /остановить движение шагового двигателя;
• Направление вращения — задаём направление вращения шагового двигателя, по или против часовой стрелки;
• Кол-во шагов до остановки — количество шагов, которое проделает шаговый двигатель после запуска;
• Время одного шага — скорость вращения шагового двигателя.

Рис. 11 Вкладка «Настройки» в программе MODBUS-ZETLAB

Рис. 12 Вкладка «Управление» в программе MODBUS-ZETLAB

Во время выполнения команды, контроллер сообщает о количестве проделанных шагов на данный момент с частотой заданной в настройках (Настройки —> Частота опроса).

Рис. 13 Отображение количества проделанных шагов в программе ZETLAB «Многоканальный осциллограф»

Система управления шаговым двигателем с обратной связью

Система управления шаговым двигателем с обратной связью строится на базе модуля управления шаговым двигателем ZET 7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN) и интеллектуального энкодера ZET 7060-E Encoder-485 (ZET 7160-E Encoder-CAN). Для подключения к системе ZETLAB используется преобразователь интерфейса ZET 7070. Управление шаговым двигателем осуществляется подачей сигналов с модуля ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN). Контроль состоянием шагового двигателя осуществляется энкодером, сигнал с которого обрабатывается модулем ZET 7060-E Encoder-485 (ZET 7160-E Encoder-CAN). Обработка сигналов с интеллектуального энкодера и программное управление модулем ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN) осуществляется с помощью программного обеспечения ZETLAB.

Схема системы управления шаговым двигателем с обратной связью

Состав системы управления шаговым двигателем с обратной связью