Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Шаговые электродвигатели

Шаговые электродвигатели

Шаговые двигателиСравнительно недавно термин «шаговый двигатель» был известен только узкому кругу инженеров-электриков. Теперь же шаговые двигатели получили почетное право называться лишь своими «инициалами» — ШД свидетельство широкого распространения электрических машин такого типа.

Воображение невольно подсказывает образ ступающей электрической машины с конечностями. Нет, это не робот, хотя шаговый двигатель может управлять одним из его суставов. Сама машина очень проста. Шаговый двигатель можно представить в виде нескольких электромагнитов с импульсными обмотками на неподвижной части (статоре) и якорем, который при переключении обмоток поворачивается или движется поступательно. Чтобы понять, как работает шаговый двигатель, вспомним принцип действия других электрических машин, например синхронных.

На статоре две или три обмотки. Они обтекаются плавно изменяющимися синусоидальными токами. Вместе с током пульсирует электромагнитное поле, создаваемое каждой обмоткой. Токи в обмотках нарастают и спадают не одновременно, а со строго определенным запаздыванием по времени; сами обмотки сдвинуты относительно друг друга и занимают равномерно чередующиеся участки цилиндрической поверхности.

В силу этого две или три пульсирующие волны поля (по числу обмоток) образуют одну бегущую волну. За каждый цикл полного изменения тока в обмотках результирующая волна обегает всю цилиндрическую поверхность расточки статора или ее часть. Поле равномерно вращается, увлекая за собой ротор. Токи в обмотках изменяются непрерывно, поэтому поле в рабочем зазоре и ротор непрерывно вращаются. Движение складывается из множества бесконечно малых перемещений.

А если в какой-то момент остановить изменение токов, заморозить их на достигнутом уровне, все равно каком, как в кинематографе, показывать какое-то время один и тот же кадр? Вместе с токами в обмотках застынет в каком-то положении волна бегущего поля, а вместе с ней остановится и ротор. Дадим смениться группе кадров и снова остановим последний из них, ротор повернется на определенный угол и снова замрет.

Шаговые двигателиПовторим это еще и еще. Машина послушно пошла шагами. Изменять токи в обмотках большими или малыми скачками, замораживая процесс на любом кадре, оказалось очень просто. Достаточно подавать на обмотки вместо непрерывно изменяющихся напряжений ступеньки прямоугольных импульсов. Каждый импульс — шаг, и его можно затянуть при желании до бесконечности, то есть остановить процесс и зафиксировать ротор. Пока импульсы чередуются медленно, двигатель отчетливо шагает.

Наш глаз способен различать несколько десятков шагов в секунду. Но вот кадры замелькали: сто, двести, тысяча, несколько десятков тысяч шагов в секунду. Не только наш глаз, но и чувствительные приборы уже не различают шагов, а видят просто вращение.

Шаговый двигатель бегает, как и раньше, правда, чуть покачиваясь, потому что каждый следующий шаг он делает строго в момент прихода очередной команды, а этот момент может быть не самым удобным. Внутренний автоматизм движений разрушен и заменен слепым повиновением команде. Зато в любой момент, на любом шаге мы можем приказать: «Замри!». Ротор качнется и замрет точно в указанном положении.

Попробуйте сдвинуть его насильственно с места, когда нет команды. Он будет решительно сопротивляться, и, если двигатель приличной комплекции, голыми руками вам его не взять. Электромагнитное поле не хочет расставаться с ротором ни в движении, ни в покое. Это оно держит его в своих цепких объятиях и заставляет повторять за собою все свои шаговые перемещения.

Между прочим, «сшивание» отдельных шагов, а если угодно, элементарных циклов или тактов движения в бесконечную последовательность, воспринимаемое нами как непрерывное вращение с чуть заметными пульсациями скорости, происходит в машине постоянного тока точно так же, как в двигателе внутреннего сгорания. Только там в роли неутомимых операторов выступают не щетки, а электрические свечи.

Поле шагает, потому что электронные ключи по командам извне то открывают, то запрещают доступ тока в обмотки. Шаговый двигатель снабжается электронным мозгом, и его возможности становятся исключительными, иногда необозримыми.

Принципиальная электрическая схема однофазного шагового двигателя с симметричной магнитной системой для часов, счетчиков и приборов промышленной автоматики.

Принципиальная электрическая схема однофазного шагового двигателя с симметричной магнитной системой для часов, счетчиков и приборов промышленной автоматики.

Шаговый двигатель на станке с ЧПУ

Шаговый двигатель на станке с ЧПУ

Современная техника немыслима без фрезерных, токарных, электроэрозионных и многих других станков с цифровым управлением. Большая часть из них действует благодаря шаговым двигателям.

Шаговые двигатели обосновались в механизмах управления прокатных станов, прессов и других металлургических машин, стали одним из самых распространенных элементов автоматики, работают в электрических часах, таймерах и счетчиках, на кораблях, самолетах и искусственных спутниках Земли — везде, где требуется быстрое, точное и надежное исполнение воли человека.

С расширением рабочих профессий шагового двигателя возникло самостоятельное развитое направление — дискретный электропривод с шаговыми двигателями. У его истоков стояли ученые и инженеры проблемной лаборатории электромеханики МЭИ.

Первую победу шаговый двигатель одержал в 1957 году, когда на Всемирной выставке в Брюсселе, где были представлены различные интересные выставочные стенды, экспонировался первый в мире советский фрезерный станок с цифровым программным управлением. Этот экспонат был удостоен Большой золотой медали и открыл новую страницу в станкостроении.

Шаговые двигатели

Шаговые двигателиШаговым двигателем называют электромеханическое устройство, преобразующее электрические сигналы в дискретные угловые перемещения вала. Применение шаговых двигателей позволяет рабочим органам машин совершать строго дозированные перемещения с фиксацией своего положения в конце движения.

Шаговые двигатели являются приводными исполнительными механизмами, обеспечивающими фиксированные угловые перемещения (шаги). Каждое изменение угла поворота ротора — это реакция шагового двигателя на входной импульс.

Дискретный электропривод с шаговым двигателем естественным образом сочетается с цифровыми управляющими устройствами, что позволяет успешно использовать его в станках с числовым программным управлением, в промышленных роботах и манипуляторах, в часовых механизмах.

Дискретный электропривод может быть реализован также с помощью серийных асинхронных электродвигателей, которые за счет специального управления могут работать в шаговом режиме.

Шаговые двигателиШаговые двигатели применяются в электроприводах мощностью от долей ватта до нескольких киловатт. Расширение шкалы мощности дискретного электропривода может быть достигнуто при использовании серийных асинхронных электродвигателей, которые за счет соответствующего управления могут работать в шаговом режиме.

Принцип действия шаговых двигателей всех типов состоит в следующем. С помощью электронного коммутатора вырабатываются импульсы напряжения, которые подаются на обмотки управления, расположенные на статоре шагового двигателя.

В зависимости от последовательности возбуждения обмоток управления происходит то или иное дискретное изменение магнитного поля в рабочем зазоре двигателя. При угловом перемещении оси магнитного поля обмоток управления шагового двигателя его ротор дискретно поворачивается вслед за магнитным полем. Закон поворота ротора определяется последовательностью, скважностью и частотой управляющих импульсов, а также типом и конструктивными параметрами шагового двигателя.

Принцип действия шагового двигателя (получение дискретного перемещения ротора) рассмотрим на примере простейшей схемы двухфазного шагового двигателя (рис. 1).

Упрощенная схема шагового двигателя с активным ротором

Рис. 1. Упрощенная схема шагового двигателя с активным ротором

Шаговый двигатель имеет на статоре две пары явно выраженных полюсов, на которых Находятся обмотки возбуждения (управления): обмотка 3 с выводами 1Н — 1К и обмотка 2 с выводами 2Н — 2К. Каждая обмотка состоит из двух частей, находящихся на противоположных полюсах статора 1 ШД.

Ротор в рассматриваемой схеме представляет собой двухполюсный постоянный магнит. Обмотки питаются импульсами от устройства управления, которое преобразует одноканальную последовательность входных импульсов управления f упр, в многоканальную (по числу фаз шагового двигателя).

Шаговые двигателиРассмотрим работу шагового двигателя, предположив, что в начальный момент напряжение подано на обмотку 3. Ток в этой обмотке вызовет намагничивание вертикально расположенных полюсов N и 8. В результате взаимодействия магнитного поля с постоянным магнитом ротора последний займет равновесное положение, в котором оси магнитных полей статора и ротора совпадают.

Положение будет устойчивым, поскольку на ротор действует синхронизирующий момент, стремящийся возвратить ротор в положение равновесия: М = М m ах х sin α ,

где М m ах — максимальный момент, α — угол между осями магнитных полей статора и ротора.

При переключении блоком управления напряжения с обмотки 3 на обмотку 2 образуется магнитное поле с горизонтальными полюсами, т.е. магнитное поле статора совершает дискретный поворот на четверть окружности статора. При этом между осями статора и ротора появится угол рассогласования α = 90° и на ротор будет действовать максимальный вращающий момент Мшах. Ротор повернется на угол α = 90° и займет новое устойчивое положение. Таким образом, вслед за шаговым перемещением поля статора совершает шаговое перемещение ротор двигателя.

Шаговые двигателиОсновной режим работы шагового двигателя — динамический. Шаговые двигатели в отличие от синхронных рассчитаны на вхождение в синхронизм из состояния покоя и принудительное электрическое торможение. Благодаря этому в шаговом электроприводе обеспечивается пуск, торможение, реверс и переход с одной частоты управляющих импульсов на другую.

Пуск шагового двигателя осуществляется скачкообразным или постепенным увеличением частоты входного сигнала от нуля до рабочей, торможение — снижением ее до нуля, а реверс — изменением последовательности коммутации обмоток шагового двигателя.

Шаговые двигатели характеризуются следующими параметрами: число фаз (обмоток управления) и схема их соединения, тип шагового двигателя (с активным или пассивным ротором), одиночный шаг ротора (угол поворота ротора при единичном импульсе), номинальное напряжение питания, максимальный статический хронизирующий момент, номинальный вращающий момент, момент инерции ротора, частота приемистости.

Шаговые двигатели бывают однофазными, двухфазными и многофазными с активным или пассивным ротором. Управление шаговым двигателем обеспечивается электронным блоком управления. Пример схемы управления шаговым двигателем приведен на рисунке 2.

Функциональная схема разомкнутого электропривода с шаговым двигателем

Рис. 2. Функциональная схема разомкнутого электропривода с шаговым двигателем

Сигнал управления f упр в виде импульсов напряжения поступает на вход блока 1, преобразующего последовательность импульсов, например в четырехфазную систему однополярных импульсов (в соответствии с числом фаз шагового двигателя).

Блок 2 формирует эти импульсы по длительности и амплитуде, необходимым для нормальной работы коммутатора 3, к выходам которого подключены обмотки шагового двигателя 4. Коммутатор и остальные блоки питаются от источника постоянного тока 5.

При повышенных требованиях к качеству дискретного привода применяют замкнутую схему шагового электропривода (рис. 3), которая кроме шагового двигателя включает преобразователь П, коммутатор К и датчик шага ДШ. В таком дискретном приводе информация о действительном положении вала рабочего механизма РМ и скорости шагового двигателя поступает на вход автоматического регулятора, который обеспечивает заданный характер движения привода.

Функциональная схема замкнутого дискретного привода

Рис. 3. Функциональная схема замкнутого дискретного привода

В современных системах дискретного привода применяются микропроцессорные средства управления. Область применения приводов с шаговыми двигателями постоянно расширяется. Их использование перспективно в сварочных автоматах, приборах времени, лентопротяжных и регистрирующих механизмах, системах управления топливоподачей двигателей внутреннего сгорания.

Преимущества шаговых двигателей:

высокая точность, даже в разомкнутой структуре управления, т. е. без датчика угла поворота;

естественная интеграция с приложениями цифрового управления;

отсутствие механических коммутаторов, которые часто создают проблемы в двигателях других типов.

Недостатки шаговых двигателей:

малый вращающий момент но сравнению с двигателями приводов непрерывного типа;

высокий уровень вибрации из-за скачкообразного движения;

большие ошибки и колебания при потере импульсов в системах с разомкнутым контуром управления.

Преимущества шаговых двигателей намного превосходят их недостатки, поэтому они часто применяются в тех случаях, когда достаточно небольшой мощности приводных устройств.

В статье использованы материалы книги Дайнеко В.А., Ковалинский А.И. Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Разработка микропроцессорного устройства управления шаговым биполярным двигателем

Приложение А. Характеристика устройств используемых в разрабатываемой схеме.

Приложение Б. Схема электрическая принципиальная.

Приложение В. Перечень элементов.

Приложение Г. Плата печатная.

Приложение Д. Сборочный чертеж.

Приложение Е. Спецификация.

Техническое задание

Разработать блок управления биполярным шаговым двигателем на микроконтроллере Atmega8535. Разработать схему электрическую принципиальную с перечнем элементов, на ее основе разработать чертеж печатной платы и сборочный чертеж.

Тип датчика обратной связи: оптический концевой датчик.

Тип силового ключа: драйвер L298N.

Органы управления: кнопки движения, кнопка выхода в нуль.

Интерфейс связи: UART.

Введение

В настоящее время электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Двигатель обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую. Разработка высокопроизводительных, компактных, экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники.

Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления. Существуют микроконтроллеры различных типов программирования: однократно программируемые и перепрограммируемые. Применение перепрограммируемых микроконтроллеров неизбежно влечет за собой изменение в системе управления. Малые размеры корпусов различного исполнения делают микроконтроллеры пригодными для портативных устройств. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования, наличие достаточного количества портов ввода/вывода способствуют применению микроконтроллеров в различных областях.

В нашей курсовой работе используется шаговый биполярный двигатель.

Двигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами начинают работать сразу, как только к якорной обмотке будет приложено постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором — коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре.

Шаговый двигатель (ШД) может быть рассмотрен как ДПТ без коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.

Принято различать шаговые двигатели и серводвигатели. Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом (дискретном) режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора) и плавности вращения синхронного двигателя. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении.

Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рисунок 1).

Рисунок 1 – Униполярный шаговый двигатель.

Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рисунок 2).

Рисунок 2 – Биполярный или гибридный шаговый двигатель.

За это упрощение приходится платить более сложным реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.

Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ-модуляции.

Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.

Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.

Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных применений.

Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.

На рисунке 3 показана последовательность управления для полношагового режима.

Рисунок 3 – Последовательность управления ШД в полношаговом режиме.

На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.

Рисунок 4 – Последовательность управления ШД в полушаговом режиме.

Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.

В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя.

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи и упростить систему управления двигателем, так как отпадает необходимость использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта. Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота. Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора. Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.

1. Разработка структурной схемы

В данном разделе представлена структурная схема устройства управления двигателем (рисунок 5).

Рисунок 3 – Структурная схема системы регулирования двигателя

Данная структурная схема отображает работу микропроцессорного устройства, где главным управляющим элементом является микроконтроллер. Он формирует управляющие сигналы для силового ключа. Привод связан с микроконтроллером датчиками.

2. Разработка схемы электрической принципиальной.

2.1 Выбор двигателя

В качестве объекта управления в данной курсовой работе был выбраны:

шаговый двигатель M15LS-1N

напряжение питания U пит =5В,

потребляемый ток I н =375 мА,

максимальная частота вращения n макс = 900 об/мин.

2.2 Выбор микроконтроллера

В качестве основного элемента получения и обработки сигналов был выбран микроконтроллер Atmega8535-16PU фирмы Atmel (см. приложение А). Цифровые сигнальные процессоры фирмы Atmel получили широкое распространение у радиолюбителей, так как они имеют доступную цену и достаточный набор периферии.

2.3 Выбор микросхемы и интерфейса связи

Для управления двигателем был выбран драйвер L298N (см. приложение А). С помощью этого драйвера происходит управление двигателем. Он представляет собой 2 транзисторных моста. Через них происходит изменение напряжения на обмотках двигателя, таким образом, он начинает движение. Скорость движения двигателя задается программным путем.

В качестве интерфейса связи с компьютером в данном проекте выбран интерфейс UART. Для преобразования логических уровней RS-232 в UART используется микросхема MAX232. Скорость передачи данных — 9600 Кбит/с.

2.4 Выбор датчиков

Для ограничения линейных перемещений устройства, в качестве датчика, используем оптопару с открытым каналом KTIR0611S.

Напряжение питания: +5В;

Прямой ток: 20 мА;

Напряжение коллектор-эмиттер: 30 В;

Ток коллектора: 20 мА;

Рассеиваемая мощность: 75 мВт.

3. Расчет схемы электрической принципиальной

3.1 Выбор силового драйвера управления.

В последнее время очень популярны микросхемы управления фирмы STMicroelectronics: L293N и L298N. Они отличаются высоким быстродействием, относительно низкой стоимость по сравнению с другими аналогами и доступностью.

В данной работе мы используем драйвер L298N со следующими характеристиками:

Максимальное рабочее напряжение U=46 В;

Напряжение питания U пит =5 В;

Максимальный выходной ток (на один канал): I=2 А:

Драйвер совместим со схемами, работающими под напряжением +3,3 В, +5В.

Сопротивление резистора в цепи затвора рассчитывается по формуле 1.

Принимаем стандартное значение R7…R21: 1 кОм.

Выбираем конденсаторы 0,1 мкФ при t =10 мс

3.2 Расчет резисторов.

Вывод Reset микроконтроллера, согласно технической документации, рекомендовано подключать к питанию через подтягивающий резистор номиналом 10 кОм.

Резисторы для датчиков KTIR0611S рассчитываем по закону Ома:

Чтобы ток не достигал максимального значения выбираем резисторы с сопротивление 360 Ом.

Разработка печатной платы

Разработка конструкции устройства осуществляется на основе разработанной принципиальной электрической схемы с учетом требований к ремонтопригодности, требований технической эстетики, с учетом условий эксплуатации и других требований [6].

При конструировании печатной платы необходимо учитывать следующее.

Если нет каких-либо ограничений, печатная плата (ПП) должна быть квадратной или прямоугольной. Максимальный размер любой из сторон не должен превышать 520 мм, а соотношение линейных сторон ПП – не более 3:1. Толщина ПП должна соответствовать одному из чисел ряда: 0.8; 1.0; 1.5; 2.0 в зависимости от площади ПП.

Разработку платы следует вести, ориентируясь на конкретный промышленный процесс ее изготовления.

Центры отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки. Каждое монтажное и переходное отверстие должно быть охвачено контактной площадкой.

Диаметр крепежных отверстий 5 мм. Диаметр монтажных отверстий, диаметры выводов микросхем колеблются в пределах 0,5…1,3 мм, а диаметры выводов резисторов и конденсаторов, диодов, колеблются в пределах от 0,5 до 0,8 мм. Для упрощения процесса изготовления, все монтажные отверстия на плате имеют диаметр 0,5 мм. Шаг координатной сетки составляет 0,635 мм.

Паять элементы припоем ПОС-61. Материал платы стеклотекстолит фольгированный СТЭФ 2-1,5-50 по ГОСТ 10316-86.

5. Разработка сборочного чертежа

В ходе разработки сборочного чертежа необходимо уделить внимание следующим требованиям:

— разработка сборочного чертежа устройства управления шаговым биполярным двигателем осуществляется на основе разработанной принципиальной электрической схемы с учетом требований к чертежным документам;

— в соответствии со схемой деления изделия на составные части присвоить обозначение сборочной единице и ее элементам по ГОСТ 2.201-68;

— по возможности отдать предпочтение масштабу 1:1;

— проставить необходимые размеры согласно требованиям ГОСТ 2.109-73;

— заполнить спецификацию, выдерживая все требования ГОСТ 2.108-68;

— нанести номера позиций деталей в соответствии с номерами, проставленными в спецификации на данное изделие. Заполнить основную надпись и выполнить другие необходимые надписи (технические требования и пр.).

Заключение

В процессе разработки микропроцессорного устройства управления шаговым биполярным двигателем были пройдены основные этапы проектирования.

Была составлена структурная схема, и на ее основе разработана принципиальная схема устройства управления частотой вращения двигателя.

В процессе разработки данной работы ознакомились с организацией и основными этапами проектирования электронных устройств, закрепили знание методов расчета электронных цепей, познакомились с элементной базой и получили представление о способах компоновки радиоэлементов. Современное проектирование и производство электронной аппаратуры базируется на всеобъемлющей системе государственных (ГОСТ) и отраслевых (ОСТ) стандартов.

Список литературы

Б. Ю. Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов

– М.: Солон-Р, 2001. –126 с.

Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3 – х томах.

Пер. с англ. – М.: Мир, 1993.

А.С.Касаткин. Электротехника: Учеб. пособие для вузов.

– 4-е изд. – М.:Энергоатомиздат,1983. –440 с., ил.

Э.Т. Романычева Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры. / Справочник. М.: Радио и связь, 1989. – 448с.

Шаговые двигатели. URL: http://market.elec.ru/nomer/16/stepper-motor/ (дата обращения 02.05.12 г.).

L298 – Dual Full-Bridge Driver – Datasheet.

Atmel, 8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash Atmega 8535(L) – Datasheet.

Maxim, +5V-Powered, Multichannel RS-232 Drivers/Receivers, Max220-Max249 – Datasheet.

Приложение А (обязательное)

Характеристика устройств используемых в разрабатываемой схеме.

В данной работе используется микроконтроллер Atmega8535-16PU. Питание микроконтроллера осуществляется от источника напряжения +5В. Данный микроконтроллер обладает следующими особенностями:

флэш-память программ 8 кБ

8 канальный, 10-разрядный АЦП

два 8-разрядных таймера-счетчика, один 16-разрядный таймер-счетчик

Микроконтроллеры данного семейства содержат 8-разрядное RISC CPU, периферийные модули и гибкую систему тактирования.

Семейство Atmega имеет гарвардскую архитектуру памяти с разделенным адресным пространством для памяти программы и памяти данных. На рисунке А.1 представлена цоколевка микроконтроллера Atmega8535-16-PU.

Рисунок А.1 – Цоколевка микроконтроллера Atmega8535-16PU.

В силовой цепи используется драйвер L298N. На рисунке А.2 представлена цоколевка данного драйвера.

Рисунок А.2 – Цоколевка драйвера L298N.

В качестве преобразователя логических уровней RS-232 – UART была выбрана микросхема Max232. Цоколевка микросхемы представлена на рисунке А.3.

Простой драйвер шагового двигателя

Предлагается 2 варианта схем простейших драйверов шаговых моторов, реально рабочих, так как информация взята из зарубежных радиоконструкторов (ссылка на оригиналы в конце статьи).

Схема драйвера шагового двигателя

Простой драйвер шагового двигателя

Схема драйвера шагового двигателя не содержит дорогих деталей и программируемых контроллеров. Работа может регулироваться в широком диапазоне с помощью потенциометра PR1. Есть изменение направления вращения двигателя. Катушки шагового двигателя переключаются с помощью четырех МОП-транзисторов T1-T4. Применение в блоке транзисторов большой мощности типа BUZ10 позволит подключить двигатели даже с очень большим током.

Особенности схемы и детали

  • управление четырехфазным шаговым двигателем
  • плавная регулировка скорости вращения в пределах всего диапазона
  • изменение направления вращения мотора
  • возможная остановка двигателя
  • блок питания 12 В постоянного тока

Детали – IC1: 4070, IC2: 4093, IC3: 4027, T1-T4: BUZ10, BUZ11

Простой драйвер шагового двигателя

Блок драйвер шагового двигателя собран на печатной плате, показанной на рисунке. Монтируем, как правило, начиная с припайки резисторов и панелек для интегральных микросхем, а под конец электролитические конденсаторы и транзисторы большой мощности.

Простой драйвер шагового двигателя

Блок, собранный из проверенных компонентов, не требует настройки и запускается сразу после подачи питания. Со значениями элементов, указанными на схеме, позволяет работать двигателю 5,25” и выполняет изменение скорости вращения в интервале от 40 об./мин. до 5 об./мин.

Простой драйвер шагового двигателя

Биполярный контроллер шаговых двигателей

Схема представляет собой дешевую, и прежде всего легко собираемую альтернативу доступным микропроцессорным биполярным контроллерам шаговых двигателей. Рекомендуется там, где точность управления играет меньшую роль, чем цена и надежность.

Простой драйвер шагового двигателя

Простой драйвер шагового двигателя

Принципиальную схему можно разделить на следующие блоки:

  1. последовательный чип, генерирующий битовые строки,
  2. локальный генератор тактового сигнала,
  3. схема управления питанием катушек,
  4. выходные буферы Н-моста,
  5. схемы защиты входных сигналов управления.

Контроллер должен питаться постоянным напряжением, хорошо отфильтрованным, желательно стабилизированным.

Простой драйвер шагового двигателя

Теперь пару слов про H-мосты, которые будут работать с этим драйвером. Они должны принимать на своих входах все возможные логические состояния (00, 01, 10, 11), без риска какого-либо повреждения. Просто в некоторых конфигурациях мостов построенных из дискретных элементов, запрещается одновременное включение двух входов – их естественно нельзя использовать с этим контроллером. Мосты выполненные в виде интегральных микросхем (например L293, L298), устойчивы к этому.

Простой драйвер шагового двигателя

И в завершение третий вариант контроллера, на микросхемах STK672-440, имеющий все необходимые защиты и функции смотрите по ссылке.

Теория управления шаговыми двигателями

Система отработки угла выходного вала двигателя с использованием датчика обратной связи.

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.
Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.
Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.
Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота.
Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.
Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.
Шаговые синхронные двигатели активного типа. В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.
Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.

Принципиальная схема управления шаговым двигателем

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.
При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления

Симметричная система коммутации

При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления

Несимметричная система коммутации

Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки» .

Число тактов КТ системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления КТ =4, а для несимметричной КТ =8.

В общем случае число тактов КТ зависит от числа обмоток управления (фаз статора) mу и может быть посчитано по формуле:

KT=myn1n1,
где n1=1 при симметричной системе коммутации;
n1=2 при несимметричной системе коммутации;
n2=1 при однополярной коммутации;
n2=2 при двуполярной коммутации.

Схемы, иллюстрирующие положения ротора шагового двигателя с постоянными магнитами при подключении к источнику питания одной (а) и двух обмоток (б)

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении; при двуполярной — в обеих.
Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают.
Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1).
Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.

Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:

Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р= 4. 6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.

Реактивные шаговые двигатели. У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.
Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.
Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора

Принцип действия реактивного редукторного шагового двигателя: (а) — исходное положение устойчивого равновесия; (б) — положение устойчивого равновесия. cдвинутое на один шаг

Если зубцы ротора соосны с одной диаметрально расположенной парой полюсов статора, то они сдвинуты относительно каждой из оставшихся трех пар полюсов статора соответственно на ј, Ѕ и ѕ зубцового деления.
При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.
Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:

В выражении для КТ величину n2 следует брать равной 1, т. к. изменение направления поля не влияет на положение ротора.
Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.
Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.
Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, можно достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, т.е. оси их полюсов полностью совпадают.
Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.
Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.
В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.
По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики.
Линейные шаговые синхронные двигатели. При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.
Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов

Схема, иллюстрирующая работу линейного шагового двигателя

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.
Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнитопровода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.
Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя. Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.

где
KТ — число тактов схемы управления.
Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.
В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.
Режимы работы синхронного шагового двигателя. Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.
Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0

Процесс отработки шагов шаговым двигателем

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.
В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.
Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.
Предельная механическая характеристика- это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов

Предельная механическая характеристика шагового двигателя

Приемистость- это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления

голоса
Рейтинг статьи
Читайте так же:
Что крепче сталь или железо
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector