Управление шаговым двигателем

 

Оглавление

 

Введение 2

1.  Шаговый двигатель - устройство, преимущества и недостатки. 3

2. Управления шаговым двигателем. 6

2.1. Общие сведение об управлении шаговым двигателем. 6

2.2.Управление шаговым двигателем с помощью ПК. 7

3. Реализация алгоритмов и интерфейс управления шаговым электродвигателем. 10

Выводы. 12

Литература 13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Шаговый электродвигатель (ШД) обычно состоит  из многополюсного статора с соответствующим  числом фазных обмоток и зубчатого  ротора из магнитного материала. Для  управления поворотом ротора в фазные обмотки подают импульсы тока в нужном порядке, при этом зубцы ротора стремятся  притянуться к соответствующим  полюсам статора и ротор поворачивается на фиксированный угол. Таким образом, направление и угол поворота ротора ШД однозначно определяется серией фазных импульсов. За один оборот ротор совершает  целое число шагов.

Ротор ШД может удерживаться в фиксированном  положении, пока через фазную  обмотку  протекает постоянный ток.

Применение  ШД обеспечивает относительную простоту реализации систем позиционирования, а импульсный характер управления удобно согласуется с цифровыми управляющими устройствами.

Основные  характеристики ШД:

• Число фаз;
• Угол поворота град./шаг (или число шагов на 1 оборот);
• Крутящий момент (момент удерживания);
• Максимальная частота фазных импульсов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Шаговый двигатель - устройство, преимущества и недостатки.

Шаговый двигатель –  это электромеханическое устройство,  которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Шаговый двигатель практически ничем не отличается от двигателей других типов. Чаще всего это круглый корпус, вал, несколько выводов (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид шаговых двигателей семейства ДШИ-200.

Однако шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает порой их исключительно  удобными для применения или даже незаменимыми. 

Чем же хорош шаговый двигатель? 

•  угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель 

•  двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки  запитаны) 

•  прецизионное позиционирование и повторяемость.  Хорошие шаговые  двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта 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 

Но не все так хорошо...

            • шаговым двигателем присуще явление резонанса

•  возможна потеря контроля положения  ввиду работы без обратной связи 

•  потребление энергии не уменьшается  даже без нагрузки 

•  затруднена работа на высоких  скоростях 

•  невысокая удельная мощность 

•  относительно сложная схема  управления 

Шаговые двигатели относятся к  классу бесколлекторных двигателей постоянного тока.  Как и любые бесколлекторные двигатели, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в критичных, например, индустриальных применениях. По сравнению с обычными двигателями постоянного тока,  шаговые двигатели требуют значительно более сложных схем управления,  которые должны выполнять все коммутации обмоток при работе двигателя. 

Одним из главных преимуществ шаговых  двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку  скорости без датчика обратной связи. Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении  и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. 

В отличие от коллекторных двигателей, у которых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигатель имеет больший момент на низких скоростях. К тому же,  шаговые двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными двигателями,  что ограничивает максимальное передаточное число и,  соответственно,  увеличение момента с помощью редуктора.

Существуют три основных типа шаговых  двигателей: 

•  двигатели с переменным магнитным  сопротивлением 

•  двигатели с постоянными  магнитами 

•  гибридные двигатели 

Определить тип двигателя можно по конфигурации обмоток. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют три (реже четыре)  обмотки с одним общим выводом.  Двигатели с постоянными магнитами чаще всего имеют две независимые обмотки.  Эти обмотки могут иметь отводы от середины.  Иногда двигатели с постоянными магнитами имеют 4 раздельных обмотки.   В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора,  которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов.  Полюс можно определить как некоторую область намагниченного тела,  где магнитное поле сконцентрировано.

Полюса имеют как статор, так  и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин.  Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков.  Таким образом,  момент зависит от параметров обмоток.  Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана,  ротор принимает определенное положение. Он будет находится в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия. 

2. Управления шаговым двигателем.

2.1. Общие сведение об управлении шаговым двигателем.

Основной режим управления ШД поясняет диаграмма на рис. 2, когда импульсы тока подают в фазные обмотки по очереди, в порядке

1 → 2 →  3 → 4 → 1 → 2 → 3 → 4 → 1 → и т.д.

и ротор последовательно  принимает фиксированные угловые  положения. Видно, что управляющая  последовательность циклическая и  один цикл составляют 4 шага. Чтобы изменить направление вращения, достаточно поменять эту последовательность на обратную. На диаграмме также приведены двоичные коды для управления фазными токами.

Рис. 2. Временная диаграмма фазных токов в режиме полного шага.

 

Режим половинного  шага на том же ШД можно получить, если применить другую последовательность фазных токов:

 

1 → 1,2 →  2 → 2,3 → 3 → 3,4 → 4 → 4,1 →  1 → 1,2 → 2 → 2,3 → и т.д.

 

Такой режим  еще называют режимом с перехватом фаз. Временная диаграмма показана на рис. 3.

Рис. 3. Временная диаграмма фазных токов в режиме половинного шага.

В этой управляющей  последовательности цикл состоит из 8 шагов. В те моменты, когда токи протекают одновременно в обеих  соседних обмотках, зубцы ротора «повисают» между полюсами статора, и образуются дополнительные угловые положения. Угловой шаг в таком режиме уменьшается вдвое, а число шагов  на один оборот, соответственно, удваивается. Для смены направления вращения нужно так же изменить фазную последовательность на обратную.

2.2.Управление шаговым двигателем с помощью ПК.

       Параллельный порт является великолепным интерфейсом, позволяющим подключать к персональному компьютеру множество самых различных устройств. Ниже приводится краткое описание параллельного порта. Параллельный порт (рис. 4) имеет несколько линий ввода/вывода, которые могут быть разделены на две группы — линии передачи данных и линии сигналов управления.  В табл.1 описано назначение выводов разъема порта LPT.

Рис. 4. Параллельный порт.

Табл. 1

№ выв.	Название	Направление	Описание
1	STROBE	ввод и вывод	устанавливается PC после завершения каждой передачи данных
2/9	DO-D7	вывод	8 линий данных
10	АСК	ввод	устанавливается в "0" внешним устройством  после приема байта
11	BUSY	ввод	устройство показывает, что оно  занято, путем установки этой линии  в «1»
12	Paper out	ввод	для принтеров
13	Select	ввод	устройство показывает, что оно  готово, путем установки на этой линии «1 »
14	Autofeed	Ввод и вывод
15	Error	ввод	индицирует об ошибке
16	Initialize	Ввод и вывод
17	Select In	Ввод и вывод
18-25	Ground	GND	общий провод

  Для управления шаговым двигателем можно использовать микросхему драйвера ULN2003, которая содержит семь мощных транзисторных ключей, собранных по схеме Дарлингтона. Каждый ключ способен управлять нагрузкой с током потребления до 500 мА. Микросхема имеет резисторы в цепи базы, что позволяет напрямую подключить ее входы к обычным цифровым микросхемам. Все эмиттеры соединены вместе и выведены на отдельный вывод. На выходах транзисторных ключей имеются защитные диоды, что позволяет управлять с помощью этой микросхемы индуктивными нагрузками при минимуме внешних компонентов. В этой конструкции использовано только четыре транзисторных ключа. Электрическая схема подключения шагового двигателя показана на рис.5.

Рис. 5. Электрическая схема подключения шагового двигателя.

Первый вывод шагового двигателя, идентифицированный с помощью описанной  ранее процедуры, подсоединен к  линии DO параллельного порта (разумеется, через микросхему ULN2003). Каждый следующий  вывод подсоединен к соответствующему выводу параллельного порта. Если порядок  подключения выводов шагового двигателя  неверный, вал мотора будет не вращаться, а лишь поворачиваться на небольшой  угол из одной стороны в другую и наоборот. Общий провод схемы  подсоединен к источнику питания  не напрямую, а через стабилитрон. Это сделано с целью защиты схемы от напряжения ЭДС самоиндукции, возникающего в катушках при резком выключении напряжения питания схемы. 
       Программа, разработанная для описываемого устройства, достаточно проста. Она управляет выводами порта и формирует на них специальную последовательность импульсов. Эта последовательность показана в табл. 2 для четырехфазного шагового двигателя и в табл. 3 для шестифазного шагового двигателя.

                                                                                                                                 Табл. 2.

Фаза 1	1	1	0	0	0	0	0	1
Фаза 2	0	1	1	1	0	0	0	0
Фаза 3	0	0	0	1	1	1	0	0
Фаза 4	0	0	0	0	0	1	1	1

 

                                                                                                                         Табл.3.

Фаза 1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1
Фаза 2	1	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	1
Фаза 3	0	1	1	1	1	1	0	0	0	0	0	0
Фаза 4	0	0	0	1	1	1	1	1	0	0	0	0
Фаза 5	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	0	0
Фаза 6	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1