98125

Механічний модуль станка з числовим програмним керуванням на базі крокових двигунів із сталим кроком пересуванням

Дипломная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

На сьогоднішній день промислові роботи з програмним управлінням і подібні їм обладнання являються практично єдиним засобом автоматизації серійного і дрібносерійного виробництва. В області масового виробництва використання робототехніки, економічно виправдані в результаті значного скорочення часу проектування та виготовлення і залучення автоматичних ліній.

Украинкский

2015-10-29

365.71 KB

0 чел.

Механічний модуль станка з числовим програмним керуванням на базі крокових двигунів із сталим кроком пересуванням

ВСТУП

На сьогоднішній день промислові роботи з програмним управлінням і подібні їм обладнання являються практично єдиним засобом автоматизації серійного і дрібносерійного виробництва. В області масового виробництва використання робототехніки, економічно виправдані в результаті значного скорочення часу проектування та виготовлення і залучення автоматичних ліній.

Метою дипломного проекту є створення механічного модуля станка з числовим програмним керуванням на базі крокових двигунів із сталим кроком пересуванням.  Для реалізації станка нам стануть в нагоді крокові двигуни, що й будуть виконувати основну роль у керуванні механічним модулем.

Верстат з ЧПК, як втім і будь-яка інша мехатронна система складається з механіки, електроніки і програмного управління.

Механіка: в самому слові "верстат" чути корінь "стат" - станина - основа будь-якого верстата, на неї кріпляться електропривод, направляючі і трансмісія. В одних верстатах приводу переміщують деталь, в інших - інструмент. Для переміщення і оброблення (виконання роботи) повинна бути витрачена певна енергія - найзручніша - електрична енергія. Для перетворення електричної енергії в переміщення і оброблення, призначені електричні двигуни.

Електроавтоматика керує різними допоміжними пристроями (зміна інструменту, включення/відключення, подачі змащувально-охолоджувальні рідини ).

Електроніка контролює процес перетворення електричної енергії в переміщення і оброблення, і керує ними відповідно до заданої керуючої програми.

Є два види керуючих програм: та яка керує (розраховує траєкторію, посилає сигнали і т. д.) і та, яка описує керуючі впливи.

Також планується провести аналіз точності верстата з урахуванням всього різноманіття можливих джерел похибок, необхідно повноцінне дослідження, із застосуванням таких статистичних методів як планування експерименту.


1 КРОКОВІ ДВИГУНИ. ВИКОРИСТАННЯ КРОКОВИХ ДВИГУНІВ У КОМП’ЮТЕРНІЙ ТЕХНІЦІ

  1.  Перші крокові двигуни

В наш час в схемах автоматики поряд з автоматичними системами безперервної дії, які здійснюються з допомогою виконавчих двигунів звичайного виконання, використовуються системи дискретної (імпульсної) дії. Такі системи здійснюються з допомогою крокових двигунів.

Крокові двигуни — пристрої, які перетворюють електричні імпульси напруги керування в дискретні кутові або лінійні переміщення ротора з можливою його фіксацією в потрібних положеннях.

Крокові двигуни з’явились в 30-х роках минулого століття. Перші крокові двигуни виконувались у вигляді електромагніту, що приводить в обертання храпове колесо, рис. 1.1.

Рисунок 1.1 - Перші крокові двигуни

(http://www.opticstoday.com/wpcontent/uploads/2010/01/image002_thumb10.jpg)

За одне вмикання електромагніту (за один такт) храпове колесо переміщується на визначений кут — крок, величина якого визначається величиною зубчатого кроку храпового колеса. Для забезпечення реверса на валу двигуна встановлювалось два храпових колеса, повернених на 1800 відносно один одного, і двигун забезпечувався двома електромагнітами. Не дивлячись на наявність цілого ряду недоліків, храпові крокові двигуни і в наш час знаходять ще досить широке використання.

  1.  Сучасні крокові двигуни. Принцип їх роботи

Крокові двигуни, що використовуються в наш час, в більшості випадків являються магнітофонними і багатополюсними синхронними електричними машинами. На відміну від синхронних двигунів звичайного виконання їх ротори не мають пускової короткозамкненої обмотки, що обумовлюється частотним пуском крокових двигунів. Ротори крокових двигунів можуть бути збудженими — активними або незбудженими пасивними.

На рис. 1.2 зображена схема m-фазного крокового двигуна. Живлення обмоток статора може бути однополярним або двохполярним.

Рисунку 1.2 - Схема m-фазного крокового двигуна

(http://www.opticstoday.com/wp-content/uploads/2010/01/image006_thumb5.jpg)

При однополярному живленні напруга змінюється від 0 до +U, при двохполярному від +U до -U. Так, якщо обмотки двигуна живити почергово (1-2-3-…-m) однополярними імпульсами, то ротор двигуна буде мати m стійких положень, які співпадають з вісями обмоток, рис. 1.2 а, в.

На практиці для збільшення результуючої МРС, магнітного потоку і синхронізуючого моменту, як правило, одночасно живляться дві, три і більше кількість обмоток. При цьому ротор двигуна в режимі холостого ходу займає положення, в яких його вісь співпадає з результуючим вектором МРС. У випадку, коли живиться парне число обмоток, положення результуючого вектору МРС і ротора співпадає з лінією, що проходить між двома середніми обмотками, рис. 1.2 б. У випадку, коли живиться непарне число обмоток, стійкі положення ротора співпадають з віссю середньої обмотки рис. 1.2 в.

Таким чином, в обох випадках ротор двигуна буде мати m стійких положень. Якщо почергово вмикати то парне, то непарне число обмоток, наприклад 1-2, 2, 2-3, 3,…, m-1, то число стійких положень ротора n збільшиться в два рази: n=2m. Крім двополюсних широко використовуються також багатополюсні (2р>2) крокові двигуни. Ротор який ненавантажений моментом опору, багатополюсного крокового двигуна при одному і тому ж живленні обмоток може знаходитися в одному з р стійких положень. Таким чином, в m-фазному двигуні може бути або pm стійких положень, або 2pm положень. Характер руху ротора крокового двигуна визначається частотою і характером зміни керуючих імпульсів. В залежності від цього розрізняють наступні режими роботи крокових двигунів:

  1.  статичний;
  2.  квазістатичний;
  3.  що встановився;
  4.  перехідний.

Статичним режимом крокового двигуна називається режим, при якому по обмоткам статора протікає постійний струм. Цей струм створює нерухоме в просторі магнітне поле, і ротор двигуна не обертається. Під дією моменту навантаження ротор може лише відхилятися на деякий кут від положення стійкої рівноваги.

Квазістатичний режим роботи — це режим відпрацювання одиничних кроків, при якому перехідні процеси, що супроводжують відпрацювання кроку, до початку наступного кроку повністю закінчуються, і частота обертання ротора на початку кожного кроку рівна нулю. Гранична частота імпульсу, при якій ще забезпечується квазістатичний режим, визначається часом протікання електромагнітних перехідних і особливо механічних перехідних процесів, тобто часом коливань ротора. Для зменшення або повного усунення коливань ротора в кінці кроку використовують різні демпфіруючи пристрої.

При примусовому гальмуванні після переводу керуючого імпульсу з першої обмотки (або групи обмоток) на другу через деякий проміжок часу, за який ротор відпрацьовує частину кроку і запасає деяку кількість кінетичної енергії, керуючий імпульс переводиться знову на першу обмотку. На ротор починає діяти гальмуючий момент руху. При правильному виборі часу і величини гальмівного моменту ротор зупиняється в кінці кроку. Після чого керуючий імпульс знову переводиться на другу обмотку і ротор, відпрацювавши крок, фіксується практично без коливань.

При природньому гальмуванні відпрацювання кроку відбувається в два етапи: на першому етапі рух ротора відбувається за рахунок позитивного синхронізуючого моменту, що виникає в результаті зсуву МРС статора на частину повного кроку; на другому етапі — за рахунок кінетичної енергії, запасеної ротором при негативному (гальмівному) моменті. При переміщенні ротора на величину повного кроку МРС зсувається на решту частину кроку і фіксує ротор в цьому положенні. Природнє гальмування можна використовувати лише в тих двигунах, у яких повний крок ділиться на декілька елементарних кроків.

Режим роботи, що встановився, двигунів — режим, що відповідає постійній частоті керуючих імпульсів. Ротор двигуна в режимі, що встановився, маючи постійну середню частоту обертання, може здійснювати як періодичні, так і неперіодичні коливання.

Перехідні режими роботи крокових двигунів — пуск, прискорення, сповільнення, реверс — являються основними експлуатаційними режимами роботи більшості крокових двигунів. Фізичні процеси, що відбуваються в перехідних режимах, визначаються як параметрами двигуна і його навантаження, так і початковими умовами, при яких починається перехідний процес.

Головними параметрами, які визначають якість роботи крокового двигуна в перехідних режимах, являються наступні:

  1.  частота власних кругових коливань;
  2.  електромагнітна постійна часу;
  3.  коефіцієнт внутрішнього демпфірування.

В наш час розроблена велика кількість крокових двигунів різних конструкцій. На рис. 1.3 зображений пристрій крокового двигуна типу КД-2. В розточці статора 1 розташований активний ротор — зірочка 2, який являє собою постійний магніт.

Рисунок 1.3 - Пристрій крокового двигуна

(http://www.opticstoday.com/wp-content/uploads/2010/01/image016_thumb2.jpg)

Кроковий двигун (КД) з’явився як недорога альтернатива позиційному приводу. При цьому, найбільш суттєвою відмінністю КД стала простота в управлянні позицією валу. Все що потрібно – це подати імпульси в обмотки двигуна у правильній послідовності, для забезпечення обертів валу крокового двигуна.

  1.  Переваги та недоліки крокових двигунів

Перевага КД – це можливість здійснення точного позиціонування й регулювання швидкості без застосування датчиків у ланцюзі зворотного зв'язку. У випадку застосування крокових двигунів у системах зі змінним навантаженням і більшими прискореннями без зворотного зв'язку все-таки не обійтися. Це пояснюється тим, що якщо момент навантаження прикладеної до крокового двигуна зрівняється або перебільшить максимальний крутний момент крокового двигуна на даній частоті обертання, те кроковий двигун випадає із синхронізації й інформація про положення ротора втрачається. У випадках, коли відбувається випадання крокового двигуна із синхронізації й відбувається втрата інформації про положення ротора потрібно вводити в систему зворотній зв'язок із застосуванням тих або інших типів датчиків.

Кроковий привод звичайно вибирається у випадку, якщо необхідно точне позиціонування й точне керування швидкістю. Для підвищення крутного моменту, при використанні крокового привода, можливе застосування понижувальних редукторів. Однак потрібно враховувати, що для КД редуктор підходить не завжди. Це пов'язане з тим, що в крокових двигунів, на відміну від колекторних двигунів, момент має найбільше значення на низьких швидкостях і поступово зменшується в міру збільшення швидкості обертання ротора. Крім цього КД, при стандартних схемах підключення, досягають значно менших обертів обертання вихідного вала, що також накладає обмеження на передаточне число редуктора. І ще одним важливим фактором, що обмежують використання редукторів разом зі КД, є наявність люфту в редукторів. Не дивлячись на усе вище перераховані недоліки, КД мають свою, незамінну, область застосування.

КД характерні такі позитивні особливості:

  1.  кут повороту ротора залежить від числа поданих на двигун пускових імпульсів;
  2.  кроковий двигун розбудовує максимальний момент у режимі зупинки, у випадку якщо обмотки двигуна отримують живлення;
  3.  висока точність позиціонування й повторюваності, так якісні крокові двигуни мають точність 2,5% від величини кроку, при цьому дана помилка не накопичується при наступних кроках;
  4.  КД може швидко стартувати, зупинятися й виконувати реверс;
  5.  гарна надійність двигуна, обумовлена відсутністю щіток, при цьому термін служби двигуна обмежується тільки лише терміном служби підшипників;
  6.  чіткий взаємозв'язок кута повороту ротора від кількості вхідних імпульсів (у штатних режимах) дозволяє виконувати позиціонування без застосування зворотного зв'язку;
  7.  забезпечує одержання наднизьких швидкостей обертання вала двигуна, для навантаження підведеної безпосередньо до вала двигуна без використання редуктора;
  8.  робота в широкому діапазоні швидкостей, тому що швидкість прямо залежить від кількості вхідних імпульсів.

Характерні недоліки КД:

  1.  кроковий двигун має явище резонансу;
  2.  можливий варіант випадання двигуна із синхронізації з наступною втратою інформації про положення, при роботі кола зворотному зв'язка;
  3.  при стандартних схемах підключення кількість споживаної енергії не зменшується при відсутності навантаження;
  4.  складне керування при роботі на високих швидкостях;
  5.  низька питома потужність крокового привода;
  6.  для забезпечення ефективного керування КД потрібно складна схема керування.


1.4 Використання крокових двигунів

На сьогоднішній день КД успішно застосовуються найрізноманітніших пристроях: в принтерах, сканерах, факсах, а також в обладнаннях спеціального призначення.

Використовують їх і в приводах машин, і механізмів, що працюють в старт-стопного режимі, або в приводах безперервного руху, де керуючий вплив задається послідовністю електричних імпульсів, наприклад, у верстатах з ЧПК. На відміну від сервоприводів, крокові приводи дозволяють отримувати точне позиціонування без використання зворотного зв'язку від датчиків кутового положення.

Крокові двигуни застосовуються в пристроях комп'ютерної пам'яті - НГМД, НЖМД, пристроях читання оптичних дисків.

Крокові двигуни з постійними магнітами можуть використовуватися в якості датчиків кута повороту завдяки виникненню ЕРС на обмотках при обертанні ротора.


2 КЕРУВАННЯ КРОКОВИМИ ДВИГУНАМИ ТА СЕРВОПРИВОДАМИ

2.1 Фазове керування

Існує кілька способів управління фазами крокового двигуна. Перший спосіб забезпечується поперемінної комутації фаз, при цьому вони не перекриваються, в один момент часу включена лише одна фаза, рис. 2.1. Цей спосіб називають "phase one on" full step або wave drive mode. Точки рівноваги ротора для кожного кроку збігаються з «природними» точками рівноваги ротора у незапитаного двигуна. Недоліком цього способу управління є те, що для біполярного двигуна в один і той же момент часу використовується 50% обмоток, а для уніполярного – тільки 25%. Це означає, що в такому режимі не може бути отримано повний момент.

Рисунок 2.1- Різні способи управління фазами крокового двигуна

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/topics/08.gif)

Другий спосіб - управління фазами з перекриттям: дві фази включені в один і той же час. Його називають "two-phase-on" full step або просто full step mode. При цьому способи управління ротора фіксується в проміжних позиціях між полюсами статора, рис. 2.1 б, і забезпечує приблизно на 40% більший момент, ніж у випадку однієї включеної фази. Цей спосіб управління забезпечує такий же кут кроку, як і перший спосіб, але положення точок рівноваги ротора зміщений на пів-кроку.

Третій спосіб є комбінацією перших двох і називається напівкроковий режим, "one and two-phase-on" half step або просто half step mode, коли двигун робить крок в половину основного. Цей метод досить поширений, так як двигун з меншим кроком коштує дорожче і дуже заманливо отримати від 100-крокового двигуна 200 кроків на оборот. Кожен другий крок живиться лише одною фазою, а в інших випадках живляться двома, рис. 2.1 в. В результаті кутове переміщення ротора становить половину кута кроку для перших двох способів управління. Крім зменшення розміру кроку цей спосіб управління дозволяє частково позбутися явища резонансу. Напівкроковий режим зазвичай не дозволяє отримати повний момент, хоча найбільш досконалі драйвери реалізують модифікований напівкроковий режим, в якому двигун забезпечує практично повний момент, при цьому розсіює потужність що не перевищує номінальної.

Ще один спосіб управління називається мікрокроковий режимом або micro stepping mode. При цьому способі управління струм у фазах потрібно міняти невеликими кроками, забезпечуючи таким чином дроблення половинного кроку на ще менші мікрокроки. Коли одночасно включені дві фази, але їх струми не рівні, то положення рівноваги ротора буде лежати не в середині кроку, а в іншому місці, що визначається співвідношенням струмів фаз.

Змінюючи це співвідношення, можна забезпечити деяку кількість мікрокроків всередині одного кроку. Крім збільшення роздільної здатності, мікрокроковий режим має і інші переваги, які будуть описані нижче. Разом з тим, для реалізації мікрокрокового режиму потрібні значно складніші драйвери, що дозволяють задавати струм в обмотках з необхідною дискретністю. Напівкроковий режим є приватним випадком мікрокрокового режиму, але він не вимагає формування ступеневого струму живлення котушок, тому часто реалізується.

Потрібно зазначити, що ці положення ротор приймає при роботі двигуна, але положення ротора не може зберігатися незмінним після вимикання струму обмоток. Тому при включенні і виключенні живлення двигуна ротор буде зміщуватися на пів-кроку. Для того, щоб він не зміщувався при зупинці, необхідно подавати в обмотки струм утримання. Слід зазначити, що якщо у вимкненому стані ротор двигуна повертався, то при включенні живлення можливе зміщення ротора і на більшу, ніж половина кроку величину.

Струм утримання може бути менше номінального, так як від двигуна з нерухомим ротором. Однак є застосування, коли в зупиненому стані двигун повинен забезпечувати повний момент, що для крокового двигуна можливо.

Це властивість крокового двигуна дозволяє в таких ситуаціях обходитися без механічних гальмівних систем. Оскільки сучасні драйвери дозволяють регулювати струм живлення обмоток двигуна, завдання необхідного струму утримання зазвичай не представляє проблем.

Основним принципом роботи крокового двигуна є створення обертового магнітного поля, яке змушує ротор обертатися. Обертове магнітне поле створюється статором, обмотки якого відповідним чином живлять.

Для двигуна, у якого живиться одна обмотка, залежність моменту від кута повороту ротора відносно точки рівноваги є приблизно синусоїдальної. Ця залежність для двох обмотувального двигуна, який має N кроків на оборот, показана на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 - Залежність моменту від кута повороту ротора для однієї розрахованої обмотки
(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/topics/09.gif)

Реально характер залежності може бути дещо іншою, що пояснюється неідеальної геометрії ротора і статора. Пікове значення моменту називається моментом утримання.

Якщо до ротору прикласти зовнішній момент, який перевищує момент утримання, ротор повернеться. Якщо зовнішній момент не перевищує моменту утримання, то ротор буде знаходиться в рівновазі в межах кута кроку.

Потрібно відзначити, що у знеструмленого двигуна момент утримання не дорівнює нулю внаслідок дії постійних магнітів ротора. Цей момент зазвичай становить близько 10% максимального моменту, забезпечуваного двигуном.

Іноді використовують терміни «механічний кут повороту ротора» і «електричний кут повороту ротора». Механічний кут обчислюється виходячи з того, що повний оберт ротора становить 2*pi радіан. При обчисленні електричного кута приймається, що один оборот відповідає одному періоду кутової залежності моменту. Електричний кут фактично визначає кут повороту магнітного поля статора і дозволяє будувати теорію незалежно від числа кроків на оборот для конкретного двигуна.

Якщо живити одночасно дві обмотки двигуна, момент буде дорівнює сумі моментів, забезпечуваних обмотками окремо, рис. 2.3.

Рисунок 2.3 - Залежність моменту від кута повороту ротора для двох живляться обмоток

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/topics/10_1.gif)

При цьому, якщо струми в обмотках однакові, то точка максимуму моменту буде зміщена на половину кроку. На половину кроку зміститься і точка рівноваги ротора (точка e на малюнку). Цей факт і покладено в основу реалізації напівкрокового режиму.

Пікове значення моменту (момент утримання) при цьому буде корінь з двох разів більше, ніж при одній розрахованої обмотці.

Саме цей момент зазвичай вказується в характеристиках крокового двигуна. Величина і напрям магнітного поля показано на векторній діаграмі, рис. 2.4

Рисунок 2.4 - Величина і напрям магнітного поля для різних режимів живлення фаз
(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/topics/11_2.gif)

Осі X і Y збігаються з напрямком магнітного поля, створюваного обмотками першої та другої фази двигуна. Коли двигун працює з однією включеною фазою, ротор може займати положення 1, 3, 5, 7. Якщо включені дві фази, то ротор може займати положення 2, 4, 6, 8. До того ж, в цьому режимі більше момент, оскільки він пропорційний довжині вектору на малюнку. Обидва ці методи управління забезпечують повний крок, але положення рівноваги ротора зміщені на пів-кроку.

Якщо скомбінувати два методи та подати на обмотки відповідні послідовності імпульсів, то можна змусити ротор послідовно займати положення 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, що відповідає половинному кроці.

Порівняно з повнокроковим режимом, напівкроковий режим має такі переваги:

  1. більш висока роздільна здатність без застосування більш дорогих двигунів;
  2. менші проблеми з явищем резонансу. Резонанс призводить лише до часткової втрати моменту, що зазвичай не заважає нормальній роботі привода.

Недоліком напівкрокового режиму є досить значне коливання моменту від кроку до кроку. У тих положеннях ротора, коли живиться одна фаза, момент складає приблизно 70% від повного, коли брали участь дві фази. Ці коливання можуть стати причиною підвищених вібрацій і шуму, хоча вони все одно залишаються меншими, ніж у повнокрокового режиму.

Для напівкрокового режиму дуже важливим є перехід в стан з одного виключеною фазою. Щоб змусити ротор прийняти відповідне положення, струм в відключеної фази повинен бути зменшений до нуля як можна швидше.

Тривалість спаду струму залежить від напруги на обмотці в той час, коли вона втрачає свою накопичену енергію. Замикаючи в цей час обмотку на джерело живлення, який представляє максимальна напруга, наявне в системі, забезпечується максимально швидкий спад струму. Для отримання швидкого спаду струму при живленні обмоток двигуна H-мостом всі транзистори повинні закриватися, при цьому обмотка через діоди виявляється підключеної до джерела живлення. Швидкість спаду струму значно зменшиться, якщо один транзистор мосту залишити відкритим і закоротити обмотку на транзистор і діод. Для збільшення швидкості спаду струму при управлінні уніполярними двигунами придушення викидів ЕРС самоіндукції краще здійснювати не діодами, а варисторами або комбінацією діодів і стабілітрона, які обмежать викид на більшому, але безпечному для транзисторів рівні.

2.2 Мікрокроковий режим роботи крокових двигунів

Мікрокроковий режим забезпечується шляхом отримання поля статора, що обертається більш плавно, ніж у повно - або напівкрокових режимах. У результаті забезпечуються менші вібрації і практично безшумна робота аж до нульової частоти. До того ж менший кут кроку здатний забезпечити більш точне позиціонування. Існує багато різних мікрокрокових режимів, з величиною кроку від 1/3 повного кроку до 1/32 і навіть менше. Кроковий двигун є синхронним електродвигуном. Це означає, що положення рівноваги нерухомого ротора збігається з напрямком магнітного поля статора. При повороті поля статора ротор теж повертається, прагнучи зайняти нове положення рівноваги.

Щоб отримати потрібний напрямок магнітного поля дивитися рис. 2.5, необхідно вибрати не тільки правильний напрямок струмів у котушках, але і правильне співвідношення цих струмів.

Рисунок 2.5 - Залежність моменту від кута повороту ротора у випадку різних значень струму фаз

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/topics/12.gif)

Зміщення точки рівноваги ротора говорить про те, що ротор можна зафіксувати в будь-якій довільній позиції. Для цього потрібно лише правильно встановити відношення струмів в фазах. Саме цей факт використовується при реалізації мікрокрокового режиму.

Кроковий двигун може працювати як синхронний електродвигун в режимі безперервного обертання. Для цього струми його фаз повинні бути синусоїдальними, зсунутими один відносно одного на 90 град.

Результатом використання мікрокрокового режиму є набагато більш плавне обертання ротора на низьких частотах. На частотах до 2 – 3 рази вище власної резонансної частоти ротора і навантаження, мікрокроковий режим дає незначні переваги порівняно з напів - або повнокроковими режимами.

Причиною цього є фільтруюча дія інерції ротора і навантаження.

Система з кроковим двигуном працює подібно фільтру нижніх частот. У мікрокроковому режимі можна здійснювати тільки розгін і гальмування, а основний час працює в повнокроковому режимі. До того ж, для досягнення високих швидкостей в мікрокроковому режимі потрібна дуже висока частота повторення мікрокроків, яку не завжди може забезпечити керуючий мікроконтролер.

Для запобігання перехідних процесів і втрати кроків, перемикання режимів роботи двигуна (мікрокрокового режиму в повнокроковий тощо) необхідно проводити в ті моменти, коли ротор знаходиться в положенні, відповідному однієї включеної фази.

Іноді мікрокроковий режим використовується для збільшення точності величини кроку понад заявленої виробником двигуна. При цьому використовується номінальне число кроків. Для підвищення точності використовується корекція положення ротора в точках рівноваги. Для цього спочатку знімають характеристику для конкретного двигуна, а потім, змінюючи співвідношення струмів в фазах, коригують положення ротора індивідуально для кожного кроку. Такий метод вимагає попередньої калібрування і додаткових ресурсів керуючого мікроконтролера. Крім того, потрібно датчик початкового положення ротора для синхронізації його положення з таблицею коригуючих коефіцієнтів.

Зазвичай виробники крокових двигунів вказують такий параметр, як точність кроку. Точність кроку вказується для положень рівноваги ротора при двох включених фазах, струми яких дорівнюють.

Це відповідає повнокрококовому режимі з перекриттям фаз. Для мікрокрокового режиму, коли струми фаз не рівні, ніяких даних зазвичай не наводиться.

Ідеальний кроковий двигун при живленні фаз синусоїдальним і косинусоїдальним струмом повинен обертатися з постійною швидкістю. У реального двигуна в такому режимі будуть спостерігатися деякі коливання швидкості. Це пов'язано з нестабільністю повітряного зазору між полюсами ротора і статора, наявністю магнітного гістерезису, що призводить до похибок величини і напрямку магнітного поля і т. д. Тому положення рівноваги і момент мають деякі відхилення. Ці відхилення залежать від похибки форми зубців ротора і статора і від застосованого матеріалу магнітопроводів.

Конструкція деяких двигунів оптимізована для найкращої точності в повнокроковому режимі і максимального моменту утримання. Спеціальна форма зубців ротора і статора спроектована так, щоб в положенні рівноваги для повнокрококового режиму магнітний потік сильно збільшувався. Це призводить до погіршення точності в мікрокроковому режимі.

Кращі результати дозволяють отримати двигуни, у яких момент утримання в знеструмленому стані мають менші відхилення.

Відхилення можна розділити на два види: відхилення величини магнітного поля, які призводять до відхилень моменту утримання в мікрокроковому режимі і відхилення напрямку магнітного поля, які призводять до відхилень положення рівноваги.

Відхилення моменту утримання в мікрокроковому режимі зазвичай складають 10 – 30% від максимального моменту. Потрібно сказати, що і в повнокроковому режимі момент утримання може коливатися на 10 – 20 % внаслідок спотворень геометрії ротора і статора.

Якщо виміряти положення рівноваги ротора при обертанні двигуна за і проти годинникової стрілки, то виходить дещо різні результати.

Цей гістерезис пов'язаний в першу чергу з магнітним гістерезисом матеріалу сердечника, хоча свій внесок вносить і тертя. Магнітний гістерезис призводить до того, що магнітний потік залежить не тільки від струму обмоток, але і від попереднього його значення.

Похибка, створювана гістерезисом може бути дорівнює декільком мікрокрокам. Тому в високоточних додатках при русі в одному з напрямків потрібно проходити за бажану позицію, а потім вертатися назад, щоб підхід до потрібної позиції що завжди здійснювався в одному напрямку.

Цілком природно, що будь-яке бажане збільшення роздільної здатності натрапляє на якісь фізичні обмеження.

Не варто думати, що точність позиціювання для 7.2 град. двигуна в мікрококовому режимі не поступається точності 1.8 град. двигуна.

Перешкодою є наступні фізичні обмеження: наростання моменту в залежності від кута повороту у 7.2 градусного двигуна в чотири рази більш пологе, ніж у справжнього 1.8-градусного двигуна.

Внаслідок дії моменту тертя або моменту інерції навантаження точність позиціонування вже буде гірше як буде показано нижче, якщо в системі є тертя, то внаслідок появи мертвих зон точність позиціонування буде обмежена

більшість комерційних двигунів що не мають прецизійної конструкцією і залежність між моментом і кутом повороту ротора не є в точності синусоїдальної.

Внаслідок цього залежність між фазою синусоїдального струму живлення і кутом повороту вала буде нелінійною. В результаті ротор двигуна буде проходити положення кожного кроку і напівкроку, а між цими положеннями будуть спостерігатися досить значні відхилення

Ці проблеми найбільш яскраво виражені для двигунів з великою кількістю полюсів. Існують однак двигуни, ще на етапі розробки оптимізовані для роботи в мікрокроковому режимі.

Полюси ротора і статора таких двигунів менш виражені завдяки скошеної формі зубців.

Ще одне джерело похибок позиціонування – це помилка квантування ЦАП, з допомогою якого формуються струми фаз. Справа в тому, що струм повинен формуватися за синусоїдальним законом, тому для мінімізації похибки лінійний ЦАП повинен мати підвищену розрядність.

Існують спеціалізовані драйвери з вбудованим нелінійним ЦАПом, який дозволяє одразу отримувати розрахунки функції sin.

Навіть якщо ЦАП точно сформував синусоїдальна опорне напруга, його потрібно посилити і перетворити в синусоїдальний струм обмоток. Багато драйверів мають значну не лінійність поблизу нульового значення струму, що викликає значні спотворення форми і, як наслідок, значні помилки позиціонування.

Мікрокроковий режим використовується в основному для забезпечення плавного обертання (особливо на дуже низьких швидкостях), для усунення шуму та явища резонансу. Мікрокроковий режим також здатний зменшити час встановлення механічної системи, так як на відміну від повнокрокового режиму відсутні викиди і осциляції. Однак у більшості випадків для звичайних двигунів не можна гарантувати точного позиціонування в мікрокроковому режимі.

2.3 Обертовий момент вала приводу

Момент, створюваний кроковим двигуном, залежить від кількох факторів:

  1. швидкості;
  2. струму в обмотках;
  3. схеми драйвера.

На рис. 2.6 а показана залежність моменту від кута повороту ротора.

Рисунок 2.6 - Виникнення мертвих зон в результаті дії тертя

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/topics/14.gif)

У ідеального крокового двигуна ця залежність синусоїдальна. Точки S є положеннями рівноваги ротора для ненавантаженого двигуна і відповідають кільком послідовним крокам. Якщо до валу двигуна прикласти зовнішній момент, менший моменту утримання, то кутове положення ротора зміниться на деякий кут Ф.

Кутове зміщення Ф є помилкою позиціонування навантаженого двигуна.

Якщо до валу двигуна докласти момент, що перевищує момент утримання, то під дією цього моменту вал провернеться. В такому режимі положення ротора є неконтрольованим.

На практиці завжди є прикладений до двигуна зовнішній момент, хоча б тому, що двигуну доводиться долати тертя. Сили тертя можуть бути розподіллено на дві категорії: статичне тертя або тертя спокою, для подолання якого потрібно постійний момент і динамічного тертя або в'язке тертя, що залежить від швидкості. Розглянемо статичне тертя. Припустимо, що для її подолання потрібно момент в половину від пікового. На рис. 2.6 а штриховими лініями показаний момент тертя. Таким чином, для обертання ротора залишається тільки момент, що лежить на графіку за межами штрихових ліній.

Звідси випливають два висновки: тертя знижує момент на валу двигуна і з'являються мертві зони навколо кожного положення рівноваги ротора рис. 2.6 б.

Мертві зони обмежують точність позиціонування. Наприклад, наявність статичного тертя в половину від пікового моменту двигуна з кроком 90 град. викличе наявність мертвих зон у 60 град. Це означає, що крок двигуна може коливатися від 30 до 150 град., залежно від того, в якій точці мертвої зони зупиниться ротор після чергового кроку.

Наявність мертвих зон є дуже важливим для мікрокрокового режиму.

Якщо, наприклад, є мертві зони величиною d, то мікрокрок величиною менше d взагалі не зрушить ротор з місця. Тому для систем з використанням мікрокроків дуже важливо мінімізувати тертя спокою.

Кожен раз, коли кроковий двигун здійснює крок, ротор повертається на S радіан. При цьому мінімальний момент має місце, коли ротор знаходиться рівно між сусідніми положеннями рівноваги, рис. 2.7.

Рисунок 2.7 - Момент утримання і робочий момент крокового двигуна

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/topics/15.gif)

Цей момент називають робочим моментом, він означає, який найбільший момент може долати двигун при обертанні з малою швидкістю.

При синусоїдальної залежності моменту від кута повороту ротора. Якщо двигун робить крок з двома запитаними обмотками, то робочий момент дорівнює моменту утримання однієї розрахованої обмотки.

2.4 Практична реалізація драйверів крокових сервоприводів

Драйвер крокового двигуна повинен вирішувати два основні завдання: формування необхідних часових послідовностей сигналів і забезпечення необхідного струму в обмотках. В інтегральних реалізаціях іноді ці завдання виконуються різними мікросхемами.

Прикладом може служити комплект мікросхем L297 і L298 фірми SGS-Thomson.

Мікросхема L297 містить логіку формування часових послідовностей, а L298 являє собою потужний здвоєний H-міст. На жаль, існує деяка плутанина в термінології щодо подібних мікросхем.

Поняття «драйвер» часто застосовують до багатьох мікросхем, навіть якщо їх функції сильно розрізняються.

Інколи мікросхеми логіки називають «трансляторами».

Однак терміни «драйвер» і «контролер» можуть також позначати закінчений пристрій керування кроковим двигуном. Необхідно відзначити, що останнім часом все частіше контролер і драйвер об'єднуються в одній мікросхемі.

На практиці можна обійтися і без спеціалізованих мікросхем.

Наприклад, всі функції контролера можна реалізувати програмно, а в якості драйвера застосувати набір дискретних транзисторів. Однак при цьому мікроконтролер буде сильно завантажений, а схема драйвера може вийде громіздкою.

Незважаючи на це, в деяких випадках таке рішення буде економічно вигідним.

Найпростіший драйвер потрібний для керування обмотками уніполярного двигуна. Для цього підходять найпростіші ключі, в якості яких можуть бути використані біполярні та польові транзистори. Досить ефективні могутні МОП-транзистори, керовані логічним рівнем, такі як IRLZ34, IRLZ44, IRL540.

У них опір у відкритому стані менш 0.1 ом і допустимий струм порядку 30А. Ці транзистори мають вітчизняні аналоги КП723Г, КП727В і КП746Г відповідно. Існують також спеціальні мікросхеми, які містять всередині кілька потужних транзисторних ключів.

Прикладом може служити мікросхема ULN2003 фірми Allegro (наш аналог К1109КТ23), яка містить 7 ключів з максимальним струмом 0.5 А.

Принципова схема однієї комірки цієї мікросхеми наведена на рис. 2.8.

Рисунок 2.8 - Принципова схема однієї комірки мікросхеми ULN2003

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/1/26_1.gif)

Необхідно відзначити, що ці мікросхеми придатні не тільки для живлення обмоток крокових двигунів, але і для живлення будь-яких інших навантажень.

Крім простих мікросхем драйверів існують і більш складні мікросхеми, мають вбудований контролер, PWM-регулювання струму і навіть ЦАП для мікрокрокового режиму.

Як вже зазначалося раніше, для управління біполярними двигунами потрібні більш складні схеми, такі як H-мости.

Такі схеми теж можна реалізувати на дискретних елементах, хоча останнім часом все частіше вони реалізуються на інтегральних схемах.

Приклад дискретної реалізації показаний на рис. 2.9.

Рисунок 2.9 - Реалізація мостового драйвера на дискретних компонентах

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/1/27_1.gif)

Такий H-міст управляється за допомогою двох сигналів, тому він не дозволяє забезпечити всіх можливих комбінацій.

Обмотка живлення, коли рівні на входах різні і закорочені, коли рівні однакові.

Мостові драйвери в інтегральному виконанні випускаються багатьма фірмами. Прикладом можуть служити L293 (КР1128КТ3А) і L298 фірми SGS-Thomson.

До недавнього часу велика кількість мікросхем для керування кроковими двигуна випускала фірма Ericsson. Проте 11 червня 1999 року вона передала виробництво мікросхем індустріального призначення фірмі New Japan Radio Company (New JRC).

При цьому позначення мікросхем помянялись з PBLxxxx на NJMxxxx.

Як прості ключі, так і H-мости можуть складати частину ключового стабілізатора струму.

Схема керування ключами може бути виконана на дискретних компонентах або у вигляді спеціалізованої мікросхеми. Досить популярною мікросхемою, що реалізує ШІМ-стабілізацію струму, є L297 фірми SGS-Thomson.

Спільно з мікросхемою мостового драйвера L293 або L298 вони утворюють закінчену систему управління для крокового двигуна, рис. 2.10.

Рисунок 2.10 - Типова схема включення мікросхем L297 і L298N

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/1/28.gif)

Мікросхема L297 сильно розвантажує керуючий мікроконтролер, так як від нього вимагається тільки тактова частота CLOCK (частота повторення кроків) і кілька статичних сигналів: DIRECTION – напрямок (сигнал внутрішньо синхронізований, перемикати можна в будь-який момент), HALF/FULL – напівкроковий/повнокроковий режим, RESET – встановлює фази в початковий стан (ABCD = 0101), ENABLE – дозвіл роботи мікросхеми, V ref – опорна напруга, яке задає пікову величину струму при ШІМ-регулювання.

Крім того, є кілька додаткових сигналів. Сигнал CONTROL задає режим роботи ШІМ-регулятора.

При його низькому рівні ШІМ-регулювання відбувається за виходів INH1, INH2, а при високому – по виходах ABCD. SYNC – вихід внутрішнього тактового генератора ШІМ. Він служить для синхронізації роботи кількох мікросхем. Також може бути використаний як вхід при такту від зовнішнього генератора. HOME – сигнал початкового положення (ABCD = 0101). Він використовується для синхронізації перемикання режимів HALF/FULL. В залежності від моменту переходу в повнокроковий режим мікросхема може працювати в режимі з однією включеною фазою або з двома включеними фазами.

Ключове регулювання реалізують і багато інші мікросхеми.

Деякі мікросхеми володіють тими або іншими особливостями, наприклад драйвер LMD18T245 фірми National Semiconductor не вимагає застосування зовнішнього датчика струму, так як він реалізований всередині на основі однієї комірки ключового МДН-транзистора.

Деякі мікросхеми призначені спеціально для роботи в мікрокроковому режимі. Прикладом може служити мікросхема A3955 фірми Allegro. Вона має вбудований 3-бітний нелінійний ЦАП для завдання змінюється за синусоїдальним законом струму фази.

Максимальний момент та потужність, яку може забезпечити на валу кроковий двигун, залежить від розмірів двигуна, умов охолодження, режиму роботи (робота відносини/пауза), від параметрів обмоток двигуна і від типу застосовуваного драйвера. Тип застосовуваного драйвера сильно впливає на потужність на валу двигуна. При одній і тій же потужності, що розсіюється драйвер з імпульсною стабілізацією струму забезпечує виграш у моменті на деяких швидкостях до 5 – 6 разів, порівняно з живленням обмоток номінальною напругою. При цьому також розширюється діапазон допустимих швидкостей.

Розвиток спрямовано на одержання найбільшого моменту на валу при мінімальних габаритах двигуна, широких швидкісних можливостей, високого ККД і поліпшеної точності. Важливою ланкою цієї технології є застосування мікрокрокового режиму.

На практиці важливим є і час розробки приводу на основі крокового двигуна. Розробка спеціалізованої конструкції для кожного конкретного випадку вимагає значних витрат часу. З цієї точки зору краще застосовувати універсальні схеми управління на основі PWM стабілізації струму, незважаючи на їх більш високу вартість.


3 ЖИВЛЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ОБМОТОК ПОЗИЦІОНУВАННЯ

3.1 Живлення двигуна

Для живлення звичайного двигуна постійного струму потрібно лише джерело постійної напруги, а необхідні комутації обмоток виконуються колектором.

З кроковим двигуном все складніше. Всі комутації повинен виконувати зовнішній контролер. В даний час приблизно в 95% випадків для керування кроковими двигунами використовуються мікроконтролери. У найпростішому випадку для керування кроковим двигуном у повнокроковому режимі потрібні всього два сигнали, зсунуті по фазі на 90 градусів. Напрямок обертання залежить від того, яка фаза випереджає. Швидкість визначається частотою проходження імпульсів.

У напівкроковому режимі все дещо складніше і потрібно вже мінімум 4 сигналу.

Всі сигнали керування кроковим двигуном можна сформувати програмно, однак це викличе велике завантаження мікроконтролера.

Тому частіше застосовують спеціальні мікросхеми драйверів крокового двигуна, які зменшують кількість необхідних від процесора динамічних сигналів.

Типово ці мікросхеми вимагають тактову частоту, яка є частотою повторення кроків і статичний сигнал, що задає напрямок. Іноді ще присутній сигнал включення напівкрокового режиму.

Для мікросхем драйверів, які працюють в мікрокроковому режимі, потрібно більшу кількість сигналів.

Поширеним є випадок, коли необхідні послідовності сигналів керування фазами формуються з допомогою однієї мікросхеми, а необхідні струми фаз забезпечує інша мікросхема.

Хоча останнім часом з'являється все більше драйверів, що реалізують всі функції в одній мікросхемі.

Потужність, яка потрібна від драйвера, залежить від розмірів двигуна і становить частки вата для маленьких двигунів і до 10-20 ват для великих двигунів.

Максимальний рівень потужності, що розсіюється обмежений нагріванням двигуна. Максимальна робоча температура зазвичай вказується виробником, але можна приблизно вважати, що нормальною є температура корпусу 90 градусів.

Тому при конструюванні пристроїв з кроковими двигунами, безперервно працюють на максимальному струмі, необхідно вживати заходів, що виключають дотик корпусу двигуна обслуговуючим персоналом.

В окремих випадках можливе використання охолоджуючого радіатора.

Іноді це дозволяє застосувати двигун менших розмірів і домогтися кращого ставлення потужність/вартість.

Для даного розміру крокового двигуна місце, займане обмотками, обмежена.

Тому дуже важливо сконструювати драйвер так, щоб для даних параметрів обмоток забезпечити найкращу ефективність.

Схема драйвера повинна виконувати три головних завдання:

  1.  мати можливість включати і вимикати струм в обмотках, а також змінювати його напрям;
  2.  підтримувати задане значення струму;
  3.  забезпечувати як можна більш швидке наростання і спад струму для хороших швидкісних характеристик.

3.2 Способи зміни напрямку струму

При роботі крокового двигуна потрібна зміна напрямку магнітного поля незалежно для кожної фази.

Зміна напрямку магнітного поля може бути виконано різними способами. У уніполярних двигунах обмотки мають відвід від середини або є дві окремі обмотки для кожної фази. Напрямок магнітного поля змінюється шляхом переключення половинок обмоток або цілих обмоток.

У цьому випадку потрібні лише два простих ключа A і B для кожної фази, рис. 3.1. 

Рисунок 3.1 - Живлення обмотки уніполярного двигуна

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/1/18.gif)

У біполярних двигунах напрям змінюється шляхом переполюсовки виводів обмоток.

Для такої переполюсовки вимагається повний H-міст, рис. 3.2.

Управління ключами в тому і іншому випадку повинно здійснюватися логічною схемою, що реалізує потрібний алгоритм роботи.

Передбачається, що джерело живлення схем має номінальну для обмоток двигуна напругу. 

Рисунок 3.2 - Живлення обмотки біполярного двигуна

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/1/19.gif)

Це найпростіший спосіб керування струмом обмоток, і як буде показано надалі, він істотно обмежує можливості двигуна. Потрібно відзначити, що при роздільному керуванні транзисторами H-мосту можливі ситуації, коли джерело живлення закорочений ключами.

Тому логічна схема керування повинна бути побудована таким чином, щоб виключити цю ситуацію навіть у разі збоїв керуючого мікроконтролера.

Обмотки двигуна являють собою індуктивність, а це означає, що струм не може нескінченно швидко наростати або нескінченно швидко спадати без залучення нескінченної різниці потенціалів.

При підключенні обмотки до джерела живлення струм буде з деякою швидкістю наростати, а при відключенні обмотки відбудеться викид напруги.

Цей викид здатний пошкодити ключі, в якості яких використовуються біполярні та польові транзистори. Для обмеження цього викиду встановлюють спеціальні захисні ланцюжки. На рис. 3.1 і 3.2 ці ланцюжки утворені діодами, значно рідше застосовують конденсатори або їх комбінацію з діодами.

Застосування конденсаторів викликає появу електричного резонансу, що може викликати збільшення моменту на деякій швидкості.

На рис. 3.1 знадобилося 4 діода з тієї причини, що половинки обмоток уніполярного двигуна розташовані на загальному сердечнику і сильно пов'язані між собою.

Вони працюють як автотрансформатор і викиди виникають на висновках обох обмоток.

Якщо в якості ключів застосовані МДН-транзистори, то достатньо лише двох зовнішніх діодів, так як у них всередині вже є діоди.

В інтегральних мікросхемах, що містять потужні вихідні каскади з відкритим колектором, також часто є такі діоди. Крім того, деякі мікросхеми, такі як ULN2003, ULN2803 і подібні мають всередині обидва захисних діода для кожного транзистора.

Потрібно зазначити, що у разі застосування швидкодіючих ключів потрібні порівнянні з швидкодією діоди. У разі застосування повільних діодів потрібно їх шунтування невеликими конденсаторами.

3.3 Стабілізація струму

Для регулювання моменту потрібно регулювати силу струму в обмотках.

У будь-якому випадку, струм має бути обмеженим, щоб не перевищити розсіяну потужність на омічного опору обмоток. Більш того, в напівкроковому режимі ще потрібно в певні моменти забезпечувати нульове значення струму в обмотках, а в мікрокроковому режимі взагалі потрібна завдання різних значень струму.

Для кожного двигуна виробником вказується номінальна робоча напруга обмоток.

Тому найпростіший спосіб живлення обмоток – це використання джерела постійної напруги.

В цьому випадку струм обмежений омічним опором обмоток та напругою джерела живлення рис. 3.3 а, тому такий спосіб живлення називають L/R-живленням.

Струм в обмотці зростає за експоненціальним законом зі швидкістю, яка визначається індуктивністю, активним опором обмотки і прикладеною напругою. При підвищенні частоти струм не досягає номінального значення і момент падає.

Тому такий спосіб живлення придатний лише при роботі на малих швидкостях і використовується на практиці тільки для малопотужних двигунів. 

Рисунок 3.3 - Живлення обмотки номінальною напругою (а) і використання обмежувального резистора (б)

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/1/20_1.gif)

При роботі на великих швидкостях потрібно збільшувати швидкість наростання струму в обмотках, що можливо шляхом підвищення напруги джерела живлення. При цьому максимальний струм обмотки повинен бути обмежений за допомогою додаткового резистора.

Наприклад, якщо використовується напруга живлення в 5 разів більше номінальної, то потрібно такий додатковий резистор, щоб загальний опір склало 5R, де R – омічний опір обмотки (L/5R-харчування).

Цей спосіб живлення забезпечує більш швидке наростання струму і, як наслідок, більший момент рис. 3.3 б.

Однак він має суттєвий недолік: розсіюється на резисторі додаткова потужність. Великі габарити потужних резисторів, необхідність відводу тепла і підвищена необхідна потужність джерела живлення – все це робить такий метод неефективним і обмежує область його застосування невеликими двигунами потужністю 1 – 2 ват.

Потрібно сказати, що до початку 80-х років минулого століття параметри крокових двигунів, що приводяться виробниками, ставилися саме до такого способу живлення.

Ще більш швидке наростання струму можна отримати, якщо використовувати для живлення двигуна генератор струму. Наростання струму буде відбуватися лінійно, це дозволить швидше досягати номінального значення струму.

Тим більше, що пара потужних резисторів може коштувати дорожче, ніж пара потужних транзисторів разом з радіаторами. Але як і в попередньому випадку, генератор струму буде розсіювати додаткову потужність, що робить цю схему живлення неефективною. 

На початку кожного кроку короткочасно обмотки підключаються до більш високовольтного джерела, який забезпечує швидке наростання струму, 3.4. Потім напруга живлення обмоток зменшується (момент часу t1 на рис. 3.4).

Рисунок 3.4 - Живлення обмотки двигуна ступінчастим напругою

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/1/21_1.gif)

Недоліком цього методу є необхідність двох ключів, двох джерел живлення і більш складної схеми управління. В системах, де такі джерела вже є, метод може виявитися досить дешевим.

Ще однією складністю є неможливість визначення моменту часу t1 для загального випадку. Для двигуна з меншою індуктивністю обмотки швидкість наростання струму вище і при фіксованому t1 середній струм може виявитися вище номінального, що загрожує перегрівом двигуна.

Ще одним методом стабілізації струму в обмотках двигуна є ключове (широко-імпульсне) регулювання.

Сучасні драйвери крокових двигунів використовують саме цей метод.

Ключовою стабілізатор забезпечує високу швидкість наростання струму в обмотках разом з простотою його регулювання та дуже низькими втратами.

Ще однією перевагою схеми з ключовою стабілізацією струму є і те, що вона підтримує момент двигуна постійним, незалежно від коливань напруги живлення.

Це дозволяє використовувати прості і дешеві нестабілізовані джерела живлення. Для забезпечення високої швидкості наростання струму використовують напругу джерела живлення, у декілька разів перевищує номінальну. Шляхом регулювання шпаруватості імпульсів, середнє напруга і струм підтримуються на номінальному для обмотки рівні.

Підтримка виробляється в результаті дії зворотного зв'язку. Послідовно з обмоткою включається резистор – датчик струму R, рис. 3.5 а.

Падіння напруги на цьому резисторі пропорційна струму в обмотці.

Коли струм досягає встановленого значення, ключ вимикається, що призводить до падіння струму. Коли струм спадає до нижнього порогу, ключ знову включається.

Цей процес повторюється періодично, підтримуючи середнє значення струму постійним.

Рисунок 3.5 - Різні схеми ключової стабілізації струму

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/1/22_1.gif)

Керуючи величиною Uref можна регулювати струм фази, наприклад, збільшувати його при розгоні і гальмуванні і знижувати при роботі на постійній швидкості. Можна також задавати його з допомогою ЦАП у формі синусоїди, реалізуючи таким чином мікрокроковий режим.

Такий спосіб керування ключовим транзистором забезпечує постійну величину пульсацій струму в обмотці, яка визначається гістерезисом компаратора. Однак частота перемикань буде залежати від швидкості зміни струму в обмотці, зокрема, від її індуктивності і від напруги живлення. Крім того, дві такі схеми, що живлять різні фази двигуна, не можуть бути синхронізованими, що може явитися причиною додаткових перешкод.

Від зазначених недоліків вільна схема з постійною частотою перемикання рис. 3.5 б.

Ключовим транзистором управляє тригер, який встановлюється спеціальним генератором. Коли тригер встановлюється, ключовий транзистор відкривається і струм фази починає рости. Разом з ним зростає і падіння напруги на датчику струму. Коли воно досягає опорного напруги, компаратор перемикається, скидаючи тригер.

Ключовий транзистор при цьому вимикається і струм фази починає спадати до тих пір, поки тригер не буде знову встановлений генератором. Така схема забезпечує постійну частоту комутації, проте величина пульсацій струму не буде постійною. Частота генератора зазвичай вибирається не менш 20кГц, щоб двигун не створював чутного звуку. У той же час занадто висока частота перемикань може викликати підвищені втрати в сердечнику двигуна і втрати на перемиканнях транзисторів.

Хоча втрати в сердечнику з підвищенням частоти ростуть не так швидко через зменшення амплітуди пульсацій струму з ростом частоти. Пульсації близько 10% від середнього значення струму зазвичай не викликають проблем з втратами.

Подібна схема реалізована всередині мікросхеми L297 фірми SGS-Thomson, застосування якої зводить до мінімуму кількість зовнішніх компонентів.

3.4 Швидкий і повільний спад струму

На рис. 3.2 були показані конфігурації ключів в H-мосту для включення різних напрямків струму в обмотці. Для вимикання струму можна вимкнути всі ключі H-моста або ж залишити один ключ включеним, рис. 3.6. Ці дві ситуації розрізняються по швидкості спаду струму в обмотці.

Після відключення індуктивності від джерела живлення струм не може миттєво припиниться.

Виникає ЕРС самоіндукції, що має протилежний джерелу живлення напрямок.

При використанні транзисторів у якості ключів необхідно використовувати шунтуючі діоди, щоб забезпечити провідність в обидві сторони. Швидкість зміни струму в індуктивності пропорційна прикладеній напрузі. Це справедливо як для наростання струму, так і для його спаду. Тільки в першому випадку джерелом енергії є джерело живлення, а в другому сама індуктивність віддає накопичену енергію. Цей процес може відбуватися при різних умовах.

Рисунок 3.6 - Повільний і швидкий спад струму

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/1/24_1.gif)

На рис. 3.6 а, показано стан ключів H-мосту, коли обмотка включена.

Включені ключі A і D, напрям струму показано стрілкою. На рис. 3.6 б, обмотка вимкнена, але ключ A включений. ЕРС самоіндукції закорочується через цей ключ і діод VD3. В цей час на виводах обмотки буде невелика напруга, рівне прямого падіння на діоді плюс падіння на ключі (напруга насичення транзистора). Так як напруга на виводах обмотки мало, малою буде і швидкість зміни струму.

Відповідно малою буде і швидкість спадання магнітного поля. А це значить, ще деякий час статор двигуна буде створювати магнітне поле, якого в цей час бути не повинно. На обертовий ротор це поле буде надавати гальмуючий вплив. При високих швидкостях роботи двигуна цей ефект може серйозно перешкодити нормальній роботі двигуна. Швидке спадання струму при вимиканні є дуже важливим для швидкодіючих контролерів, що працюють в напівкроковомц режимі.

Можливий і інший спосіб відключення струму обмотки, коли розмикаються всі ключі H-моста (рис 24в). При цьому ЕРС самоіндукції закорочується через діоди VD2, VD3 на джерело живлення. Це означає, що під час спаду струму на обмотці буде напруга, рівне сумі напруги джерела живлення і прямого падіння на двох діодах. У порівнянні з першим випадком, це значно більшу напругу. Відповідно, більш швидким буде спад струму і магнітного поля. Таке рішення, використовує напруга джерела живлення для прискорення спаду струму є найбільш простим, але не єдиним.

Потрібно сказати, що в ряді випадків на джерелі живлення можуть з'явиться викиди, для придушення яких знадобляться спеціальні ланцюжки.

Байдуже, яким способом забезпечується на обмотці підвищена напруга під час спаду струму.

Для цього можна застосувати стабілітрони або варистори. Однак на цих елементах буде розсіюватися додаткова потужність, яка у першому випадку віддавалася назад у джерело живлення.

Для уніполярного двигуна ситуація більш складна. Справа в тому, що половинки обмотки, або дві окремі обмотки однієї фази сильно пов'язані між собою. В результаті цієї зв'язку на зачиненій транзисторі будуть мати місце викиди підвищеної амплітуди.

Тому транзистори повинні бути захищені спеціальними ланцюгами. Ці ланцюжки для забезпечення швидкого спаду струму повинні забезпечувати досить високу напругу обмеження. Найчастіше застосовуються діоди разом зі стабілітронами або варистори. Один із способів в схемо-технічній реалізації показаний на рис. 3.7. 

Рисунок 3.7 - Приклад реалізації швидкого спаду струму для уніполярного двигуна

(http://kazus.ru/nuke/spaw/images/1/25_1.gif)

При ключовому регулювання величина пульсацій струму залежить від швидкості його спаду. Тут можливі різні варіанти.

Якщо забезпечити замикання обмотки діодом, буде реалізований повільний спад струму. Це призводить до зменшення амплітуди пульсацій струму, що є дуже бажаним, особливо при роботі двигуна в мікрокроковуму режимі.

Для даного рівня пульсацій повільний спад струму дозволяє працювати на більш низьких частотах ШІМ, що зменшує нагрівання двигуна. З цих причин повільний спад струму широко використовується. Однак існує кілька причин, за якими повільне наростання струму не завжди є оптимальним: по-перше, із-за негативної зворотної ЕРС, зважаючи малого напруги на обмотці під час спаду струму, реальний середній струм обмотки може виявитися завищеними; по-друге, коли потрібно різко зменшити струм фази (наприклад, у напівкроковому режимі), повільний спад не дозволить зробити це швидко; по-третє, коли потрібно встановити дуже низьке значення струму фази, регулювання може порушиться через існування обмеження на мінімальний час включеного стану ключів.

Висока швидкість спаду струму, яка реалізується шляхом замикання обмотки на джерело живлення, що призводить до підвищених пульсаціям.

Разом з тим, усуваються недоліки, властиві повільного спаду струму.

Однак при цьому точність підтримки середнього струму менше, також більше втрати.

Найбільш досконалі мікросхеми драйверів мають можливість регулювати швидкість спаду струму.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

31403. Понятие о системе «человек и машина» (СЧМ) 909 KB
  В современном производстве, на транспорте, в системах связи, в строительстве и сельском хозяйстве все шире применяются автоматы и вычислительная техника; происходит автоматизация многих производственных процессов.
31404. Дослiдження лiнiйного та нелiнiйного елементу 60.5 KB
  Обладнання: Стенд з регульованою напругою опiр дiод вольтамперметр блок живлення постiйного струму 6В. Вимикач S1 знаходиться у замкненому станi пiд час вимiру напруг E1 UD UR розимикаючись лише для вимiру струму в розривi кола. Виконати вимiри напруг i струму поступово зменшуючи напругу E1 вiд 5В до 0В контролючи зменшення струму. Перемкнути вимiрювальний прилад на вимiр струму.
31405. Дослiдження послiдовного RCL контуру 242 KB
  Змiнним опiром у верхнiй по схемi гiлцi з iндуктивнiстю L i ємнiстю C виставити максимальну напругу E1 гнiзда 1011. На iнших гiлках з опiрами виставити E2=E3=E4=E5=0 гнiзда 2021 3031 4041 5051. Вимiряти напругу Us на послiдовноз’єднаних iндуктивностi L i опорi R2 гнiзда 1121. Вимiряти напругу UL на iндуктивностi L гнiзда 1112.
31406. Дослiдження ємнiстi у колi змiнного струму 60 KB
  Вдосконалити навики побудови векторних дiаграм напруг i струму. Обладнання: Стенд вiдомi опiри невiдома ємнiсть вольтметр змiнного струму блок живлення змiнного струму 10В 50Гц. Накреслити векторну дiаграму струму I та напруг UR Uc i сумарної напруги Us для вимipiв з мiнiмальним опiром 1 Вольт – 1 клiтинка.
31407. Дослiдження сiнхронного двигуна змiнного струму 84.5 KB
  Дослiдити вплив зсуву фаз додоткової обмотки збудження статора на напрямок обертання ротора двигуна. Обладнання: Стенд з сiнхронного двигуна змiнного струму з постійним магнiтом в якостi ротора обладнаний понижуючим фрікціонним редуктором обертiв та регулятором напруги. Використана у стенді модель двигуна має дві незалежні обмотки статорів.
31408. Дослiдження послiдовного та паралельного з’єднання опорiв 48.5 KB
  Обчислення опору кола за вiдомими опорами складових. Занотувати значення опорiв R1 R2 R3 R4 R5 Перемички X0X5 дозволяють тимчасово розiрвати дiлянку кола для пiд’єднання амперметру до мiсця розриву. Тимчасово розiрвiть дiлянку кола витягнувши одну з перемичок X0X5 i пiд’єднавши замiсть перемички амперметр попередньо перемкнути мультиметр на вимiр струму.
31409. Дослiдження фазообертача на обертовому трансформаторі 90.5 KB
  Дослiдити зміни фази напруги на роторі обертового трансформатора в залежності від кута ротора. А з ротора знімається напруга U3. Якщо вісь обмотки ротора співпадає з віс’ю обмотки на яку подано напругу U1 то фаза напруги ротора U3 співпадає з фазою U1. Відповідно коли вісь обмотки ротора співпадає з віс’ю обмотки з напругою U2 – фаза U3 співпадає з фазою U2.
31410. Дослiдження потенцiалу i напруженностi поля у електричнiй ваннi 149.5 KB
  Мета: Вимiр потенцiалiв i напруженностi поля для заданної конфiгурацiї електродiв. План роботи Зiбрати макет з заданою конфiгурацiє електродiв згiдно малюнка варiанту завдання. Намалювати свою конфiгурацiю електродiв на графiку. Вставити виводи електродiв моделi у кришку згiдно малюнку завдання так щоб електроди опинились у вiдповiдних отворах кришки.