Исследование работы шаговых двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРОТОРНОЙ РАБОТЫ

А.Е. Косоруков

2013

Оглавление

Введение

1. Краткие теоретические сведения

1.1 Зачем нужно управлять ШД

1.2 Теория управления ШД с начального момента времени до наших дней (зависимость ШД от оборотов)

1.2.1 Биполярные и униполярные шаговые двигатели

1.2.2 Биполярный или униполярный

1.2.3 Способы управления фазами шагового двигателя

1.3 Режимы работы ШД

1.3.1 Полношаговый режим

1.3.2 Полушаговый режим

1.3.3 Микрошаговый режим

1.4 План разгона

1.5 Как МК работает с ШД

1.5.1 Практическая реализация драйверов

1.6 Современные микроконтроллеры для управления ШД (на примере А3977)

2. Схема экспериментальной установки

2.1 Структурная схема ЛР установки

2.2 Структурная схема МК А3977

2.2.1 Функциональное описание отдельных узлов А3977

2.2.1.1 Транслятор

2.2.1.2 ШИМ стабилизация тока обмоток

2.2.1.3 Быстрый, медленный и смешанный режим спада тока

2.2.1.4 Линии сброса, разрешения и контроля

2.2.1.5 Схемы защиты

3.2.2 Назначение элементов схемы А3977

3. Перечень используемого оборудования

4. Порядок выполнения работы

5. Требования к содержанию отчета

Литература

Введение

шаговый двигатель экспериментальный оборудование

Название лабораторной работы: «Исследование работы шаговых двигателей».

Цель работы и задачи исследований: целью данной лабораторной работы является ознакомление с принципом работы схемы блока управления, изучение свойств и режимов работы шагового двигателя.

Шаговые двигатели уже давно и успешно применяются в самых разнообразных устройствах. Их можно встретить в дисководах, принтерах, плоттерах, сканерах, факсах, а также в разнообразном промышленном и специальном оборудовании. Одно из применений в учебных целях - это радиолюбительские модели, исполнительные узлы роботов, привод редукторов точного поворота антенн. Устройство можно также применить в качестве привода в станках для точного сверления и калибровки отверстий небольшого диаметра, в транспортерных линиях и т.п. В настоящее время выпускается множество различных типов шаговых двигателей на все случаи жизни. Однако правильно выбрать тип двигателя - это еще полдела. Не менее важно правильно выбрать схему драйвера и алгоритм его работы, который зачастую определяется программой микроконтроллера.

1. Краткие теоретические сведения

1.1 Зачем нужно управлять ШД

Шаговый двигатель - это электромеханичское устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает их удобными для применения. Основным принципом работы шагового двигателя является создание вращающегося магнитного поля, которое заставляет ротор поворачиваться. Вращающееся магнитное поля создается статором, обмотки которого соответствующим образом запитываются.

Преимущества:

· 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

Недостатки:

· шаговым двигателем присуще явление резонанса (Эффект проявляется в виде внезапного падения момента на некоторых скоростях. Это может привести к пропуску шагов и потере синхронности. Эффект проявляется в том случае, если частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора двигателя. )

· 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. Кроме того, сам шаговый двигатель - дорогостоящее устройство, поэтому там, где точное позиционирование не требуется, обычные коллекторные двигатели имеют заметное преимущество. Справедливости ради следует отметить, что в последнее время для управления коллекторными двигателями все чаще применяют контроллеры, которые по сложности практически не уступают контроллерам шаговых двигателей.

Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, так как такие датчики могут стоить намного больше самого двигателя. 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. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация о положении ротора теряется и система требует базирования с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика. Системы с обратной связью не имеют подобного недостатка.

1.2 Теория управления ШД с начального момента времени до наших дней (зависимость ШД от оборотов)

1.2.1 Биполярные и униполярные шаговые двигатели

В зависимости от конфигурации обмоток двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовывается драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода (рис. 1а).

Рис. 1. Биполярный двигатель (а), униполярный (б) и четырехобмоточный (в).

Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов (рис. 1б). Иногда униполярные двигатели имеют раздельные 4 обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8 (рис. 1в). При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярный двигатель с двумя обмоткими и отводами тоже можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными. В любом случае ток обмоток следует выбирать так, чтобы не превысить максимальной рассеиваемой мощности.

1.2.2 Биполярный или униполярный

Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность. При одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент.

Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путь для повышения магнитного поля - это увеличение тока или числа витков обмоток. Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника. Однако на практике это ограничение действует редко. Гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя вследствии омических потерь в обмотках. Как раз этот факт и демонстрирует одно из преимуществ биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток. Другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки, т.е. их использование оптимально. В таком двигателе сечение отдельных обмоток вдвое больше, а омическое сопротивление - соответственно вдвое меньше. Это позволяет увеличить ток в корень из двух раз при тех же потерях, что дает выигрыш в моменте примерно 40%. Если же повышенного момента не требуется, униполярный двигатель позволяет уменьшить габариты или просто работать с меньшими потерями. На практике все же часто применяют униполярные двигатели, так как они требуют значительно более простых схем управления обмотками. Это важно, если драйверы выполнены на дискретных компонентах. В настоящее время существуют специализированные микросхемы драйверов для биполярных двигателей, с использованием которых драйвер получается не сложнее, чем для униполярного двигателя. Например, это микросхемы L293E, L298N или L6202 фирмы SGS-Thomson, PBL3770, PBL3774 фирмы Ericsson, NJM3717, NJM3770, NJM3774 фирмы JRC, A3957 фирмы Allegro, LMD18T245 фирмы National Semiconductor.

1.2.3 Способы управления фазами шагового двигателя

Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза (рис 2а). Этот способ называют ”one phase on” full step или wave drive mode. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора у незапитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени иcпользуется 50% обмоток, а для униполярного - только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент.

Второй способ - управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Его называют ”two-phase-on” full step или просто full step mode. При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора (рис. 2б) и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на пол-шага.

Третий способ является комбинацией первых двух и называется полушаговым режимом, ”one and two-phase-on” half step или просто half step mode, когда двигатель делает шаг в половину основного. Этот метод управления достаточно распространен, так как двигатель с меньшим шагом стоит дороже и очень заманчиво получить от 100-шагового двигателя 200 шагов на оборот. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две (рис. 2в). В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса. Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент, хотя наиболее совершенные драйверы реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной.

Еще один способ управления называется микрошаговым режимом или micro stepping mode. При этом способе управления ток в фазах нужно менять небольшими шагами, обеспечивая таким образом дробление половинного шага на еще меньшие микрошаги. Когда одновременно включены две фазы, но их токи не равны, то положение равновесия ротора будет лежать не в середине шага, а в другом месте, определяемом соотношением токов фаз. Меняя это соотношение, можно обеспечить некоторое количество микрошагов внутри одного шага. Кроме увеличения разрешающей способности, микрошаговый режим имеет и другие преимущества, которые будут описаны ниже. Вместе с тем, для реализации микрошагового режима требуются значительно более сложные драйверы, позволяющие задавать ток в обмотках с необходимой дискретностью. Полушаговый режим является частным случаем микрошагового режима, но он не требует формирования ступенчатого тока питания катушек, поэтому часто реализуется.



Рис. 2. Различные способы управления фазами шагового двигателя.

1.3 Режимы работы ШД

1.3.1 Полношаговый режим

В полношаговом режиме с двумя включенными фазами положения точек равновесия ротора смещены на полшага. Нужно отметить, что эти положения ротор принимает при работе двигателя, но положение ротора не может сохраняться неизменным после выключения тока обмоток. Поэтому при включении и выключении питания двигателя ротор будет смещаться на пол-шага. Для того, чтобы он не смещался при остановке, необходимо подавать в обмотки ток удержания. То же справедливо и для полушагового и микрошагового режимов. Следует отметить, что если в выключенном состоянии ротор двигателя поворачивался, то при включении питания возможно смещение ротора и на большую, чем половина шага величину.

Ток удержания может быть меньше номинального, так как от двигателя с неподвижным ротором обычно не требуется большого момента. Однако есть применения, когда в остановленном состоянии двигатель должен обеспечивать полный момент, что для шагового двигателя возможно. Это свойство шагового двигателя позволяет в таких ситуациях обходиться без механических тормозных систем. Поскольку современные драйверы позволяют регулировать ток питания обмоток двигателя, задание необходимого тока удержания обычно не представляет проблем. Задача обычно заключается просто в соответствующей программной поддержке для управляющего микроконтроллера.

1.3.2 Полушаговый режим

Для двигателя, у которого запитана одна обмотка, зависимость момента от угла поворота ротора относительно точки равновесия является приблизительно синусоидальной. Эта зависимость для двухобмоточного двигателя, который имеет N шагов на оборот (угол шага в радианах S = (2*pi)/N), показана на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость момента от угла поворота ротора для одной запитанной обмотки.

Реально характер зависимости может быть несколько другой, что объясняется неидеальностью геометрии ротора и статора. Пиковое значение момента называется моментом удержания. Формула, описывающая зависимость момента от угла поворота ротора, имеет следующий вид:

T = - Th*sin((pi/2)/S)*Ф),

где T - момент, Th - момент удержания,

S - угол шага,

Ф - угол поворота ротора.

Если к ротору приложить внешний момент, который превышает момент удержания, ротор провернется. Если внешний момент не превышает момента удержания, то ротор будет находится в равновесии в пределах угла шага. Нужно отметить, что у обесточенного двигателя момент удержания не равен нулю вследствие действия постоянных магнитов ротора. Этот момент обычно составляет около 10% максимального момента, обеспечиваемого двигателем.

Если запитать одновременно две обмотки двигателя, то момент будет равен сумме моментов, обеспечиваемых обмотками по отдельности (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость момента от угла поворота ротора для двух запитанных обмоток.

При этом, если токи в обмотках одинаковы, то точка максимума момента будет смещена на половину шага. На половину шага сместится и точка равновесия ротора (точка e на рисунке). Этот факт и положен в основу реализации полушагового режима. Пиковое значение момента (момент удержания) при этом будет в корень из двух раз больше, чем при одной запитанной обмотке.

Th₂ = 2 ^0.5*Th₁,

где Th₂ - момент удержания при двух запитанных обмотках,

Th₁ - момент удержания при одной запитанной обмотке.

Именно этот момент обычно и указывается в характеристиках шагового двигателя.

1.3.3 Микрошаговый режим

Микрошаговый режим обеспечивается путем получения поля статора, вращающегося более плавно, чем в полно- или полушаговом режимах. В результате обеспечиваются меньшие вибрации и практически бесшумная работа вплоть до нулевой частоты. К тому же меньший угол шага способен обеспечить более точное позиционирование. Существует много различных микрошаговых режимов, с величиной шага от 1/3 полного шага до 1/32 и даже меньше. Шаговый двигатель является синхронным электродвигателем. Это значит, что положение равновесия неподвижного ротора совпадает с направлением магнитного поля статора. При повороте поля статора ротор тоже поворачивается, стремясь занять новое положение равновесия.

Рис. 5. Зависимость момента от угла поворота ротора в случае разных значений тока фаз.

Чтобы получить нужное направление магнитного поля, необходимо выбрать не только правильное направление токов в катушках, но и правильное соотношение этих токов.

Если одновременно запитаны две обмотки двигателя, но токи в этих обмотках не равны (рис. 12), то результирующий момент будет

Th = ( a² + b² )^0.5,

а точка равновесия ротора сместится в точку

x = ( S / (pi/2) ) arctan( b / a ),

где a и b - момент, создаваемый первой и второй фазой соответственно,

Th - результирующий момент удержания,

x - положение равновесия ротора в радианах,

S - угол шага в радианах.

Смещение точки равновесия ротора говорит о том, что ротор можно зафиксировать в любой произвольной позиции. Для этого нужно лишь правильно установить отношение токов в фазах. Именно этот факт используется при реализации микрошагового режима.

Ещё раз нужно отметить, что приведенные выше формулы верны только в том случае, если зависимость момента от угла поворота ротора синусоидальная и если ни одна часть магнитной цепи двигателя не насыщается.

В пределе, шаговый двигатель может работать как синхронный электродвигатель в режиме непрерывного вращения. Для этого токи его фаз должны быть синусоидальными, сдвинутыми друг относительно друга на 90 град.

Результатом использования микрошагового режима является намного более плавное вращение ротора на низких частотах. На частотах в 2 - 3 раза выше собственной резонансной частоты ротора и нагрузки, микрошаговый режим дает незначительные преимущества по сравнению с полу- или полношаговым режимами. Причиной этого является фильтрующее действие инерции ротора и нагрузки. Система с шаговым двигателем работает подобно фильтру нижних частот. В микрошаговом режиме можно осуществлять только разгон и торможение, а основное время работать в полношаговом режиме. К тому же, для достижения высоких скоростей в микрошаговом режиме требуется очень высокая частота повторения микрошагов, которую не всегда может обеспечить управляющий микроконтроллер. Для предотвращения переходных процессов и потери шагов, переключения режимов работы двигателя (из микрошагового режима в полношаговый и т.п.) необходимо производить в те моменты, когда ротор находится в положении, соответствующем одной включенной фазе. Некоторые микросхемы драйверов микрошагового режима имеют специальный сигнал, который информирует о таком положении ротора. Например, это драйвер A3955 фирмы Allegro.

Во многих приложениях, где требуются малые относительные перемещения и высокая разрешающая способность, микрошаговый режим способен заменить механический редуктор. Часто простота системы является решающим фактором, даже если при этом придется применить двигатель больших габаритов. Несмотря на то, что драйвер, обеспечивающий микрошаговый режим, намного сложнее обычного драйвера, всё равно система может оказаться более простой и дешевой, чем шаговый двигатель, плюс редуктор. Современные микроконтроллеры иногда имеют встроенные ЦАПы, которые можно использовать для реализации микрошагового режима взамен специальных контроллеров. Это позволяет сделать практически одинаковой стоимость оборудования для полношагового и микрошагового режимов.

Иногда микрошаговый режим используется для увеличения точности величины шага сверх заявленной производителем двигателя. При этом используется номинальное число шагов. Для повышения точности используется коррекция положения ротора в точках равновесия. Для этого сначала снимают характеристику для конкретного двигателя, а затем, изменяя соотношение токов в фазах, корректируют положение ротора индивидуально для каждого шага. Такой метод требует предварительной калибровки и дополнительных ресурсов управляющего микроконтроллера. Кроме того, требуется датчик начального положения ротора для синхронизации его положения с таблицой корректирующих коэффициентов.

Рис. 6. Перемещения ротора в полношаговом и микрошаговом режимах.

Видно, что в полношаговом режиме наблюдаются выбросы и колебания, в то время как в микрошаговом режиме их нет. Однако и в этом режиме график положения ротора отличается от прямой линии. Эта погрешность объясняется погрешностью геометрии деталей двигателя и может быть уменьшена путем проведения калибровки и последующей компенсации путем корректировки токов фаз.

На практике существуют некоторые факторы, ограничивающие точность работы привода в микрошаговом режиме. Некоторые из них относятся к драйверу, а некоторые непосредственно к двигателю.

1.4 План разгона

Для того, чтобы работать на большой скорости из области разгона, необходимо стартовать на низкой скорости из области старта, а затем выполнить разгон. При остановке нужно действовать в обратном порядке: сначала выполнить торможение, и только войдя в область старта можно прекратить подачу управляющих импульсов. В противном случае произойдет потеря синхронности и положение ротора будет утеряно. Использование разгона и торможения позволяет достичь значительно больших скоростей - в индустриальных применениях используются скорости до 10000 полных шагов в секунду. Необходимо отметить, что непрерывная работа шагового двигателя на высокой скорости не всегда допустима ввиду нагрева ротора. Однако высокая скорость кратковременно может быть использована при осуществлении позиционирования.

При разгоне двигатель проходит ряд скоростей, при этом на одной из скоростей можно столкнуться с неприятным явлением резонанса. Для нормального разгона желательно иметь нагрузку, момент инерции которой как минимум равен моменту инерции ротора. На ненагруженном двигателе явление резонанса проявляется наиболее сильно. Подробно методы борьбы с этим явлением будут описаны ниже.

При осуществлении разгона или торможения важно правильно выбрать закон изменения скорости и максимальное ускорение. Ускорение должно быть тем меньше, чем выше инерционность нагрузки. Критерий правильного выбора режима разгона - это осуществление разгона до нужной скорости для конкретной нагрузки за минимальное время. На практике чаще всего применяют разгон и торможение с постоянным ускорением.

Реализация закона, по которому будет производится ускорение или торможение двигателя, обычно производится программно управляющим микроконтроллером, так как именно микроконтроллер обычно является источником тактовой частоты для драйвера шагового двигателя. Хотя раньше для этих целей применялись управляемые напряжением генераторы или пограммируемые делители частоты. Для генерации тактовой частоты удобно использовать аппаратный таймер, который имеется в составе практически любого микроконтроллера. Когда двигатель вращается с постоянной скоростью, достаточно загрузить в таймер постоянное значение периода повторения шагов (длительность шага). Если же двигатель разгоняется или тормозится, этот период меняется с каждым новым шагом. При разгоне или торможении с постоянным ускорением частота повторения шагов должна изменяться линейно, соответствено значение периода, которое необходимо загружать в таймер, должно меняться по гиперболическому закону.

Для наиболее общего случая требуется знать зависимость длительности шага от текущей скорости. Количество шагов, которое осуществляет двигатель при разгоне за время t равно:

N = 1/2At²+Vt

где N - число шагов, t - время, V - скорость, выраженная в шагах в единицу времени, A - ускорение, выраженное в шагах, деленных на время в квадрате.

Для одного шага N = 1, тогда длительность шага

t₁ = T = (-V+(V²+2A)^0.5)/A

В результате осуществления шага скорость становится равной

Vnew = (V²+2A)^0.5

Вычисления по приведенным формулам довольно трудоемки и требуют значительных затрат процессорного времени. В то же время, они позволяют изменять значение ускорения в произвольный момент. Расчеты можно существенно упростить, если потребовать постоянства ускорения во время разгона и торможения. В этом случае можно записать зависимость длительности шага от времени разгона:

V = V₀+At

где V - текущая скорость, V₀ - начальная скорость (минимальная скорость, с которой начинается разгон), A - ускорение;

1/T = 1/T₀+At

где T - длительность шага, T₀ - начальная длительность шага, t - текущее время;

Откуда

T = T₀/(1+T₀At).

Вычисления по этой формуле осуществить значительно проще, однако для того, чтобы поменять значение ускорения, требуется остановить двигатель.

1.5 Как МК работает с ШД

Микроконтроллер -- микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

Драйвер -- компьютерная программа, с помощью которой другие программы (операционная система) получают доступ к аппаратному обеспечению некоторого устройства. Обычно с операционными системами поставляются драйверы для ключевых компонентов аппаратного обеспечения, без которых система не сможет работать. Однако для некоторых устройств (таких, как видеокарта или принтер) могут потребоваться специальные драйверы, обычно предоставляемые производителем устройства.

В общем случае драйвер не обязан взаимодействовать с аппаратными устройствами, он может их только имитировать (например, драйвер принтера, который записывает вывод из программ в файл), предоставлять программные сервисы, не связанные с управлением устройствами (например, /dev/zero в Unix, который только выдаёт нулевые байты), либо не делать ничего (например, /dev/null в Unix и NUL в DOS/Windows).

Понятие «драйвер» часто применяют ко многим микросхемам, даже если их функции сильно различаются. Иногда микросхемы логики называют «трансляторами». Далее будем подразумевать, что «контроллер» - микросхема, ответственная за формирование временных последовательностей; «драйвер» - мощная схема питания обмоток двигателя. Однако термины «драйвер» и «контроллер» могут также обозначать законченное устройство управления шаговым двигателем. Необходимо отметить, что в последнее время все чаще контроллер и драйвер объединяются в одной микросхеме.

Для питания обычного двигателя постоянного тока требуется лишь источник постоянного напряжения, а необходимые коммутации обмоток выполняются коллектором. С шаговым двигателем всё сложнее. Все комутации должен выполнять внешний контроллер. В настоящее время примерно в 95% случаев для управления шаговыми двигателями используются микроконтроллеры. В простейшем случае для управления шаговым двигателем в полношаговом режиме требуются всего два сигнала, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Направление вращения зависит от того, какая фаза опережает. Скорость определяется часотой следования импульсов. В полушаговом режиме всё несколько сложнее и требуется уже минимум 4 сигнала. Все сигналы управления шаговым двигателем можно сформировать программно, однако это вызовет большую загрузку микроконтроллера. Поэтому чаще применяют специальные микросхемы драйверов шагового двигателя, которые уменьшают количество требуемых от процессора динамических сигналов. Типично эти микросхемы требуют тактовую частоту, которая является частотой повторения шагов и статический сигнал, который задает направление. Иногда еще присутствует сигнал включения полушагового режима. Для микросхем драйверов, которые работают в микрошаговом режиме, требуется большее количество сигналов. Распространенным является случай, когда необходимые последовательности сигналов управления фазами формируются с помощью одной микросхемы, а необходимые токи фаз обеспечивает другая микросхема. Хотя в последнее время появляется все больше драйверов, реализующих все функции в одной микросхеме. Мощность, которая требуется от драйвера, зависит от размеров двигателя и составляет доли ватта для маленьких двигателей и до 10-20 ватт для больших двигателей. Максимальный уровень рассеиваемой мощности ограничен нагревом двигателя.

Максимальная рабочая температура обычно указывается производителем, но можно приблизительно считать, что нормальной является температура корпуса 90 градусов. Поэтому при конструировании устройств с шаговыми двигателями, непрерывно работающими на максимальном токе, необходимо принимать меры, исключающие касание корпуса двигателя обслуживающим персоналом. В отдельных случаях возможно применение охлаждающего радиатора. Иногда это позволяет применить двигатель меньших размеров и добиться лучшего отношения мощность/стоимость.

Для данного размера шагового двигателя место, занимаемое обмотками, ограничено. Поэтому очень важно сконструировать драйвер так, чтобы для данных параметров обмоток обеспечить наилучшую эффективность.

Схема драйвера должна выполнять три главных задачи:

· иметь возможность включать и выключать ток в обмотках, а также менять его направление

· поддерживать заданное значение тока

· обеспечивать как можно более быстрое нарастание и спад тока для хороших скоростных характеристик

1.5.1 Практическая реализация драйверов

Драйвер шагового двигателя должен решать две основные задачи: это формирование необходимых временных последовательностей сигналов и обеспечение необходимого тока в обмотках. В интегральных реализациях иногда эти задачи выполняются разными микросхемами. Примером может служить комплект микросхем L297 и L298 фирмы SGS-Thomson. Микросхема L297 содержит логику формирования временных последовательностей, а L298 представляет собой мощный сдвоенный H-мост. К сожалению, существует некоторая путаница в терминологии относительно подобных микросхем.

На практике можно обойтись и без специализированных микросхем. Например, все функции контроллера можно реализовать программно, а в качестве драйвера применить набор дискретных транзисторов. Однако при этом микроконтроллер будет сильно загружен, а схема драйвера может получится громоздкой. Несмотря на это, в некоторых случаях такое решение будет экономически выгодным.

1.6 Современные микроконтроллеры для управления ШД (на примере А3977)

Для управления приводами требуется специальный драйвер шагового двигателя.

Драйвер представляет собой силовую часть со встроенным простейшим интерфейсом, основанным на комбинации ШАГ-НАПРАВЛЕНИЕ.

Драйвер шагового двигателя еще и усилитель мощности, который преобразует импульсы, получаемые от источника электрического тока, в перемещение вала. При этом каждый импульс вызывает перемещение вала на 1 шаг (или на 1 микрошаг).

Драйвер шагового двигателя снабжён специальной схемой, которая служит для выполнения трёх основных задач:

1. Включать и выключать ток в обмотках, а также менять его направление. При выполнении этой задачи системы управления электроприводом работают без сбоев.

2. Поддерживать заданное значение тока.

3. Обеспечивать как можно более быстрое нарастание и спад тока для достижения требуемых скоростных характеристик. Скоростные характеристики в свою очередь качественным образом влияют на управление шаговым двигателем.

Драйверы подразделяются на несколько типов, каждый из которых определяет мощность вала двигателя.

Следует отметить, что современные технологии, по которым изготавливается привод шагового двигателя, постоянно совершенствуются. Смысл совершенствования в том, чтобы обеспечить получение наибольшего момента на валу при минимальных габаритах двигателя, широких скоростных возможностях, высокого КПД и улучшенной точности. Важным звеном этой технологии является применение микрошагового режима.

Кроме того, одной из основных деталей является контроллер управления шаговым двигателем. Как правило, контроллеры для шагового двигателя изготавливаются на базе промышленных микроконтроллеров и могут быть как программными, так и аппаратными. Программные контроллеры для шагового двигателя применяются тогда, когда круг решаемых ими задач небольшой. Цена такого программного контроллера намного ниже аппаратного.

Контроллеры для шагового двигателя могут предназначаться как для униполярных двигателей, так и для двигателей других типов. При этом средний ток обмотки может достигать 2,5 А.

Контроллер шагового двигателя представляет собой комплект из силовой части (драйвер) и устройство, расширяющее возможности управления двигателем (интеллектуальная часть).

Данный компонент шагового двигателя обладает рядом достоинств. Прежде всего, контроллер управления шаговым двигателем имеет возможность передавать сигналы ШАГ-НАПРАВЛЕНИЕ.

Преимущества использования контроллеров для шагового двигателя:

1. Возможность подключения к компьютеру. В зависимости от модели и конструкции контроллер управления шаговым двигателем подключается к компьютеру и регулируется с его помощью.

2. Многократное перепрограммирование. В настоящее время достаточно купить только один контроллер шагового двигателя. При этом при переориентации производства или расширении перечня задач его можно перепрограммировать для выполнения новых функций.

3. Широкий модельный ряд контроллеров как отечественных, так и зарубежных производителей позволяет купить контроллер шагового двигателя с расширенными функциями. Контроллеры с расширенными функциями имеют в своем составе программируемый логический контроллер (привод работает в автономном режиме по записанной в него программе, это позволяет получить готовое устройство для выполнения определённого технологического процесса на основе одного только контроллера шагового двигателя).

В данной лабораторной работе использовалась специализированная микросхема А3977.

Применение специализированных микросхем оправдано в тех случаях, когда основной микроконтроллер устройства не имеет запаса производительности либо необходимой периферии. Другой аргумент в пользу специализированных микросхем - сокращение времени разработки, т.к. создание программы для управления ШД с использованием режима микрошага и организация обратной связи по току - далеко не тривиальная задача. И наконец, при использовании специализированной микросхемы можно объединить её и ШД в единый конструктив, что упрощает решение вопросов электромагнитной совместимости между основным устройством и силовыми исполнительными механизмами.

2. Схема экспериментальной установки

2.1 Структурная схема ЛР установки

Микросхема A3977 содержит всю необходимую управляющую логику, ШИМ регулятор с обратной связью по току в нагрузке и два моста H типа на мощных полевых транзисторах. Преимущество такой архитектуры заключается в том, что для управления двигателем требуется небольшое количество управляющих сигналов. В простейшем случае достаточно задействовать всего две линии - «направление» и «шаг».

Основные параметры A3977:

? нагрузочная способность ±2,5 A на канал;

? максимальное напряжение питания двигателя 35 В;

? низкое сопротивление транзисторов моста в открытом состоянии - типовое значение 0,36/0,45 Ом (верхний/нижний транзистор моста);

? установка режима спадания тока/авторежим спадания тока;

? диапазон питающего напряжения логики 3….5,5 В;

? режимы спадания тока: быстрый, медленный, смешанный;

? выходной сигнал «начальная позиция» (Home Output);

? синхронное шунтирование для уменьшения рассеиваемой мощности;

? внутренний монитор напряжения питания логики и температурная защита;

? защита от переходного тока (Crossover Current Protection).

Специальные возможности микроконтроллера:

? Сброс при подаче питания и программируемая схема сброса при снижении напряжения питания

? Встроенный калиброванный RC-генератор

? Внешние и внутренние источники прерываний

? Шесть режимов снижения энергопотребления: холостой ход (Idle), уменьшение шумов АЦП, экономичный (Power-save), выключение (Power-down), дежурный (Standby) и расширенный дежурный (Extended Standby)

? Программный выбор тактовой частоты

? Конфигурационный бит для перевода в режим совместимости с ATmega103

? Общее выключение подтягивающих резисторов на всех линиях портов ввода-вывода

Рабочие напряжения:

? 2.7 - 5.5В для ATmega128L

? 4.5 - 5.5В для ATmega128

Градации по быстродействию:

? 0 - 8 МГц для ATmega128L

? 0 - 16 МГц для ATmega128

2.2 Структурная схема МК А3977

2.2.1 Функциональное описание отдельных узлов А3977

2.2.1.1 Транслятор

Встроенный в A3977 транслятор преобразует входные сигналы «шаг» (STEP) и «направление» (DIR) в необходимый набор управляющих сигналов для каждого из двух выходных мостов Н типа. Для каждого выбранного режима шага - полного, 1/2, 1/4, или 1/8 шага - транслятор вырабатывает свой набор управляющих сигналов. После подачи напряжения питания или низкого уровня на вход сброса (RESET) транслятор устанавливает напряжения на выходах цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП, DAC) и полярность тока на выходах мостов (DMOS BRIDGE), соответствующие положению «начальная позиция». Когда поступает сигнал «шаг» (переход от «лог. 0» к «лог. 1»), транслятор изменяет напряжение на выходах ЦАП и полярность выходных сигналов таким образом, чтобы вал двигателя переместился в положение, соответствующее следующему шагу. Направление вращения задаётся сигналом на входе DIR. Сигнал с выхода ЦАП управляет ШИМ регулятором выходного тока. Выбор шага определяется комбинацией сигналов на входах MS1 и MS2:

2.2.1.2 ШИМ стабилизация тока обмоток

Каждый выходной мост H типа управляется схемой ШИМ, которая позволяет ограничивать ток в обмотке двигателя на необходимом для данного шага уровне (Itrip). Это достигается подключением к выводу SENSE1(2) низкоомных резисторов Rs (доли ома), сигнал с которых используется для измерения тока в обмотке. Максимальная величина тока через обмотку двигателя зависит также от напряжения на входе Vref и определяется следующей формулой:

I_{trip max} = V_ref/(8R_s).

Другими словами, изменяя напряжение на входе Vref, можно плавно изменять ток в обмотках двигателя и, следовательно, момент на валу. Необходимо следить за тем, чтобы напряжение на резисторах Rs не превышало 0,5 В, а напряжение на входе Vref было не более 5 В в режиме полного шага и не более 4 В - в остальных режимах.

2.2.1.3 Быстрый, медленный и смешанный режим спада тока

Ввиду индуктивного характера нагрузки и импульсного метода регулирования величины тока реальная кривая тока через обмотку отличается от расчётной. Для улучшения формы кривой при микрошаговом режиме в А3977 применяется автоматическое изменение режима спада тока в зависимости от текущего микрошага (Mixed Decay Mode). Это несомненное достоинство A3977. Изменяя напряжение на входе PFD (Percent Fast Decay Input) от 0 до напряжения питания Vdd, можно устанавливать режим быстрого или медленного спада тока, а также регулировать процент режима «быстрый спад тока» в смешанном режиме. Такая подстройка напряжения на входе

PFD в диапазоне (0,21...0,6)Vdd при помощи потенциометра может быть полезной для получения лучшей формы кривой на конкретном экземпляре двигателя при заданной скорости вращения.

2.2.1.4 Линии сброса, разрешения и контроля

Выходной сигнал Home Output («начальная позиция», активный уровень - низкий) указывает на определённую комбинацию выходных сигналов транслятора. Статус транслятора «начальная позиция» соответствует углу поворота ротора двигателя в положение 45°. В этот момент можно изменять величину шага, т.к. только этот момент соответствует одинаковому току через обмотки при любой величине шага. При подаче напряжения низкого уровня на вход RESET («сброс», активный уровень - низкий) все выходы Н мостов отключаются. Транслятор переходит в статус «начальная позиция». Сигналы «шаг» будут игнорироваться до момента появления на входе RESET уровня «лог. 1». Вход ENABLE («разрешение», активный уровень - низкий) управляет выходными мостами, но не влияет на работу транслятора. Вход SLEEP («спящий режим», активный уровень низкий) используется для уменьшения энергопотребления микросхемы, что позволяет применять её в устройствах с высокими требованиями к потребляемому току в неактивном режиме. Ток потребления в спящем режиме не превышает 40 мкА.

2.2.1.5 Схемы защиты

Блокировка UVLC (блокировка логики до момента установки питающего напряжения) предотвращает повреждение микросхемы, если на пряжение питания двигателя по даётся ранее, чем напряжение пита ния логики. Все силовые ключи A3977 остаются в неактивном состоянии до тех пор, пока напряжение питания микросхемы не превысит 2,7 В, после чего логика способна правиль но управлять выходными ключами.

Защита от перегрева отключает силовые выходы при температуре перехода выше 165°С (следует учитывать, что эта защита не предохраняет микросхему от повреждения из_за короткого замыкания в нагрузке). При понижении температуры на 15° микросхема возвращается в рабочий режим.

2.2.2 Назначение элементов схемы А3977

Для подачи логических уровней на входы не требуются «подтягивающие» резисторы. Вход можно непосредственно соединять с линией питания или общим проводом. Требуемые внешние компоненты для корректной работы A3977:

? резисторы обратной связи Rs реко мендуется выбирать по формуле Rs = 0,5Itrip max. Меньший номинал обеспечивает меньшее выделение тепла. Резисторы должны быть безындуктивного типа. Каждый резистор должен быть зашунтиро ван керамическим конденсатором 0,1 мкФ;

? керамический конденсатор 0,22 мкФ необходимо подключить между вы_ водами CP1 и CP2;

? вывод Vreg должен быть зашунтиро ван конденсатором 0,22...0,47 мкФ на общий провод;

? на линии питания логики рекомен дуется установить блокировочныйкерамический конденсатор 0,1 мкФ;

? на линии питания нагрузки необ ходим электролитический конден сатор не менее 47 мкФ в параллель с блокировочным керамическим конденсатором 0,1 мкФ;

? линия PFD должна быть зашунти рована блокировочным конденса тором 0,1 мкФ на общий провод.

Требования к монтажу:

? резисторы Rs должны располагать ся как можно ближе к микросхеме. Общий провод от резистора должен быть соединён с общим выводом микросхемы отдельной линией на печатной плате. Общая шина должна иметь как можно большую площадь;

? для уменьшения рассеиваемой мощности при больших токах на грузки можно применять внешние ограничительные диоды Шоттки с малым падением напряжения в открытом состоянии. При этом на вход SR необходимо подать уровень «лог. 1», чтобы отключить схему синхронного шунтирования.

3. Перечень используемого оборудования

1. Шаговый двигатель

2. Осциллограф

3. ПК

4. Питание

5. Амперметр

6. Плата с МК А3977

4. Порядок выполнения работы

1. При помощи амперметра измерить входные/выходные токи на каждом из элементов платы.

2. Подсоединить плату к ПК через USB-разъем.

3. При помощи ПО запрограммировать входы STEP, DIR, MS1 и MS2 микроконтроллера A3977 на режим полного шага. При помощи осциллографа получить изображение кривой тока на выходе.

4. Повторить действие 3 для микрошаговых режимов 1/2, 1/4 и 1/8.

5. Изменяя напряжение на входе PFD, поочередно установить режимы быстрого и медленного спада тока. При помощи осциллографа получить изображение кривой тока на выходе при обоих режимах.

6. Установить смешанный режим, изменяя напряжение на входе PFD, и, регулируя процент режима «быстрый спад тока» в смешанном режиме, получить на осциллографе максимальное улучшение формы кривой тока.

7. Сравнить формы кривой тока и записать выводы.

5. Требования к содержанию отчета

Отчет по лабораторной работе должен включать в себя:

1. Титульный лист с полным названием университета, факультета и кафедры, названием лабораторной работы, ФИО исполнителя и номера группы. Также должен быть указан год выполнения работы.

2. Цель работы.

3. Схему экспериментальной установки или вычислительного эксперимента с описанием назначения каждого элемента схемы.

4. Результаты исследований в виде таблиц и графиков.

5. Результаты обработки экспериментальных данных с описанием метода обработки этих данных

6. Численные выводы по результатам исследований. Качественные выводы вида «исследуемая функция в зависимости от изменяемого параметра увеличивается, уменьшается, не зависит, лучше, хуже» не допускаются.

Литература

1. Электропривод с шаговым двигателем - URL: http://www.elkos.com.ua

2. Т.Кенио, Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления. // М.: Энергоатомиздат, 1987. - 200с.

3. В.А.Карпухин, Методические рекомендации к составлению методических указаний для лабораторных работ. // М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2013. - 7с.

Размещено на Allbest.ru