Новая лаборатория автоматизации

Повышаем качество и производительность вашего производства.

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

Управление ШД

E-mail Печать PDF

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя.

Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза (рис а). 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.

Различные способы управления фазами шагового двигателя.

 

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. б) 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. в). 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.

Для чего нам нужно знать эти способы? - от способа управления зависит, то для каких задач вы сможете его использовать, т.к. точность будет отличаться.

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

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

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

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

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

На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.

Управляющая последовательность для режима с единичным шагом

На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.

Управляющая последовательность для режима с половинным шагом

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

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

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

Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.

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

Описанное выше, как раз то как вы должны управлять своим ШД. Управление ШД - это послание управляющего сигнала(+) в определенной последовательности на каждую из его обмоток.

Как же посылать эти сигналы? :На самом деле все проще чем кажется. Существует множество схем управления, рассмотрим самые простые варианты. 

Управление делится на два типа: 1. Ручное. 2. Автоматическое.  
При этом надо отметить, что автоматическое - это выполнение алгоритма действий без участия человека. 
Теперь рассмотрим, что же необходимо для управления ШД: 
1. Контроллер. 
2. Драйвер ШД.
3. Силовой мост

Тут тоже надо подметить, что бывают управляющие Контроллеры с интегрированными силовыми мостами .

Принцип управления прост: Контроллер подает сигнал на драйвер, драйвер подает очередность сигналов на силовой  мост, а мост подает сигнал на обмотки ШД.

Рассмотрим две проверенные мной схемы, которые очень просты и легки: 
1. Дешевая, простая, но для нее нам понадобятся детальки и умение паять. 
Детальки:
Управляющий контроллер L297, Силовой мост L298N(l293 - выбор зависит от тока) , и l6210(ее можно заменить диодами), набор сопротивлений и конденсаторов.

Схема:

  • На вход CW/CCW подаем направление вращения — 0 в одну сторону, 1 — в другую.
  • на вход CLOCK - импульсы. Один импульс — один шаг.
  • вход HALF/FULL задает режим работы — полный шаг/полушаг
  • RESET сбрасывает драйвер в дефолтное состояние ABCD=0101.
  • CONTROL определяет каким образом задается ШИМ, если он в нуле, то ШИМ образуется посредством выходов разрешения INH1 и INH2, а если 1 то через выходы на драйвер ABCD. Это может пригодится, если вместо L298 у которой есть куда подключать входы разрешения INH1/INH2будет либо самодельный мост на транзисторах, либо какая-либо другая микросхема.
  • На вход Vref надо подать напряжение с потенциометра, которое будет определять максимальную перегрузочную способность. Подашь 5 вольт - будер работать на пределе, а в случае перегрузки сгорит L298, подашь меньше — при предельном токе просто заглохнет. Я вначале тупо загнал туда питание, но потом передумал и поставил подстроечный резистор — защита все же полезная вещь, плохо будет если драйвер L298 сгорит.
    Если же на защиту пофигу, то можешь заодно и резисторы, висящие на выходе sense выкинуть нафиг. Это токовые шунты, с них L297 узнает какой ток течет через драйвер L298 и решает сдохнет он и пора отрубать или еще протянет. Там нужны резисторы помощней, учитывая что ток через драйвер может достигать 4А, то при рекомендуемом сопротивлении в 0.5 Ом, будет падение напряжения порядка 2 вольт, а значит выделяемая моща будет около 4*2=8 Вт — для резистора огого! Я поставил двухваттные, но у меня и шаговик был мелкий, не способный схавать 4 ампера.
2. Это не требует пайки, но дорого. 
Детальки:Freeduino Nano v5, Драйвер шаговых двигателей EasyDriver V3, Макетная плата WB-102 с набором джамперов.

покупаем все это... и тупо собираем на макетной плате) .
Проблем быть не должно.. на всякий распишу, что где такое:

 

В версии Freeduino Nano v5 предусмотрены даже такие полезные особенности полноразмерных версий, как джампер отключения программного сброса и самовосстанавливающийся предохранитель по питанию USB (у прочих Nano модификаций в случае короткого замыкания перегорает диод Шоттки).

В силу столь радикального уменьшения размеров изменены все внешние разъемы: для связи с ПК используется mini-USB, интерфейсные гнезда заменены на штыревые разъемы со стандартным шагом 2,54 мм, что позволяет установить микроконтроллер в макетную плату или DIP-панель.

Несмотря на то, что непосредственно состыковать Freeduino Nano и дополнительный модуль, вроде Ethernet Shield не получится, совместимость остается – Вам потребуется только правильно соединить выводы Freeduino Nano и дополнительного модуля в соответствии с принципиальными схемами.

Модуль также может поставляться без смонтированных штыревых разъемов - для таких вариантов применения, где удобнее просто подпаять необходимые проводники.

Технические характеристики

* Миниатюрный размер: 18x43 мм
* Микроконтроллер: ATmega328
* Цифровые порты ввода/вывода: 14 портов (из них 6 с ШИМ-сигналом)
* Аналоговые порты ввода: 8 портов
* ППЗУ (Flash Memory): 32 К (из них 2 К используются загрузчиком)
* ОЗУ (SRAM): 2 Кбайт
* ПЗУ (EEPROM): 1024 байт
* Тактовая частота: 16 МГц
* Интерфейс с ПК: USB (разъем Mini-USB)
* Питание от USB, либо от внешнего источника, выбор автоматически

EasyDriver способен управлять до 750mA на фазу би-полярнымм шаговым двигателем. Он использует 8-шаговый микрошаговый режим (8 step microstepping mode). (Таким образом, если ваш мотор делает 200 полных шагов на оборот, используя EasyDriver вы получите 1600 шагов на оборот). Это chopper microstepping контроллер, построенный на чипе Allegro A3967. Полные технические характеристики можно найти в даташите к A3967.

 

 

Поиск по сайту

Голосование

Какую среду программирования вы используете чаще всего?
 

Посетители