Лабораторная работа
На тему «управление шаговым двигателем»
Выполнили:
студенты группы АП-16а
Пономарёв А.
Цирельникова А.
Алфёров В.
Тюрюмина А.
Принял:
Лунин Д.А.
Харьков 2011
Общие сведения о шаговых двигателях
Шаговый двигатель (далее – ШД) – это электромеханичское устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Внешне ШД практически ничем не отличается от двигателей других типов. Чаще всего это круглый корпус, вал, несколько выводов (рис. 1).
Рис. 1 – общий вид шагового двигателя
Основные достоинства ШД:
1. угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель
2. двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны)
3. прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу
4. возможность быстрого старта/остановки/реверсирования
5. высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников
6. однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи
7. возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора
8. может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов
Принцип действия ШД: В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс можно определить как некоторую область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент зависит от параметров обмоток. Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Он будет находится в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.
Все шаговые двигатели можно разбить на некоторые классы. Существует три основых типа ШД:
- двигатели с переменным магнитным сопротивлением
- двигатели с постоянными магнитами
- гибридные двигатели
Однако более важной (с пользовательской точки зрения) является классификация ШД в зависимости от конфигурации обмоток двигателя. По этому параметру все ШД делятся снова на три класса:
1. Биполярный - имеет четыре выхода, содержит в себе две обмотки.
2. Униполярный - имеет шесть выходов. Содержит в себе две обмотки, но каждая обмотка имеет отвод из середины.
3. Четырехобмоточный - имеет четыре независимые обмотки. По сути дела представляет собой тот же униполярный, только обмотки его разделены. На практике встречается редко.
Различные конфигурации ШД представлены на рис. 2
Рис. 2 – а) биполярный ШД б) униполярный ШД в) 4х-обмоточный
В данной лабораторной работе мы имеем дело с биполярным шаговым двигателем фирмы Robotron SPA 52/60 - 5685. Однако униполярный двигатель простейшим образом модифицируется в биполярный – путём «отрывания» среднего вывода. Т.е. схема, управляющая биполярным ШД, может на практике применяться и в случае работы с униполярным двигателем.
Способы управления ШД
Существует несколько способов управления обмотками шагового двигателя.
Первый способ обеспечивается попеременной коммутацией обмоток, в один момент времени включена обмотка только одной фазы. Этот способ называют ”one phase on” full step или wave drive mode, так как диаграмма напоминает бегущую волну. 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 обмотками с перекрытием: обмотки двух фаз 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 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. Каждый второй шаг запитана обмотка лишь одной фазы, а в остальных случаях запитаны обмотки двух фаз. 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.
В данной работе будем использовать способ попеременной коммутации обмоток. Т.е. нам нужно выдавать на четыре бита порта микроконтроллера последовательность типа:
1000 - обмотка А
0100 - обмотка В
0010 - обмотка С
0001 - обмотка D
Возможен вариант использования только двух бит микроконтроллера, за счёт кодировки четырёх вышеуказанных состояний. Стоит добавить, что полношаговый режим, используемый в лабораторной работе не позволяет получить плавного изменения угола поворота ротора ШД, в отличии от полушагового режима. Для реализации полушагового режима необходимо подавать на биты порта микроконтроллера модифицированную последовательность, которую уже не удастаться реализовать с помощью двух битов.