Сборник ЛР и МУ по курсу САУ-от Егорова (методическое обеспечение от аспиранта Егорова Дмитрия Владиславовича), страница 7

«Программное управление линейным шаговым электроприводом».

Целью работы является изучение конструкции, устройства и характеристик линейных шаговых электроприводов как элементов АСАМС, работающих под управлением систем автоматического программного управления на основе микроконтроллера МКП-1.

Оборудование, используемое в лабораторной работе.

В данной лабораторной работе используется следующее оборудование: двухфазный линейный шаговый электродвигатель со встроенными концевыми датчиками, модуль управления (встраиваемый в микроконтроллер МКП-1), блок питания, программируемый микроконтроллер МКП-1.

Устройством управления является микроконтроллер МКП-1, объектом управления является линейный шаговый электродвигатель.

Теоретическая часть.

Линейная шаговая электромагнитная система движения реализует программные перемещения подвижной платформы, которая может выполнять рабочие, транспортные и вспомогательные движения. Ограничивают передвижение платформы с двух сторон концевые механические упоры, совмещённые с индуктивными датчиками. При приближении платформы к механическому упору индуктивный датчик вырабатывает дискретный сигнал, поступающий на систему управления.

Линейная шаговая электромагнитная система движения состоит из двухфазного линейного шагового двигателя с концевыми индуктивными датчиками, модуля управления, встраиваемого в микроконтроллер МКП-1 и блока питания.

Принцип действия линейного шагового двигателя.

Для того, чтобы понять, как работает линейный шаговый электродвигатель, следует изучить его устройство, показанное на рисунке 6-1.

Линейный шаговый двигатель состоит из двух П-образных сердечников А и В с намотанными на них катушками 3 и 4. Сердечники с катушками образуют пару электромагнитов, жёстко зафиксированных друг относительно друга на расстоянии d.

Полученная таким образом конструкция имеет 4 магнитных полюса, обозначенные на рисунке буквами а, б, в, г.

Электромагниты механически соединены между собой постоянным магнитом 1 и представляют собой шаговую якорь-платформу, способную перемещаться вдоль зубчатого основания-индуктора 2, выполненного из магнитомягкой стали.

Предположим, что в первый момент времени шаговый двигатель находится в положении, показанном на рис. 6-1, поз. 1, и на катушку 3 электромагнита А подано напряжение постоянного тока положительной полярности. При этом зубцы «а» и «б» намагничиваются разноимёнными полюсами, и возникает магнитное поле. Но сердечник электромагнита А механически соединён с северным полюсом постоянного магнита, это означает, что магнитное поле зубца «а» совпадает с направлением магнитного поля постоянного магнита, а магнитное поле зубца «б» находится с ним в противофазе, т.е. на зубце «а» возникает максимум магнитного потока, а на зубце «б» –минимум. На катушку 4 электромагнита В электрический ток не подаётся, и поэтому, магнитное поле южной полярности равномерно распределено между зубцами «в» и «г». При такой ситуации магнитный поток замыкается по кругу: зубец «а» электромагнита А, воздушный зазор, основание-индуктор 2, зубцы «в» и «г» электромагнита В, постоянный магнит, и снова зубец «а» электромагнита А. Так как на зубце «а» имеет место максимум магнитного потока, то он притягивается к ближенаходящемуся к нему зубцу основания-индуктора 2.

Следующим этапом работы шагового двигателя является отключение катушки 3 от источника постоянного напряжения и подача постоянного напряжения положительной полярности на катушку 4 электромагнита В. При этом происходит аналогичный процесс распределения напряжённости магнитного поля, и максимум магнитного потока приходится на зубец «г», который притягивается к ближайшему зубцу индуктора 2, в результате чего вся конструкция перемещается вправо ровно на одну четверть шага зубцов L индуктора 2. Положение, которое при этом займёт система, показано на рис 6-1, поз. 2.

Третьим этапом работы двигателя является отключение катушки 4 и подача на катушку 3 постоянного напряжения отрицательной полярности. При этом максимум магнитного потока образуется на зубце «б», который и притянется к ближайшему к нему зубцу индуктора 2. Шаговый двигатель займёт положение, показанное на рис. 6-1, поз. 3.

Четвертым этапом является отключение катушки 3 и подача постоянного напряжения отрицательной полярности на катушку 4, что вызовет возникновение максимума магнитного потока на зубце «в», который так же притянется к соответствующему ему зубцу индуктора 2. Шаговый двигатель переместится в положение, показанное на рис. 6-1, поз. 4.

После совершения четырёх шагов процесс повторяется. Таким образом, за каждый шаг происходит сдвиг шаговой платформы на величину, равную L/4, а синхронный сдвиг всех зубцов гарантируется конструкцией шагового двигателя, обеспечивающей постоянное расстояние d.

Поскольку напряжения, подаваемые на обмотки 3 и 4, могут быть как положительной, так и отрицательной полярности, то такой двигатель принято называть двухфазным двухуровневым.

Система управления линейным шаговым двигателем.

Управляя включением катушек линейного шагового двигателя по определённому алгоритму, можно реализовать необходимый закон движения якоря-платформы с остановками, фиксацией и реверсом его в требуемых точках в пределах рабочего хода.

Система управления позиционирования якоря-платформы линейного шагового двигателя выполнена на базе микроконтроллера МКП-1.

Двухфазное двухполярное напряжение, подаваемое на линейный шаговый двигатель, формируется с помощью модуля, встраиваемого в микроконтроллер МКП-1, который состоит из фазовращателя и силового преобразователя.

Силовой преобразователь предназначен для формирования напряжений, подаваемых на катушки шагового двигателя, обеспечивающих пошаговое перемещение платформы. Силовой преобразователь формирует двухполярное двухуровневое напряжение постоянного тока и выполнен в виде мостовой схемы инвертора на транзисторах КТ827Б. Верхний уровень напряжения обеспечивает форсированное нарастание тока в обмотках двигателя, необходимое для увеличенияч скорости перемещения, нижний уровень напряжения обеспечивает позиционирование платформы в режиме остановки перемещения.

Модуль фазовращателя предназначен для формирования управляющих импульсов, подаваемых на силовой преобразователь, сдвинутых по фазе на 90 градусов в ту или другую сторону в зависимости от необходимого направления движения платформы.

Фазовращатель управляется сигналами «вход» и «реверс», поступающими по системной шине МКП-1 на модуль управления шагового двигателя.

Сигнал «вход» является частотным управляющим сигналом, с помощью которого можно управлять расстоянием, на которое переместится платформа, или скоростью её движения. Сигнал «реверс» является импульсным управляющим сигналом, изменяющим направление движения платформы. Модуль управления имеет два светодиодных индикатора, установленных на передней панели модуля, верхний из которых показывает состояние управляющего сигнала «вход», а нижний – «реверс».

Подключение линейного шагового двигателя (ЛШД) к микроконтроллеру МКП-1.

Как уже указывалось выше, ЛШД подключается к микроконтроллеру с помощью согласующего модуля, встраиваемого в микроконтроллер МКП-1.

На согласующий модуль подаются два сигнала: сигнал Y₀ управления движением платформы ЛШД и сигнал реверса Y₁, служащий для изменения направления движения ЛШД:

Y ₀ – сигнал, снимаемый с выходного порта Z10,

Y₁ – сигнал, снимаемый с выходного порта Z11.

Для контроля крайних положений платформы ЛШД используются два индуктивных датчика, являющиеся конечными выключателями, левый D₀ и правый D₁:

X ₀ – сигнал датчика D₀, снимаемый с входного порта E00,

X₁ – сигнал датчика D₁, снимаемый с входного порта E01.

Теоретическая часть конспекта должна содержать описание оборудования, используемого в данной лабораторной работе, выделение объекта управления и устройства управления, пояснения принципа действия ЛШД и системы управления ЛШД (фазовращатель и силовой преобразователь). Назначение и способы управления, описание управляющих сигналов, используемых для управления ЛШД и краткие сведения о командах, которые используются для задания программного управления.

Подготовка к выполнению лабораторной работы.

Определите по таблице №6-2 свой вариант задания, подготовьте конспект и необходимые таблицы для выполнения лабораторной работы.

Изучите принцип работы ЛШД и принципы управления ЛШД, зарисуйте в тетрадь схему подключения ЛШД к микроконтроллеру МКП-1. Определите последовательность включения и выключения электропитания ЛШД. Перед выполнением каждого задания устанавливайте вручную платформу ЛШД в среднее положение. Включать блок питания ЛШД можно только с разрешения преподавателя, и после завершения ввода программы в микроконтроллер.

Задание №1.

Покажите структурную схему согласования шагового двигателя с модулем сопряжения и микроконтроллером.

Напишите программу для непрерывного реверсивного движения платформы по всей длине рабочего хода ЛШД, используя исходные данные Вашего варианта задания. Составленную программу внесите в таблицу №6-1.

После разрешения преподавателя проведите экспериментальную проверку работы Вашей программы, в пошаговом режиме исполнения. После того, как Вы убедитесь в правильности работы Вашей программы, запустите её на исполнение в автоматическом режиме.

При выполнении программы в автоматическом режиме с помощью секундомера измерьте время, за которое платформа совершает полный рабочий ход из одного крайнего положения в другое. После этого прервите автоматическое исполнение программы, измерьте длину рабочего хода и определите скорость движения платформы.

Таблица №6-1.

Пояснения к выполнению задания.

Составьте алгоритм программы, обеспечивающий непрерывное движение платформы ЛШД. Алгоритм должен описывать циклическое формирование частотного сигнала, управляющего движением ЛШД. При переходе сигнала с уровня на уровень (на фронт и срез) каждый раз совершается один шаг платформы ЛШД. После совершения каждого шага следует производить проверку состояния концевых датчиков на предмет наличия на одном из них сигнала высокого уровня, при удовлетворении этого условия должен обеспечиваться переход на последовательность команд формирования сигнала реверса с последующим возвратом в цикл формирования управляющего сигнала движения ЛШД.

После совершения каждого шага должна выполняться временная задержка, определяющая скорость движения ЛШД. Временную задержку следует оформить в виде подпрограммы, следующей непосредственно за телом основной программы. Временная задержка в общем случае может составлять сотые и тысячные доли секунды, что означает неприменимость для этих целей команды выдержки времени T (код операции 07), поэтому подпрограмму формирования временной задержки следует оформить как холостой цикл, руководствуясь блок-с
хемой, приведенной на рисунке 6-2.

В алгоритме, блок-схема которого показана на рис. 6-2, число K1 определяет время задержки. Для составления программы по данному заданию из таблицы №6-2 требуется взять только значение числа K1. Номер счётчика выберите самостоятельно.

Во избежание непредвиденных ситуаций, запускать составленную программу управления ЛШД на исполнение следует всегда в пошаговом режиме, и лишь убедившись в её правильной работе – в автоматическом режиме.

Задание №2.

В составленной Вами программе по заданию №1, уменьшите время работы подпрограммы задержки, увеличив, таким образом, скорость движения платформы.

При выполнении программы в автоматическом режиме с помощью секундомера измерьте время, за которое платформа совершает полный рабочий ход из одного крайнего положения в другое, и определите скорость движения платформы. Определите, во сколько раз увеличилась скорость движения платформы и является ли увеличение скорости пропорциональным изменению параметра задержки, сделайте выводы.

Пояснения к выполнению задания.

В целом программа остаётся той же, какую Вы использовали в задании №1. Следует лишь уменьшить в два или три раза число K1, для чего следует исправить только одну команду, сравнивающую это число со значением в счётчике.

Задание №3.

Модифицируйте программу, использованную Вами в первых двух заданиях так, чтобы ЛШД совершил реверсивное движение и остановился в заданном положении.

Пояснения к выполнению задания.

Изменение программы сводится к выявлению концевого датчика, сигнал от которого послужит началом отсчёта требуемого расстояния до заданного положения.

Напишите блок, выполняющий в цикле необходимое количество шагов, которое следует рассчитать исходя из заданного положения (расстояния движения ЛШД) и величины шага зубцов L индуктора ЛШД (см. рис. 6-1). После выполнения программой этого цикла должна следовать команда останова.

Для выполнения этого задания следует взять из таблицы №6-2 все остальные данные (положение останова, определяемое как расстояние от одного из двух концевых положений и величину шага зубцов индуктора).

Задание №4.