Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Среди всех типов шаговых двигателей гибридные — самые точные, но н самые сложные по конструкции и потому самые дорогие. Число шагов на оборот — 100...400 или угол шага 3.6...0.9'. Для сравнения в шатовых двигателях с постоянным магнитом число шагов на оборот — 48...24 или угол шага 15...7.5'. Наихудшие показатели у шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением. Рис. 7.д Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением 208 ° Глава 7. Двигатели Рис. 7.2. Шаговый двигатель с постоянным магнитом Магнит И 8 Рис. 73. Гнбриднмй шагоиый двигатель 7.1.1.
Биполярные и однополярные шаговые двигатели Работа всех щаговых двигателей основана на создании в статоре вращающегося магнитного поля, которое заставляет ротор поворачиваться. Существует два вида компоновки обмоток статора для щаговых двигателей: тзиполярная (двуполярная) и однополярная. 7. б Шоговые двигатели ° 209 В биполярной обмотке используются катушки индуктивностн, не имеюшие обшей точки. Катушки должны подключаться независимо для выбора направления и врашения двигателя. Однополярная обмотка содержит общую точку. Общий вывод однополярной обмотки обычно соединяется с плюсом источника питания, а отдельные катушки коммугируются управляющими транзисторами на землю.
Однополярный Бипалярный Логика управления Логика управления Временные диаграммы работы Вращение по часовой стрелке Катушка А Катушка В +ч ов ч он Напряжение А1 О В ОВ +Ч ОВ Ч чч НапряжениеА2 ОВ гч ов +ч Напряжение В! чу яч ов чч ов Напряжение В2 0 В Временные диаграммы работы Вращение против часовой стрелки КагушкаА Капушка 8 Рис.
7.4. Сравнение работы однополярного и биполярного двигателей 210 ° Глава 7. Двигатели На Рис. 7.4 показана разница между управлением биполярным и однополярным двигателями. Каждый раз, когда изменяется направление поля в биполярной обмотке или переключаются катушки в однополярной обмотке, вал двигателя совершает шаг на следующую позицию. Обычный размер шага двигателя составляет 7.5' или 15'. Шаговый двигатель 7.5' совершает 360/7.5 = 48 шагов за оборот.
Число шагов зависит от числа зубцов ротора и статора. 7.1.2. Рвзонйнс При врашении шагового двигателя, ротор стремится отслеживать изменение магнитного поля статора. В реальном двигателе ротор характеризуется некоторой инерцией и может проскочить требуемую позицию. Пытаясь снова скомпенсировать магнитное поле статора, ротор поворачивается в обратном направлении и может снова немного проскочить требуемую позицию. Это вызывает небольшие колебания ротора около положения равновесия. На Рис.
7.5 показана подобная ситуация. Частота колебаний ротора зависит от характеристик двигателя (массы и конструкции ротора, например), а также от нагрузки. Если ротор подключен к маховику (например, механический затвор в оптической системе), резонансные явления могут возрасти по сравнению с ненагруженным двигателем. Большое трение в нагрузке, как, например, в шкиве, напротив, снизит резонанс.
Рис. 7.5. «Звон» шагового двигателя Многие шаговые двигатели неожиданно теряют вращающий момент на некоторых скоростях. Это случается при совпадении скорости вращения с резонансной частотой шагового двигателя. Снижение вращаюшего момента может привести к просчету шагов и потере синхронизации. Причем этот эффект может происходить на разных скоростях, поскольку дви- 7. 1.
Шагавые двигатели ° 211 гатели обладают несколькими резонансными частотами. В устройстве, где шаговый двигатель должен работать с одной скоростью, этих проблем можно избежать, выбрав скорость двигателя вдалеке от резонансных частот, обычно находящихся рядом в частотном диапазоне. В устройстве, где скорость двигателя должна меняться, необходимо иметь возможность определять влияние резонансных частот.
Может понадобится обходить эти частоты в программе управления двигателем. При ускорении двигателя ПО должно быстро миновать критические диапазоны (Рис.7.6). Это особенно актуально при медленном разгоне двигателя, который может стать причиной ослабления шаговой скорости в течение некоторого времени в области резонанса. Вращающий ~ момент ~ Скорость шагового двигателя Ускорение шагового двигателя, Скорость Время Рис. 7.6.
Резонанс шагового двигателя 7.1.3. Полушаговый режим двигателя Как упоминалось ранее, ротор шагового двигателя поворачивается в сторону компенсации магнитного поля, созлаваемого обмотками статора. На Рис. 7.7 показан простой двигатель с одной парой полюсов ротора и двумя катушками статора. Допустим, по катушке А протекает ток, и ротор устанавливается вдоль магнитного поля якоря катушки А (положение 1 на 212 ° Глава 7.
Двигаагеви Рис. 7.7). Если катушка А отключается, а к катушке В подводится питание, ротор поворачивается до тех пор, пока северный магнитный полюс ротора не установится в положение 3. Теперь, если обмотка В отключается, а А включается в обратном направлении, ротор перейдет в позицию 5. Наконец, если А отключится, а В включится в обратном от начального направлении, ротор окажется в положении 7. Эта последовательность называется возбуждение обмоток статора с одной включенной фазой (опе-р)газе-оп лапте).
Рае. 7. 7. Полуглаговый режим двигателя Допустим теперь, что, вместо поочередного включения одной из фаз обмоток (А или В), включаются одновременно обе фазы обмоток. Ротор сдвинется в положение 2, на середину между магнитами А и В. Если теперь поменять направление поля в катушке А, ротор переместится в позицию 4. Если поменять направление тока в В, ротор перейдет в положение 6, и, наконец, снова при обращении поля в А, ротор переместится в позицию 8. В каждом из этих методов совершается полный шаг ротора (45' в данном случае), однако действительные положения ротора в описанных мето- 7.1.
Шаговые двигатели ° 213 Одна фаза подключена Плюс о Минус Катушка А Плюс О Минус Катушка В Позиция ротора З 5 двв фазы подключены Плюс О Минус Катушка А Плкю О Минус ушка в Позиция ротора 2 4 8 8 Полушаговый Плюс о Минус Катушка А Плюс О Минус ПОзиция ротора 1 2 3 4 5 8 ? 8 Рис. 7.8. Временные диаграммы полушагового двигателя Сравним приведенные на Рис. 7И8 временные диаграммы всех трех методов. Двигатель в полшага обеспечивает более плавное врашение и лучший контроль. Хотя, важно заметить, что в позициях, когда запитана только одна из обмоток (позиции 1, 3, 5, 7), требуется больший ток для обеспе- дах различаются. Если совместить данные методы, получим «полушаговый режим двигателякл ° А+, В выкл., позиция 1; ° А+, В+, позиция 2; ° А выкл., В+, позиция 3; ° А —, В+, позиция 4.
В данном примере удается уменьшить шаг ротора с 45' до 22.5', т. е, на полшага. Те же принципы применимы и для реальных шаговых двигателей, что позволяет уменьшить шаг с 15' до 7.5', например. 214 ° Глава 7. Двигатели чения того же вращающего момента. Переключение с двух обмоток на одну снижает вращающий момент примерно на 30% Так если две катушки обеспечивают 140% врашаюшего момента по сравнению с одной, то, в фазе питания одной из обмоток, можно увеличить силу тока до 140% 7.1.4.
ММКРОШВГОЦЬ1й РтзКММ ДЦМГат9ПВ Если внимательно рассмотреть и аппроксимировать временные диаграммы работы полушагового двигателя, можно заметить, что они похожи на пару синусоидальных сигналов, смещенных на 90' друг относительно друга. Когда ротор находится в положении 1, на обмотке А максимальное напряжение, а на обмотке В минимальное. В положении 3 обмотка А выключена, а на обмотке  — максимум напряжения. В шаговом двигателе постоянного тока с полушаговым режимом управления на каждой из обмоток можно устанавливать три значения напряжения: положительное, ноль и отрицательное.
Если ротор находится в положении 1, и ток в обмотке В медленно нарастает, ротор будет врашаться в сторону положения 3. Если с той же скоростью снижается ток через обмотку А, ротор будет перемешаться плавно в сторону позиции 3, где он окажется, когда ток в А обратится в О, а в обмотке В достигнет максимума.
Если на обмотки А и В подаются синусоидальные сигналы, сдвинутые по фазе на 90*, вращение двигателя будет происходить более плавно, чем в полушаговом режиме. На Рис. 7.9 показаны дискретные сигналы управления, а также вш/соз управление с соответствующими позициями ротора. На самом деле, так можно управлять шаговым двигателем. Если сигналы управления формировать с помощью ЦАП, двигатель можно устанавливать в позиции по целому или по половине шага. Такое управление называется микрошаговым (т1сговгеррше1 режимом двигателя. Это обеспечивает более точное управление позицией вала, однако требует более дорогих аналоговых компонентов. Точность шагового двигателя будет в этом случае зависеть от разрешения ЦАП, вращающего момента двигателя и нагрузки.
Например, двигатель находится где-то вблизи позиции 2, а вы хотите сместить его в эту позицию 2. Если нагрузка слишком большая, вам понадобится больший вращаюший момент, чтобы ее сдвинуть, и в результате, вал может проскочить требуемое место. Если вам все-таки необходимо осушествлять микрошаги, надо использовать более мощный двигатель. В некоторых случаях это может быть даже более дешевым решением, чем двигатель постоянного тока с редуктором. В шаговом двигателе постоянного тока с микрошаговым резкимом управле- 7. 1.
Шагавые двигаптели ° 215 ПОЛУШаговый С цифрсвым управлЕниЕм Плюс О Минус Катушка А Плюс О Минус Кагушка В Позиция ротора 1 2 3 4 5 б 7 8 Микрошагсвый с управлением напряжением синусоилвльнсй и косинуссилальной форм (вп/сов управление) Плюс О Минус Катушка А Плюс О Минус Катушка В Позиция ротора 1 2 3 4 5 б 7 8 Рис. 7.9. Микрошаговый режиМ ДвИГатеЛЯ лил также меньше проблем, связанных с резонансом, поскольку двигатель не осуществляет дискретных шагов. В реальных устройствах обычно нет необходимости в применении ЦАП высокой точности, поскольку шаговый двигатель не будет отрабатывать минимальных изменений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
