Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Выходной сигнал О триггера КБ разрешает работу мостовой схеме управления двигателем. Когда на выходе триггера НИЗКИЙ логический уровень, мост отключается, даже если на одном из его входов ВЫСОКИЙ уровень. 7.1. Шагааые двигателя ° 223 Когда к обмотке прикладывается напряжение, и ток достигает заданной величины, напряжение на резисторе — датчике тока — становится выше опорного напряжения компаратора, и сигнал на выходе компаратора переходит в низкий уровень.
Триггер сбрасывается и запрешает работать мосту до тех пор, пока не поступит следуюший тактовый импульс с генератора. Пока ток меньше заданной величины, мост останется включенным. Напряжение на выходе Н-моста (нэлряжение на обмотке двигателя) ток через обмотку двигатЕля ии У2 ылее о, чтобы игла Рве. 7.16.
Ток через обмотку как функция управляющего напряжения Разрежение входя входа Уровень, до которого бы возросла сила тока без режима прмтывания Г' Уровень, до которого возросла сила тока Рис. 7.17. Регулирование прерыванием тока в обмотке 224 ° Глава 7. Двигатели Схема, показанная на Рис.7.17, демонстрирует только принцип. На практике опорное напряжение компаратора может быть фиксированного уровня, а может быть изменяемой величиной и поступать от микропроцессора и ЦАП. Это обеспечивает программное управление током обмоток, то есть и вращающим моментом. Что дает возможность применения шагового двигателя вместе с различными нагрузками, когда параметры нагрузок заранее известны и введены в программу.
Такая схема может быть использована и для компенсации разницы вращающих моментов между однообмоточным и двухобмоточным запуском в полушаговом двигателе либо для формирования сигналов, необходимых для управления микро- шаговым двигателем. Частота прерывания должна быть значительно выше максимальной частоты вращения шагового двигателя, но достаточно низкой, чтобы транзисторы успевали переключаться. Если частота прерывания будет слишком высокой, то управляющие транзисторы будут долгое время работать в линейном режиме и рассеивать таким образом значительную мощность (см.
Приложение Б). Функции прерывания генератора и компаратора могут быть выполнены программно. Для задания времени срабатывания можно установить постоянное прерывание с оптимальной частотой прерывания. Каждый раз при возникновении прерывания, микропроцессор проверяет напряжение (через АЦП) на резисторе — датчике тока — и либо разрешает, либо запрещает работу моста.
Естественно, микропроцессор должен обрабатывать прерывания на частоте прерывания, что ограничило бы эту частоту в реальном устройстве. Применение микропроцессора для того, чтобы устанавливать режим прерывания на один двигатель, наверное, слишком дорого, но микропроцессорное управление несколькими щаговыми двигателями одновременно выглядит вполне приемлемым решением (если двигатели работают с одинаковой частотой).
7.1.10. Методы управления и резонанс Шаговые двигатели, управляемые с постоянной силой тока (в режиме прерывания или аналоговом), будут иметь проблемы, связанные с резонансом, причем вероятнее всего, на низких оборотах. Использование полушагового или микрошагового режима позволяет преодолеть эти проблемы. Естественно, по сравнению с простой мостовой схемой, управляемая ЦАП-система — значительно более сложная схема управления контроллера двигателя.
Д игатели, управляемые с постоянным напряжением, столкнутся с проблемами резонанса на более высоких оборотах. Причем использова- 7.1. Шаговые двигатели ° 225 нне полушагового или микрошагового режима не решит этих проблем. Полностью устранить резонансные проблемы может нагрузка со значительным эффектом торможения (такая как нагрузка с большим трением), Если ваше устройство должно работать на высоких оборотах с нагрузкой без достаточного гашения, используйте двигатели, управляемые с постоянной силой тока, либо полушаговые, либо микрошаговые. Что, в свою очередь, означает термин «высокие обороты» шагового двигателя? Конечно, скорость вращения во многом определяется типом двигателя, но в основном, эта величина где-то в диапазоне 200...500 шагов в секунду.
7.1.11. Линейное управление реаистианмй датчиктака Если нет желания использовать режим прерывания тока (сЬорр(пй) для управления двигателем, можно применить схему, показанную на Рис. 7.18. В данной схеме мощный ОУ способен контролировать ток обмотки двигателя, а также эффективно управлять током обмотки.
Напряжение (усиленное, если требуется), снимаемое с резистора — датчика тока — подается на инвертирующий вход ОУ. Усилитель, как регулирующее звено, стремится устанавливать ток обмотки двигателя, эквивалентный опорному напряжению. Такая цепь работает с более плавным ходом, чем при управлении прерыванием, но с меньшим КПД Мощ каарваекке ный ОУ будет рассеивать значитель- Оематка ную мощность, поскольку будет мотора пропускать через себя ток обмотки двигателя при значительном падении напряжения. Мощносп, рассеиваемая ОУ, определяется напряжением Рвс.
7. 18. Линейное управление питания У, напряжением на обмотке постоянным током двигателя У и током обмотки 1. Показанная здесь схема линейного управления дополнительно требует отрицательное напряжение питания. Можно сконструировать контроллер двигателя с использованием двух операционных усилителей, работающих от положительного источника питания и включенных по мостовой схеме, устанавливая потенциал одного конца обмотки положительным или отрицательным не по отношению к земле, а по отношению к другому концу обмотки. ИС 1 297 (Рис. 7.19) — коитраллер шагового двигателя фирмы 565- 77тотрвоа. Он формирует сигналы запуска для мостовой схемы, выполнен- 226 ° Глава 7. Двигатели ной иа специализироваиной ИС (например, Ь6201) или иа транзисторах. ИС Ь297 осуществляет управление током обмоток двигателя по схеме управлеиия прерыванием.
ИС имеет генератор, компаратор и логические цепи управления прерыванием. Частота может быть задана внешней ЯС-цепью или с помощью внешнего генератора тактовых импульсов. Тактовая последовательность импульсов прерывания также синхронизирует время включения и выключения транзисторов моста для предотвращения сквозных токов. втеР О!яестюн неяет сонтное ЕНАВГЕ Шаг Направление Сброс Управление Разрешение Половина/Полный Начальная пазиция К кпнтпллерам лсгических схем О ант анг НАЬЕ!РЦО. НОМЕ К резистсрным датчикам тока Цепь НС апре частоту прерывания Оперное напряжение для установки така Рис. 7.19. ИС Ь297 от ЯСБ-Т)тотрзоп ИС Ь297 имеет четыре фазовых выхода (АВСО) и два выхода управлеиия прерыванием (ПЧН1, 1ХН2).
Выход с открытым коллектором НОМЕ устанавливается в НИЗКИЙ уровень, когда иа фазных выходах «начальное» состояние (АВСЫ = 0101). ИС Ь297 обеспечивает управление шаговым двигателем в режимах половинных и полных шагов при выборе режима двигателя на входе НАЬЕ/Н/Ь1.. 7.2. Двигатели постоянного тока На Рис. 7.20 показано сечение двигателя постоянного тока (РС пюгог), иногда называемого двигателем постоянного тока с постоянным магнитом (реппапепг гпайпег ОС гпо1ог, РМРС гпо1ог). Двигатель постоянного тока состоит из статора (постоянного магнита) и ротора с намотанными на него обмотками.
Соединение обмоток ротора осуществляется с помощью щеток, образующих контакт с коммутатором, находящимся на оси, ио изолироваииом от иее. Когда прикладывается постоянное напряжение, ротор вращается, компенсируя магнитное поле статора. Когда поле оказывается скомпенсированным, щетки размыкают контакт с одной обмоткой и обра- 7.2.
Двигатели постоянного тока ° 227 зуют контакт с другой. Это меняет полярность магнитного поля ротора на противоположную. Ротор продолжает вращение, пытаясь снова скомпенсировать внешнее магнитное поле статора. Таким образом, ротор вращается, поскольку поле в обмотках переключается согласованно с вращением оси ротора. Магнит Ротор Коммуг Щетта Рнс. 7.20. Сечение двигателя постоянного тока На Рис. 7.20 в качестве примера показан ротор с четырьмя секциями, четырьмя щетками и четырьмя коммутирующими контактами. В некоторых двигателях постоянного тока обмотки не наматываются, а выполняются в виде печатных проводников. Это обеспечивает малую инерцию, что позволяет достичь больших ускорений.
Кроме того, высокая степень технологичности достигается исключением рутинной проводной намотки обмоток ротора. Двигатели постоянного тока не теряют синхронизации, как шаговые двигатели. Если нагрузка на ось увеличивается, скорость двигателя снижается вплоть до полной остановки. В микропроцессорных системах двигатели постоянного тока обычно используются совместно с датчиком позиционирования или энкодером (епсодег), который сообшает процессору координаты оси. Энкодеры будут детально рассмотрены далее в этой главе. 7.2.1. Управление двигателями постоянного тока Как и шаговые двигатели, двигатели постоянного тока могут управляться с помощью мостовой схемы прерывания или с помощью аналогового драйвера, выполненного на мошном ОУ.
Однако в то время как в управлении шаговым двигателем аналоговый драйвер или прерыватель ис- 228 ° Глава 7. Двигатели пользуются с учетом тока через обмотки, схемотехническое решение контроллера (драйвера) двигателя постоянного тока обычно строится не на основе контроля тока в обмотках. Вместо этого контроллер двигателя постоянного тока должен обеспечить достаточный ток для достижения необходимого ускорения (на основе измерений датчика позиционирования — эикодера).
Если на оси двигателя нагрузка увеличится, то драйвер увеличит силу тока для поддержания заданной скорости. Таким образом, измеряется скорость, а не сила тока. В цепях управления иногда применяется измерение тока моста, однако, не для управления, а для контроля над превышением определенной величины тока, соответствуюшей, например„остановке ротора. На Рис. 7.21 показан пример работы двигателя постоянного тока при двух различных нагрузках. Сначала двигатель разгоняется до постоянной скорости, работает некоторое время, затем замедляется до полной остановки. С легкой нагрузкой, линия графика ниже, чем с массивной нагрузкой.
Как бы то ни было, контроллер снабжает двигатель достаточным током для обеспечения требуемой характеристики скорость/время независимо от нагрузки. По этой причине, для приложений с широким диапазоном применяемых нагрузок лучше подходят двигатели постоянного тока. токдвигвтвля Скорость двигатвл Время Рис. 7.21. Работа двигателя постоянного тока с различными нагрузками 7.2 Двигатели постоянного тока ° 229 Одна из интересных особенностей двигателей постоянного тока — возможность управления торможением. Если вручную вращать вал двигателя, получается маленький генератор. Если теперь замкнуть между собой выводы образованного генератора, вращение вала будет затруднено из-за воздействия электромагнитных сил.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
