Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Когда в системе нет обратной связи, шаговый двигатель может выполнить не совсем то, что ему предписано. Поэтому шаговые двигатели обычно используются в системах, где нагрузка постоянна или, по крайней мере, всегда известна. Например, в механизме головок чтениягзаписи дисковода. Нагрузка в данном устройстве практически постоянна. Если нагрузка сильно изменяется во время операции, шаговый двигатель может остановиться или проскочить требуемую позицию.
Если известно, как меняется нагрузка, то можно уменьшить силу тока обмоток шагового двигателя при легкой нагрузке или, напротив, увеличить при значительной нагрузке на ось. Примером такой ситуации может быть система, где двигатель должен повернуть что-то массивное, а затем без нагрузки переместить вал в заданное положение. С другой стороны, если нагрузка обладает значительной массой или трением, то от применения шагового двигателя лучше отказаться.
При значительных изменениях нагрузки, особенно„если эти изменения не известны контроллеру, двигатель постоянного тока с энкодером будет лучшим выбором, чем шаговый двигатель. Энкодер вьшает информацию, которая позволит контроллеру изменять силу тока, если позиция и/или скорость не корректны. 246 ° Глава 2 Двягааели Одна из возможностей совместить преимушества шагового двигателя и двигателя постоянного тока — установить энкодер на ось шагового двигателя.
Но это поднимет и цену Тем не менее, максимальная скорость такой конструкции останется ниже, чем двигателя постоянного тока. 7.4. Порядок включения питания логических цепей и двигателя Важная проблема двигателей постоянного тока — это начальная установка при включении питания. Мы уже рассматривали изменение состояний на выходах микроконтроллера при включении питания.
Подобные особенности присуши н системам управления двигателями. Обычно логические цепи управления усилителем или мостом работают при напряжении питания 3.3 или 5 В. Напряжение питания двигателя может составлять 12, 24 или даже 50 В. Если первым подается силовое напряжение питания, на входах моста или усилителя установятся произвольные уровни, и двигатель может непредсказуемо резко сдвинуться. В системе с ограниченной свободой движения, как, например, в роботизированной системе с рукой-манипулятором, это может привести к удару. Такой толчок окажется аварийным для механических компонентов системы или для редуктора.
Причем двигатель постоянного тока способен развить в такой ситуации максимальный вращающий момент, соответствующий 100% рабочего цикла ШИМ. Лучший способ предотврагцения такой ситуации — включение питания двигателя только после того, как подано напряжение питания логических цепей, и все должные уровни установились. Отдельные многоцелевые источники питания снабжены специальным выводом управления для включения и выключения высоковольтного источника. Однако как управлять запретом высокого напряжения, если питание включается одновременно? Некоторые блоки питания снабжены специальным выводом, на котором напряжение (5 или 12 В) появляется в первую очередь специально для рассматриваемых целей.
Этот дополнительный выход обычно дает небольшой ток (< 100 мА). В некоторых случаях можно соединить вход запрета питания двигателя нагрузочным резистором от выхода дополнительного питания, а затем, когда напряжения в логических цепях установятся, перевести уровень на резисторе в О. На Рис. 7.35 показана схема на одном транзисторе, работающая в ключевом режиме для решения данной проблемы. Если нельзя управлять движением двигателя с помощью данного принципа, можно будет как-нибудь заблокировать мостовую схему, допустим, 7 4. Порядок включения пигпания логических цепей и двигателя ° 247 Дополнительное напряжение т5 В Управление питанием двигатели +5  — запрет, Π — нормальная работа Логический сигнал разрешения1 1 — вкл. питания Рас.
7.35. Управление питанием для включения двигателя с использованием управляющих сигналов используя дополнительные логические элементы между выходами системы управления и входами моста. Естественно, эти элементы тоже нужно будет запитать от силового источника. На Рис. 7.36 показан метод, однажды использованный мной. В системе применен мост ЬМО18200 от Хаг(опа!.
ИС ЬМО!8200 снабжена выводом тормоза, обычно используемым для остановки двигателя. В данном устройстве мы не использовали торможение, поэтому вывод был свободным. Когда включалось напряжение питания двигателя +24 В, а 5В еще нет, МОП-транзистор закрывался (потому что на затворе был низкий уровень). На истоке транзистора напряжение 24 В понижалось до 4.7 В с помощью стабилитрона. Это напряжение составляло высокий уровень для ЬМО18200, что тормозило двигатель и предотвращало движение. Через некоторое время после подачи 5-В питания логических цепей (задержка определялась ЯС-цепочкой на затворе МОП-транзистора), на затворе устанавливался высокий уровень, транзистор открывался, и двигатель мог работать нормально. К входу торможения (Вгаае 1прпк) ис ьмо15200 Рис.
7.3б. Цепь запрета для ЬМ)л18200 248 ° Глава 2 Двигатели 7.5. Вращающий момент двигателя Как можно узнать, достаточно ли мощный двигатель выбран для устройства? Как проверить, не слишком ли большой по мощности и габаритам двигатель вы покупаете, переплачивая лишнюю сумму? Каждый двигатель характеризуется специальным параметром — вращающим моментом, величиной силы, которую двигатель может приложить, чтобы ось двигателя провернулась. Двигатели постоянного тока с щетками серии врас~йс Вс(еп66с 4М» характеризуются величиной вращающего момента от 55 до 163 унций дюйм (0.39...!.15 Н м) в зависимости от модели. Этим величинам, в данном случае, соответствует сила тока от б.8 до 14.1 А.
Это также максимальный импульсный ток, который двигатель может выдержать. Величина вращающего момента определяет, какую силу двигатель может приложить, то есть насколько быстро разогнать нагрузку до определенной скорости. 7.5.1. Вращающий момент при заторможенном двигателе Вращающий момент (51а!! Тогг)це) — это момент, создаваемый двигателем в заблокированном, неработающем состоянии. 7.5.2. Противодействующее электромагнитное поле Если вращать катушку с проводом в магнитном поле, будет генерироваться электрический ток (так работает и генератор в автомобиле, например).
В двигателе постоянного тока катушка провода вращается в магнитном поле. Когда при работе двигателя катушка генерирует электрический ток, его поле противодействует магнитному полю, создаваемому приложенным напряжением. Чем быстрее вращается двигатель, тем больше величина этого противодействующего электромагнитного поля. 7.5.3. Вращающий момент и скорость Вращаюгций момент двигателей постоянного тока падает с увеличением скорости.
Это происходит вследствие различных факторов, в том числе и за счет увеличения противодействующего электромагнитного поля. Это ограничивает максимальную скорость и вращающий момент на этой скорости двигателей постоянного тока в реальных устройствах. йб. Реальное применение шагового двигателя ° 249 7.6. Реальное применение шагового двигателя Для иллюстрации и сопоставления реальных принципов работы, рассмотренных в данном разделе, послужит следующий пример. На Рис. 7.37 показан управляемый микроконтроллером пятифазный шаговый двигатель. Это упрощенная схема реального устройства. В данной схеме микроконтроллер напрямую управляет верхним и нижним транзисторами драйвера для переключения фаз двигателя.
Двигатель этого устройства вращает лоток с бутылочками для перемешивания в них медицинских растворов. Алгоритм управления затворами транзисторов позволяет включать и выключать транзисторы в паре, создавая высокий, низкий и плавающий уровни фазы. Выход ШИМ подключен к внутреннему (второму) таймеру для генерирования прерывания.
В результате прерывание формируется через каждые Т состояний, где Т вЂ” значение второго таймера. Частота прерываний — это частота следования управляющих импульсов двигателя; меньшие величины Т приводят к большей частоте шагов, а большие — к меньшей. За счет тактирования частоты следования управляющих импульсов ШИМ-таймером, система производит все изменения на выходе при гарантированном отключении транзисторов. Для успешной работы такой системы необходимо выполнить определенные требования: ° После закрытия дверки медицинской центрифуги, которую вращает шаговый двигатель, он разгоняется под управлением микроконтроллера до определенной скорости. Если пользователь открывает дверку, скорость двигателя должна уменьшиться до полной остановки.
° Ток двигателя зависит от рабочего цикла выхода ШИМ, который переключается нижним плечом МОП-транзисторов. При увеличении тока увеличивается скорость для обеспечения необходимого вращающего момента. ° Остановка двигателя должна происходить в определенной позиции для того, чтобы оператор мог добавить или удалить бутылочки. ° Микроконтроллер должен контролировать ток двигателя, выключая двигатель и формируя сигнал ошибки, если превышено предельное значение.
Для этой цели используется встроенный АЦП. ° Датчик позиции (энкодер) формирует импульс один раз за оборот; микроконтроллер должен сосчитать количество шагов до следующего импульса датчика позиции для вычисления координат остановки. Сигнал ошибки также формируется, если проделано число шагов полного оборота, но сигнал от датчика позиции не поступил.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
