Система управления шаговым двигателем

~ ~

Министерство Образования  РФ

 

Московский Авиационный  Институт

(государственный технический  университет)

 

 

Факультет №3 «Системы управления, информатика и электроэнергетика»

Кафедра 301 «Автоматические и интеллектуальные системы управления»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«Система управления шаговым двигателем»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила студентка 3 курса  гр.03-301

Гладкая Д.Ю.

Научный руководитель:

Шлеенкин  Лев Алексеевич

(доцент)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2010

1. Содержание.
2. Постановка задачи
1. Задание на курсовое проектирование.
2. Техническое задание
1. Цель проектирования устройства
2. Функциональное назначение устройства.
3. Технические требования
4. Условия эксплуатации
5. Состав разрабатываемых документов
6. Специальные требования
3. Введение

1. Привод

1. Двигатель
2. Трансмиссия
3. Система управления

1. Контроллер шагового двигателя L297

1. Общие сведения
2. Особенности
3. Работа схемы

2. Двухполупериодный мостовой драйвер L298

2. Устройство управления привода через USB интерфейс

1. Модуль Ke-USB24
2. Особенности модуля
3. Принцип работы модуля
4. Функциональные характеристики.
5. Электрические характеристики

4. Разработка функциональной схемы

1. Разработка функциональной схемы для привода
2. Разработка функциональной схемы для устройства управления приводом
3. Итоговая функциональная схема

5. Разработка принципиальной электрической схемы

1. Разработка принципиальной электрической схемы привода

1. Микросхема L297

1. Абсолютные максимально допустимые значения
2. Назначение выводов

2. Микросхема L298

1. Максимально допустимые значения
2. Назначение выводов

2. Разработка принципиальной электрической схемы устройства связи привода и шины USB.

1. Ke-USB24A

1. Назначение выводов

6. Разработка печатной платы

7. Источник опорного напряжения
8. Расчет надежности элементов и устройств

1. Расчет надежности ИЭП по внезапным отказам

1. Резервирование
2. Интенсивность отказов
3. Вероятность безотказной работы в течение заданной наработки

9. Вывод

10. Список использованной литературы.

 

 

2. Постановка задачи

 

1. Задание на курсовое проектирование.

Целью курсового проекта является проектирование привода и устройства его управления через USB интерфейс. Привод включает в себя двигатель, трансмиссию и систему управления.

В данном курсовом проекте должны быть решены следующие задачи:

1. Разработать техническое задание;
2. Разобрать принцип работы привода;
3. Разобрать принцип работы устройства управления привода;
4. Разработать функциональную схему устройства на основе технического задания;
5. Разработать принципиальную электрическую схему устройства;
6. Спроектировать печатную плату устройства;
7. Сделать заключение и вывод по работе.

 

2. Техническое задание.

1. Цель проектирования устройства.

Обеспечить управление привода  через USB-интерфейс.

 

2. Функциональное назначение устройства.

Устройство предназначено для  связи шагового двигателя с USB интерфейсом.

 

3. Технические требования.

 

1.  Технические требования для двигателя:
1. рабочий ток меньше 2 А;
2. сопротивление не больше 10 Ом;
3. индуктивность не больше 10 мГн;
4. крутящий момент не меньше 6 кг*см;
5. момент инерции ротора не меньше 100 г*см²;
6. вес не больше 0,5 кг;
7. длина корпуса не должна превышать 10 см.

 

2. Технические требования для системы управления двигателя:

1. рабочий ток не превышает 2 А;
2. напряжение питания не больше 50 В.

 

3. Технические требования для устройства управления приводом.
1. Напряжение не больше 5 В;
2. Максимальный ток нагрузки около 200 мА.

 

4. Условия эксплуатации.

Рабочий диапазон температур устройства лежит в пределах от -25 до 130 °С.

 

5. Состав разрабатываемых документов.
1. функциональная электрическая схема;
2. принципиальная электрическая схема;
3. перечень элементов;
4. сборочный чертеж (размещение компонентов на печатной плате);
5. чертеж печатной платы;

 

6. Специальные требования

Специальные требования к устройству отсутствуют.

3. Введение.

Цель курсового проекта –  проектирование привода и устройства его управления через USB интерфейс. Привод состоит из двигателя, трансмиссии и системы управления.

Каждый из этих элементов должен соответствовать разработанному техническому заданию.

1. Привод

1. Двигатель.

В качестве двигателя был выбран гибридный биполярный шаговый двигатель. Шаговый двигатель – это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Он обладает некоторыми уникальными свойствами, что делает его порой исключительно удобными для применения или даже незаменимыми.

• угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель
• двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны)
• прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу
• возможность быстрого старта/остановки/реверсирования
• высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников
• однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи
• возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора
• может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

 

Но несмотря на множество достоинств, есть и некоторые недостатки.

• шаговым двигателем присуще явление резонанса
• возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи
• потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки
• затруднена работа на высоких скоростях
• невысокая удельная мощность
• относительно сложная схема управления

Шаговые двигатели относятся к  классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Они имеют высокую надежность и большой срок службы. По сравнению с обычными двигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют значительно более сложных схем управления, которые должны выполнять все коммутации обмоток при работе двигателя.

Одним из главных преимуществ шаговых  двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку  скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, так как такие  датчики могут стоить намного  больше самого двигателя. Однако это  подходит только для систем, которые  работают при малом ускорении  и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превысит его  момент, то информация о положении  ротора теряется и система требует  базирования с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика. Системы с обратной связью не имеют подобного недостатка.

Когда требуется прецизионное позиционирование и точное управление скоростью, а  требуемый момент и скорость не выходят  за допустимые пределы, то шаговый двигатель  является наиболее экономичным решением.

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. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных  пластин. 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 находиться 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.