Система управления шаговым двигателем

Существуют три основных типа шаговых  двигателей:

• двигатели с переменным магнитным сопротивлением
• двигатели с постоянными магнитами
• гибридные двигатели

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют  несколько полюсов на статоре  и ротор зубчатой формы из магнитомягкого материала. Намагниченность ротора отсутствует. Двигатели с постоянными  магнитами состоят из статора, который  имеет обмотки, и ротора, содержащего  постоянные магниты.

Гибридные двигатели являются более  дорогими, чем двигатели с постоянными  магнитами, зато они обеспечивают меньшую  величину шага, больший момент и  большую скорость. Типичное число  шагов на оборот для гибридных  двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3.6 – 0.9 град.). Гибридные двигатели  сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного двигателя имеет  зубцы, расположенные в осевом направлении.

Ротор разделен на две части, между  которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Таким образом, зубцы верхней  половинки ротора являются северными  полюсами, а зубцы нижней половинки  – южными. Кроме того, верхняя  и нижняя половинки ротора повернуты  друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов  ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как  и статор, набраны из отдельных  пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя  также имеет зубцы, обеспечивая  большое количество эквивалентных  полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3.6 град. двигателей и 8 основных полюсов  для 1.8- и 0.9 град. двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление  магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический  и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением  зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними. Зависимость  между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора  и числом фаз определяет угол шага S двигателя:

 

 

 

где Nph – число эквивалентных полюсов на фазу = число полюсов ротора,

Ph – число фаз,

N - полное количество полюсов для всех фаз вместе.

 

Часть магнитного потока проходит через  полюсные наконечники ротора, воздушные  зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании момента.

Воздушные зазоры у верхнего и нижнего  полюсного наконечника ротора разные. Это достигается благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубьев. Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальные воздушные зазоры и, как следствие, обладает минимальным  магнитным сопротивлением. По этой цепи замыкается другая часть потока, которая и создает момент. В  перпендикулярной плоскости создают  магнитный поток катушки статора. В гибридном двигателе этот поток  частично замыкается полюсными наконечниками  ротора, и постоянный магнит его  «видит» слабо. Поэтому в отличие  от двигателей постоянного тока, магнит гибридного двигателя невозможно размагнитить ни при какой величине тока обмоток.

Величина зазора между зубцами  ротора и статора очень небольшая  – типично 0.1 мм.

Чтобы магнитный поток не замыкался  через вал, который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных  марок стали.

Для получения больших моментов необходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и поле постоянного магнита. При этом требуется  больший диаметр ротора, что ухудшает отношение крутящего момента  к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногда конструктивно  выполняют из нескольких секций в  виде этажерки. Крутящий момент и момент инерции увеличиваются пропорционально  количеству секций, а их отношение  не ухудшается.

Большинство современных шаговых  двигателей являются гибридными. По сути гибридный двигатель является двигателем с постоянными магнитами, но с  большим числом полюсов. По способу  управления такие двигатели одинаковы. Чаще всего на практике двигатели  имеют 100 или 200 шагов на оборот, соответственно шаг равен 3.6 град или 1.8 град.

Для курсового проекта был выбран гибридный двигатель из-за того, что он обеспечивает меньшую величину шага, больший момент и большую скорость по сравнения с двигателем с постоянными магнитами.

В зависимости от конфигурации обмоток  двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель  имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления  магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Всего биполярный двигатель  имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода. Униполярный двигатель  также имеет одну обмотку в  каждой фазе, но от середины обмотки  сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением  половинок обмотки. При этом существенно  упрощается схема драйвера. Драйвер  должен иметь только 4 простых ключа. Иногда униполярные двигатели имеют  раздельные 4 обмотки. Каждая обмотка  имеет отдельные выводы, поэтому  всего выводов 8. При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярный двигатель с двумя обмотками и отводами тоже можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными.

В качестве двигателя привода был  выбран биполярный двигатель из-за его преимуществ перед униполярным. Биполярный имеет более высокую удельную мощность. Несмотря на то, что он имеет более сложную систему управления, при одних и тех же размерах он обеспечивает больший момент.

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя.

Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с  «естественными» точками равновесия ротора у незапитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного  двигателя в один и тот же момент времени используется 50% обмоток, а для униполярного – только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент.

Второй способ - управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. При этом способе управления ротор фиксируется  в промежуточных позициях между полюсами статора и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на полшага.

Третий способ является комбинацией  первых двух и называется полушаговым  режимом, когда двигатель делает шаг в половину основного. Этот метод управления достаточно распространен. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две. В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса. Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент, хотя наиболее совершенные драйверы реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной.

Еще один способ управления называется микрошаговым режимом. При этом способе  управления ток в фазах нужно  менять небольшими шагами, обеспечивая  таким образом дробление половинного  шага на еще меньшие микрошаги. Когда  одновременно включены две фазы, но их токи не равны, то положение равновесия ротора будет лежать не в середине шага, а в другом месте, определяемом соотношением токов фаз. Меняя это  соотношение, можно обеспечить некоторое  количество микрошагов внутри одного шага. Вместе с тем, для реализации микрошагового режима требуются  значительно более сложные драйверы, позволяющие задавать ток в обмотках с необходимой дискретностью. Полушаговый  режим является частным случаем  микрошагового режима, но он не требует  формирования ступенчатого тока питания  катушек, поэтому часто реализуется.

Из-за того, что микрошаговый режим  требует более сложный драйвер, был выбран двигатель, который способен работать только в двух режимах: полношаговом и полушаговом.

Учитывая все требования, описанные  в техническом задании, и условия  работы, описанные выше, был выбран гибридный шаговый двигатель  серии FL42STH со следующими характеристиками:

 

Величина полного шага, град	1,8
Погрешность углового шага, град	0,09
Погрешность сопротивления  обмоток двигателя, %	10
Погрешность индуктивности  обмоток двигателя, %	20
Максимальное радиальное биение вала двигателя, мм	0,02
Максимальное осевое биение вала двигателя, мм	0,08
Максимальная допустимая осевая нагрузка на валу,Н	10
Максимальная допустимая радиальная нагрузка на валу, Н	28

Из этой серии шаговых двигателей был выбран двигатель FL42STH60-1206B, который отвечает всем требованиям, поставленные в техническом задании. Он имеет следующие рабочие характеристики:

Рабочий ток/фаза, А	Сопротивление/фаза, Ом	Индуктивность/ фаза, мГн	Крутящий момент, кг*см	Длина, мм	Момент инерции ротора, г*см2	Вес, кг
1,2	6	7	6,5	60	102	0,5

 

 

2. Трансмиссия

В данном курсовом проекте не рассматривается  данное устройство, так как в задании не было оговорено насчет нагрузки.

 

3. Система управления

Платы управления шаговым двигателем принимают сигнал от компьютера, указывающий, в каком направлении и на какое расстояние должно выполняться движение по оси. Получив от компьютера данные о направлении движения и количестве шагов, платы переводят их в значения напряжения и силы тока, что определяет подаваемую мощность.

Мощность, поданная на обмотки, распределяется по ним в определенной последовательности, что задает вращение вала двигателя в требуемом направлении  на заданное число шагов.

Управляющих плат в данном курсовом проекте всего одна. Плата спроектирована с использованием комплекта интегральных схем L297 и L298, произведенных компанией STMicroelectronics. Вместе они представляют собой законченную схему управления для шагового двигателя. Использование этих двух чипов приводит к упрощенной конструкции платы и минимизации числа компонентов. Кроме того, соединение этих двух чипов образует мощную плату драйвера, способную выдерживать до 36 В и 2 А на канал. 

 

1. Контроллер шагового двигателя L297

1. Общие сведения

Интегральный контроллер шагового двигателя L297 формирует четыре ведущих  фазовых сигнала для двухфазных биполярных и четырехфазных униполярных  шаговых электродвигателей в  прикладных системах, контролируемых микроЭВМ. Двигатель может запускаться  в режиме полушага, обычном и колебательном  режимах, а встроенный в чип прерыватель  широтно-импульсной модуляции позволяет  осуществлять импульсное управление током  в обмотках. Особенностью данного  устройства является то, что ему  необходимы, только входные сигналы  синхронизации, направления и режима. Поскольку фазы генерируются внутри чипа, нагрузка на микропроцессор и  программатор значительно снижается.

 

2. Особенности :
• обычный/колебательный привод;
• режимы полу-/целого шага;
• направление по и против часовой стрелки;
• режим коммутации регулируемого тока нагрузки;
• программируемый ток нагрузки;
• несколько внешних компонентов;
• вход запуска и выход возврата;
• вход включения.

 

3.  Работа схемы

Ядром структурной схемы для  чипа L297 является преобразователь, который  формирует соответствующие последовательности чередования фаз для работы в  режиме полушага и целого шага с  одной и двумя фазами. Этот блок управляется двумя режимными  входными сигналами - CW/CCW (направление) и HALF/FULL - а также синхронизатором, который продвигает преобразователь от одного шага к другому.L297 содержит преобразователь (формирователь последовательности фаз), прерыватель ШИМ и выходные логические схемы.