Электропривод с шаговым двигателем
Система управления с шаговыми двигателями
Контроллер шагового двигателя
Шaговые двигателиуже давно и успешно применяются в самых разнообразных устройствах. Их можновстретить в дисководах, принтерах, плоттерах, сканерах, факсах, а также вразнообразном промышленном и специальном оборудовании. В настоящее времявыпускается множество различных типов шаговых двигателей на все случаи жизни.Однако правильно выбрать тип двигателя – это еще полдела. Не менее важноправильно выбрать схему драйвера и алгоритм его работы, который зачастуюопределяется программой микроконтроллера. Цель этой статьи – систематизироватьсведения об устройстве шаговых двигателей, способах управления ими, схемахдрайверов и алгоритмах. В качестве примера приведена практическая реализацияпростого и дешевого драйвера шагового двигателя на основе микроконтроллерасемейства AVR
Что такое шаговый двигатель, и зачем он нужен?
Шаговыйдвигатель – это электромеханическое устройство, которое преобразуетэлектрические импульсы в дискретные механические перемещения. Так, пожалуй,можно дать строгое определение. Наверное, каждый видел, как выглядит шаговыйдвигатель внешне: он практически ничем не отличается от двигателей другихтипов. Чаще всего это круглый корпус, вал, несколько выводов (рис. 1).
/>
Рис. 1.Внешний вид шаговых двигателей семейства ДШИ-200.
Однакошаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает поройих исключительно удобными для применения или даже незаменимыми.
Чем же хорош шаговый двигатель?
Угол поворота ротораопределяется числом импульсов, которые поданы на двигатель двигательобеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны)прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеютточность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагувозможность быстрого старта/остановки/реверсирования высокая надежность,связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактическиопределяется сроком службы подшипников однозначная зависимость положения отвходных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи возможностьполучения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединеннойнепосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора может бытьперекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частотевходных импульсов. Но не все так хорошо…
· шаговымдвигателем присуще явление резонанса
· возможнапотеря контроля положения ввиду работы без обратной связи
· потреблениеэнергии не уменьшается даже без нагрузки
· затрудненаработа на высоких скоростях
· невысокаяудельная мощность
· относительносложная схема управления
Что выбрать?
Шаговые двигателиотносятся к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Как и любыебесколлекторные двигатели, они имеют высокую надежность и большой срок службы,что позволяет использовать их в критичных, например, индустриальных применениях.По сравнению с обычными двигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуютзначительно более сложных схем управления, которые должны выполнять всекоммутации обмоток при работе двигателя. Кроме того, сам шаговый двигатель –дорогостоящее устройство, поэтому там, где точное позиционирование нетребуется, обычные коллекторные двигатели имеют заметное преимущество.Справедливости ради следует отметить, что в последнее время для управленияколлекторными двигателями все чаще применяют контроллеры, которые по сложностипрактически не уступают контроллерам шаговых двигателей.
Одним из главныхпреимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точноепозиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Это оченьважно, так как такие датчики могут стоить намного больше самого двигателя.Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении и сотносительно постоянной нагрузкой. В то же время системы с обратной связьюспособны работать с большими ускорениями и даже при переменном характеренагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация оположении ротора теряется и система требует базирования с помощью, например,концевого выключателя или другого датчика. Системы с обратной связью не имеютподобного недостатка.
При проектированииконкретных систем приходится делать выбор между сервомотором и шаговымдвигателем. Когда требуется прецизионное позиционирование и точное управлениескоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, тошаговый двигатель является наиболее экономичным решением. Как и для обычныхдвигателей, для повышения момента может быть использован понижающий редуктор.Однако для шаговых двигателей редуктор не всегда подходит. В отличие от коллекторныхдвигателей, у которых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигательимеет больший момент на низких скоростях. К тому же, шаговые двигатели имеютгораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными двигателями,что ограничивает максимальное передаточное число и, соответственно, увеличениемомента с помощью редуктора. Готовые шаговые двигатели с редукторами хотя исуществуют, однако являются экзотикой. Еще одним фактом, ограничивающимприменение редуктора, является присущий ему люфт. Возможность получения низкойчастоты вращения часто является причиной того, что разработчики, будучи не всостоянии спроектировать редуктор, применяют шаговые двигатели неоправданночасто. В то же время коллекторный двигатель имеет более высокую удельнуюмощность, низкую стоимость, простую схему управления, и вместе содноступенчатым червячным редуктором он способен обеспечить тот же диапазонскоростей, что и шаговый двигатель. К тому же, при этом обеспечиваетсязначительно больший момент. Приводы на основе коллекторных двигателей оченьчасто применяются в технике военного назначения, а это косвенно говорит охороших параметрах и высокой надежности таких приводов. Да и в современнойбытовой технике, автомобилях, промышленном оборудовании коллекторные двигателираспространены достаточно сильно. Тем не менее, для шаговых двигателей имеетсясвоя, хотя и довольно узкая, сфера применения, где они незаменимы.
Виды шаговых двигателей
Существуют три основныхтипа шаговых двигателей:
· двигателис переменным магнитным сопротивлением
· двигателис постоянными магнитами
· гибридныедвигатели
Определить типдвигателя можно даже на ощупь: при вращении вала обесточенного двигателя спостоянными магнитами (или гибридного) чувствуется переменное сопротивлениевращению, двигатель вращается как бы щелчками. В то же время вал обесточенногодвигателя с переменным магнитным сопротивлением вращается свободно. Гибридныедвигатели являются дальнейшим усовершенствованием двигателей с постояннымимагнитами и по способу управления ничем от них не отличаются. Определить типдвигателя можно также по конфигурации обмоток. Двигатели с переменным магнитнымсопротивлением обычно имеют три (реже четыре) обмотки с одним общим выводом.Двигатели с постоянными магнитами чаще всего имеют две независимые обмотки. Этиобмотки могут иметь отводы от середины. Иногда двигатели с постояннымимагнитами имеют 4 раздельных обмотки.
В шаговом двигателевращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которыесоответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статоризготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколькополюсов. Полюс можно определить как некоторую область намагниченного тела, гдемагнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Дляуменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин,подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величинемагнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков.Таким образом, момент зависит от параметров обмоток. Если хотя бы одна обмоткашагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Он будетнаходится в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент непревысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого роторповернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.
Двигатели с переменныммагнитным сопротивлением
Шаговые двигатели спеременным магнитным сопротивлением имеют несколько полюсов на статоре и роторзубчатой формы из магнитомягкого материала (рис. 2). Намагниченность ротораотсутствует. Для простоты на рисунке ротор имеет 4 зубца, а статор имеет 6полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана надвух противоположных полюсах статора. Такой двигатель имет шаг 30 град.
/>
Рис. 2. Двигатель спеременным магнитным сопротивлением.
При включени тока водной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный потокзамкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которыхнаходится запитанная обмотка. Если затем выключить эту обмотку и включитьследующую, то ротор поменяет положение, снова замкнув своими зубцами магнитныйпоток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение, нужно включатьфазы попеременно. Двигатель не чувствителен к направлению тока в обмотках.Реальный двигатель может иметь большее количество полюсов статора и большееколичество зубцов ротора, что соответствует большему количеству шагов наоборот. Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой, что вместес соответствующими зубцами ротора обеспечивает очень маленькое значения углашага, порядка нескольких градусов. Двигатели с переменным магнитнымсопротивлением довольно редко используют в индустриальных применениях.
Двигатели с постояннымимагнитами
Двигатели с постояннымимагнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащегопостоянные магниты (рис. 3). Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейнуюформу и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности роторав таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие,больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.
/>
Рис. 3. Двигатель спостоянными магнитами.
Показанный на рисункедвигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Двигатель имеет2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположныхполюсах статора. Такой двигатель, как и рассмотренный ранее двигатель спеременным магнитным сопротивлением, имеет величину шага 30 град. При включениитока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когдаразноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Дляосуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. Напрактике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48 – 24 шага на оборот(угол шага 7.5 – 15 град).
Разрез реальногошагового двигателя с постоянными магнитами показан на рис. 4.
/>
Рис. 4. Разрез шаговогодвигателя с постоянными магнитами.
Для удешевленияконструкции двигателя магнитопровод статора выполнен в виде штампованногостакана. Внутри находятся полюсные наконечники в виде ламелей. Обмотки фаз размещенына двух разных магнитопроводах, которые установлены друг на друге. Роторпредставляет собой цилиндрический многополюсный постоянный магнит.
Двигатели с постояннымимагнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, котраяограничивает максимальную скорость. Для работы на высоких скоростяхиспользуются двигатели с переменным магнитным сопротивлением.
Гибридные двигатели
Гибридные двигателиявляются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато ониобеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичноечисло шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (уголшага 3.6 – 0.9 град.). Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие чертыдвигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постояннымимагнитами. Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевомнаправлении (рис. 5).
/>
Рис. 5. Гибридныйдвигатель.
Ротор разделен на двечасти, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Такимобразом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцынижней половинки – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротораповернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число парполюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатыеполюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин дляуменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеетзубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие отосновных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4основных полюса для 3.6 град. двигателей и 8 основных полюсов для 1.8- и 0.9град. двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитнойцепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамическиймомент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда частьзубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.Зависимость между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора ичислом фаз определяет угол шага S двигателя:
S = 360/(Nph*Ph) =360/N,
где Nph – чилоэквивалентных полюсов на фазу = число полюсов ротора, Ph – число фаз, N — полное количество полюсов для всех фаз вместе.
Ротор показанного нарисунке двигателя имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель имеет 2 фазы, поэтомуполное количество полюсов – 200, а шаг, соответственно, 1.8 град.
Продольное сечениегибридного шагового двигателя показано на рис. 6. Стрелками показанонаправление магнитного потока постоянного магнита ротора. Часть потока (нарисунке показана черной линией) проходит через полюсные наконечники ротора,воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует всоздании момента.
/>
Рис. 6. Продольныйразрез гибридного шагового двигателя.
Как видно на рисунке,воздушные зазоры у верхнего и нижнего полюсного наконечника ротора разные. Этодостигается благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубъев.Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальныевоздушные зазоры и, как следствие, обладает минимальным магнитнымсопротивлением. По этой цепи замыкается другая часть потока (на рисункепоказана штриховой белой линией), которая и создает момент. Часть цепи лежит вплоскости, перпендикулярной рисунку, поэтому не показана. В этой же плоскостисоздают магнитный поток катушки статора. В гибридном двигателе этот потокчастично замыкается полюсными наконечниками ротора, и постоянный магнит его«видит» слабо. Поэтому в отличие от двигателей постоянного тока, магнитгибридного двигателя невозможно размагнитить ни при какой величине токаобмоток. Величина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая –типично 0.1 мм. Это требует высокой точности при сборке, поэтому шаговыйдвигатель не стоит разбирать ради удовлетворения любопытства, иначе на этом егосрок службы может закончиться. Чтобы магнитный поток не замыкался через вал,который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных марок стали.Они обычно обладают повышенной хрупкостью, поэтому с валом, особенно малогодиаметра, следует обращаться с осторожностью. Для получения больших моментовнеобходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и поле постоянногомагнита. При этом требуется больший диаметр ротора, что ухудшает отношениекрутящего момента к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногдаконструктивно выполняют из нескольких секций в виде этажерки. Крутящий момент имомент инерции увеличиваются пропорционально количеству секций, а их отношениене ухудшается. Существуют и другие конструкции шаговых двигателей. Например,двигатели с дисковым намагниченным ротором. Такие двигатели имеют малый моментинерции ротора, что в ряде случаев важно. Большинство современных шаговыхдвигателей являются гибридными. По сути гибридный двигатель является двигателемс постоянными магнитами, но с большим числом полюсов. По способу управлениятакие двигатели одинаковы, дальше будут рассматриваться только такие двигатели.Чаще всего на практике двигатели имеют 100 или 200 шагов на оборот,соответственно шаг равен 3.6 грд или 1.8 грд. Большинство контроллеровпозволяют работать в полушаговом режиме, где этот угол вдвое меньше, анекоторые контроллеры обеспечивают микрошаговый режим.
Биполярные иуниполярные шаговые двигатели
В зависимости отконфигурации обмоток двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярныйдвигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направлениямагнитного поля должна переполюсовывается драйвером. Для такого типа двигателятребуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всегобиполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода (рис.7а).
/>
Рис. 7. Биполярный двигатель(а), униполярный (б) и четырехобмоточный (в).
Униполярный двигательтакже 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 схемадрайвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. Таким образом, вуниполярном двигателе используется другой способ изменения направлениямагнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя,поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов (рис. 7б). Иногдауниполярные двигатели имеют раздельные 4 обмотки, по этой причине их ошибочноназывают 4-х фазными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы,поэтому всего выводов 8 (рис. 7в). При соответствующем соединении обмоток такойдвигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярныйдвигатель с двумя обмоткими и отводами тоже можно использовать в биполярномрежиме, если отводы оставить неподключенными. В любом случае ток обмотокследует выбирать так, чтобы не превысить максимальной рассеиваемой мощности.
Биполярный илиуниполярный?
Если сравнивать междусобой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокуюудельную мощность. При одних и тех же размерах биполярные двигателиобеспечивают больший момент.
Момент, создаваемыйшаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемогообмотками статора. Путь для повышения магнитного поля – это увеличение тока иличисла витков обмоток. Естественным ограничением при повышении тока обмотокявляется опасность насыщения железного сердечника. Однако на практике этоограничение действует редко. Гораздо более существенным является ограничение понагреву двигателя вследствие омических потерь в обмотках. Как раз этот факт идемонстрирует одно из преимуществ биполярных двигателей. В униполярномдвигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток. Другаяполовина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмоткипроводом меньшего диаметра. В то же время в биполярном двигателе всегдаработают все обмотки, т.е. их использование оптимально. В таком двигателесечение отдельных обмоток вдвое больше, а омическое сопротивление –соответственно вдвое меньше. Это позволяет увеличить ток в корень из двух разпри тех же потерях, что дает выигрыш в моменте примерно 40%. Если жеповышенного момента не требуется, униполярный двигатель позволяет уменьшитьгабариты или просто работать с меньшими потерями. На практике все же частоприменяют униполярные двигатели, так как они требуют значительно более простыхсхем управления обмотками. Это важно, если драйверы выполнены на дискретныхкомпонентах. В настоящее время существуют специализированные микросхемы драйверовдля биполярных двигателей, с использованием которых драйвер получается несложнее, чем для униполярного двигателя. Например, это микросхемы L293E, L298Nили L6202 фирмы SGS-Thomson, PBL3770, PBL3774 фирмы Ericsson, NJM3717, NJM3770,NJM3774 фирмы JRC, A3957 фирмы Allegro, LMD18T245 фирмы National Semiconductor.
Диаграммы, диаграммы…
Существует несколькоспособов управления фазами шагового двигателя.
Первый способобеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, водин момент времени включена только одна фаза (рис 8а). Этот способ называют”one phase on” full step или wave drive mode. Точки равновесия ротора длякаждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора унезапитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, чтодля биполярного двигателя в один и тот же момент времени иcпользуется 50%обмоток, а для униполярного – только 25%. Это означает, что в таком режиме неможет быть получен полный момент.
Второй способ — управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Егоназывают”two-phase-on” full step или простоfull step mode. При этом способе управления роторфиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора (рис. 8б) иобеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включеннойфазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первыйспособ, но положение точек равновесия ротора смещено на пол-шага.
/>
Рис. 8. Различныеспособы управления фазами шагового двигателя.
Третий способ являетсякомбинацией первых двух и называется полушаговым режимом, ”one andtwo-phase-on” half step или просто half step mode, когда двигатель делает шаг вполовину основного. Этот метод управления достаточно распространен, так какдвигатель с меньшим шагом стоит дороже и очень заманчиво получить от100-шагового двигателя 200 шагов на оборот. Каждый второй шаг запитана лишьодна фаза, а в остальных случаях запитаны две (рис. 8в). В результате угловоеперемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способовуправления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяетчастично избавиться от явления резонанса. Полушаговый режим обычно не позволяетполучить полный момент, хотя наиболее совершенные драйверы реализуютмодифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечиваетпрактически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышаетноминальной. Еще один способ управления называется микрошаговым режимом илиmicro stepping mode. При этом способе управления ток в фазах нужно менятьнебольшими шагами, обеспечивая таким образом дробление половинного шага на ещеменьшие микрошаги. Когда одновременно включены две фазы, но их токи не равны,то положение равновесия ротора будет лежать не в середине шага, а в другомместе, определяемом соотношением токов фаз. Меняя это соотношение, можнообеспечить некоторое количество микрошагов внутри одного шага. Кроме увеличенияразрешающей способности, микрошаговый режим имеет и другие преимущества,которые будут описаны ниже. Вместе с тем, для реализации микрошагового режиматребуются значительно более сложные драйверы, позволяющие задавать ток вобмотках с необходимой дискретностью. Полушаговый режим является частнымслучаем микрошагового режима, но он не требует формирования ступенчатого токапитания катушек, поэтому часто реализуется.
Держи его!
В полношаговом режиме сдвумя включенными фазами положения точек равновесия ротора смещены на пол-шага.Нужно отметить, что эти положения ротор принимает при работе двигателя, ноположение ротора не может сохраняться неизменным после выключения тока обмоток.Поэтому при включении и выключении питания двигателя ротор будет смещаться напол-шага. Для того, чтобы он не смещался при остановке, необходимо подавать вобмотки ток удержания. То же справедливо и для полушагового и микрошаговогорежимов. Следует отметить, что если в выключенном состоянии ротор двигателяповорачивался, то при включении питания возможно смещение ротора и на большую,чем половина шага величину.
Ток удержания можетбыть меньше номинального, так как от двигателя с неподвижным ротором обычно нетребуется большого момента. Однако есть применения, когда в остановленномсостоянии двигатель должен обеспечивать полный момент, что для шаговогодвигателя возможно. Это свойство шагового двигателя позволяет в таких ситуацияхобходиться без механических тормозных систем. Поскольку современные драйверыпозволяют регулировать ток питания обмоток двигателя, задание необходимого токаудержания обычно не представляет проблем. Задача обычно заключается просто всоответствующей программной поддержке для управляющего микроконтроллера.
Полушаговый режим
Основным принципомработы шагового двигателя является создание вращающегося магнитного поля,которое заставляет ротор поворачиваться. Вращающееся магнитное поля создаетсястатором, обмотки которого соответствующим образом запитываются. Для двигателя,у которого запитана одна обмотка, зависимость момента от угла поворота ротораотносительно точки равновесия является приблизительно синусоидальной. Этазависимость для двухобмоточного двигателя, который имеет N шагов на оборот(угол шага в радианах S = (2*pi)/N), показана на рис. 9.
/>
Рис. 9. Зависимостьмомента от угла поворота ротора для одной запитанной обмотки.
Реально характерзависимости может быть несколько другой, что объясняется неидеальностьюгеометрии ротора и статора. Пиковое значение момента называется моментомудержания. Формула, описывающая зависимость момента от угла поворота ротора,имеет следующий вид:
T= — Th*sin((pi/2)/S)*Ф),
где T – момент, Th –момент удержания, S – угол шага, Ф – угол поворота ротора.
Если к ротору приложитьвнешний момент, который превышает момент удержания, ротор провернется. Есливнешний момент не превышает момента удержания, то ротор будет находиться вравновесии в пределах угла шага. Нужно отметить, что у обесточенного двигателямомент удержания не равен нулю вследствие действия постоянных магнитов ротора.Этот момент обычно составляет около 10% максимального момента, обеспечиваемогодвигателем.
Иногда используюттермины «механический угол поворота ротора» и «электрический угол поворотаротора». Механический угол вычисляется исходя из того, что полный оборот роторасоставляет 2*pi радиан. При вычислении электрического угла принимается, чтоодин оборот соответствует одному периоду угловой зависимости момента. Дляприведенных выше формул Ф является механическим углом поворота ротора, аэлектрический угол для двигателя, имеющего 4 шага на периоде кривой момента,равен ((pi/2)/S)*Ф или (N/4)*Ф, где N – число шагов на оборот. Электрическийугол фактически определяет угол поворота магнитного поля статора и позволяетстроить теорию независимо от числа шагов на оборот для конкретного двигателя.
Если запитатьодновременно две обмотки двигателя, то момент будет равен сумме моментов,обеспечиваемых обмотками по отдельности (рис. 10).
/>
Рис. 10. Зависимостьмомента от угла поворота ротора для двух запитанных обмоток.
При этом, если токи вобмотках одинаковы, то точка максимума момента будет смещена на половину шага.На половину шага сместится и точка равновесия ротора (точка e на рисунке). Этотфакт и положен в основу реализации полушагового режима. Пиковое значениемомента (момент удержания) при этом будет в корень из двух раз больше, чем приодной запитанной обмотке.
Th2 = 2 0.5*Th1,
где Th2 – моментудержания при двух запитанных обмотках, Th1 – момент удержания при однойзапитанной обмотке.
Именно этот моментобычно и указывается в характеристиках шагового двигателя.
Величина и направлениемагнитного поля показаны на векторной диаграмме (рис. 11).
/>
Рис. 11. Величина инаправление магнитного поля для разных режимов питания фаз.
Оси X и Y совпадают снаправлением магнитного поля, создаваемого обмотками первой и второй фазыдвигателя. Когда двигатель работает с одной включенной фазой, ротор можетзанимать положения 1, 3, 5, 7. Если включены две фазы, то ротор может заниматьположения 2, 4, 6, 8. К тому же, в этом режиме больше момент, так как онпропорционален длине вектора на рисунке. Оба эти метода управления обеспечиваютполный шаг, но положения равновесия ротора смещены на полшага. Еслискомбинировать два этих метода и подать на обмотки соответствующиепоследовательности импульсов, то можно заставить ротор последовательно заниматьположения 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, что соответствует половинному шагу.
По сравнению сполношаговым режимом, полушаговый режим имеет следующие преимущества:
более высокаяразрешающая способность без применения более дорогих двигателей меньшиепроблемы с явлением резонанса. Резонанс приводит лишь к частичной потеремомента, что обычно не мешает нормальной работе привода. Недостаткомполушагового режима является довольно значительное колебание момента от шага кшагу. В тех положениях ротора, когда запитана одна фаза, момент составляетпримерно 70% от полного, когда запитаны две фазы. Эти колебания могут явитьсяпричиной повышенных вибраций и шума, хотя они всё равно остаются меньшими, чемв полношаговом режиме.
Способом устраненияколебаний момента является поднятие момента в положениях с одной включеннойфазой и обеспечение таким образом одинакового момента во всех положенияхротора. Это может быть достигнуто путем увеличения тока в этих положениях доуровня примерно 141% от номинального. Некоторые драйверы, такие как PBL 3717/2и PBL 3770A фирмы Ericsson, имеют логические входы для изменения величины тока.Нужно отметить, что величина 141% является теоретической, поэтому вприложениях, требующих высокой точности поддержания момента эта величина должнабыть подобрана экспериментально для конкретной скорости и конкретногодвигателя. Поскольку ток поднимается только в те моменты, когда включена однафаза, рассеиваемая мощность равна мощности в полношаговом режиме при токе 100%от номинального. Однако такое увеличение тока требует более высокого напряженияпитания, что не всегда возможно. Есть и другой подход. Для устранения колебаниймомента при работе двигателя в полушаговом режиме можно снижать ток в темоменты, когда включены две фазы. Для получения постоянного момента этот токдолжен составлять 70.7% от номинального. Таким образом реализует полушаговыйрежим, например, микросхема драйвера A3955 фирмы Allegro.
Для полушагового режимаочень важным является переход в состояние с одной выключенной фазой. Чтобызаставить ротор принять соответствующее положение, ток в отключенной фазедолжен быть уменьшен до нуля как можно быстрее. Длительность спада тока зависитот напряжения на обмотке в то время, когда она теряет свою запасенную энергию.Замыкая в это время обмотку на источник питания, который представляетмаксимальное напряжение, имеющееся в системе, обеспечивается максимальнобыстрый спад тока. Для получения быстрого спада тока при питании обмотокдвигателя H-мостом все транзисторы должны закрываться, при этом обмотка черездиоды оказывается подключенной к источнику питания. Скорость спада токазначительно уменьшится, если один транзистор моста оставить открытым изакоротить обмотку на транзистор и диод. Для увеличения скорости спада тока приуправлении униполярными двигателями подавление выбросов ЭДС самоиндукциипредпочтительнее осуществлять не диодами, а варисторами или комбинацией диодови стабилитрона, которые ограничат выброс на большем, но безопасном длятранзисторов уровне.
Микрошаговый режим
Микрошаговый режимобеспечивается путем получения поля статора, вращающегося более плавно, чем вполно- или полушаговом режимах. В результате обеспечиваются меньшие вибрации ипрактически бесшумная работа вплоть до нулевой частоты. К тому же меньший уголшага способен обеспечить более точное позиционирование. Существует многоразличных микрошаговых режимов, с величиной шага от 1/3 полного шага до 1/32 идаже меньше. Шаговый двигатель является синхронным электродвигателем. Этозначит, что положение равновесия неподвижного ротора совпадает с направлениеммагнитного поля статора. При повороте поля статора ротор тоже поворачивается,стремясь занять новое положение равновесия.
/>
Рис. 12. Зависимостьмомента от угла поворота ротора в случае разных значений тока фаз.
Чтобы получить нужноенаправление магнитного поля, необходимо выбрать не только правильноенаправление токов в катушках, но и правильное соотношение этих токов.
Если одновременнозапитаны две обмотки двигателя, но токи в этих обмотках не равны (рис. 12), торезультирующий момент будет
Th = ( a2 + b2 )0.5,
а точка равновесияротора сместится в точку
x= ( S / (pi/2) ) arctan( b / a ),
где a и b – момент,создаваемый первой и второй фазой соответственно, Th – результирующий моментудержания, x – положение равновесия ротора в радианах, S – угол шага врадианах.
Смещение точкиравновесия ротора говорит о том, что ротор можно зафиксировать в любойпроизвольной позиции. Для этого нужно лишь правильно установить отношение токовв фазах. Именно этот факт используется при реализации микрошагового режима. Ещёраз нужно отметить, что приведенные выше формулы верны только в том случае,если зависимость момента от угла поворота ротора синусоидальная и если ни одначасть магнитной цепи двигателя не насыщается.
В пределе, шаговыйдвигатель может работать как синхронный электродвигатель в режиме непрерывноговращения. Для этого токи его фаз должны быть синусоидальными, сдвинутыми друготносительно друга на 90 град.
Результатомиспользования микрошагового режима является намного более плавное вращениеротора на низких частотах. На частотах в 2 – 3 раза выше собственнойрезонансной частоты ротора и нагрузки, микрошаговый режим дает незначительныепреимущества по сравнению с полу- или полношаговым режимами. Причиной этогоявляется фильтрующее действие инерции ротора и нагрузки. Система с шаговымдвигателем работает подобно фильтру нижних частот. В микрошаговом режиме можноосуществлять только разгон и торможение, а основное время работать вполношаговом режиме. К тому же, для достижения высоких скоростей в микрошаговомрежиме требуется очень высокая частота повторения микрошагов, которую не всегдаможет обеспечить управляющий микроконтроллер. Для предотвращения переходныхпроцессов и потери шагов, переключения режимов работы двигателя (измикрошагового режима в полношаговый и т.п.) необходимо производить в темоменты, когда ротор находится в положении, соответствующем одной включеннойфазе. Некоторые микросхемы драйверов микрошагового режима имеют специальныйсигнал, который информирует о таком положении ротора. Например, это драйверA3955 фирмы Allegro.
Во многих приложениях,где требуются малые относительные перемещения и высокая разрешающаяспособность, микрошаговый режим способен заменить механический редуктор. Частопростота системы является решающим фактором, даже если при этом придетсяприменить двигатель больших габаритов. Несмотря на то, что драйвер,обеспечивающий микрошаговый режим, намного сложнее обычного драйвера, всё равносистема может оказаться более простой и дешевой, чем шаговый двигатель, плюсредуктор. Современные микроконтроллеры иногда имеют встроенные ЦАПы, которыеможно использовать для реализации микрошагового режима взамен специальныхконтроллеров. Это позволяет сделать практически одинаковой стоимостьоборудования для полношагового и микрошагового режимов.
Иногда микрошаговыйрежим используется для увеличения точности величины шага сверх заявленнойпроизводителем двигателя. При этом используется номинальное число шагов. Дляповышения точности используется коррекция положения ротора в точках равновесия.Для этого сначала снимают характеристику для конкретного двигателя, а затем,изменяя соотношение токов в фазах, корректируют положение ротора индивидуальнодля каждого шага. Такой метод требует предварительной калибровки идополнительных ресурсов управляющего микроконтроллера. Кроме того, требуетсядатчик начального положения ротора для синхронизации его положения с таблицойкорректирующих коэффициентов.
На практике приосуществлении каждого шага ротор не сразу останавливается в новом положенииравновесия, а осуществляет затухающие колебания вокруг положения равновесия.Время установления зависит от характеристик нагрузки и от схемы драйвера. Вомногих приложениях такие колебания являются нежелательными. Избавиться от этогоявления можно путем использования микрошагового режима. На рис. 13 показаныперемещения ротора при работе в полношаговом и микрошаговом режимах.
/>
Рис. 13. Перемещенияротора в полношаговом и микрошаговом режимах.
Видно, что вполношаговом режиме наблюдаются выбросы и колебания, в то время как вмикрошаговом режиме их нет. Однако и в этом режиме график положения ротораотличается от прямой линии. Эта погрешность объясняется погрешностью геометриидеталей двигателя и может быть уменьшена путем проведения калибровки ипоследующей компенсации путем корректировки токов фаз. На практике существуютнекоторые факторы, ограничивающие точность работы привода в микрошаговомрежиме. Некоторые из них относятся к драйверу, а некоторые непосредственно к двигателю.
Обычно производителишаговых двигателей указывают такой параметр, как точность шага. Точность шагауказывается для положений равновесия ротора при двух включенных фазах, токикоторых равны. Это соответствует полношаговому режиму с перекрытием фаз. Длямикрошагового режима, когда токи фаз не равны, никаких данных обычно неприводится.
Идеальный шаговыйдвигатель при питании фаз синусоидальным и косинусоидальным током долженвращаться с постоянной скоростью. У реального двигателя в таком режиме будутнаблюдаться некоторые колебания скорости. Связано это с нестабильностьювоздушного зазора между полюсами ротора и статора, наличием магнитногогистерезиса, что приводит к погрешностям величины и направления магнитного поляи т.д. Поэтому положения равновесия и момент имеют некоторые отклонения. Этиотклонения зависят от погрешности формы зубцов ротора и статора и отпримененного материала магнитопроводов. Конструкция некоторых двигателейоптимизирована для наилучшей точности в полношаговом режиме и максимальногомомента удержания. Специальная форма зубцов ротора и статора спроектированатак, чтобы в положении равновесия для полношагового режима магнитный потоксильно возростал. Это приводит к ухудшению точности в микрошаговом режиме.Лучшие результаты позволяют получить двигатели, у которых момент удержания вобесточенном состоянии меньше. Отклонения можно разделить на два вида:отклонения величины магнитного поля, которые приводят к отклонениям моментаудержания в микрошаговом режиме и отклонения направления магнитного поля,которые приводят к отклонениям положения равновесия. Отклонения моментаудержания в микрошаговом режиме обычно составляют 10 – 30% от максимальногомомента. Нужно сказать, что и в полношаговом режиме момент удержания можетколебаться на 10 – 20 % вследствие искажений геометрии ротора и статора. Еслиизмерить положения равновесия ротора при вращении двигателя по и против часовойстрелки, то получатся несколько разные результаты. Этот гистерезис связан впервую очередь с магнитным гистерезисом материала сердечника, хотя свой вкладвносит и трение. Магнитный гистерезис приводит к тому, что магнитный потокзависит не только от тока обмоток, но и от предыдущего его значения.Погрешность, создаваемая гистерезисом может быть равна нескольким микрошагам.Поэтому в высокоточных приложениях при движении в одном из направлений нужнопроходить за желаемую позицию, а затем возвращаться назад, чтобы подход кнужной позиции всегда осуществлялся в одном направлении. Вполне естественно,что любое желаемое увеличение разрешающей способности наталкивается на какие-тофизические ограничения. Не стоит думать, что точность позиционирования для 7.2град. двигателя в микрошаговом режиме не уступает точности 1.8 град. двигателя.
Препятствием являютсяследующие физические ограничения:
· нарастаниемомента в зависимости от угла поворота у 7.2 градусного двигателя в четыре разаболее пологое, чем у настоящего 1.8-градусного двигателя. Вследствие действиямомента трения или момента инерции нагрузки точность позиционирования уже будетхуже;
· какбудет показано ниже, если в системе есть трение, то вследствие появлениямертвых зон точность позиционирования будет ограничена
· большинствокоммерческих двигателей не обладают прецизионной конструкцией и зависимостьмежду моментом и углом поворота ротора не является в точности синусоидальной.Вследствие этого зависимость между фазой синусоидального тока питания и угломповорота вала будет нелинейной. В результате ротор двигателя будет точнопроходить положения каждого шага и полушага, а между этими положениями будутнаблюдаться довольно значительные отклонения.
Эти проблемы наиболееярко выражены для двигателей с большим количеством полюсов. Существуютдвигатели, ещё на этапе разработки оптимизированные для работы в микрошаговомрежиме. Полюса ротора и статора таких двигателей менее выражены благодаряскошенной форме зубцов.
Еще один источникпогрешностей позиционирования – это ошибка квантования ЦАП, с помощью которогоформируются токи фаз. Дело в том, что ток должен формироваться посинусоидальному закону, поэтому для минимизации погрешности линейный ЦАП должениметь повышенную разрядность. Существуют специализированные драйверы совстроенным нелинейным ЦАПом, который позволяет сразу получать осчеты функцииsin. Примером может служить драйвер A3955 фирмы Allegro, который имеетвстроенный 3-х разрядный ЦАП, который обеспечивает следующие значения тока фаз:100%, 92.4%, 83.1%, 70.7%, 55.5%, 38.2%, 19.5%, 0%. Это позволяет работать вмикрошаговом режиме с величиной шага 1/8, при этом погрешность установки токафаз не превышает 2%. Кроме того, этот драйвер имеет возможность управлятьскоростью спада тока обмоток двигателя во время работы, что позволяетпроизвести «тонкую подстройку» драйвера под конкретный двигатель для получениянаименьшей погрешности позиционирования.
Даже если ЦАП точносформировал синусоидальное опорное напряжение, его нужно усилить и превратить всинусоидальный ток обмоток. Многие драйверы имеют значительную нелинейностьвблизи нулевого значения тока, что вызывает значительные искажения формы и, какследствие, значительные ошибки позиционирования. Если используютсявысококачественные драйверы, например PBM3960 и PBL3771 фирмы Ericsson,погрешность, связанная с драйвером исчезающе мала по сравнению с погрешностьюдвигателя.
Иногда контроллерышаговых двигателей позволяют корректировать форму выходного сигнала путемдобавления или вычитания из синуса его третьей гармоники. Однако такаяподстройка должна производится индивидуально под конкретный двигатель, характеристикикоторого должны быть перед этим измерены.
Из-за этих ограничениймикрошаговый режим используется в основном для обеспечения плавного вращения(особенно на очень низких скоростях), для устранения шума и явления резонанса.Микрошаговый режим также способен уменьшить время установления механическойсистемы, так как в отличие от полношагового режима отсутствуют выбросы иосцилляции. Однако в большинстве случаев для обычных двигателей нельзягарантировать точного позицианирования в микрошаговом режиме.
Синусоидальный ток фазможет быть обеспечен применением специальных драйверов. Некоторые из них,например A3955, A3957 фирмы Allegro, уже содержат ЦАП и требуют омикроконтроллера только цифровых кодов. Другие же, такие как L6506, L298 фирмыSGS-Thomson, требуют внешних опорных напряжений синусоидальной формы, которыедолжен формировать микроконтроллер с помощью ЦАПов. Нужно сказать, что слишкомбольшое количество дискретов синуса не приводит к повышению точностипозиционирования, так как начинает доминировать ошибка, связанная снеидеальностью геометрии полюсов двигателя. Тем более, в этом случае отсчетыдолжны следовать с большой частотой, что является проблемой при их программномформировании. При работе на больших скоростях разрешающую способность ЦАПовможно уменьшить. Более того, при очень больших скоростях вообще рекомендуетсяработать в обычном полношаговом режиме, так как управление гармоническимсигналом теряет преимущества. Происходит это по той причине, что обмоткидвигателя представляют собой индуктивность, соответственно любая конкретнаясхема драйвера с конкретным напряжением питания обеспечивает вполнеопределенную максимальную скорость нарастания тока. Поэтому при повышениичастоты форма тока начинает отклоняться от синусоидальной и на очень большихчастотах становится треугольной.
Зависимость момента отскорости, влияние нагрузки
Момент, создаваемыйшаговым двигателем, зависит от нескольких факторов:
· скорости
· токав обмотках
· схемыдрайвера
На рис. 14а показаназависимость момента от угла поворота ротора.
/>
Рис. 14. Возникновениемертвых зон в результате действия трения.
У идеального шаговогодвигателя эта зависимость синусоидальная. Точки S являются положениямиравновесия ротора для негруженного двигателя и соответствуют несколькимпоследовательным шагам. Если к валу двигателя приложить внешний момент, меньшиймомента удержания, то угловое положение ротора изменится на некоторый угол Ф.
Ф= (N/(2*pi))*sin(Ta/Th),
где Ф – угловоесмещение, N – количество шагов двигателя на оборот, Ta – внешний приложенныймомент, Th – момент удержания.
Угловое смещение Фявляется ошибкой позиционирования нагруженного двигателя. Если к валу двигателяприложить момент, превышающий момент удержания, то под действием этого моментавал провернется. В таком режиме положение ротора является неконтролируемым. Напрактике всегда имеется приложенный к двигателю внешний момент, хотя бы потому,что двигателю приходится преодолевать трение. Силы трения могут быть разделенына две категории: статическое трение или трение покоя, для преодоления котороготребуется постоянный момент и динамическое трение или вязкое трение, котороезависит от скорости. Рассмотрим статическое трение. Предположим, что для егопреодоления требуется момент в половину от пикового. На рис. 14а штриховымилиниями показан момент трения. Таким образом, для вращения ротора остаетсятолько момент, лежащий на графике за пределами штриховых линий. Отсюда следуютдва вывода: трение снижает момент на валу двигателя и появляются мертвые зонывокруг каждого положения равновесия ротора (рис. 14б):
d= 2 ( S / (pi/2) ) arcsin(T f /T h) = ( S / (pi/4) ) arcsin(T f / Th),
где d – ширина мертвойзоны в радианах, S – угол шага в радианах, Tf – момент трения, Th – моментудержания.
Мертвые зоныограничивают точность позиционирования. Например, наличие статического трения вполовину от пикового момента двигателя с шагом 90 град. вызовет наличие мертвыхзон в 60 град. Это означает, что шаг двигателя может колебаться от 30 до 150град., в зависимости от того, в какой точке мертвой зоны остановится ротор послеочередного шага.
Наличие мертвых зонявляется очень важным для микрошагового режима. Если, например, имеются мертвыезоны величиной d, то микрошаг величиной менее d вообще не сдвинет ротор сместа. Поэтому для систем с использованием микрошагов очень важноминимизировать трение покоя.
Когда двигательработает под нагрузкой, всегда существует некоторый сдвиг между угловымположением ротора и ориентацией магнитного поля статора. Особеннонеблагоприятной является ситуация, когда двигатель начинает торможение и моментнагрузки реверсируется. Нужно отметить, что запаздывание или опережениеотносится только к положению, но не к скорости. В любом случае, еслисинхронность работы двигателя не потеряна, это запаздывание или опережение неможет превышать величины двух полных шагов. Это весьма приятный факт.
Каждый раз, когдашаговый двигатель осуществляет шаг, ротор поворачивается на S радиан. При этомминимальный момент имеет в место, когда ротор находится ровно между соседнимиположениями равновесия (рис. 15).
/>
Рис. 15. Моментудержания и рабочий момент шагового двигателя.
Этот момент называютрабочим моментом, он означает, какой наибольший момент может преодолеватьдвигатель при вращении с малой скоростью. При синусоидальной зависимостимомента от угла поворота ротора, этот момент Tr = Th/(20.5). Если двигательделает шаг с двумя запитанными обмотками, то рабочий момент равен моментуудержания для одной запитанной обмотки.
Параметры привода наоснове шагового двигателя сильно зависят от характеристик нагрузки. Крометрения, реальная нагрузка обладает инерцией. Инерция препятствует изменениюскорости. Инерционная нагрузка требует от двигателя больших моментов на разгонеи торможении, ограничивая таким образом максимальное ускорение. С другойстороны, увеличение инерционности нагрузки увеличивает стабильность скорости.
Такой параметр шаговогодвигателя, как зависимость момента от скорости является важнейшим при выборетипа двигателя, выборе метода управления фазами и выборе схемы драйвера. Приконструировании высокоскоростных драйверов шаговых двигателей нужно учитывать,что обмотки двигателя представляют собой индуктивность. Эта индуктивностьопределяет время нарастания и спада тока. Поэтому если к обмотке приложенонапряжение прямоугольной формы, форма тока не будет прямоугольной. При низкихскоростях (рис. 16а) время нарастания и спада тока не способно сильно повлиятьна момент, однако на высоких скоростях момент падает. Связано это с тем, что навысоких скоростях ток в обмотках двигателя не успевает достигнуть номинальногозначения (рис. 16б).
/>
Рис. 16. Форма тока вобмотках двигателя на разных скоростях работы.
Для того, чтобы моментпадал как можно меньше, необходимо обеспечить высокую скорость нарастания токав обмотках двигателя, что достигается применением специальных схем для ихпитания.
Поведение момента приувеличении частоты коммутации фаз примерно таково: начиная с некоторой частотысреза момент монотонно падает. Обычно для шагового двигателя приводятся двекривые зависимости момента от скорости (рис. 17).
/>
Рис. 17. Зависимостьмомента от скорости.
Внутренняя кривая(кривая старта, или pull-in curve) показывает, при каком максимальном моментетрения для данной скорости шаговый двигатель способен тронуться. Эта криваяпересекает ось скоростей в точке, называемой максимальной частотой старта иличастотой приемистости. Она определяет максимальную скорость, на которойненагруженный двигатель может тронуться. На практике эта величина лежит впределах 200 – 500 полных шагов в секунду. Инерционность нагрузки сильно влияетна вид внутренней кривой. Большая инерционность соответствует меньшей областипод кривой. Эта область называется областью старта. Внешняя кривая (криваяразгона, или pull-out curve) показывает, при каком максимальном моменте трениядля данной скорости шаговый двигатель способен поддерживать вращение безпропуска шагов. Эта кривая пересекает ось скоростей в точке, называемоймаксимальной частотой разгона. Она показывает максимальную скорость для данногодвигателя без нагрузки. При измерении максимальной скорости нужно иметь в виду,что из-за явления резонанса момент равен нулю еще и на резонансной частоте.Область, которая лежит между кривыми, называется областью разгона. Нужноотметить, что схема драйвера в значительной степени влияет на ход кривоймомент-скорость, но этот вопрос будет рассмотрен ниже.
Разогнать!
Для того, чтобыработать на большой скорости из области разгона (рис. 17), необходимостартовать на низкой скорости из области старта, а затем выполнить разгон. Приостановке нужно действовать в обратном порядке: сначала выполнить торможение, итолько войдя в область старта можно прекратить подачу управляющих импульсов. Впротивном случае произойдет потеря синхронности и положение ротора будетутеряно. Использование разгона и торможения позволяет достичь значительнобольших скоростей — в индустриальных применениях используются скорости до 10000полных шагов в секунду. Необходимо отметить, что непрерывная работа шаговогодвигателя на высокой скорости не всегда допустима ввиду нагрева ротора. Однаковысокая скорость кратковременно может быть использована при осуществлениипозиционирования. При разгоне двигатель проходит ряд скоростей, при этом наодной из скоростей можно столкнуться с неприятным явлением резонанса. Длянормального разгона желательно иметь нагрузку, момент инерции которой какминимум равен моменту инерции ротора. На ненагруженном двигателе явлениерезонанса проявляется наиболее сильно. Подробно методы борьбы с этим явлениембудут описаны ниже.
При осуществленииразгона или торможения важно правильно выбрать закон изменения скорости имаксимальное ускорение. Ускорение должно быть тем меньше, чем вышеинерционность нагрузки. Критерий правильного выбора режима разгона – этоосуществление разгона до нужной скорости для конкретной нагрузки за минимальноевремя. На практике чаще всего применяют разгон и торможение с постояннымускорением. Реализация закона, по которому будет производится ускорение илиторможение двигателя, обычно производится программно управляющиммикроконтроллером, так как именно микроконтроллер обычно является источникомтактовой частоты для драйвера шагового двигателя. Хотя раньше для этих целейприменялись управляемые напряжением генераторы или пограммируемые делителичастоты. Для генерации тактовой частоты удобно использовать аппаратный таймер,который имеется в составе практически любого микроконтроллера. Когда двигательвращается с постоянной скоростью, достаточно загрузить в таймер постоянноезначение периода повторения шагов (длительность шага). Если же двигательразгоняется или тормозится, этот период меняется с каждым новым шагом. При разгонеили торможении с постоянным ускорением частота повторения шагов должнаизменяться линейно, соответствено значение периода, которое необходимозагружать в таймер, должно меняться по гиперболическому закону.
Для наиболее общегослучая требуется знать зависимость длительности шага от текущей скорости.Количество шагов, которое осуществляет двигатель при разгоне за время t равно:
N = 1/2At2+Vt,
где N – число шагов, t– время, V – скорость, выраженная в шагах в единицу времени, A – ускорение,выраженное в шагах, деленных на время в квадрате.
Для одного шага N = 1,тогда длительность шага
t1 = T =(-V+(V2+2A)0.5)/A
В результатеосуществления шага скорость становится равной
Vnew = (V2+2A)0.5
Вычисления поприведенным формулам довольно трудоемки и требуют значительных затратпроцессорного времени. В то же время, они позволяют изменять значение ускоренияв произвольный момент. Расчеты можно существенно упростить, если потребоватьпостоянства ускорения во время разгона и торможения. В этом случае можнозаписать зависимость длительности шага от времени разгона: V = V0+At, где V –текущая скорость, V0 – начальная скорость (минимальная скорость, с которойначинается разгон), A – ускорение; 1/T = 1/T0+At, где T – длительность шага, T0– начальная длительность шага, t – текущее время;
Откуда T = T0/(1+T0At)
Вычисления по этойформуле осуществить значительно проще, однако для того, чтобы поменять значениеускорения, требуется остановить двигатель.
Резонанс
Шаговым двигателямсвойственен нежелательный эффект, называемый резонансом. Эффект проявляется ввиде внезапного падения момента на некоторых скоростях. Это может привести кпропуску шагов и потере синхронности. Эффект проявляется в том случае, есличастота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора двигателя.
Когда двигательсовершает шаг, ротор не сразу устанавливается в новую позицию, а совершаетзатухающие колебания. Дело в том, что систему ротор – магнитное поле – статорможно рассматривать как пружинный маятник, частота колебаний которого зависитот момента инерции ротора (плюс нагрузки) и величины магнитного поля. Ввидусложной конфигурации магнитного поля, резонансная частота ротора зависит отамплитуды колебаний. При уменьшении амплитуды частота растет, приближаясь кмалоамплитудной частоте, которая более просто вычисляется количественно. Этачастота зависит от угла шага и от отношения момента удержания к моменту инерцииротора. Больший момент удержания и меньший момент инерции приводят к увеличениюрезонансной частоты.
Резонансная частотавычисляется по формуле:
F0= (N*TH/(JR+JL))0.5/4*pi,
где F0 – резонанснаячастота, N – число полных шагов на оборот, TH – момент удержания дляиспользуемого способа управления и тока фаз, JR – момент инерции ротора, JL –момент инерции нагрузки.
Необходимо заметить,что резонансную частоту определяет момент инерции собственно ротора двигателяплюс момент инерции нагрузки, подключенной к валу двигателя. Поэтомурезонансная частота ротора ненагруженного двигателя, которая иногда приводитсясреди параметров, имеет маленькую практическую ценность, так как любаянагрузка, подсоединенная к двигателю, изменит эту частоту. На практике эффектрезонанса приводит к трудностям при работе на частоте, близкой к резонансной.Момент на частоте резонанса равен нулю и без принятия специальных мер шаговыйдвигатель не может при разгоне пройти резонансную частоту. В любом случае,явление резонанса способно существенно ухудшить точностные характеристикипривода.
В системах с низкимдемпфированием существует опасность потери шагов или повышения шума, когдадвигатель работает вблизи резонансной частоты. В некоторых случаях проблемымогут возникать и на гармониках частоты основного резонанса.
Когда используется немикрошаговый режим, основной причиной появления колебаний является прерывистоевращение ротора. При осуществлении шага ротору толчком сообщается некотораяэнергия. Этот толчок возбуждает колебания. Энергия, которая сообщается ротору вполушаговом режиме, составляет около 30% от энергии полного шага. Поэтому вполушаговом режиме амплитуда колебаний существенно меньше. В микрошаговомрежиме с шагом 1/32 основного при каждом микрошаге сообщается всего около 0.1%от энергии полного шага. Поэтому в микрошаговом режиме явление резонансапрактически незаметно.
Для борьбы с резонансомможно использовать различные методы. Например, применение эластичных материаловпри выполнении механических муфт связи с нагрузкой. Эластичный материалспособствует поглощению энергии в резонансной системе, что приводит к затуханиюпаразитных колебаний. Другим способом является применение вязкого трения.Выпускаются специальные демпферы, где внутри полого цилиндра, заполненноговязкой кремнийорганической смазкой, может вращаться металлический диск. Привращении этой системы с ускорением диск испытывает вязкое трение, чтоэффективно демпфирует систему. Существуют электрические методы борьбы срезонансом. Колеблющийся ротор приводит к возникновению в обмотках статора ЭДС.Если закоротить обмотки, которые на данном шаге не используются, это приведет кдемпфированию резонанса. И, наконец, существуют методы борьбы с резонансом науровне алгоритма работы драйвера. Например, можно использовать тот факт, чтопри работе с двумя включенными фазами резонансная частота примерно на 20% выше,чем с одной включенной фазой. Если резонансная частота точно известна, то ееможно проходить, меняя режим работы. Если это возможно, при старте и остановкенужно использовать частоты выше резонансной. Увеличение момента инерции системыротор-нагрузка уменьшает резонансную частоту. Однако, самой эффективной меройдля борьбы с резонансом является применение микрошагового режима.
Чем же его кормить?
Для питания обычногодвигателя постоянного тока требуется лишь источник постоянного напряжения, анеобходимые коммутации обмоток выполняются коллектором. С шаговым двигателемвсё сложнее. Все комутации должен выполнять внешний контроллер. В настоящеевремя примерно в 95% случаев для управления шаговыми двигателями используютсямикроконтроллеры. В простейшем случае для управления шаговым двигателем вполношаговом режиме требуются всего два сигнала, сдвинутые по фазе на 90градусов. Направление вращения зависит от того, какая фаза опережает. Скоростьопределяется часотой следования импульсов. В полушаговом режиме всё несколькосложнее и требуется уже минимум 4 сигнала. Все сигналы управления шаговымдвигателем можно сформировать программно, однако это вызовет большую загрузкумикроконтроллера. Поэтому чаще применяют специальные микросхемы драйверовшагового двигателя, которые уменьшают количество требуемых от процессорадинамических сигналов. Типично эти микросхемы требуют тактовую частоту, котораяявляется частотой повторения шагов и статический сигнал, который задаетнаправление. Иногда еще присутствует сигнал включения полушагового режима. Длямикросхем драйверов, которые работают в микрошаговом режиме, требуется большееколичество сигналов. Распространенным является случай, когда необходимыепоследовательности сигналов управления фазами формируются с помощью одноймикросхемы, а необходимые токи фаз обеспечивает другая микросхема. Хотя впоследнее время появляется все больше драйверов, реализующих все функции водной микросхеме. Мощность, которая требуется от драйвера, зависит от размеровдвигателя и составляет доли ватта для маленьких двигателей и до 10-20 ватт длябольших двигателей. Максимальный уровень рассеиваемой мощности ограниченнагревом двигателя. Максимальная рабочая температура обычно указываетсяпроизводителем, но можно приблизительно считать, что нормальной являетсятемпература корпуса 90 градусов. Поэтому при конструировании устройств сшаговыми двигателями, непрерывно работающими на максимальном токе, необходимопринимать меры, исключающие касание корпуса двигателя обслуживающим персоналом.В отдельных случаях возможно применение охлаждающего радиатора. Иногда этопозволяет применить двигатель меньших размеров и добиться лучшего отношениямощность/стоимость. Для данного размера шагового двигателя место, занимаемоеобмотками, ограничено. Поэтому очень важно сконструировать драйвер так, чтобыдля данных параметров обмоток обеспечить наилучшую эффективность.
Схема драйвера должнавыполнять три главных задачи:
· иметьвозможность включать и выключать ток в обмотках, а также менять его направление
· поддерживатьзаданное значение тока
· обеспечиватькак можно более быстрое нарастание и спад тока для хороших скоростныххарактеристик
Способы изменениянаправления тока
При работе шаговогодвигателя требуется изменение направления магнитного поля независимо для каждойфазы. Изменение направления магнитного поля может быть выполнено разнымиспособами. В униполярных двигателях обмотки имеют отвод от середины или имеютсядве отдельные обмотки для каждой фазы. Направление магнитного поля меняетсяпутем перключения половинок обмоток или целых обмоток. В этом случае требуютсятолько два простых ключа A и B для каждой фазы (рис. 18).
/>
Рис. 18. Питаниеобмотки униполярного двигателя.
В биполярных двигателяхнаправление меняется путем переполюсовки выводов обмоток. Для такойпереполюсовки требуется полный H-мост (рис. 19). Управление ключами в том идругом случае должно осуществляться логической схемой, реализующей нужныйалгоритм работы. Предпологается, что источник питания схем имеет номинальное дляобмоток двигателя напряжение.
/>
Рис. 19. Питаниеобмотки биполярного двигателя.
Это простейший способуправления током обмоток, и как будет показано в дальнейшем, он существенноограничивает возможности двигателя. Нужно отметить, что при раздельномуправлении транзисторами H-моста возможны ситуации, когда источник питаниязакорочен ключами. Поэтому логическая схема управления должна быть построенатаким образом, чтобы исключить эту ситуацию даже в случае сбоев управляющегомикроконтроллера. Обмотки двигателя представляют собой индуктивность, а этозначит, что ток не может бесконечно быстро нарастать или бесконечно быстроспадать без привлечения бесконечной разности потенциалов. При подключенииобмотки к источнику питания ток будет с некоторой скоростью нарастать, а приотключении обмотки произойдет выброс напряжения. Этот выброс способен повредитьключи, в качестве которых используются биполярные или полевые транзисторы. Дляограничения этого выброса устанавливают специальные защитные цепочки. На схемахрис. 18 и 19 эти цепочки образованы диодами, значительно реже применяютконденсаторы или их комбинацию с диодами. Применение конденсаторов вызываетпоявление электрического резонанса, что может вызвать увеличение момента нанекоторой скорости. На рис. 18 потребовалось 4 диода по той причине, чтополовинки обмоток униполярного двигателя расположены на общем сердечнике исильно связаны между собой. Они работают как автотрансформатор и выбросывозникают на выводах обеих обмоток. Если в качестве ключей примененыМОП-транзисторы, то достаточно только двух внешних диодов, так как у них внутриуже имеются диоды. В интегральных микросхемах, содержащих мощные выходныекаскады с открытым коллектором, также часто имеются такие диоды. Кроме того,некоторые микросхемы, такие как ULN2003, ULN2803 и подобные имеют внутри обазащитных диода для каждого транзистора. Нужно отметить, что в случае применениябыстродействующих ключей требуются сравнимые по быстродействию диоды. В случаеприменения медленных диодов требуется их шунтирование небольшимиконденсаторами.
Стабилизация тока
Для регулировки моментатребуется регулировать силу тока в обмотках. В любом случае, ток должен бытьограничен, чтобы не превысить рассеиваимую мощность на омическом сопротивленииобмоток. Более того, в полушаговом режиме ещё требуется в определенные моментыобеспечивать нулевое значение тока в обмотках, а в микрошаговом режиме вообщетребуется задание разных значений тока. Для каждого двигателя производителемуказывается номинальное рабочее напряжение обмоток. Поэтому простейший способпитания обмоток – это использование источника постоянного напряжения. В этомслучае ток ограничен омическим сопротивлением обмоток и напряжением источникапитания (рис. 20а), поэтому такой способ питания называют L/R-питанием. Ток вобмотке нарастает по экспоненциальному закону со скоростью, определяемойиндуктивностью, активным сопротивлением обмотки и приложенным напряжением. При повышениичастоты ток не достигает номинального значения и момент падает. Поэтому такойспособ питания пригоден только при работе на малых скоростях и используется напрактике только для маломощных двигателей.
/>
Рис. 20. Питаниеобмотки номинальным напряжением (а) и использование ограничительного резистора(б).
При работе на большихскоростях требуется увеличивать скорость нарастания тока в обмотках, чтовозможно путем повышения напряжения источника питания. При этом максимальныйток обмотки должен быть ограничен с помощью дополнительного резистора.Например, если используется напряжение питание в 5 раз большее номинального, тотребуется такой дополнительный резистор, чтобы общее сопротивление составило5R, где R – омическое сопротивление обмотки (L/5R-питание). Этот способ питанияобеспечивает более быстрое нарастание тока и как следствие, больший момент(рис. 20б). Однако он имеет существенный недостаток: на резисторе рассеиваетсядополнительная мощность. Большие габариты мощных резисторов, необходимостьотвода тепла и повышенная необходимая мощность источника питания – всё этоделает такой метод неэффективным и ограничивает область его применениенебольшими двигателями мощностью 1 – 2 ватта. Нужно сказать, что до начала 80-хгодов прошлого века параметры шаговых двигателей, приводимые производителями,относились именно к такому способу питания. Еще более быстрое нарастание токаможно получить, если использовать для питания двигателя генератор тока.Нарастание тока будет происходить линейно, это позволит быстрее достигатьноминального значения тока. Тем более, что пара мощных резисторов может стоитьдороже, чем пара мощных транзисторов вместе с радиаторами. Но, как и впредыдущем случае, генератор тока будет рассеивать дополнительную мощность, чтоделает эту схему питания неэффективной. Существует еще одно решение,обеспечивающее высокую скорость нарастания токи и низкую мощность потерь.Основано оно на применении двух источников питания.
/>
Рис. 21. Питаниеобмотки двигателя ступенчатым напряжением.
В начале каждого шагакратковременно обмотки подключаются к более высоковольтному источнику, которыйобеспечивает быстрое нарастание тока (рис. 21). Затем напряжение питанияобмоток уменьшается (момент времени t1 на рис. 21). Недостатком этого методаявляется необходимость двух ключей, двух источников питания и более сложнойсхемы управления. В системах, где такие источники уже есть, метод можетоказаться достаточно дешёвым. Еще одной трудностью является невозможностьопределения момента времени t1 для общего случая. Для двигателя с меньшей индуктивностьюобмоток скорость нарастания тока выше и при фиксированном t1 средний ток можетоказаться выше номинального, что чревато перегревом двигателя. Еще однимметодом стабилизации тока в обмотках двигателя является ключевое(широтно-импульсное) регулирование. Современные драйверы шаговых двигателейиспользуют именно этот метод. Ключевой стабилизатор обеспечивает высокуюскорость нарастания тока в обмотках вместе с простотой его регулирования иочень низкими потерями. Еще одним преимуществом схемы с ключевой стабилизациейтока является и то, что она поддерживает момент двигателя постоянным,независимо от колебаний напряжения питания. Это позволяет использовать простыеи дешевые нестабилизированные источники питания.
Для обеспечения высокойскорости нарастания тока используют напряжение источника питания, в несколькораз превышающее номинальное. Путем регулировки скважности импульсов, среднеенапряжение и ток поддерживаются на номинальном для обмотки уровне. Поддержаниепроизводится в результате действия обратной связи. Последовательно с обмоткойвключается резистор – датчик тока R (рис. 22а). Падение напряжения на этомрезисторе пропорционально току в обмотке. Когда ток достигает установленногозначения, ключ выключается, что приводит к падению тока. Когда ток спадает донижнего порога, ключ снова включается. Этот процесс повторяется периодически,поддерживая среднее значение тока постоянным.
/>
Рис. 22. Различныесхемы ключевой стабилизации тока.
Управляя величиной Urefможно регулировать ток фазы, например, увеличивать его при разгоне и торможениии снижать при работе на постоянной скорости. Можно также задавать его с помощьюЦАП в форме синусоиды, реализуя таким образом микрошаговый режим. Такой способуправления ключевым транзистором обеспечивает постоянную величину пульсацийтока в обмотке, которая определяется гистерезисом компаратора. Однако частотапереключений будет зависеть от скорости изменения тока в обмотке, в частности,от ее индуктивности и от напряжения питания. Кроме того, две такие схемы,питающие разные фазы двигателя, не могут быть засинхронизированы, что можетявиться причиной дополнительных помех.
От указанныхнедостатков свободна схема с постоянной частотой переключения (рис. 22б).Ключевым транзистором управляет триггер, который устанавливается специальнымгенератором. Когда триггер устанавливается, ключевой транзистор открывается, иток фазы начинает расти. Вместе с ним растет и падение напряжения на датчикетока. Когда оно достигает опорного напряжения, компаратор переключается,сбрасывая триггер. Ключевой транзистор при этом выключается, и ток фазыначинает спадать до тех пор, пока триггер не будет вновь установленгенератором. Такая схема обеспечивает постоянную частоту коммутации, однаковеличина пульсаций тока не будет постоянной. Частота генератора обычновыбирается не менее 20кГц, чтобы двигатель не создавал слышимого звука. В то жевремя слишком высокая частота переключений может вызвать повышенные потери всердечнике двигателя и потери на переключениях транзисторов. Хотя потери всердечнике с повышением частоты растут не так быстро ввиду уменьшения амплитудыпульсаций тока с ростом частоты. Пульсации порядка 10% от среднего значениятока обычно не вызывают проблем с потерями. Подобная схема реализована внутримикросхемы L297 фирмы SGS-Thomson, применение которой сводит к минимумуколичество внешних компонентов. Ключевое регулирование реализуют и другиеспециализированные микросхемы.
/>
Рис. 23. Форма тока вобмотках двигателя для различных способов питания.
На рис. 23 показанаформа тока в обмотках двигателя для трех способов питания. Наилучшим в смыслемомента является ключевой метод. К тому же он обеспечивает высокий КПД ипозволяет просто регулировать величину тока.
Быстрый и медленныйспад тока
На рис. 19 былипоказаны конфигурации ключей в H-мосту для включения разных направлений тока вобмотке. Для выключения тока можно выключить все ключи H-моста или же оставитьодин ключ включенным (рис. 24). Эти две ситуации различаются по скорости спадатока в обмотке. После отключения индуктивности от источника питания ток неможет мгновенно прекратится. Возникает ЭДС самоиндукции, имеющая противоположноеисточнику питания направление. При использовании транзисторов в качестве ключейнеобходимо использовать шунтирующие диоды, чтобы обеспечить проводимость в обестороны. Скорость изменения тока в индуктивности пропорциональна приложенному напряжению.Это справедливо как для нарастания тока, так и для его спада. Только в первомслучае источником энергии является источник питания, а во втором самаиндуктивность отдает запасенную энергию. Этот процесс может происходить приразных условиях.
/>
Рис. 24. Медленный ибыстрый спад тока.
На рис. 24а показаносостояние ключей H-моста, когда обмотка включена. Включены ключи A и D,направление тока показано стрелкой. На рис. 24б обмотка выключена, но ключ Aвключен. ЭДС самоиндукции закорачивается через этот ключ и диод VD3. В этовремя на выводах обмотки будет небольшое напряжение, равное прямому падению надиоде плюс падение на ключе (напряжение насыщения транзистора). Так какнапряжение на выводах обмотки мало, малой будет и скорость изменения тока.Соответственно малой будет и скорость спадания магнитного поля. А это значит, ещенекоторое время статор двигателя будет создавать магнитное поле, которого в этовремя быть не должно. На вращающийся ротор это поле будет оказывать тормозящеевоздействие. При высоких скоростях работы двигателя этот эффект может серьезнопомешать нормальной работе двигателя. Быстрое спадание тока при выключенииявляется очень важным для высокоскоростных контроллеров, работающих вполушаговом режиме.
Возможен и другойспособ отключения тока обмотки, когда размыкаются все ключи H-моста (рис 24в).При этом ЭДС самоиндукции закорачивается через диоды VD2, VD3 на источникпитания. Это значит, что во время спада тока на обмотке будет напряжение,равное сумме напряжения источника питания и прямого падения на двух диодах. Посравнению с первым случаем, это значительно большее напряжение. Соответственно,более быстрым будет спад тока и магнитного поля. Такое решение, использующеенапряжение источника питания для ускорения спада тока является наиболеепростым, но не единственным. Нужно сказать, что в ряде случаев на источникепитания могут появиться выбросы, для подавления которых понадобятся специальныедемферные цепочки. Безразлично, каким способом обеспечивается на обмоткеповышенное напряжение во время спада тока. Для этого можно применитьстабилитроны или варисторы. Однако на этих элементах будет рассеиватьсядополнительная мощность, которая в первом случае отдавалась обратно в источникпитания.
Для униполярногодвигателя ситуация более сложная. Дело в том, что половинки обмотки, или двеотдельных обмотки одной фазы сильно связаны между собой. В результате этойсвязи на закрывающемся транзисторе будут иметь место выбросы повышеннойамплитуды. Поэтому транзисторы должны быть защищены специальными цепочками. Этицепочки для обеспечения быстрого спада тока должны обеспечивать довольновысокое напряжение ограничения. Чаще всего применяются диоды вместе состабилитронами или варисторы. Один из способов схемотехнической реализациипоказан на рис. 25.
/>
Рис. 25. Примерреализации быстрого спада тока для униполярного двигателя.
При ключевомрегулировании величина пульсаций тока зависит от скорости его спада. Здесьвозможны разные вырианты. Если обеспечить закорачивание обмотки диодом, будетреализован медленный спад тока. Это приводит к уменьшению амплитуды пульсацийтока, что является весьма желательным, особенно при работе двигателя вмикрошаговом режиме. Для данного уровня пульсаций медленный спад тока позволяетработать на более низких частотах ШИМ, что уменьшает нагрев двигателя. По этимпричинам медленный спад тока широко используется. Однако существует несколькопричин, по которым медленное нарастание тока не всегда является оптимальным:во-первых, из-за отрицательной обратной ЭДС, ввиду малого напряжения на обмоткево время спада тока, реальный средний ток обмотки может оказаться завышенным;во-вторых, когда требуется резко уменьшить ток фазы (например, в полушаговомрежиме), медленный спад не позволит сделать это быстро; в-третьих, когдатребуется установить очень низкое значение тока фазы, регулирование можетнарушиться ввиду существования ограничения на минимальное время включенногосостояния ключей.
Высокая скорость спадатока, которая реализуется путем замыкания обмотки на источник питания, приводитк повышенным пульсациям. Вместе с тем, устраняются недостатки, свойственныемедленному спаду тока. Однако при этом точность поддержания среднего токаменьше, также больше потери. Наиболее совершенные микросхемы драйверов имеютвозможность регулировать скорость спада тока.
Практическая реализациядрайверов
Драйвер шаговогодвигателя должен решать две основные задачи: это формирование необходимыхвременных последовательностей сигналов и обеспечение необходимого тока вобмотках. В интегральных реализациях иногда эти задачи выполняются разнымимикросхемами. Примером может служить комплект микросхем L297 и L298 фирмыSGS-Thomson. Микросхема L297 содержит логику формирования временныхпоследовательностей, а L298 представляет собой мощный сдвоенный H-мост. Ксожалению, существует некоторая путаница в терминологии относительно подобныхмикросхем. Понятие «драйвер» часто применяют ко многим микросхемам, даже еслиих функции сильно различаются. Иногода микросхемы логики называют«трансляторами». В этой статье далее будет использоваться следующаятерминология: «контроллер» — микросхема, ответственная за формирование временныхпоследовательностей; «драйвер» — мощная схема питания обмоток двигателя. Однакотермины «драйвер» и «контроллер» могут также обозначать законченное устройствоуправления шаговым двигателем. Необходимо отметить, что в последнее время всечаще контроллер и драйвер объединяются в одной микросхеме. На практике можнообойтись и без специализированных микросхем. Например, все функции контроллераможно реализовать программно, а в качестве драйвера применить набор дискретныхтранзисторов. Однако при этом микроконтроллер будет сильно загружен, а схемадрайвера может получится громоздкой. Несмотря на это, в некоторых случаях такоерешение будет экономически выгодным.
Самый простой драйвертребуется для управления обмотками униполярного двигателя. Для этого подходятпростейшие ключи, в качестве которых могут быть использованы биполярные илиполевые транзисторы. Достаточно эффективны мощные МОП-транзисторы, управляемыелогическим уровнем, такие как IRLZ34, IRLZ44, IRL540. У них сопротивление воткрытом состоянии менее 0.1ом и допустимый ток порядка 30А. Эти транзисторыимеют отечественные аналоги КП723Г, КП727В и КП746Г соответственно. Существуюттакже специальные микросхемы, которые содержат внутри несколько мощныхтранзисторных ключей. Примером может служить микросхема ULN2003 фирмы Allegro(наш аналог К1109КТ23), которая содержит 7 ключей с максимальным током 0.5 А.Принципиальная схема одной ячейки этой микросхемы приведена на рис. 26.
/>
Рис. 26. Принципиальнаясхема одной ячейки микросхемы ULN2003.
Аналогичные микросхемывыпускаются многими фирмами. Необходимо отметить, что эти микросхемы пригодныне только для питания обмоток шаговых двигателей, но и для питания любых другихнагрузок. Кроме простых микросхем драйверов существуют и более сложныемикросхемы, имеющие встроенный контроллер, PWM-регулировку тока и даже ЦАП длямикрошагового режима. Как уже отмечалось ранее, для управления биполярнымидвигателями требуются более сложные схемы, такие как H-мосты. Такие схемы тожеможно реализовать на дискретных элементах, хотя в последнее время все чаще ониреализуются на интегральных схемах. Пример дискретной реализации показан нарис. 27.
/>
Рис. 27. Реализациямостового драйвера на дискретных компонентах.
Такой H-моступравляется с помощью двух сигналов, поэтому он не позволяет обеспечить всехвозможных комбинаций. Обмотка запитана, когда уровни на входах разные и закорочена,когда уровни одинаковые. Это позволяет получить только медленный спад тока(динамическое торможение). Мостовые драйверы в интегральном исполнениивыпускаются многими фирмами. Примером могут служить L293 (КР1128КТ3А) и L298фирмы SGS-Thomson. До недавнего времени большое количество микросхем дляуправления шаговыми двигателя выпускала фирма Ericsson. Однако 11 июня 1999года она передала производство своих микросхем индустриального назначения фирмеNew Japan Radio Company (New JRC). При этом обозначения микросхем помянялись сPBLxxxx на NJMxxxx. Как простые ключи, так и H-мосты могут составлять частьключевого стабилизатора тока. Схема управления ключами может быть выполнена надискретных компонентах или в виде специализированной микросхемы. Довольно популярноймикросхемой, реализующей ШИМ-стабилизацию тока, является L297 фирмыSGS-Thomson. Совместно с микросхемой мостового драйвера L293 или L298 ониобразуют законченную систему управления для шагового двигателя (рис. 28).
/>
Рис. 28. Типовая схемавключения микросхем L297 и L298N.
Микросхема L297 сильноразгружает управляющий микроконтроллер, так как от него требуется толькотактовая частота CLOCK (частота повторения шагов) и несколько статическихсигналов: DIRECTION – направление (сигнал внутренне синхронизирован,переключать можно в любой момент), HALF/FULL – полушаговый/полношаговый режим,RESET – устанавливает фазы в исходное состояние (ABCD = 0101), ENABLE –разрешение работы микросхемы, V ref – опорное напряжение, которое задаетпиковую величину тока при ШИМ-регулировании. Кроме того, имеется несколько дополнительныхсигналов. Сигнал CONTROL задает режим работы ШИМ-регулятора. При его низкомуровне ШИМ-регулирование происходит по выходам INH1, INH2, а при высоком – повыходам ABCD. SYNC – выход внутреннего тактового генератора ШИМ. Он служит длясинхронизации работы нескольких микросхем. Также может быть использован каквход при тактировании от внешнего генератора. HOME – сигнал начальногоположения (ABCD = 0101). Он используется для синхронизации переключения режимовHALF/FULL. В зависимости от момента перехода в полношаговый режим микросхемаможет работать в режиме с одной включенной фазой или с двумя включеннымифазами. Ключевое регулирование реализуют и многие другие микросхемы. Некоторыемикросхемы обладают теми или иными особенностями, например драйвер LMD18T245фирмы National Semiconductor не требует применения внешнего датчика тока, таккак он реализован внутри на основе одной ячейки ключевого МОП-транзистора.Некоторые микросхемы предназначены специально для работы в микрошаговом режиме.Примером может служить микросхема A3955 фирмы Allegro. Она имеет встроенный3-битный нелинейный ЦАП для задания изменяющегося по синусоидальному законутока фазы.
/>
Рис. 29. Ток и векторсмещения ротора.
Смещение ротора взависимомти от токов фаз, которые сформированы этим 3-битным ЦАПом, показано нарис. 29. Микросхема A3972 имеет встроенный 6-битный линейный ЦАП.
Выбор типа драйвера
Максимальный момент имощность, которую может обеспечить на валу шаговый двигатель, зависит отразмеров двигателя, условий охлаждения, режима работы (отношения работа/пауза),от параметров обмоток двигателя и от типа применяемого драйвера. Типприменяемого драйвера сильно влияет на мощность на валу двигателя. При одной итой же рассеиваемой мощности драйвер с импульсной стабилизацией токаобеспечивает выигрыш в моменте на некоторых скоростях до 5 – 6 раз, по сравнениюс питанием обмоток номинальным напряжением. При этом также расширяется диапазондопустимых скоростей. Технология приводов на основе шаговых двигателейпостоянно развивается. Развитие направлено на получение наибольшего момента навалу при минимальных габаритах двигателя, широких скоростных возможностей,высокого КПД и улучшенной точности. Важным звеном этой технологии являетсяприменение микрошагового режима. На практике немаловажным является и времяразработки привода на основе шагового двигателя. Разработка специализированнойконструкции для каждого конкретного случая требует значительных затрат времени.С этой точки зрения предпочтительней применять универсальные схемы управленияна основе PWM стабилизации тока, несмотря на их более высокую стоимость.
Практический примерконтроллера шагового двигателя на основе микроконтроллера семейства AVR
Несмотря на то, что внастоящее время существует большое количество специализированных микросхем дляуправления шаговыми двигателями, в отдельных случаях можно обойтись и без них.Когда не предъявляется слишком жестких требований, контроллер можно реализоватьполностью программно. При этом стоимость такого контроллера получается оченьнизкой.
Предлагаемый контроллерпредназначен для управления униполярным шаговым двигателем со средним токомкаждой обмотки до 2.5А. Контроллер может использоваться с распространеннымишаговыми двигателями типа ДШИ-200-1, -2, -3. Его также можно использовать и дляуправления менее мощными двигателями, например теми, что применялись дляпозиционирования головок в 5-дюймовых дисководах. При этом схему можноупростить, отказавшись от параллельного включения ключевых транзисторов и отключевой стабилизации тока, так как для маломощных двигателей достаточнопростого L/R-питания.
/>
Рис. 30. Принципиальнаясхема контроллера шагового двигателя.
Основой устройства(рис. 30) является микроконтроллер U1 типа AT90S2313 фирмы Atmel. Сигналыуправления обмотками двигателя формируются на портах PB4 – PB7 программно. Длякоммутации обмоток используются по два включенных параллельно полевыхтранзистора типа КП505А, всего 8 транзисторов (VT1 – VT8). Эти транзисторыимеют корпус TO-92 и могут коммутировать ток до 1.4А, сопротивление каналасоставляет около 0.3 ома. Для того, чтобы транзисторы оставались закрытыми вовремя действия сигнала «сброс» микроконтроллера (порты в это время находятся ввысокоимпедансном состоянии), между затворами и истоками включены резисторы R11– R14. Для ограничения тока перезарядки емкости затворов установлены резисторыR6 – R9. Данный контроллер не претендует на высокие скоростные характеристики,поэтому вполне устраивает медленный спад тока фаз, который обеспечиваетсяшунтированием обмоток двигателя диодами VD2 – VD5. Для подключения шаговогодвигателя имеется 8-контактный разъем XP3, который позволяет подключитьдвигатель, имеющий два отдельных вывода от каждой обмотки (как, например,ДШИ-200). Для двигателей с внутренним соединением обмоток один или два общихконтакта разъема останутся свободными. Необходимо отметить, что контроллерможет быть использован для управления двигателем с большим средним током фаз.Для этого только необходимо заменить транзисторы VT1 – VT8 и диоды VD2 – VD5более мощными. Причем в этом случае параллельное включение транзисторов можноне использовать. Наиболее подходящими являются МОП-транзисторы, управляемыелогическим уровнем. Например, это КП723Г, КП727В и другие. Стабилизация токаосуществляется с помощью ШИМ, которая тоже реализована программно. Для этогоиспользуются два датчика тока R15 и R16. Сигналы, снятые с датчиков тока, черезФНЧ R17C8 и R18C9 поступают на входы компараторов U3A и U3B. ФНЧ предотвращаютложные срабатывания компараторов вследствие действия помех. На второй входкаждого компаратора должно быть подано опорное напряжение, которое и определяетпиковый ток в обмотках двигателя. Это напряжение формируется микроконтроллеромс помощью встроенного таймера, работающего в режиме 8-битной ШИМ. Дляфильтрации сигнала ШИМ используется двухзвенный ФНЧ R19C10R22C11. Одновременнорезисторы R19, R22 и R23 образуют делитель, который задает масштаб регулировкитоков фаз. В данном случае максимальный пиковый ток, соответствующий коду 255,выбран 5.11А, что соответствует напряжению 0.511В на датчиках тока. Учитываятот факт, что постоянная составляющая на выходе ШИМ меняется от 0 до 5В,необходимый коэффициент деления равен примерно 9.7. Выходы компараторовподключены к входам прерываний микроконтроллера INT0 и INT1. Для управленияработой двигателя имеются два логических входа: FWD (вперед) и REW (назад),подключенных к разъему XP1. При подаче НИЗКОГО логического уровня на один изэтих входов, двигатель начинает вращаться на заданной минимальной скорости,постепенно разгоняется с заданным постоянным ускорением. Разгон завершается,когда двигатель достигает заданной рабочей скорости. Если подается командаизменения направления вращения, двигатель с тем же ускорением тормозится, затемреверсируется и снова разгоняется. Кроме командных входов, имеются два входадля концевых выключателей, подключенных к разъему XP2. Концевой выключательсчитается сработавшим, если на соответствующем входе присутствует НИЗКИЙлогический уровень. При этом вращение в данном направлении запрещено. Присрабатывании концевого выключателя во время вращения двигателя он переходит кторможению с заданным ускорением, а затем останавливается. Командные входы ивходы концевых выключателей защищены от перенапряжений цепочками R1VD6, R2VD7,R3VD8 и R4VD9, состоящими из резистора и стабилитрона. Питание микроконтроллераформируется с помощью микросхемы стабилизатора 78LR05, которая одновременновыполняет функции монитора питания. При понижении напряжения питания нижеустановленного порога эта микросхема формирует для микроконтроллера сигнал«сброс». Питание на стабилизатор подается через диод VD1, который вместе сконденсатором C6 уменьшает пульсации, вызванные коммутациями относительномощной нагрузки, которой является шаговый двигатель. Питание на плату подаетсячерез 4-контактный разъем XP4, контакты которого задублированы.Демонстрационная версия программы позволяет осуществлять разгон и торможениедвигателя с постоянным ускорением, а также вращение на постоянной скорости вполношаговом или полушаговом режиме. Эта программа содержит весь необходимыйнабор функций и может быть использована как базовая для написанияспециализированных программ. Поэтому имеет смысл рассмотреть ее структуру болееподробно. Главной задачей программы является формирование импульсныхпоследовательностей для 4-х обмоток двигателя. Поскольку для этихпоследовательностей временные соотношения являются критичными, формированиевыполняется в обработчике прерывания таймера 0. Можно сказать, основную работупрограмма делает именно в этом обработчике. Блок-схема обработчика приведена нарис. 31.
/>
Рис. 31. Блок-схема обработчикапрерывания таймера 0.
Несомненно, было быудобнее использовать таймер 1, так как он 16-разрядный и способен вызыватьпериодические прерывания по совпадению с автоматическим обнулением. Однако онзанят формированием с помощью ШИМ опорного напряжения для компараторов. Поэтомуприходится перезагружать таймер 0 в прерывании, что требует некоторойкорректировки загружаемой величины и вызывает некоторый джиттер, который,однако, на практике не мешает. В качестве основной временной базы выбранинтервал 25мкс, который и формируется таймером. С такой дискретностью могутформироваться временные последовательности фаз, такой же период имеет и ШИМстабилизации тока в фазах двигателя. Для формирования периода повторения шаговиспользуется программный 16-разрядный таймер STCNT. В отличие от таймера 0, егозагрузочная величина не является константой, так как именно она определяетскорость вращения двигателя. Таким образом, переключение фаз происходит толькопри переполнении программного таймера. Последовательность чередования фаззадана таблично. В памяти программ микроконтроллера имеются три разных таблицы:для полношагового режима без перекрытия фаз, полношагового с перекрытием и дляполушагового режима. Все таблицы имеют одинаковую длину 8 байт. Нужная таблицав начале работы загружается в ОЗУ, что позволяет наиболее просто переходитьмежду разными режимами работы двигателя. Выборка значений из таблицы происходитс помощью указателя PHASE, поэтому переключение направления вращения двигателятоже осуществляется очень просто: для вращения вперед требуетсяинкрементировать указатель, а для вращения назад – декрементировать. Самая«главная» переменная в программе – это 24-битная знаковая переменная VC,которая содержит значение текущей скорости. Знак этой переменной определяетнаправление вращения, а значение – частоту следования шагов. Нулевое значениеэтой переменной говорит о том, что двигатель остановлен. Программа в этомслучае выключает ток всех фаз, хотя во многих приложениях в этой ситуациитребуется оставить включенными текущие фазы и лишь несколько уменьшить их ток,обеспечив этим удержание положения двигателя. При необходимости такое изменениелогики работы программы сделать очень просто. Таким образом, в случаепереполнения программного таймера STCNT происходит анализ значения переменнойVC, в случае положительного значения указатель PHASE инкрементируется, а вслучае отрицательного – декрементируется. Затем из таблицы выбирается очереднаякомбинация фаз, которая выводится в порт. В случае нулевого значения VCуказатель PHASE не изменяется, и в порт выводятся все нулевые значения.
Величина T, которойследует загружать таймер STCNT, однозначно связана со значением переменной VC.Однако перевод частоты в период занимает довольно много времени, поэтому этивычисления производятся в основной программе, и не на каждом шаге, а гораздореже. Вообще, эти вычисления нужно периодически производить только во времяразгона или торможения. В остальных случаях скорость, и, соответственно, периодповторения шагов, не меняются. Для осуществления ШИМ-стабилизации тока фазыдолжны периодически включаться, а затем, при достижении током заданного уровня,выключаться. Периодическое включение производится в прерывании таймера 0, длячего даже в случае отсутствия переполнения программного таймера STCNT в портвыводится текущая комбинация фаз. Происходит это с периодом 25мкс (чтосоответствует частоте ШИМ 40кГц). Выключением фаз управляют компараторы, выходыкоторых подключены к входам прерывания INT0 и INT1. Прерывания разрешаютсяпосле того, как ток фаз включается, и запрещаются сразу после переключениякомпараторов. Это исключает их повторную обработку. В обработчиках прерыванийпроисходит только отключение соответствующих фаз (рис. 32).
/>
Рис. 32. Блок-схемаобработчика прерываний INT0 и INT1.
Процессы, происходящиепри ШИМ-стабилизации тока, показаны на рис. 33. Особо следует отметить, что токв датчике тока имеет прерывистый характер даже в том случае, если ток обмоткине прерывается. Это связано тем, что во время спада тока его путь не проходитчерез датчик тока (а проходит через диод).
/>
Рис. 33. ПроцессШИМ-стабилизации тока.
Нужно сказать, чтоаналоговая часть системы ШИМ-стабилизации тока фаз двигателя является довольно«капризной». Дело в том, что сигнал, снимаемый с датчика тока, содержит большоеколичество помех. Помехи возникают в основном в моменты коммутации обмотокдвигателя, причем как «своей», так и «чужой» фазы. Для правильной работы схемытребуется корректная разводка печатной платы, особенно это касается земляныхпроводников. Возможно, придется подобрать номиналы ФНЧ на входе компаратора илидаже ввести в компаратор небольшой гистерезис. Как уже отмечалось выше, приуправлении маломощными двигателями от ШИМ-стабилизации тока можно вовсеотказаться, применив обычную L/R-схему питания обмоток. Для исключенияШИМ-стабилизации достаточно просто не подключать входы INT0 и INT1микроконтроллера, естественно, при этом можно вообще не устанавливатькомпаратор и датчики тока. В данной программе периодичность вычисления новыхзначений скорости и периода выбрана равной 15.625мс. Такое значение выбрано неслучайно. Этот интервал составляет 1/64с, а главное, он содержит целое числопериодов переполнения таймера 0 (25мкс). Удобно, если значения скорости иускорения задаются в естественных единицах, т.е. в шагах в секунду и в шагах,деленных на секунду в квадрате. Для того чтобы иметь возможность вцелочисленной арифметике вычислять мгновенную скорость 64 раза в секунду, нужноперейти к внутреннему представлению скорости, увеличенному в 64 раза. Умножениеи деление на 64 сводится к обычным сдвигам и поэтому требует очень маловремени. Заданную периодичность вычислений обеспечивает еще один программныйтаймер URCNT, который декрементируется в прерывании таймера 0 (раз в 25мкс). Этоттаймер всегда загружается постоянной величиной, что обеспечивает неизменныйпериод его переполнений, равный 15.625мс. При переполнении этого таймераустанавливается битовый флаг UPD, который сигнализирует основной программе, что«пора-бы обновить значения скорости и периода». Основная программа (рис. 34)выполняет вычисление мгновенных значений скорости и периода следования шагов,обеспечивая необходимую кривую разгона. В данном случае разгон и торможениеосуществляются с постоянным ускорением, поэтому скорость меняется линейно.Период при этом меняется по гиперболическому закону, и его вычисление –основная работа программы.
/>
Рис. 34. Блок-схемаосновного цикла программы.
Обновление значенийскорости и периода следования шагов основная программа делает периодически,периодичность задается флагом UPD. Обновление программа делает на основесравнения значений двух переменных: мгновенной скорости VC и требуемой скоростиVR.
Значение требуемойскорости также определяется в основной программе. Это делается на основеанализа управляющих сигналов и сигналов с концевых выключателей. В зависимостиот этих сигналов, основная программа загружает переменную VR значениемтребуемой скорости. В данной программе это V для движения вперед, -V длядвижения назад и 0 для остановки. В общем случае, набор скоростей (а такжеускорений и токов фаз) может быть сколь угодно большим, в зависимости оттребований. Если скорости VC и VR равны, значит, шаговый двигатель работает встационарном режиме и обновления не требуется. Если же скорости не равны, тозначение VC с заданным ускорением приближается к VR, т.е. двигатель ускоряется(или замедляется) до достижения номинальной скорости. В случае, когда дажезнаки VR и VC отличаются, двигатель замедляется, реверсируется и потомдостигает требуемой скорости. Происходит это как бы само собой, благодаря структурепрограммы. Если при очередной проверке обнаруживается, что скорости VR и VC неравны, то к значению VC прибавляется (или вычитается) значение ускорения A.Если в результате этой операции происходит превышение требуемой скорости, тополученное значение корректируется путем замены на точное значение требуемойскорости.
Затем происходит вычислениепериода T (рис. 35).
/>
Рис. 35. Блок-схемаподпрограммы вычисления периода.
Вначале вычисляетсямодуль текущей скорости. Затем происходит ограничение минимальной скорости. Этоограничение необходимо по двум причинам. Во-первых, бесконечно малой скоростисоответствует бесконечно большой период, что вызовет ошибку в вычислениях.Во-вторых, шаговые двигатели имеют довольно протяженную по скорости зонустарта, поэтому нет необходимости стартовать на очень маленькой скорости, темболее что вращение на малых скоростях вызывает повышенный шум и вибрацию.Значение минимальной скорости VMIN должно выбираться исходя из конкретнойзадачи и типа двигателя. После ограничения минимальной скорости производитсявычисление периода по формуле T = 2560000/|VC|. На первый взгляд формула неочевидна, но если учесть, что период необходимо получить в 25мкс-интервалах, авнутреннее представление VC – это умноженное на 64 ее истинное значение, то всестановится на свои места. При вычислении T требуется операция беззнаковогоделения формата 24/24, которое AVR на тактовой частоте 10МГц делает примерно за70мкс. Учитывая, что вычисления периода происходят не чаще, чем один раз в15.625мс, загрузка процессора получается очень низкой. Основную загрузку производитпрерывание таймера 0, да и оно в основном выполняется по короткой ветке (безпереполнения STCNT) длительностью примерно 3мкс, что соответствует 12%-йзагрузке процессора. Это означает, что имеются значительные резервывычислительных ресурсов.
Печатная платаконтроллера шагового двигателя приведена на рис. 36.
/>
Рис. 36. Печатная платаконтроллера шaгового двигателя.