Управление шаговыми двигателями

Шаговые двигатели, применяемые в различных отраслях промышленности, необходимо оснащать автоматическим управлением электроприводами, предназначенным для бесперебойной работы ШД.  Тщательно подходить к выбору  и приобретению контроллера шагового двигателя весьма важно, как и осуществлять выбор самого двигателя.

 

Управлять ШД можно несколькими способами.

Первый способ — попеременная коммутация фаз, предполагающая одновременное включение только одной фазы. Точки равновесия ротора каждого из шагов совмещаются у неподключенного двигателя с «естественными» роторными точками равновесия. Подобные системы управления ШД используются, как правило, при производстве электротехнического оборудования.

Вторым способом является управление фазами мотора с перекрытием, при котором выполняется одновременное включение двух  фаз. Такой способ предполагает фиксацию ротора в промежуточных положениях между полюсами статора. При этом обеспечивается порядка 40% больший момент, нежели в случае функционирования одной фазы.

Данный способ управления электрическим приводом формирует угол шага, аналогичный первому способу, однако точки равновесия ротора смещяются на полшага.

Третьи способом является полушаговый режим, при котором каждый второй шаг запитывает только одна фаза, а других случаях — две. Системы управления электроприводом, имеющие данный режим, дают возможность  сделать меньше размер шага. В итоге угловое перемещение ротора равняется половине угла шага применительно к  первым двум способам управления. Подобное управление ШД дает возможность немного уменьшить резонанс.

Четвертым способом является микрошаговый режим. Системы, управляющие работой электропривода  на основе микрошагового режима, позволяют изменять ток в фазах малыми шагами, обеспечивая при этом  дробление половинного шага на малые микрошаги. При включении  одновременно двух фаз с неравными токами положение равновесия ротора будет не в середине шага, а в иной точке. Данная точка определяется путем соотношения токов фаз. Изменяя данное соотношение, имеется возможность обеспечить определенное число микрошагов внутри шага.

В процессе управления приводами необходимо применять специальный драйвер ШД, которым является силовая часть, имеющая встроенный простейший интерфейс, основанный на комбинации «Шаг–Направление».

Драйвер ШД представляет собой также усилитель мощности, способный преобразовывать импульсы, идущие от источника электротока, в перемещение вала. В данном случае каждый из импульсов вызывает на один шаг или на один микрошаг перемещение вала. Драйвер ШД оснащен специальной схемой, служащей для выполнения 3-х основных задач:

-включение/выключение тока в обмотках и изменение его направления (при осуществлении данной задачи управляющие электроприводом системы функционируют без сбоев);

-поддержание заданного значения тока (обеспечение максимально быстрого нарастания/спада тока в целях достижения необходимых скоростных характеристик, которые, свою очередь, влияют качественным образом на управление ШД).

Классификация драйверов, исходя из мощности вала двигателя.

 

Необходим заметить, что инновационные технологии, согласно которым ведется разработка привода шагового двигателя, непрерывно совершенствуются для того, чтобы была возможность получить максимальный момент на валу при наименьших габаритных размерах двигателя, больших скоростных возможностях, существенном КПД и увеличенном  показателе точности. Значимым звеном данной технологии является использование микрошагового режима.

При этом важной деталью является контроллер управления ШД. Такие контроллеры производятся на базе микроконтроллеров промышленного типа и бывают программными и аппаратными. Контроллеры первого типа используются в случае небольшого круга решаемых задач. Стоимость такого   программного контроллера существенно меньше, нежели аппаратного.

Контроллеры ШД могут применяться и в униполярных двигателях, и в двигателях других типов. В них средний ток обмотки бывает до 2,5А. Подобные контроллеры представляют собой систему, состоящую из силовой части  — драйвера, и устройства, расширяющего потенциал управления двигателем – интеллектуальной части. Здесь имеется ряд достоинств, главное из которых — возможность передачи  сигналов «Шаг–Направление».

Преимущества применения контроллеров, предназначенных  для шагового двигателя:

— возможность синхронизации с компьютером. Определенные модели и конструкции контроллеров управления ШД дают возможность подключения к ПК и управления с его помощью;

—  возможность многократного перепрограммирования. Сегодня можно приобрести всего один контроллер ШД, который в случае переориентации производства, а также при возникновении новых задач можно будет  легко перепрограммировать;

— широкая линейка моделей контроллеров отечественного и зарубежного производства дает возможность приобрести контроллер шагового двигателя, оснащенный расширенными функциями. Подобные контроллеры состоят из  программируемого логического контроллера: привод функционирует автономно по установленной программе, что дает возможность получения  готового устройства для выполнения разработанного технологического процесса с применением всего одного контроллера ШД.

 

Устройство управления электроприводом, имеющее контроллер, применяется для решения следующих задач:

— достигается высокий уровень точности, что напрямую связано с конструктивными особенностями: устройства управления ШД совершают порядка 20 тыс. шагов за один оборот за счет микрошага;

— применение ПО: используются производственные программы, к примеру,  Kcam и Mach;

— функционирование в различных режимах. Подобные устройства управления работают как on-line в соответствии с командами компьютера, так и в режиме off-line с применением программы, загружаемой с внешнего устройства (флеш-накопителя). Возможно применение совмещенного режима, особо выгодного при управлении однотипными процессами с изменяющимися параметрами, при управлении процедурами контроля и опросе параметров, выполняемом  с Вашего ПК.

 

Блок управления ШД

Вместе с ШД функционирует блок управления ШД, представляющий собой источник тока для двигателя и осуществляющий при необходимости процедуру дробления основного углового шага, а также выполняющего коммутацию фаз мотора. Такой блок управления, как правило, оснащается и ручным, и автоматическим управлением электроприводами.

Современные блоки управления электроприводом одновременно являются мультифункциональными устройствами, позволяющими выполнять их программирование, и дающими возможность работать совместно с другими устройствами и подключать автоматическое управление электроприводами. Есть разработки, в которых блок управления электроприводом является программируемым. Так, управление блоком управления ШД может осуществляться с помощью ПК.

Синхронизация выполняется:

—  посредством LPT-порта, в т.ч. с ПО для ЧПУ-станков;

— через порт COM, получая необходимые команды для установления  характера, а также алгоритма хода ШД;

— автономно без использования компьютера или контроллера внешнего типа (если необходимо автоматическое управление электрическими приводами технологических процессов);

— вручную, когда регулирование скорости движения выполняется потенциометром, а направление — датчиком реверса.

С учетом разнообразия шаговых двигателей выбирается тип их управления, а далее в соответствии с этим производится выбор блока управления электрическим приводом.

Биполярный привод ШД. Его управление.

Наряду с биполярными двигателями, существуют униполярные двигатели, имеющие обмотки со средними отводами, служащие для соединения с общим проводом – «землей».

В двигателе выходной вал имеет полный оборот с  N-м количеством шагов. Основная масса двигателей рассчитана на шаг 1,8°, т.о. полный оборот выходного вала совершается за 360°/1,8° = 200шагов.

Привод ШД меняет нахождение выходного вала на 1 шаг в ходе подачи на одну обмотку напряжения питания. Направление, в котором течет ток через обмотку, указывает направление вращения. Для того, чтобы совершить следующий шаг, следует отключить первую обмотку, а затем на вторую обмотку подать питание. При этом следует соблюдать направление тока через обмотку. Таким образом, за сто полных циклов поочередной запитки обмоток двигатель совершит один оборот выходного вала.

В результате, для направления токов необходимо использовать устройства управления ШД.

Методы управления электроприводом.

Управлять приводами можно различными  методами, применяемыми в зависимости от типа решаемых задач, а также назначения ШД по отраслям.

Одиночные импульсы. Такое управление электроприводом считается максимально простым. Здесь применяется одновременное подключение только одной катушки. Для того, чтобы ротор совершил полный оборот, требуется сорок восемь импульсов, каждый из которых перемещает ротор на 7,5°.

Двойной импульс. Данный метод управления ШД основан на одновременном подключении 2-х соседних катушек. Для совершения полного оборота ротора необходимо также сорок восемь импульсов,  каждый из которых позволяет ротору перемещаться на 7,5°.

Комбинированные импульсы. Смысл заключается в чередовании устройством управления электроприводом первого и второго из указанных методов. Двигателю необходимо девяноста шести импульсов для совершения одного оборота. Ротор перемещается с каждым импульсом на 3,75°.

 

Комментарии запрещены.