Шаговые двигатели: свойства и практические схемы управления. Часть 2

Как видно из этой статьи, шаговыми двигателями управлять сложнее, чем коллекторными, но не настолько, чтобы обойтись без них. Как говорили древние римляне: “Кто идет одним путем, тот идет другим”. Конечно, во многих приложениях практичнее управлять шаговыми двигателями с помощью микроконтроллеров, которые могут легко генерировать необходимые команды для контроллеров и выступать в роли переключателей. Дополнительную информацию и более подробные рассуждения о проблемах, связанных с применением шаговых двигателей, помимо упомянутых выше ссылок [3, 4, 7], можно почерпнуть из классической монографии Кенио Такаши [11] и со специализированных сайтов, например [12].

Шаговые двигатели: характеристики и практические схемы управления. Часть 2

Вебинар

Самые важные общие вопросы об использовании шаговых двигателей рассмотрены выше, чтобы помочь вам ознакомиться с ними. Но, как гласит наша любимая украинская пословица: “Я не поверю в это, пока не проверю”. Итак, давайте перейдем к практической стороне вопроса. Как уже упоминалось, шаговые двигатели стоят недешево. Но они есть в старых принтерах, устройствах чтения дискет и лазерных дисков, например, SPM-20 (шаговый двигатель для позиционирования головки в дисковых станциях Mitsumi 5″25) или EM-483 (из принтера Epson Stylus C86), которые можно найти в старом хламе или купить за бесценок на радиобирже. Примеры показаны на рисунке 8.

Униполярные двигатели легче всего запустить. Причина этого – простота и низкая стоимость их драйвера управления обмоткой. На рисунке 9 показана практическая принципиальная схема контроллера, используемого автором данной статьи для униполярного шагового двигателя серии P542-M48 [6].

Рисунок 9.Униполярный драйвер шагового двигателя. (Далее
См. рис. 10 и 12 для получения дополнительной информации о подключении).

Очевидно, что выбор типа транзистора для переключателей управления обмоткой должен быть сделан с учетом максимального тока коммутации, а его подключение должно учитывать необходимость заряда/разряда емкости затвора. В некоторых случаях прямое подключение МОП-транзистора к коммутационной ИС может быть неприемлемым. Как правило, в затворах устанавливаются небольшие последовательные резисторы. Однако в некоторых случаях необходимо также предусмотреть подходящий драйвер для управления ключами, чтобы обеспечить зарядку/разрядку их входной емкости. Некоторые решения предлагают использовать в качестве ключей биполярные транзисторы. Это подходит только для двигателей с очень низкой мощностью и малым током обмотки. Для рассматриваемого двигателя с рабочим током обмотки I = 230 мА базовый ток управления ключом должен быть не менее 15 мА (хотя для правильной работы ключа требуется базовый ток 1/10 от рабочего тока, или 23 мА). Однако этот ток не может быть получен от серии 74HCxx, поэтому потребуются дополнительные драйверы. IGBT транзисторы, которые сочетают в себе преимущества полевых и биполярных транзисторов, могут быть использованы в качестве хорошего компромисса.

По мнению автора данной статьи, наилучшим способом управления коммутацией обмоток маломощных двигателей является использование соответствующего тока и сопротивления открытого пути RDC(ON) MOSFETs, но следуя рекомендациям, описанным выше. Мощность, рассеиваемая на выключателях двигателя P542-M48, в качестве примера, не превысит следующего значения при полной остановке ротора

транзисторы IRLML2803 с RDC(ON) = 0,25 Ом имеют допустимую рассеиваемую мощность 540 мВ и постоянный ток стока 0,93 А при температуре 70 °C. Поэтому они полностью соответствуют требованиям и обеспечивают надежную работу драйвера. В большинстве случаев, учитывая низкую частоту коммутации, вышеуказанного номинала достаточно. Поскольку подробное обсуждение деталей переключателей выходит за рамки данной статьи, для их выбора и полного расчета можно использовать методику, приведенную, например, в [7].

Еще одним важным моментом является правильный выбор так называемых диодов с защелкой, шунтирующих обмотку двигателя (VD1…VD4 на рис. 9). Задача этих диодов – подавить самоиндуцированную ЭДС, возникающую при отключении управляющих переключателей. Если диоды подобраны неудачно, выход из строя транзисторных ключей и всего устройства неизбежен. Обратите внимание, что мощные МОП-транзисторы обычно уже имеют встроенные диоды.

Режим управления двигателем задается коммутатором. Как упоминалось выше, наиболее удобным и эффективным режимом управления является управление с перекрытием фаз (рис. 4b). Этого можно легко добиться с помощью триггеров. Практическая схема универсального переключателя, используемого автором данной статьи как в ряде отладочных модулей (включая вышеупомянутый контроллер), так и в практических приложениях, показана на рисунке 10.

Рисунок 10.Схема универсального выключателя шагового двигателя (с реверсом).

Схема на рисунке 10 подходит для всех типов двигателей (униполярных и биполярных). Частота вращения двигателя задается внешним генератором (любой рабочий цикл), сигнал которого подается на вход “STEPS”, а направление вращения задается входом “ROTARY”. Оба сигнала имеют логические уровни, и если для их формирования используются выходы типа “открытый коллектор”, требуются соответствующие подтягивающие резисторы (не показаны на рис. 10). Временная диаграмма работы переключателя показана на рисунке 11.

Шаговые двигатели: свойства и практические схемы управления
Рисунок 11.Временная диаграмма универсального реверсивного переключателя.
Две верхние осциллограммы – Q1 D2-2, Q2 D2-2; две нижние – Q1 D2-1, Q2 D2-1.
Маркеры показывают область, где происходит изменение фазы.

Я хотел бы обратить внимание читателей на то, что вы, возможно, видели похожую схему, выполненную не с D-триггерами, а с JK-триггерами. Но берегитесь! В некоторых из этих схем была допущена ошибка в подключении микросхем. Если нет необходимости изменять направление вращения, схему переключателя можно значительно упростить (см. схему ниже). Рисунок 12), скорость останется неизменной, а диаграмма управления будет похожа на ту, что показана на Рисунке 11 (осциллограммы перед переключением порядка фаз).

Рисунок 12.Упрощенная схема коммутатора шагового двигателя
шагового двигателя (без изменения направления вращения).

Поскольку для сигнала “STEPS” нет специальных требований, для его генерации можно использовать любой генератор, подходящий по уровню выходного сигнала. Для своих отладочных модулей автор использовал генератор на основе ИС таймера 555 (рис. 13).

Рисунок 13.Регулируемый генератор импульсов для
коммутатор шагового двигателя.

Схема, показанная на рисунке 14, может быть использована для питания самого двигателя, в то время как схема переключателя и генератора может питаться либо от отдельного источника +5 В, либо от дополнительного маломощного стабилизатора. В любом случае, заземление источника питания должно быть отделено от сигнального заземления.

Рисунок 14.Система питания шагового двигателя с
Режимы удержания и выключения.

Схема на рисунке 14 обеспечивает два установившихся напряжения для питания обмоток двигателя: 12 В в режиме работы и 6 В в режиме удержания. (Формулы, необходимые для расчета выходного напряжения, см. в [8]). Режим работы активируется подачей высокого логического уровня на контакт “STOP” разъема X1. Допустимость снижения напряжения питания обусловлена тем, что, как уже упоминалось в первой части статьи, момент удержания шаговых двигателей превышает момент вращения. Например, для рассматриваемого двигателя P542-M48 удерживающий момент при передаче 25:6 составляет 19,8 Нсм, в то время как крутящий момент составляет всего 6 Нсм. Такой подход позволяет снизить потребляемую мощность двигателя с 5,52 Вт до 1,38 Вт, когда двигатель остановлен! Двигатель полностью выключается при подаче высокого логического уровня на контакт “ON/OFF” разъема X1.

Если схема управления имеет транзисторный выход с открытым коллектором, ключи VT1, VT2 не нужны, и выходы можно подключить напрямую вместо вышеуказанных ключей.

Внимание: Использование подтягивающих резисторов в этом варианте не допускается!

В качестве дросселя автор использовал катушку SDR1006-331K (Bourns). Общее питание трансформатора напряжения обмотки двигателя можно уменьшить до 16 – 18 В, что не повлияет на его работоспособность. Еще раз обратите внимание: при проведении собственных расчетов помните, что формирователь обеспечивает режим с наложением фаз, поэтому учитывайте номинальный ток цепи питания, равный удвоенному максимальному току обмотки при выбранном напряжении питания.

Задача управления биполярными двигателями более сложная. Основная проблема заключается в водителе. Для этих двигателей требуется контроллер мостового типа, а его изготовление – дело неблагодарное, особенно в современных условиях, когда используются дискретные компоненты. Этого не требуется, поскольку имеется очень широкий спектр специализированных ИС. Все эти ИС можно условно разделить на два типа. Первый – это очень популярная ИС L293D от STMicroelectronics [9] или ее варианты от Texas Instruments, популярные среди энтузиастов робототехники. Они относительно недороги и подходят для управления маломощными двигателями с током обмотки до 600 мА. Микросхемы имеют защиту от перегрева и должны быть установлены с теплоотводом из фольги на печатной плате [9]. Второй тип – LMD18245 [2], известный читателям по публикациям в [1].

Автор использовал драйвер L293DD в схеме для управления маломощным биполярным двигателем, таким как 20M020D2B 12 В/0,1 А, когда исследовал использование шаговых двигателей. Этот драйвер удобен тем, что содержит четыре полумостовых ключа, поэтому для управления биполярным шаговым двигателем требуется только одна ИС. Полная схема, показанная в [10] и неоднократно воспроизведенная на сайтах, подходит для использования в качестве тестовой платы. На рисунке 15 показано включение микросхемы драйвера (подключенной к переключателю на рисунке 10), поскольку именно эта часть нас сейчас интересует, а рисунок 6 (Управление биполярным шаговым двигателем) из спецификации [9] не совсем понятен начинающему пользователю. Она вводит в заблуждение, например, потому что показывает внешние диоды, которые на самом деле встроены в ИС и прекрасно справляются с обмотками двигателя малой мощности. Конечно, контроллер L293D может работать с любым выключателем. Контроллер выключается при подаче логического нуля на вход R.

Примечание: ИС L293, в зависимости от производителя и суффиксов, указывающих на тип корпуса, имеют различную нумерацию и количество выводов!

Рисунок 15.Схема подключения контроллера L293DD.

Для более мощных двигателей автор этой статьи использовал контроллеры LMD18245. Полная схема испытательного модуля показана на рисунке 16.

Рисунок 16.Схема управления биполярным шаговым двигателем
Использование драйвера LMD18245.

В отличие от L293DD, LMD18245 является не четырехканальным, а двухканальным драйвером, поэтому для реализации схемы управления требуется две ИС. LMD18245 имеет технологию DMOS, защиту от перегрева и короткого замыкания, а также удобный 15-контактный корпус TO-220, позволяющий легко отводить избыточное тепло от корпуса. В качестве опорного генератора используется схема, показанная ранее на рисунке 13, но резистор R2 увеличен до 4,7 кОм. Кнопка BH1 используется для подачи одиночных импульсов, чтобы ротор двигателя мог перемещаться на один шаг. Направление вращения ротора определяется положением переключателя S1. Двигатель включается и выключается с помощью выключателя S2. В положении OFF ротор двигателя разблокирован и не может быть повернут управляющими импульсами. В режиме удержания максимальный ток, потребляемый обмотками двигателя, снижается с двух ампер до одного ампера. Если управляющие импульсы не подаются, ротор двигателя остается в заблокированном положении, при этом потребление энергии снижается вдвое. При подаче импульсов двигатель будет вращаться с низкой скоростью и пониженным крутящим моментом. Следует отметить, что в “двухфазное включение“Ток двигателя удваивается, и схема драйвера должна быть рассчитана на подачу тока на две обмотки (резисторы R3, R8).

Схема содержит описанный ранее двунаправленный двойной фазовращатель на D-триггерах (рис. 10). Максимальный ток драйвера задается резистором, подключенным к выводу 13 ИС LMD18245 (резисторы R3, R8) и двоичным кодом на контактах управления током (контакты 8, 7, 6, 4). Формула для расчета максимального тока приведена в спецификации контроллера [2]. Ограничение тока осуществляется импульсным методом. Когда ток достигает максимального установленного значения, он “рубится”. Параметры этого “измельчения” задаются параллельной RC-цепью, подключенной к контакту 3 драйвера. Преимуществом схемы LMD18245 является то, что токопотребляющий резистор, не подключенный непосредственно к цепи двигателя, имеет достаточно большой номинал и низкую рассеиваемую мощность. Для рассматриваемой цепи максимальный ток в амперах, согласно формуле, приведенной в [2], составляет:

VЦАП REF – Опорное напряжение ЦАП (5 В в рассматриваемой схеме);
D – задействованные биты ЦАП (в этом режиме используются все 16 бит);
RS – сопротивление токоограничивающего резистора (R3 = R8 = 10 кОм).

Соответственно, в режиме удержания (поскольку используется 8 бит ЦАП) максимальный ток составит 1 А.

Наконец, следует отметить, что контроллер LMD18245 также позволяет осуществлять микрошаговое управление. Как упоминалось выше, этот режим уменьшает и даже подавляет паразитный резонанс ротора. Этот режим для данного контроллера управляется микропроцессором, который управляет входами ЦАП.

Как видно из этой статьи, шаговыми двигателями управлять сложнее, чем коллекторными, но не настолько, чтобы обойтись без них. Как говорили древние римляне: “Кто идет по дороге, тот идет и по ней”. Конечно, во многих приложениях практичнее управлять шаговыми двигателями с помощью микроконтроллеров, которые могут легко генерировать необходимые команды для контроллеров и выступать в роли переключателей. Дополнительную информацию и более подробные рассуждения о проблемах, связанных с использованием шаговых двигателей, помимо упомянутых выше ссылок [3, 4, 7], можно почерпнуть из классической монографии Кенио Такаши [11] и со специализированных сайтов, например [12].

Есть еще один момент, на который автор хотел бы обратить внимание читателей. Шаговые двигатели, как и все двигатели постоянного тока, являются реверсивными. Что вы имеете в виду? Если к ротору приложить внешнюю вращательную силу, то ЭДС может быть снята с обмотки статора, т.е. двигатель становится генератором, причем очень эффективным. Автор экспериментировал с этим типом применения шагового двигателя, работая консультантом по силовой электронике в компании, занимающейся ветроэнергетикой. Необходимо было проверить некоторые практические решения на простом прототипе. Автор статьи заметил, что КПД шагового двигателя в этом приложении был выше, чем у аналогичного по параметрам и размерам коллекторного двигателя постоянного тока. Но это уже другая история.

На этой фотографии видно, что шаговый двигатель представляет собой два или более электромагнита, которые должны быть включены в определенной последовательности, чтобы привести ротор в движение.
Лирическое отступление: в настоящее время существует два основных типа шаговых двигателей: униполярные и биполярные. Поскольку униполярные двигатели имеют меньший крутящий момент и худшие скоростные характеристики, они не будут рассматриваться в данной публикации.
Давайте вернемся к биполярному управлению двигателем. Это может показаться парадоксальным, но часто легче обсуждать общие принципы на конкретных примерах. В качестве примера возьмем шаговый двигатель ST4118L1804-A компании Nanotec. Почему именно этот двигатель и производитель? Причина проста: основные характеристики этого двигателя типичны для двигателей типоразмера NEMA 17, которые широко используются в хоббистских приложениях и имеют довольно подробную техническую документацию (которая у китайских двигателей noname полностью отсутствует).

Высокоскоростные высоковольтные движения, или почти вся правда об управлении шаговыми двигателями

Доброе утро вам, дорогие гики и сторонники!

В этом посте я хочу поделиться своим опытом контроля. Более точно – шаговое управление. Точнее, я расскажу об управлении замечательным устройством – шаговым двигателем.

Что такое шаговый двигатель? По сути, двигатель можно представить как электродвигатель, в котором каждое вращение вала делится на ряд одинаковых, точно определенных шагов. Перемещаясь на определенное количество шагов, мы можем позиционировать вал шагового двигателя с высокой точностью и хорошей повторяемостью. Каждый шаг может быть разделен на несколько шагов (так называемый микрошаг), что повышает плавность работы двигателя, помогает подавить резонанс и увеличить угловое разрешение. Различия между режимами полного шага (слева), 1/2 микрошага (посередине) и 1/16 микрошага (справа) видны невооруженным глазом:

К сожалению, все вышеперечисленные преимущества достаются ценой значительной сложности схемы управления шаговым двигателем (для простоты будем называть эту схему контроллером).
Теперь рассмотрим схему типичного шагового двигателя:

Это изображение показывает, что шаговый двигатель представляет собой два или более электромагнита, которые должны быть включены в определенной последовательности, чтобы привести ротор в движение.
Лирическое отступление: в настоящее время существует два основных типа шаговых двигателей: униполярные и биполярные. Поскольку униполярные двигатели имеют меньший крутящий момент и худшие скоростные характеристики, они не будут рассматриваться в данной публикации.
Итак, давайте вернемся к биполярному управлению двигателем. Как ни парадоксально, но часто бывает проще обсуждать общие принципы на конкретных примерах. В качестве примера мы будем использовать шаговый двигатель ST4118L1804-A компании Nanotec. Почему именно этот двигатель и производитель? Причина проста: основные характеристики этого двигателя типичны для двигателей размера NEMA 17, широко используемых в хобби-приложениях, и он имеет довольно подробную техническую документацию (что полностью отсутствует в китайских двигателях noname).

Основные характеристики этого двигателя:
Рабочее напряжение 3,15 В
Рабочий ток 1,8 A
Активное сопротивление обмотки составляет 1,75 Ом
Индуктивность обмотки 3,3 мГн
Удерживающий момент 0,5 Нм
Угол продольного наклона 1,8° (200 шагов за оборот ротора)

Самое главное в этом деле – правильная интерпретация данных. Применив закон Ома, мы узнаем, что производитель указал рабочий ток и напряжение для постоянного тока, протекающего через обмотки двигателя, без учета индуктивности.
Проверьте: I = U/R, или 1,8 A = 3,15 В/1,75 Ом. Все складывается.
Какова будет рассеиваемая мощность, если к обмоткам подвести постоянный ток?
Просто: P=I x U, поэтому 1,8 A x 3,15 В = 5,67 Вт. В полушаговом режиме возможно, что ток протекает через обе обмотки двигателя, поэтому рассеиваемая мощность должна быть удвоена: 5,67 Вт x 2 = 11,34 Вт. Это довольно высокое значение и может привести к перегреву двигателя. Это значение также является минимальной мощностью питания для данного двигателя. Типичный 3D-принтер имеет пять таких двигателей, поэтому для питания драйверов требуется минимальная мощность 11,34 Вт x 5 = 56,7 Вт. К этой цифре необходимо добавить электрическую энергию, преобразованную двигателем в кинетическую или потенциальную энергию во время работы принтера. Точно рассчитать эту мощность сложно, на практике самый простой способ – добавить 75% к рассчитанной тепловой мощности и закончить работу. Почему именно 75%? Идея заключается в том, что обычный шаговый двигатель способен выполнять полезную работу примерно на 2/3 от максимальной тепловой мощности. В этом случае, чтобы создать любой блок или устройство, необходимо сначала выбрать соответствующий двигатель (например, крутящий момент), а затем рассчитать источник питания.
Общая мощность источника питания для пяти шаговых двигателей: 56,7 Вт x 1,75 = 99,225 Вт.
Конечно, на практике ни одно любительское устройство не использует двигатели при максимальной нагрузке, и фактическое энергопотребление, скорее всего, будет гораздо ниже рассчитанного значения. Как человек ленивый и скупой, я не люблю делать одно и то же дважды, поэтому всегда беру блок питания с некоторым запасом (т.е. как рассчитано выше).
Теперь пришло время определить минимальное напряжение источника питания. К сожалению, этому параметру уделяется незаслуженно мало внимания в тематических публикациях. Почему этот параметр так важен? Дело в том, что при вращении ротора шагового двигателя через катушки протекает переменный ток, ограниченный не только активным сопротивлением, но и индуктивным сопротивлением обмоток.
Давайте посмотрим на график зависимости крутящего момента нашего двигателя от скорости, представленный производителем:

На графике есть две линии, показывающие зависимость крутящего момента от скорости для 24 В (красная линия) и 48 В (зеленая линия). Легко заметить, что падение крутящего момента начинается примерно с 300 об/мин для 24 В и с 600-700 об/мин для 48 В. Однако важно отметить, что производитель использует дорогие промышленные контроллеры, которые недоступны любителям. Почему напряжение питания драйвера так важно, если даже при питании 12 В оно заведомо выше, чем напряжение питания шагового двигателя (3,15 В)? Дело в том, что шаговый двигатель управляется током, а не напряжением, и все современные драйверы являются источниками тока. В идеале драйвер обеспечивает определенный ток в обмотках двигателя независимо от скорости вращения ротора, нагрузки, изменения температуры или других параметров. Это происходит благодаря действию ШИМ-контроллера, часто управляемого довольно сложными алгоритмами. В технической документации нашего двигателя указано, что для полного оборота ротор должен сделать 200 шагов, что при 300 об/мин дает 60 000 шагов в минуту, или 1000 шагов в секунду. Проще говоря, это соответствует переменному току с частотой 1 кГц. На этой частоте индуктивное сопротивление обмотки будет равно (R(L)=2π×F×L): 2π × 1 кГц x 3,3 мегаом = 20,73 Ом. Какое напряжение необходимо для обеспечения тока 1,8 А через это сопротивление? Закон Ома никогда не спит (U=IR): 1,8 А x 20,73 Ом = 37,31 В. Неудивительно, что выше 300 об/мин происходит падение крутящего момента: контроллеру просто не хватает напряжения питания. При таком явно недостаточном питании (37 – 24 = 13 В), почему крутящий момент не уменьшается на низких скоростях? Дело в том, что в современных контроллерах используется мостовое расположение выходного каскада, что позволяет “удвоить” напряжение, подаваемое на обмотки двигателя. Таким образом, теоретически драйвер способен подать “виртуальные” 48 В на обмотки при напряжении питания 24 В, что дает теоретический запас по напряжению 48 – 37 = 11 В. На практике этот запас будет компенсирован потерями в контроллере, связанных с ним цепях и активном сопротивлении обмоток двигателя (активное сопротивление обмоток всегда присутствует и даже немного увеличивается при нагреве двигателя). При увеличении скорости вращения ротора свыше 300 об/мин частота импульсов пропорционально возрастает, поэтому индуктивное сопротивление обмоток также увеличивается. При питании 24 В напряжение, питающее контроллер, недостаточно для поддержания тока обмотки, и крутящий момент постепенно уменьшается. То же самое происходит, когда на драйвер подается 48 В, но гораздо позже, при 600-700 об/мин.
Теперь, когда с мощностью и номинальным напряжением источника питания все ясно, нам нужно перейти к практической реализации универсального драйвера, способного работать как в филигранном режиме с использованием крошечного NEMA 11, так и в сотрясающем мир режиме с использованием могучего NEMA 23. Итак, каковы ключевые особенности драйвера моей мечты?

1. высокое напряжение питания. Поскольку максимальное напряжение питания редко указывается в технических характеристиках двигателя, лучше ограничиться 48 В.
2. самый важный параметр: высокий выходной ток. NEMA 23 имеет рабочий ток до 3,5 А, и контроллер должен обеспечить этот ток с запасом в 30%. Из простого расчета, максимальный рабочий ток составляет около 4,5 А.
3. простая и быстрая регулировка выходного тока.
4. микропитчинг с шагом не менее 1/8.
5 Наличие защиты от короткого замыкания, перегрева и т.д.
6) Небольшой размер, возможность установки на любой обогреватель.
7 Конструкция выполнена в виде интегральной схемы. Это 21 век!
8. проектирование простых схем с минимальным количеством дискретных компонентов.
9. низкая стоимость.

После много бессонных ночей После многих бессонных ночей и пятиминутного поиска в Google выяснилось, что единственным доступным чипом драйвера с нужными параметрами является TB6600HG. Покупка китайского драйвера с полки на eBay показала, что не все в датском королевстве правильно, совсем наоборот. В частности, китайский драйвер не хотел работать напрямую с выходами Due Arduino и “бегал” только через буферный преобразователь уровня. При работе с трехамперной нагрузкой драйвер перегревался и терял ступени за раз. При вскрытии оказалось, что не только установлен чип предыдущего поколения (TB6560), но даже термопаста не нашла своего места в списке компонентов. Кроме того, размер и вес китайского контроллера заставили меня вспомнить времена моей юности… Точнее, в прошлом веке. К черту, сказал мне интеллигент в третьем поколении, мы сделаем своего водителя, с предпочтениями и поэтами. Если бы разработчики KICAD увидели, как я обращаюсь с их изобретением, я бы разорился на одних только адвокатах:


Четырехслойная печатная плата разработана таким образом, чтобы минимизировать размеры. Этот факт, к сожалению, исключает возможность приготовления его в домашних условиях. Берлинская компания LeitOn заказала 36 таких плат, каждая из которых стоила около пяти евро. Некоторые из этих плат были впоследствии выкуплены у меня коллегами по увлечению, и в итоге это оказалось не очень дорогой затеей. Микросхемы TBB6600HG были заказаны на Aliexpress по цене четыре евро за штуку, остальные компоненты были заказаны на eBay, а цена дискретных компонентов на один драйвер составила два евро. Пятисантиметровые секции U-образного алюминиевого профиля служили теплоотводами, а пластиковые рамы были напечатаны на 3D-принтере. Общая цена за одного водителя составила около 12 евро. Это справедливая цена для драйвера со следующими характеристиками:

Напряжение питания от 8 до 42 В
Максимальный непрерывный рабочий ток 4,5 ампера, регулируемый с помощью потенциометра
Микрошаговая регулировка до 1/16 хода поршня
Защита: короткое замыкание, перегрев, низкое напряжение питания
Компактный размер и легкий вес
Работа с входными уровнями от 3,3 до 5,5 В
Простая настройка микропереключателей – к черту перемычки!

Предварительно собранные печатные платы:

Собранные и несобранные драйверы.

Видеоролик работы драйвера в моем старом 3D-принтере. Здесь трехамперный NEMA 17 энергично прогоняет нагретый блок принтера размером 45 см x 25 см через 16-миллиметровый шпиндель длиной 60 см:

Финальная фотография: самодельные контроллеры на моем рабочем месте на моем новом 3D-принтере.

Опубликовано под лицензией WTFPL

Биполярные шаговые двигатели обычно требуют сложных схем управления. Эта проблема была решена благодаря появлению специализированных ИС (A3977, A4988, L297), которые используются для генерации соответствующих последовательностей импульсов для управления транзисторами в Н-мосте.

Управление двухфазным шаговым двигателем

Гораздо лучшей альтернативой однофазному управлению было бы двухфазное управление, которое управляет двумя из четырех обмоток шагового двигателя. При таком управлении используется 1/2 всех обмоток. В этом случае двигатель будет работать более эффективно.

Вращение двигателя с двухфазным всеступенчатым управлением

Обе катушки шагового двигателя всегда находятся под напряжением. И снова, никогда не подавайте напряжение на две катушки из одной пары одновременно. При каждом импульсе от генератора переключается только одна катушка из каждой пары (соединенных последовательно). В первом цикле катушки A и B находятся под напряжением, во втором цикле катушка A все еще находится под напряжением, а катушка B переключается на B+, в третьем цикле катушка B+ находится под напряжением со второго цикла, а катушка A переключается на A+ и т.д.

Последовательность импульсов двухфазного управления

Формы сигналов A + и B + смещены друг относительно друга (в данном цикле всегда работают две из четырех обмоток), а сигналы A + и B- инвертированы сигналами A + и B +. Эти формы сигнала (сдвинутые относительно друг друга) можно легко сгенерировать, например, с помощью ИС 4013, которая имеет два D-триггера. Также можно использовать микроконтроллер. Изменение направления вращения в таком контроллере, как и в однофазном (волновом) управлении, может быть выполнено путем изменения направления проводов одной пары клемм катушки (изменение с A + на A – и A – на A +). Наиболее распространенным способом изменения скорости является изменение логики последовательности управляющих импульсов. Это можно сделать, например, с помощью логических элементов XOR, которые будут отрицать сигналы (инвертировать их).

Упрощенная схема двухфазного контроллера с инвертированным направлением вращения, D-триггерами для создания сигналов сдвига и логическими воротами XOR

И однофазное (форма сигнала), и двухфазное (инвертированные сигналы, управляющие транзисторами) управление выше – это просто однополярное управление, потому что мы используем однополярные шаговые двигатели с дополнительными отводами обмотки. Также в биполярных шаговых двигателях, где работает вся обмотка, мы встречаем униполярное и биполярное управление, там идея работы схожа.

Также стоит упомянуть о двигателях VR (реактивное сопротивление). Двигатели VR обычно имеют три обмотки. Для управления этим типом двигателя необходимо подавать питание на определенные обмотки в последовательности A, B, C, A, B, C. Это заставит двигатель вращаться в одном направлении, в то время как порядок подачи обмоток A, C, B заставит его вращаться в противоположном направлении. Самый простой способ изменить направление – поменять местами концы двух обмоток шагового двигателя VR, а самый простой способ сделать это – использовать реле.

Упрощенная схема драйвера для резистивного шагового двигателя

Последовательность импульсов управления шаговым двигателем

Последовательность импульсов в контроллере реактивного шагового двигателя очень похожа на управление по форме волны.

Биполярное управление обеспечивает более эффективное использование шагового двигателя, при этом вся обмотка шагового двигателя всегда работает, что дает гораздо лучшую производительность на низких и средних скоростях. Крутящий момент выше на 30-40%. Однако для этого необходимо изменить полярность питания катушек, изменив направление тока в обмотках (например, поменяв местами концы катушек). Для этого используются два H-моста (название происходит от сходства с буквой H на схеме), которые состоят из двух ветвей, каждая из которых состоит из двух транзисторов. Чаще всего для построения такого моста используются биполярные транзисторы NPN или MOSFET N.

Биполярный драйвер требует более сложного управления из-за того, что каждый из восьми транзисторов должен управляться индивидуально. Взамен мы получаем все возможности шагового двигателя, хотя реализация этого типа управления не самая простая.

Принцип работы этого моста заключается в том, что если верхний транзистор проводит в одной ветви, а нижний транзистор – в другой, и наоборот, то через катушку шагового двигателя будет протекать ток. Если два верхних транзистора или два нижних транзистора проводят одновременно в двух ветвях одного моста, ток через катушку протекать не будет. При соответствующем управлении транзисторами направление тока, протекающего через катушку, меняется на противоположное, тем самым меняя полярность катушки.

Также в биполярных регуляторах мы имеем дело с однофазным (волновым) и двухфазным управлением. Оба регулятора являются полноступенчатыми регуляторами. При однофазном управлении, как в однополярных шаговых двигателях, в следующем цикле подается напряжение только на одну катушку,

Вращение биполярного шагового двигателя в последовательных тактах однофазного (волнового) цикла управления

Вращение биполярного шагового двигателя в последовательных тактах двухфазного цикла управления

Упрощенная схема управления биполярными двигателями с транзисторными Н-мостами

Форма импульсов, подаваемых на катушки, идентична униполярному двигателю, но в этом случае на транзисторы подается не четыре сигнала, а восемь сигналов на восемь транзисторов. Каждый из них должен управляться индивидуально путем переключения соответствующих транзисторов в нужное время. Ток течет через катушку, когда один верхний транзистор и один нижний транзистор переключены “крест-накрест”, то есть 1 и 3 на схеме, остальные 2 и 4 в катушке A шагового двигателя закорочены. Но когда вы выключаете 1 и 3 и включаете 2 и 4, направление тока в катушке меняется на противоположное.

Мы переключаем транзисторы “крест-накрест” в катушках A и B. Напряжение питания катушки устанавливается как при униполярном управлении, но транзистор “земля” подключается крест-накрест к подключенному к нему верхнему силовому транзистору. Мы можем, если нам нужно, изменить скорость, изменив управление двумя концами одной катушки, что приведет к другой последовательности импульсов. Самый простой способ – использовать реле, как при однополярном управлении, сигналы управления транзисторами также могут быть обратными.

Управление прыжковой катушкой в шаговом двигателе с биполярной волной

Для понимания можно сказать, что диаграмма представляет собой питание проводов биполярного шагового двигателя, то есть высокое состояние означает напряжение на данном проводе (A +, B +, A -, B -), а низкое состояние означает появление земли на отдельных проводах в данном цикле. Здесь мы меняем направление тока в катушках, в первом импульсе (в первом цикле) от генератора A + подается земля A, а в третьем A – подается земля A +, меняя “полярность” подачи так, что полярность катушек меняется, например, N на S.

В реальности форма управляющих сигналов, подаваемых на транзисторы в Н-мосте, будет выглядеть так, как показано на схеме ниже. Это однофазное биполярное (волновое) управление.

Последовательность управления транзисторами в биполярном волновом управлении

Идея управления катушками биполярного биполярного двигателя аналогична управлению униполярным биполярным шаговым двигателем. Опять же, каждый транзистор должен управляться отдельно, как при биполярном волновом управлении. Мы можем изменять скорость на реле, как в волновом управлении, или использовать логические вентили, которые изменяют сигналы.

Ход катушки управления в биполярном управлении двигателем

Эта схема, когда речь идет об управлении биполярными сигналами, показывает соответствующее питание для биполярных выводов шагового двигателя. Низкое состояние указывает на основное высокое напряжение, питающее катушку. В первом цикле заземляющие провода A – и B- A + и B + находятся под напряжением, во втором цикле заземляющие провода A – и B + A + и B- находятся под напряжением и так далее.

Последовательность импульсов, управляющих транзисторами, будет выглядеть примерно так:

Последовательность управления транзисторами в биполярном биполярном драйвере

Биполярные шаговые двигатели обычно требуют сложной схемы управления. Эта проблема была решена благодаря появлению специализированных ИС (A3977, A4988, L297), которые используются для генерации соответствующей последовательности импульсов, управляющих транзисторами в Н-мосте.

Для генерации такой последовательности мы также можем использовать логические элементы или D-триггеры, но более распространены контроллеры, построенные на микроконтроллерах или специализированных ИС.

Самым большим преимуществом биполярного управления шаговым двигателем является хорошо используемый крутящий момент, благодаря тому, что вся обмотка после получения импульса (в течение одного цикла) находится в текущем состоянии.

Двигатели PM (с постоянными магнитами) и HB (гибридные), несмотря на разную конструкцию, управляются одинаково. Любой двигатель с 4 контактами может управляться только биполярно, в то время как униполярный шаговый двигатель с 6 контактами может работать как биполярно, так и униполярно.

Двигатели с 8 выводами дают гораздо больше возможностей, они могут работать как однополярно, так и биполярно. В качестве альтернативы шаговый двигатель может быть соединен последовательно, при этом вам потребуется подать на него более высокое напряжение, но при этом он будет потреблять меньший ток, что приведет к снижению мощности на высоких скоростях.

Мы также можем соединить их параллельно и подавать на них более низкое напряжение, но более высокий ток. Это обеспечит меньшие потери мощности на высоких скоростях. На низких скоростях, независимо от того, соединены ли двигатели последовательно или параллельно, они будут иметь одинаковый крутящий момент (мощность).

Диаграмма последовательного и параллельного подключения 8-проводного шагового двигателя

Идея последовательного и параллельного соединения может быть использована и для 6-проводного униполярного двигателя.

Схема последовательного и параллельного подключения 6-проводного шагового двигателя

Обратите внимание, что при управлении шаговым двигателем мы переключаем обмотки, обладающие некоторой индуктивностью. Когда ток в индуктивности прерывается, возникает напряжение самоиндукции, которое может быть большим и повредить транзистор. Чтобы избежать этого явления, необходимо обеспечить протекание тока в индукторе даже при выключенном транзисторе. Наиболее распространенными являются быстрые диоды, которые отсекают пики, создаваемые при открытии транзистора. Вы также можете найти драйверы с конденсаторами вместо диодов.

Схема подключения диода для драйвера униполярного биполярного транзистора

Верхние диоды в схеме отсекают положительные импульсы, генерируемые током, отключаемым от катушек шагового двигателя. С другой стороны, нижние диоды также необходимы, поскольку две обмотки одной пары образуют автотрансформатор. Когда одна катушка имеет положительный импульс, отсекаемый верхним диодом, другая катушка из той же пары имеет отрицательный импульс, отсекаемый нижним диодом.

Для MOSFET-транзисторов ситуация иная, поскольку этот транзистор уже имеет в своей структуре переход сток-исток, который в данном случае выступает в роли диода. Если используются небольшие двигатели, верхние диоды можно не устанавливать. Положительная выходная энергия не очень велика и может быть поглощена транзистором, который кратковременно работает в разрешенном режиме лавинного пробоя и действует как стабилитрон.

Схема униполярного шагового двигателя с МОП-транзисторами

Этот же принцип применим и к биполярному управлению. При использовании транзисторов MOSFET мы можем использовать встроенные в транзистор “диоды”.

Схема использования диодов в биполярных контроллерах

Принципиальная схема биполярного шагового двигателя с МОП-транзисторами

Стоит также упомянуть об инерции обмоток, которая ограничивает скорость нарастания тока. Каждая катушка шагового двигателя имеет определенную индуктивность L и сопротивление R. При подаче напряжения на катушку ток I определяется напряжением питания катушки (VCC) и ее сопротивлением, т.е. I = VCC / R. Он не сразу достигает значения, определяемого L иR. Ток нарастает постепенно, и постоянная времени нарастания равна T = L / R. Обычно это 10 мс, поэтому для обеспечения длительности импульса высокого состояния 10 мс для достижения катушкой полного тока требуется период квадратной волны 20 мс или 50 Гц.

На низких частотах (скоростях) это не имеет значения, но на более высоких частотах ток не успеет вырасти до необходимого значения. Следовательно, двигатель теряет много крутящего момента на более высоких скоростях, потому что ток не успевает подняться до номинального тока двигателя.

Лучшим решением этой проблемы является подача на двигатель напряжения, значительно превышающего номинальное напряжение двигателя. Из-за более высокого напряжения ток нарастает быстрее. Однако для этого требуется специальная схема для ограничения тока, протекающего через обмотки.

Другие решения включают использование резистора, который выбирается таким образом, чтобы ток в установившемся режиме был равен номинальному току двигателя. Недостатком такой схемы является высокая потеря мощности в резисторе.

Схема использования резистора для ограничения тока в обмотках шагового двигателя

Другое решение – заменить резисторы источником тока, который будет поддерживать заданное значение. Сначала на катушку подается высокое напряжение для ускорения нарастания тока, а затем источник поддерживает заданное значение тока катушки. Правда, потеря мощности по-прежнему является большим недостатком, на этот раз для транзисторов, из-за высокого напряжения питания.

Диаграмма использования источника тока для ограничения тока в обмотках шагового двигателя

Другой способ – работать от двух источников питания. В первые моменты импульса на катушку подается повышенное напряжение, что ускоряет нарастание тока, затем она переключается на второй источник с номинальным напряжением питания шагового двигателя.

Недостатком этого решения является необходимость в двух источниках, что предполагает использование дополнительных инверторов. В приведенной ниже схеме переключатели используются для иллюстрации идеи переключения источников напряжения.

Упрощенная схема использования двух источников питания для управления током в обмотках шагового двигателя

Наиболее эффективным методом является метод измельчения. Он заключается в подаче на обмотку двигателя не одиночных импульсов, а серии импульсов, по форме напоминающих ШИМ-сигнал. В первый момент импульса от генератора подается более высокое напряжение, что ускоряет нарастание тока, в дальнейшем оно ограничивается циклической работой транзистора.

Принципиальная схема биполярного контроллера с чопперной технологией

Форма волны чоппера для управления транзистором

Напомним, что в первые моменты управляющего импульса мы выбрасываем включенный транзистор, что позволяет току расти быстрее, благодаря гораздо более высокому напряжению VCC, чем номинальное напряжение двигателя. В последующие моменты импульса мы значительно укорачиваем транзистор, он циклирует и таким образом ограничивает напряжение до номинального рабочего напряжения шагового двигателя. Когда сигнал управления транзистором должен быть переключен с постоянного на прерывистый, решает компаратор, который сравнивает напряжения. Это позволяет регулировать ток, подаваемый на катушку шагового двигателя.

Схема использования компаратора в биполярном драйвере

Эта схема очень эффективна и позволяет регулировать ток катушки независимо от напряжения питания, изменяя напряжение Vs.

Напряжение питания катушки VCC намного выше рабочего напряжения обмотки, в результате чего ток достигает своего рабочего значения намного быстрее при включении транзистора, за время, намного меньшее, чем постоянная времени L/R. При достижении порогового значения (заданного величиной Vs) компаратор сравнивает падение напряжения на управляющем резисторе Rs с напряжением Vs. Если ток двигателя и, следовательно, падение напряжения на Rs становится выше напряжения Vs, компаратор запускает моностабильный триггер, который выдает один импульс и кратковременно отключает напряжение питания катушки, вызывая уменьшение тока, после чего цикл повторяется с начала.

Это заставляет компаратор и триггер циклически открывать и закрывать транзистор, предотвращая повышение напряжения на катушке до напряжения питания VCC. При включении транзистора напряжение, подаваемое на катушку шагового двигателя, ограничивается. В этом случае ток имеет пилообразную форму. Диаграмма тока в катушке прерывателя показана ниже.

Диаграмма импульсов тока в обмотке

Этот прерывистый сигнал управления катушкой позволяет увеличить крутящий момент шагового двигателя, особенно на высоких скоростях. Конечно, потребуется еще более умная система управления (эта проблема была решена с появлением встроенных драйверов шаговых двигателей и микроконтроллеров), но это позволяет ускорить рост тока, подавая гораздо более высокое напряжение на более высокой частоте от генератора, без больших потерь мощности или использования двух разных источников питания. Здесь требуется только один источник питания с относительно высоким напряжением.

Очень хорошей альтернативой, особенно если драйверу не нужны специальные функции, является использование готовых ИС драйверов шаговых двигателей. Многие производители предлагают широкий спектр специализированных ИС, предназначенных специально для управления шаговыми двигателями.

Обмотки шагового двигателя обычно управляются ШИМ-сигналом через Н-мосты, по одному на обмотку. Угол поворота пропорционален количеству импульсов, а скорость вращения – их частоте. При работе на полных шагах наблюдается довольно сильный шум и вибрация. К сожалению, известны также случаи пропуска этапов (“выхода из игры”) и последующей потери контроля над положением ротора. Эта проблема решается с помощью микрошагов, подающих обмотки таким образом, что ротор проходит промежуточные положения за один полный шаг.

Если для быстрой остановки двигателя требуется больше шагов, важно правильно подобрать условия перехода и остановки. В этом случае желательно управление с обратной связью, в отличие от абсолютного позиционирования с обратной связью, основанного на подсчете шагов. Имеется адаптивное управление скоростью шагового двигателя, позволяющее ему останавливаться как можно быстрее, несмотря на любое увеличение нагрузки на этом этапе.

Это возможно на основании наблюдения за увеличением BENF и соответствующего увеличения частоты импульсов, питающих двигатель. Приведенный выше алгоритм реализован в интегрированном одночиповом контроллере AMIS-30624 и настроен для работы с различными типами шаговых двигателей, диапазонами позиционирования и такими параметрами, как скорость, ускорение и замедление.

Принципиальная схема AMIS-30624

Он имеет встроенный бессенсорный детектор потери шага, который предотвращает потерю шагов позиционером и быстро останавливает двигатель при остановке. Это обеспечивает тихую, но точную калибровку во время эталонного прогона и позволяет работать в полузамкнутом цикле. AMIS-30624 включает в себя как высоковольтные аналоговые схемы, так и цифровые блоки управления. Схема предназначена для автомобильного, промышленного и строительного применения.

Форум по шаговым двигателям CONTROL

Почему электрические провода нагреваются, откуда берется тепло и сколько энергии теряется через сопротивление?

Узнайте о различных типах датчиков приближения и объектах, которые они могут обнаружить.

Умный резервный светодиодный источник света – простая схема для автоматического включения светодиодных ламп.

Схема и монтаж самодельного усилителя НЧ на основе схем TDA7379, TDA7375, TDA7377 или STA540.

Теперь перейдем к рассмотрению конструкции вала.

Закрытые и открытые системы

Системы позиционирования осей позволяют интеллектуальным контроллерам позиционировать машины с исключительной точностью. Дается команда переместиться в нужную точку трехмерного пространства, и машина реагирует очень быстро и точно.

Системы позиционирования обычно используют один из двух подходов: системы с замкнутым контуром и системы с открытым контуром. В чем же разница между этими двумя подходами к позиционированию?

В замкнутых системах обычно используются серводвигатели для управления скоростью и положением подвижной оси. Серводвигатели работают как любой другой обычный двигатель; когда к ним подается питание, они вращаются. Это вращение является непрерывным и плавным. Назначение серводвигателя заключается не только в управлении двигателем, но и в точном контроле его скорости.

Помимо скорости, в системе с замкнутым контуром необходима обратная связь по положению. Обычно это обеспечивается энкодером или линейной шкалой. Обратная связь по положению с контроллером машины позволяет машине быстро двигаться к месту назначения, а затем плавно замедляться до остановки в месте назначения.

Системы с разомкнутым контуром не имеют устройства обратной связи для управления скоростью или положением. Вместо этого расстояние, которое необходимо пройти от текущего местоположения, делится системой управления машины на несколько точных шагов определенного размера. Система управления также определяет оптимальную кривую скорости системы на основе заранее заданных параметров. Затем команды передаются на шаговый двигатель в виде импульсов. Работа драйвера шагового двигателя заключается в преобразовании командных импульсов в фактические шаги привода двигателя, а затем шаговые двигатели перемещаются по этим шагам для достижения желаемого результата.

Шаговые двигатели с постоянными магнитами состоят из: ротора с постоянными магнитами, обмоток и магнита статора. Возбужденные обмотки образуют северный и южный магнитные полюса, как показано на рисунке. Движущееся магнитное поле статора заставляет ротор постоянно следовать за ним. Это вращающееся магнитное поле можно контролировать, управляя последовательным возбуждением катушек статора, которые приводят в движение ротор.

Управление шаговым двигателем

Электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическую, а в случае шагового двигателя они преобразуют энергию электрических импульсов во вращательное движение ротора. Движение, генерируемое действием каждого импульса, начинается и повторяется с высокой точностью, что делает шаговые двигатели эффективными приводами для устройств, требующих точного позиционирования.

Управление шаговым двигателем

Шаговые двигатели с постоянными магнитами состоят из: ротора с постоянными магнитами, обмоток и магнита статора. Возбужденные обмотки образуют северный и южный магнитные полюса, как показано на рисунке. Движущееся магнитное поле статора заставляет ротор постоянно следовать за ним. Это вращающееся магнитное поле можно контролировать, управляя последовательным возбуждением катушек статора, которые приводят в движение ротор.

На схеме показан типичный способ возбуждения двухфазного двигателя. В фазе А возбуждаются обе обмотки статора, что притягивает и фиксирует ротор, так как противоположные магнитные полюса притягиваются друг к другу. Когда обмотки фазы А выключены, обмотки фазы В включены, и ротор вращается по часовой стрелке (CW, CCW) на 90°.

Схема типичного метода возбуждения двухфазного шагового двигателя

Затем фаза B отключается, а фаза A включается, но полюса теперь противоположны тем, что были в начале. Это вызывает еще один поворот на 90°. Затем фаза А отключается, а фаза В включается с обратной полярностью. Повторение этих действий приводит к повороту ротора по часовой стрелке с шагом 90°.

Управление шаговым двигателем с одной активной фазой

Ступенчатое управление, показанное на рисунке, называется однофазным активным управлением. Более подходящим методом ступенчатого регулирования является двухфазное регулирование, при котором обе фазы двигателя всегда включены, но полярность в одной из них обратная, как показано на рисунке.

Это управление заставляет ротор шагового двигателя двигаться, выравниваясь с каждым шагом по центру северного и южного полюсов, образованных между выступами магнитопровода. Поскольку обе фазы всегда включены, этот метод управления дает на 41,4% больше крутящего момента, чем однофазное управление, но требует вдвое больше электроэнергии.

Полушаговое управление

Шаговый двигатель также может быть “полушаговым”, в этом случае при переходе между фазами добавляется ступень отсечки. Это делит угол хода пополам. Например, вместо 90° шаговый двигатель может выполнять поворот на 45° за каждый “полушаг”, как показано на рисунке.

Однако полушаговый режим вносит потери крутящего момента на 15-30% по сравнению с шаговым управлением с двумя активными фазами, поскольку одна из обмоток неактивна во время полушага, что приводит к потере электромагнитной силы, действующей на ротор, т.е. к чистой потере крутящего момента.

Двухфазное ступенчатое управление требует наличия двухполюсной обмотки на статоре. Каждая фаза имеет свою обмотку, и при изменении направления тока через обмотки электромагнитные полюса также меняются. Выходной каскад типичного двухфазного регулятора показан на рисунке. Схема управления показана в таблице. Видно, что, изменяя направление тока в обмотках, можно изменить и магнитную полярность в фазах.

Другим типичным типом обмотки является однополюсная обмотка. Здесь обмотки разделены на две части и при подаче напряжения на одну часть обмотки образуется северный полюс, а при подаче напряжения на другую часть – южный полюс. Такая схема называется однополярной обмоткой, поскольку электрическая полярность, отвечающая за протекание тока, никогда не меняется на противоположную. Этапы управления показаны на рисунке.

Такая конструкция позволяет использовать более простой электронный блок. Однако по сравнению с биполярной обмоткой здесь теряется почти 30% крутящего момента, поскольку в катушках вдвое меньше провода, чем в биполярной обмотке.

Различные углы наклона

Для достижения меньших углов наклона необходимо использовать больше полюсов как на роторе, так и на статоре. Ротор для 7,5° имеет 12 пар полюсов, а катушка статора – 12 выводов. Две клеммы на катушку и две обмотки.

Это дает 48 полюсов на каждые 7,5° шага. На рисунке показаны 4 полюсных выступа в разрезе. Конечно, можно комбинировать шаги для достижения больших перемещений, например, шесть шагов по 7,5° повернут ротор на 45°.

Точность шаговых двигателей составляет 6-7% на шаг (без накопления). Шаговый двигатель с шагом 7,5° всегда будет находиться в пределах 0,5° от теоретически предсказанного положения, независимо от количества шагов. Ошибка не накапливается, поскольку механически каждые 360° повторяются пошагово. Без нагрузки физическое положение полюсов статора и ротора относительно друг друга будет все время одинаковым.

Управление шаговым двигателем

Шаговые двигатели имеют свою собственную резонансную частоту, поскольку они являются системами, подобными грузу на пружине. Когда частота шага совпадает с собственной резонансной частотой двигателя, слышен шум, создаваемый двигателем, и вибрация также увеличивается.

Точка резонанса зависит от применения двигателя и его нагрузки, но обычно резонансная частота лежит в диапазоне от 70 до 120 шагов в секунду. В худшем случае двигатель потеряет точность управления, если попадет в резонанс.

Простой способ избежать проблем с резонансом в системе – изменять частоту шага вдали от точки резонанса. В полушаговом или микрошаговом режиме величина проблемы резонанса уменьшается, поскольку точка резонанса удаляется все дальше и дальше от точки резонанса по мере увеличения скорости.

Вращающий момент шагового двигателя зависит от: скорости шагового двигателя, тока обмотки статора, типа двигателя. Мощность данного шагового двигателя также связана с этими тремя факторами. Вращающий момент шагового двигателя представляет собой сумму момента трения и момента инерции.

Момент трения в граммах на сантиметр – это сила, необходимая для перемещения груза весом в определенное количество граммов при плече рычага в 1 см. Обратите внимание, что противоположная ЭДС в двигателе, т.е. напряжение, создаваемое двигателем, увеличивается с увеличением скорости вращения двигателя. Это ограничивает ток в обмотках статора и снижает крутящий момент.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

42 Кузнецов В.Г. Приводы станков с программным управлением. – Москва: Машиностроение, 1983.

Как управлять шаговым двигателем.

Шаговые двигатели давно и успешно используются во многих различных устройствах. Их можно найти в дисководах, принтерах, плоттерах, сканерах, факсах и многих других промышленных и специализированных устройствах. В настоящее время доступно множество различных типов шаговых двигателей для решения любых задач. Однако выбор правильного типа двигателя – это половина успеха. Не менее важным является выбор правильной схемы контроллера и алгоритма, который часто определяется программой микроконтроллера. Цель данной статьи – систематизировать информацию о конструкции шаговых двигателей, методах управления, схемах и алгоритмах драйверов. Вот пример практической реализации простого и дешевого драйвера шагового двигателя на базе микроконтроллера AVR

Что такое шаговый двигатель и зачем он нужен?

Шаговый двигатель – это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические движения. Возможно, это хороший способ определить его. Все, наверное, видели, как выглядит шаговый двигатель снаружи: он почти неотличим от других типов двигателей. Обычно он состоит из круглого корпуса, вала и нескольких проводов (рис. 1).

Шаговые двигатели Рис. 1

Рис. 1. Внешний вид шаговых двигателей семейства DSHI-200.

Однако шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, которые делают их иногда чрезвычайно удобными в использовании или даже незаменимыми.

Что делает шаговый двигатель хорошим?

Угол поворота ротора определяется количеством импульсов, которые подаются на двигатель для обеспечения полного крутящего момента в режиме останова (если обмотки питаются), точного позиционирования и повторяемости. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от значения шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу возможность быстрого запуска/остановки/реверса высокая надежность благодаря отсутствию щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников однозначная зависимость входных импульсов от положения обеспечивает позиционирование без обратной связи возможность очень низкой скорости для нагрузок, подключенных непосредственно к валу двигателя без промежуточной передачи довольно большой диапазон скоростей может быть охвачен, скорость двигателя может быть адаптирована к требуемой скорости. Но не все так хорошо, как кажется.

Что выбрать?

Шаговые двигатели относятся к классу бесщеточных двигателей постоянного тока. Как и все бесщеточные двигатели, они отличаются высокой надежностью и длительным сроком службы, что позволяет использовать их в критически важных областях применения, например, в промышленности. По сравнению с обычными двигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют гораздо более сложных схем управления, которые должны выполнять все переключения обмоток при запуске двигателя. Кроме того, шаговый двигатель сам по себе является дорогостоящим оборудованием, поэтому там, где не требуется точное позиционирование, традиционные коллекторные двигатели имеют явное преимущество. Справедливости ради следует отметить, что в настоящее время все чаще используются контроллеры для управления коллекторными двигателями, которые почти так же сложны, как контроллеры шаговых двигателей.

Одним из основных преимуществ шаговых двигателей является то, что они могут выполнять точное позиционирование и регулирование скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, поскольку такие датчики могут стоить гораздо дороже самого двигателя. Однако это подходит только для систем, работающих при низком ускорении и при относительно постоянной нагрузке. С другой стороны, системы с обратной связью способны работать при высоких ускорениях и даже при переменных характеристиках нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превышает его крутящий момент, информация о положении ротора теряется, и система должна поддерживаться, например, концевым выключателем или другим датчиком. Системы с обратной связью лишены этого недостатка.

Выбор между серводвигателем и шаговым двигателем должен быть сделан при проектировании конкретной системы. Если требуется точное позиционирование и точное управление скоростью, а требуемые крутящий момент и скорость находятся в допустимых пределах, шаговый двигатель является наиболее экономичным решением. Как и в случае с обычными двигателями, для увеличения крутящего момента можно использовать понижающий редуктор. Однако для шаговых двигателей понижающая передача не всегда подходит. В отличие от коллекторных двигателей, где крутящий момент увеличивается с ростом скорости, шаговый двигатель имеет больший крутящий момент на более низких скоростях. Кроме того, шаговые двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость, чем коллекторные, что ограничивает максимальное передаточное число и, следовательно, увеличение крутящего момента с помощью редуктора. Готовые шаговые двигатели с шестернями, хотя они и существуют, являются экзотической конструкцией. Еще одним фактом, ограничивающим использование редукторов, является присущий им люфт.

Возможность достижения низких скоростей часто является причиной того, что строители, не имея возможности спроектировать редуктор, неоправданно используют шаговые двигатели. В то же время коллекторный двигатель обладает более высокой удельной мощностью, низкой стоимостью, простой системой управления и вместе с одноступенчатым червячным редуктором может обеспечить тот же диапазон скоростей, что и шаговый двигатель. Кроме того, обеспечивается значительно больший крутящий момент. Коллекторные приводы часто используются в военных приложениях, что косвенно подтверждает их хорошую производительность и высокую надежность. А в современной бытовой технике, автомобилях, промышленном оборудовании коллекторные двигатели распространены довольно широко. Тем не менее, для шаговых двигателей существует свой, хотя и довольно узкий, круг применений, в которых они незаменимы.

Типы шаговых двигателей

Существует три основных типа шаговых двигателей:

Тип двигателя можно определить даже на ощупь: когда обесточенный (или гибридный) двигатель с постоянными магнитами вращает свой вал, чувствуется переменное сопротивление вращению; двигатель вращается как будто со щелчком. В отличие от этого, вал обесточенного двигателя с переменным магнитным сопротивлением вращается свободно. Гибридные двигатели являются развитием двигателей с постоянными магнитами и не отличаются от них по управлению. Тип двигателя также можно определить по конфигурации обмотки. Двигатели с переменными магнитами обычно имеют три (редко четыре) обмотки с одной общей клеммой. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки. Эти обмотки могут иметь отводы от центра. Иногда двигатели с постоянными магнитами имеют четыре отдельные обмотки.

В шаговом двигателе крутящий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые ориентированы относительно друг друга соответственно. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс можно определить как определенную область намагниченного тела, в которой сосредоточено магнитное поле. Полюса имеют как статор, так и ротор. Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, магнитные цепи собираются из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Крутящий момент пропорционален величине магнитного поля, которое пропорционально току в обмотке и числу витков. Поэтому крутящий момент зависит от параметров обмотки. Если хотя бы на одну обмотку шагового двигателя подается напряжение, ротор принимает определенное положение. Он будет оставаться в этом положении до тех пор, пока внешний крутящий момент не превысит определенное значение, называемое моментом удержания. Затем ротор будет вращаться и попытается принять одно из следующих положений равновесия.

Двигатели с переменным редуктором

Шаговые двигатели с переменным сопротивлением имеют несколько полюсов в статоре и зубчатый ротор из магнитомягкого материала (Рисунок 2). Ротор не намагничен. Для простоты на рисунке ротор имеет 4 зуба, а статор – 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана на два противоположных полюса статора. Наклон этого двигателя составляет 30°.

Рисунок 2: Двигатель с переменным магнитным сопротивлением.

Когда одна из катушек находится под напряжением, ротор будет стремиться занять положение, при котором магнитный поток замкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив полюсов катушки, находящейся под напряжением. Если выключить эту катушку и включить другую, ротор изменит положение, снова замыкая магнитный поток своими зубцами. Поэтому, чтобы вращение было непрерывным, фазы должны включаться поочередно. Двигатель не чувствителен к направлению тока в обмотках. Настоящий двигатель может иметь больше полюсов статора и больше зубцов ротора, что соответствует большему количеству шагов на оборот. Иногда поверхность каждого полюса статора зубчатая, что в сочетании с соответствующими зубцами ротора обеспечивает очень малую величину шага, порядка нескольких градусов. Двигатели с переменными магнитами редко используются в промышленных приложениях.

Двигатели с постоянными магнитами

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора с обмотками и ротора с постоянными магнитами (Рисунок 3). Чередующиеся полюса ротора прямолинейны и параллельны оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора эти двигатели имеют более высокий магнитный поток и, следовательно, более высокий крутящий момент, чем двигатели с переменным магнитным сопротивлением.

Рисунок 3: Двигатель с постоянным магнитом.

Показанный здесь двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Двигатель имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на два противоположных полюса статора. Этот двигатель, как и двигатель с переменным магнитом, рассмотренный ранее, имеет угол поворота 30 градусов. Когда на одну из катушек подается напряжение, ротор стремится занять положение, при котором полюса ротора и статора находятся напротив друг друга. Для достижения непрерывного вращения необходимо попеременное переключение фаз. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно рассчитаны на 48 – 24 шага на оборот (шаг 7,5 – 15 градусов).

Вид в поперечном сечении реального шагового двигателя с постоянными магнитами показан на рисунке 4.

Рисунок 4: Вид в поперечном сечении шагового двигателя с постоянными магнитами.

Для снижения стоимости изготовления двигателя магнитопровод статора выполнен в виде прессованного стакана. Внутри находятся шесты в виде пластин. Фазные обмотки расположены на двух разных магнитопроводах, которые установлены один на другой. Ротор представляет собой цилиндрический многополюсный постоянный магнит.

На двигатели с постоянными магнитами действует обратная ЭДС со стороны ротора, которая ограничивает максимальную скорость. Двигатели с переменным магнитом используются для высоких скоростей.

Гибридные двигатели дороже, чем двигатели с постоянными магнитами, но они способны обеспечить меньший ход, больший крутящий момент и более высокую скорость. Типичное количество шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (ход 3,6° – 0,9°). Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие характеристики двигателей с переменными магнитами и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного двигателя имеет зубья, расположенные в осевом направлении (Рисунок 5).

Рисунок 5: Гибридный двигатель.

Ротор разделен на две части, между которыми находится цилиндрический постоянный магнит. Зубья верхней половины ротора являются северными полюсами, а зубья нижней половины – южными полюсами. Кроме того, верхняя и нижняя половины ротора поворачиваются относительно друг друга на половину угла наклона зубьев. Количество пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из половинок ротора. Полюса ротора, как и статора, собираются из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, что обеспечивает большое количество альтернативных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно 4 главных полюса используются для двигателей 3,6°, а 8 главных полюсов – для двигателей 1,8° и 0,9°. Зубья ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический крутящий момент. Это обеспечивается подходящим расположением зубьев, при котором некоторые зубья ротора находятся точно напротив зубьев статора, а некоторые – между ними. Соотношение между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора и числом фаз определяет угол продольного наклона двигателя S:

S = 360/(Nph*Ph) = 360/N,

где Nph – число эквивалентных полюсов на фазу = число полюсов ротора,
Ph – количество фаз,
N – общее количество полюсов для всех фаз вместе.

Ротор двигателя, показанного на рисунке, имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель имеет 2 фазы, поэтому общее число полюсов равно 200, а шаг соответственно 1,8 градуса.

Продольное сечение гибридного шагового двигателя показано на рис. 6. Стрелками показано направление потока постоянного магнита в роторе. Часть потока (обозначенная черной линией на рисунке) проходит через полюсные наконечники ротора, воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании крутящего момента.

Рисунок 6: Продольное сечение гибридного шагового двигателя.

Как видно из рисунка, воздушные зазоры на верхнем и нижнем концах ротора отличаются. Это достигается путем вращения концов полюса на половину шага зубьев. Поэтому существует еще одна магнитная цепь, которая содержит минимально возможные воздушные зазоры и, следовательно, имеет минимально возможное магнитное сопротивление. Этот контур охватывает другую часть потока (обозначенную на рисунке пунктирной белой линией), которая создает крутящий момент. Эта часть схемы лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку, поэтому она не показана. Катушки статора создают магнитный поток в одной плоскости. В гибридном двигателе этот поток частично замыкается полюсами ротора, и постоянный магнит “видит” его слабо. Поэтому, в отличие от двигателей постоянного тока, магнит гибридного двигателя не может быть размагничен при любом значении тока обмотки.

Зазор между зубьями ротора и статора очень мал, обычно 0,1 мм. Это требует высокой степени точности при сборке, поэтому шаговый двигатель не следует разбирать для удовлетворения любопытства, иначе его жизнь может закончиться на этом этапе.
Чтобы магнитный поток не блокировался валом, проходящим внутри магнита, он изготавливается из немагнитных сортов стали. Они склонны к хрупкости, поэтому с валом, особенно малого диаметра, следует обращаться осторожно.

Для достижения более высоких крутящих моментов необходимо увеличить как поле, создаваемое статором, так и поле постоянного магнита. Это требует большего диаметра ротора, что ухудшает соотношение крутящий момент/инерция. По этой причине мощные шаговые двигатели иногда проектируются с несколькими секциями в сложенном виде. Крутящий момент и момент инерции увеличиваются пропорционально количеству секций, и их соотношение не ухудшается.

Существуют и другие конструкции шаговых двигателей. Например, двигатели с дисковым намагниченным ротором. Эти двигатели имеют низкий момент инерции ротора, что важно в некоторых случаях.

Большинство современных шаговых двигателей – это гибридные двигатели. По сути, гибридный двигатель – это двигатель с постоянными магнитами, но с большим количеством полюсов. Эти двигатели одинаковы по способу управления, ниже будут рассмотрены только такие двигатели. На практике наиболее распространенные двигатели имеют 100 или 200 шагов на оборот, 3,6 hd или 1,8 hd соответственно. Большинство драйверов позволяют работать в полушаговом режиме, когда угол уменьшается вдвое, а некоторые драйверы позволяют работать в микрошаговом режиме.

Биполярные и униполярные шаговые двигатели

В зависимости от конфигурации обмотки двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет одну обмотку на фазу, которая должна быть переключена контроллером для изменения направления магнитного поля. Для такого типа двигателя требуется мостовой или полумостовой контроллер с двухполярным питанием. Биполярный двигатель имеет в общей сложности две обмотки и, следовательно, четыре провода (рис. 7a).

Рисунок 7: Биполярный двигатель (a), униполярный двигатель (b) и четырехобмоточный двигатель (c).

Униполярный двигатель также имеет по одной обмотке в каждой фазе, но отключение происходит от центра обмотки. Это позволяет изменить направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. Это значительно упрощает компоновку контроллера. Водителю необходимо иметь только 4 простых ключа. Поэтому в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Провода центральной обмотки могут быть соединены внутри двигателя, так что такой двигатель может иметь 5 или 6 проводов (рис. 7b). Униполярные двигатели иногда имеют четыре отдельные обмотки, по этой причине их неправильно называют 4-фазными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего их 8 (рис. 7c). При соответствующем подключении обмотки такой двигатель может использоваться как однополярный или как двухполярный. Униполярный двигатель с двумя обмотками и выводами может также использоваться в биполярном режиме, если выводы остаются несоединенными. В любом случае, ток обмотки должен быть выбран таким образом, чтобы не превышалась максимальная распределенная мощность.

Биполярный или униполярный?

При сравнении биполярных и униполярных двигателей биполярный двигатель имеет более высокую удельную мощность. Биполярные двигатели обеспечивают больший крутящий момент при тех же габаритах.

Крутящий момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Способ увеличения магнитного поля заключается в увеличении тока или количества витков. Естественным ограничением при увеличении тока обмотки является риск насыщения железного сердечника. Однако на практике это ограничение применяется редко. Гораздо более важным является ограничение нагрева двигателя из-за омических потерь в обмотках. Это показывает одно из преимуществ биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется только половина обмоток. Другая половина просто занимает место в окне сердечника, вынуждая делать обмотки из провода меньшего диаметра. В биполярном двигателе, с другой стороны, все обмотки всегда работают, что означает, что их использование оптимально. В таком двигателе сечение отдельных обмоток в два раза больше, а омическое сопротивление в два раза меньше. Это приводит к удвоению тока при тех же потерях, что дает увеличение крутящего момента примерно на 40%. Если высокий крутящий момент не требуется, униполярный двигатель может быть уменьшен в размерах или просто работать с меньшими потерями. Однако на практике часто используются однополярные двигатели, поскольку они требуют гораздо более простых систем управления обмоткой. Это важно, если контроллеры основаны на дискретных компонентах. В настоящее время существуют специализированные интегральные схемы для биполярных контроллеров двигателей, которые делают контроллер не сложнее, чем для однополярного двигателя. Например, это микросхемы L293E, L298N или L6202 от SGS-Thomson, PBL3770, PBL3774 от Ericsson, NJM3717, NJM3770, NJM3774 от JRC, A3957 от Allegro, LMD18T245 от National Semiconductor.

Схемы, диаграммы.

Существует несколько способов управления фазой шагового двигателя.

Первый способ заключается в чередовании фаз, когда они не пересекаются, при этом одновременно включается только одна фаза (рис. 8a). Этот метод называется “одна фаза включена”. – полный ступенчатый или волновой режим работы. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с “естественными” точками равновесия ротора неприводного двигателя. Недостатком этого метода управления является то, что в случае биполярного двигателя одновременно используется 50% обмоток, а в случае униполярного двигателя – только 25%. Это означает, что в этом режиме не может быть достигнут полный крутящий момент.

Рисунок 8: Различные способы управления фазами шагового двигателя.

Второй метод – управление перекрытием фаз: две фазы включаются одновременно. Это так называемый “двухфазный” или просто полнофазный режим. При таком способе управления ротор фиксируется в промежуточных положениях между полюсами статора (рис. 8b), и обеспечивается примерно на 40% больший крутящий момент, чем при однофазном включении. Этот метод управления обеспечивает тот же угол тангажа, что и первый метод, но положение точек баланса ротора смещено на полшага.

Третий метод представляет собой комбинацию первых двух и называется полушаговым режимом или просто полушаговым режимом, когда двигатель делает половину основного шага. Этот метод управления довольно распространен, поскольку шаговый двигатель меньшего размера стоит дороже, а получить 200 шагов на оборот из 100-шагового двигателя очень заманчиво. В других случаях питание подается только на одну фазу, а в третьих – на две фазы (рис. 8c). В результате угловое смещение ротора равно половине угла тангажа для первых двух методов управления. Помимо уменьшения размера хода, этот метод управления также частично устраняет резонанс. Полушаговый режим обычно не обеспечивает полного крутящего момента, хотя наиболее продвинутые контроллеры реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает почти полный крутящий момент, а рассеиваемая мощность не превышает номинальную.

Другой метод управления называется микрошагом или микрошаговым режимом. Этот метод управления требует изменения тока в фазах с небольшим шагом, разбивая полушаг на еще более мелкие микрошаги. Когда две фазы включены одновременно, но их токи не равны, равновесное положение ротора будет не в центре шага, а в другом месте, определяемом соотношением токов фаз. Изменяя это соотношение, можно обеспечить несколько микрошагов в рамках одного шага. Помимо повышенной разрешающей способности, микрошаговый режим имеет и другие преимущества, которые будут описаны ниже. Однако микрошаговый режим требует гораздо более сложных контроллеров для установки тока обмотки с требуемой дискретностью. Микрошаговый режим является частным случаем микрошагового режима, но не требует ступенчатого тока катушки и поэтому часто применяется.

Получите!

В полношаговом режиме с двумя включенными фазами положения точек равновесия ротора смещаются на половину шага. Обратите внимание, что эти положения принимаются ротором во время работы двигателя, но положение ротора не может оставаться неизменным при отключении тока в обмотке. Поэтому ротор будет смещаться на полшага, когда двигатель находится под напряжением и обесточен. Для предотвращения смещения при остановке на обмотки должен подаваться ток удержания. То же самое относится к полушаговому и микрошаговому режимам. Обратите внимание, что если ротор двигателя вращается при выключенном двигателе, возможно, что при включении питания ротор повернется более чем на полшага.

Ток удержания может быть меньше номинального тока, поскольку двигатель с неподвижным ротором обычно не требует высокого крутящего момента. Однако существуют приложения, в которых двигатель должен обеспечивать полный крутящий момент в неподвижном состоянии, что возможно при использовании шагового двигателя. Это свойство шагового двигателя позволяет отказаться от механических тормозных систем в таких ситуациях. Поскольку современные контроллеры позволяют регулировать ток питания обмоток двигателя, установка необходимого тока удержания обычно не представляет проблемы. Задача обычно сводится к обеспечению соответствующей программной поддержки управляющего микроконтроллера.

Полушаговый режим

Основной принцип работы шагового двигателя заключается в создании вращающегося магнитного поля, которое заставляет ротор вращаться. Вращающееся магнитное поле создается статором, обмотки которого питаются соответствующим образом.

Для однообмоточного двигателя вращающий момент имеет приблизительно синусоидальную форму в зависимости от угла поворота ротора относительно точки равновесия. Эта зависимость для двухобмоточного двигателя с N шагами на оборот (угол шага в радианах S = (2*pi)/N) показана на рис. 9.

Рис. 9. Зависимость крутящего момента от угла поворота ротора для одной питаемой обмотки.

В реальности она может быть другой, что связано с неидеальной геометрией ротора и статора. Пиковое значение крутящего момента называется моментом удержания. Формула, описывающая зависимость между крутящим моментом и углом поворота ротора, выглядит следующим образом:

где T – крутящий момент, Th – удерживающий момент,
S – угол тангажа,
F – угол поворота ротора.

Если к ротору приложен внешний момент, превышающий удерживающий момент, ротор будет вращаться. Если внешний момент не превышает удерживающий момент, то ротор будет находиться в равновесии в пределах угла тангажа. Обратите внимание, что в обесточенном двигателе момент удержания не равен нулю из-за действия постоянных магнитов на ротор. Этот момент обычно составляет около 10% от максимального крутящего момента двигателя.

Иногда используются термины “механический угол поворота” и “электрический угол поворота”. Механический угол рассчитывается исходя из того, что полный оборот ротора составляет 2*pi радиан. При расчете электрического угла предполагается, что один оборот соответствует одному периоду углового момента. В приведенных выше формулах F – это механический угол ротора, а электрический угол для двигателя с 4 шагами на период кривой импульса равен ((pi/2)/S)*F или (N/4)*F, где N – количество шагов на оборот. Электрический угол фактически определяет угол поворота магнитного поля статора и позволяет строить теорию независимо от количества шагов на оборот для данного двигателя.

Если на две обмотки двигателя одновременно подается напряжение, то вращающий момент равен сумме моментов, создаваемых этими обмотками по отдельности (рис. 10).

Рисунок 10: Зависимость крутящего момента от угла поворота ротора для двух обмоток, питаемых током.

Если токи обмоток одинаковы, то точка максимального крутящего момента сдвинется на полградуса. Точка равновесия ротора (точка e на рисунке) также будет смещена на полшага. Этот факт является основой для реализации полушаговой операции. Пиковый момент (момент удержания) в этом случае будет корнем из удвоенного момента одной обмотки под напряжением.

где Th2 – момент удержания при двух обмотках, находящихся под напряжением,
Th1 – это момент удержания, когда одна обмотка находится под напряжением.

Это крутящий момент, который обычно указывается в характеристиках шагового двигателя.

Величина и направление магнитного поля показаны на векторной диаграмме (рис. 11).

Рис. 11. Величина и направление магнитного поля для различных режимов фазовой мощности.

Оси X и Y совпадают с направлением магнитного поля, создаваемого обмотками первой и второй фазы двигателя. Когда двигатель работает с одной включенной фазой, ротор может занимать положения 1, 3, 5, 7. Если включены две фазы, ротор может занимать положения 2, 4, 6, 8. Кроме того, в этом режиме больше крутящий момент, поскольку он пропорционален длине вектора на рисунке. Оба этих метода управления обеспечивают полный шаг, но равновесные положения ротора смещаются на половину шага. При сочетании этих двух методов и подаче соответствующих последовательностей импульсов на обмотки можно заставить ротор занять последовательные положения 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, что соответствует половине шага.

По сравнению с режимом полного шага, режим половинного шага имеет следующие преимущества:

Более высокое разрешение без использования более дорогих двигателей
Меньше проблем с резонансными явлениями. Резонанс вызывает лишь частичную потерю крутящего момента, что, как правило, не влияет на нормальную работу привода.
Недостатком полушагового режима является довольно большое изменение крутящего момента от шага к шагу. В положении ротора, когда одна фаза находится под напряжением, крутящий момент составляет приблизительно 70% от полного крутящего момента, когда две фазы находятся под напряжением. Эти колебания могут вызвать повышенную вибрацию и шум, хотя они все же меньше, чем в режиме полного шага.

Метод устранения колебаний крутящего момента заключается в увеличении крутящего момента в положениях с одной включенной фазой, что обеспечивает равный крутящий момент во всех положениях ротора. Этого можно достичь, увеличив ток в этих положениях примерно до 141% от номинального тока. Некоторые контроллеры, такие как PBL 3717/2 и PBL 3770A компании Ericsson, имеют логические входы для изменения уровня тока. Следует отметить, что значение 141% является теоретическим, поэтому в приложениях, требующих высокой точности крутящего момента, это значение должно быть подобрано экспериментально для конкретной скорости и конкретного двигателя. Поскольку ток увеличивается только при подаче напряжения на одну фазу, рассеиваемая мощность равна току полного хода при 100% номинального тока. Однако такое увеличение тока требует более высокого напряжения питания, что не всегда возможно. Есть и другой подход. Для устранения колебаний крутящего момента при работе двигателя в полушаговом режиме ток может быть уменьшен при включенных двух фазах. Для достижения постоянного крутящего момента этот ток должен составлять 70,7% от номинального тока. Например, микросхема контроллера Allegro A3955 реализует полушаговый режим таким образом.

Для полушагового режима очень важно перейти в состояние с отключенной одной фазой. Для того чтобы заставить ротор занять правильное положение, ток в отключенной фазе должен быть уменьшен до нуля как можно быстрее. Продолжительность падения тока зависит от напряжения в обмотке, когда она теряет запасенную энергию. Замыкая в это время обмотку на источник питания, представляющий собой максимальное напряжение, имеющееся в системе, обеспечивается максимально быстрое падение тока. Для достижения наиболее быстрого спада тока при питании обмоток двигателя от Н-моста все транзисторы должны быть закорочены, а обмотка подключена к питанию через диоды. Скорость спада тока значительно уменьшится, если один транзистор моста оставить открытым, а обмотку закоротить на транзистор и диод. Чтобы увеличить скорость затухания однополярного управления двигателем, выгоднее подавить индуктивную эмиссию варисторами или комбинацией диодов и регулятора, вместо диодов, что снизит эмиссию до более высокого, но безвредного для транзистора уровня.

Микрошаговый режим

Режим микрошага достигается за счет того, что поле статора вращается более плавно, чем в режиме полного или половинного шага. В результате уменьшается вибрация и обеспечивается практически бесшумная работа вплоть до нулевой частоты. Кроме того, меньший угол наклона может обеспечить более точное позиционирование. Существует множество различных микрошаговых режимов, с размером шага от 1/3 полного шага до 1/32 и даже меньше. Шаговый двигатель – это синхронный электродвигатель. Это означает, что равновесное положение неподвижного ротора совпадает с направлением магнитного поля статора. Когда поле статора вращается, ротор также вращается, пытаясь достичь нового положения равновесия.

Рисунок 12: Момент вращения ротора в зависимости от угла поворота ротора для различных фазных токов.

Для получения правильного направления магнитного поля необходимо выбрать не только правильное направление токов в катушках, но и правильное соотношение этих токов.

Если на две обмотки двигателя одновременно подается напряжение, но токи в этих обмотках не равны (рис. 12), то результирующий крутящий момент составит

и точка равновесия ротора переместится в точку

x = ( S / (pi/2) ) arctan( b / a ),

где a и b – крутящие моменты, создаваемые первой и второй фазами соответственно,
Th – результирующий удерживающий момент,
x – положение равновесия ротора в радианах,
S – угол тангажа в радианах.

Смещение точки равновесия ротора указывает на то, что ротор может быть зафиксирован в любом произвольном положении. Необходимо только правильно установить соотношение токов в фазах. Именно этот факт используется при реализации микрошагового режима.
Опять же, следует отметить, что приведенные выше формулы действительны только в том случае, когда угол поворота ротора представляет собой синусоидальную зависимость и когда ни одна из частей магнитной цепи двигателя не насыщена.

В ограничении, шаговый двигатель может работать как синхронный электродвигатель в режиме непрерывного вращения. Для этого его фазные токи должны быть синусоидальными, смещенными на 90 градусов.

Результатом использования микрошагового режима является гораздо более плавное вращение ротора на низких частотах. На частотах, в 2-3 раза превышающих собственную резонансную частоту ротора и нагрузки, микрошаговый режим дает мало преимуществ по сравнению с полу- или полношаговыми режимами. Причиной этого является эффект фильтрации за счет инерции ротора и нагрузки. Система шагового двигателя действует как фильтр низких частот. В микрошаговом режиме можно реализовать только ускорение и замедление, в то время как в полношаговом режиме можно реализовать основное время работы. Кроме того, высокая скорость микрошагов требует очень высокой частоты повторения микрошагов, что не всегда может быть достигнуто микроконтроллером. Чтобы предотвратить переходные процессы и потери шага, двигатель должен переключаться с микрошага на полный шаг и так далее. когда ротор находится в положении, соответствующем включенной однофазной сети. Некоторые схемы микрошаговых драйверов имеют специальный сигнал для индикации этого положения ротора. Это, например, контроллер A3955 от Allegro.

Во многих приложениях, где требуются малые относительные перемещения и высокое разрешение, микрошаговый режим может заменить механический редуктор. Часто простота системы является решающим фактором, даже если необходимо использовать двигатель больших размеров. Хотя микрошаговый контроллер намного сложнее обычного контроллера, система может быть проще и дешевле, чем шаговый двигатель и редуктор. Современные микроконтроллеры иногда имеют встроенные ЦАПы, которые можно использовать для реализации микрошага вместо специализированных контроллеров. Это делает стоимость полного шага и микрошага практически одинаковой.

Иногда микрошаги используются для повышения точности значения шага сверх спецификации производителя двигателя. Используется номинальное количество шагов. Для повышения точности корректируется положение ротора в точках равновесия. Это делается путем определения характеристик рассматриваемого двигателя, а затем изменения соотношения фазных токов для коррекции положения ротора индивидуально для каждого шага. Этот метод требует первоначальной калибровки и дополнительных ресурсов для управляющего микроконтроллера. Кроме того, необходим датчик начального положения ротора для синхронизации положения ротора с таблицей поправочных коэффициентов.

На практике на каждом шаге ротор не сразу останавливается в новом положении равновесия, а колеблется вокруг положения равновесия с затуханием. Время установления зависит от характеристик нагрузки и системы контроллера. Во многих приложениях такие колебания нежелательны. Этого явления можно избежать, используя микрошаговый режим. На рисунке 13 показано движение ротора в режимах полного шага и микрошага.

Рисунок 13: Движение ротора в полношаговом и микрошаговом режимах.

Видно, что пики и колебания возникают в режиме полного шага, тогда как в режиме микрошага они отсутствуют. Однако даже в этом режиме график положения ротора отличается от прямой линии. Эта ошибка вызвана неточностью геометрии двигателя и может быть уменьшена путем калибровки и последующей компенсации путем регулировки фазных токов. На практике существуют некоторые факторы, которые ограничивают точность микрошагового привода. Некоторые из них относятся к контроллеру, а некоторые – непосредственно к двигателю.

Обычно производители шаговых двигателей указывают такой параметр, как точность шага. Точность шага указана для положений равновесия ротора при двух включенных фазах и равных токах. Это соответствует режиму полного шага с перекрытием фаз. Для микрошага, когда фазные токи не равны, данные обычно не приводятся.

Идеальный шаговый двигатель должен вращаться с постоянной скоростью при подаче на фазы синусоидального и косинусоидального токов. Реальный двигатель будет демонстрировать некоторые колебания скорости в этом режиме. Это связано с нестабильностью воздушного зазора между полюсами ротора и статора, наличием магнитного гистерезиса, который приводит к ошибкам в величине и направлении магнитного поля и т.д. Поэтому положения равновесия и крутящего момента показывают некоторые отклонения. Эти отклонения зависят от погрешностей в форме зубцов ротора и статора и используемого материала магнитопровода.

Конструкция некоторых двигателей оптимизирована для достижения наилучшей точности в режиме полного шага и максимального удерживающего момента. Специальная форма зубцов ротора и статора разработана таким образом, что в положении равновесия для режима полного шага магнитный поток сильно возрастает. Это приводит к ухудшению точности в микрошаговом режиме. Лучшие результаты могут быть получены с двигателями, которые имеют меньший удерживающий момент в режиме холостого хода.

Отклонения можно разделить на два типа: отклонения в величине магнитного поля, которые приводят к отклонениям в моменте удержания микрошага, и отклонения в направлении магнитного поля, которые приводят к отклонениям в положении равновесия. Отклонения момента удержания микрошага обычно составляют от 10 до 30% от максимального момента. Однако даже в режиме полного шага удерживающий момент может изменяться на 10 – 20% из-за искажений геометрии ротора и статора.

Если мы измерим равновесные положения ротора, когда двигатель вращается по часовой стрелке и против часовой стрелки, то получим несколько иные результаты. Этот гистерезис в основном обусловлен магнитным гистерезисом материала сердечника, хотя трение также вносит свой вклад. Магнитный гистерезис приводит к тому, что магнитный поток зависит не только от тока обмотки, но и от предыдущего значения. Ошибка, возникающая из-за гистерезиса, может составлять несколько микросекунд. Поэтому в приложениях, требующих высокой точности, необходимо перемещаться мимо желаемого положения, а затем возвращаться назад, чтобы приближение к желаемому положению всегда происходило в одном и том же направлении.

Естественно, что любое желаемое увеличение разрешения наталкивается на некоторые физические ограничения. Не следует считать, что точность позиционирования для двигателя с углом поворота 7,2 градуса в микрошаге такая же, как и для двигателя с углом поворота 1,8 градуса.

Следующие физические ограничения являются препятствием:

Эти проблемы наиболее ярко выражены для двигателей с большим числом полюсов. Однако существуют двигатели, которые уже оптимизированы для микрошага на этапе проектирования. Полюса ротора и статора таких двигателей менее отчетливы из-за косой формы зубцов.

Другим источником ошибок позиционирования является ошибка квантования ЦАП, генерирующего фазовые токи. Дело в том, что ток должен генерироваться в синусоидальной форме, поэтому линейный ЦАП должен иметь более высокую скорость передачи данных, чтобы минимизировать ошибку. Существуют специальные контроллеры со встроенными нелинейными ЦАП, которые могут напрямую вычислять функцию синуса. Примером может служить контроллер A3955 компании Allegro, который имеет встроенный 3-разрядный ЦАП, обеспечивающий следующие значения фазного тока: 100%, 92.4%, 83.1%, 70.7%, 55.5%, 38.2%, 19.5%, 0%. Это позволяет осуществлять микрошаговую регулировку с величиной шага 1Это позволяет осуществлять микрошаговую регулировку с точностью 1/8 шага, при этом погрешность установки фазного тока составляет менее 2%. Кроме того, этот контроллер имеет возможность контролировать скорость снижения тока обмотки двигателя во время работы, что позволяет “настроить” контроллер под конкретный двигатель для достижения наименьшей ошибки позиционирования.

Даже если ЦАП точно сгенерировал синусоидальное опорное напряжение, его необходимо усилить и преобразовать в синусоидальный ток обмотки. Многие драйверы имеют значительную нелинейность вблизи нулевого тока, что приводит к значительному искажению формы сигнала и, как следствие, к значительным ошибкам позиционирования. При использовании высококачественных контроллеров, таких как PBM3960 и PBL3771 компании Ericsson, погрешность, связанная с контроллером, ничтожно мала по сравнению с погрешностью двигателя.

Иногда драйверы шаговых двигателей позволяют корректировать форму выходного сигнала путем добавления или вычитания третьей гармоники из синусоидального сигнала. Однако эта регулировка должна выполняться для каждого двигателя отдельно, и ее характеристики должны быть измерены заранее.

Из-за этих ограничений микрошаги в основном используются для плавного вращения (особенно на очень низких скоростях), для устранения шума и резонансных явлений. Микрошаговый режим также позволяет сократить время настройки механической системы, поскольку в отличие от полношагового режима отсутствуют пропуски и колебания. Однако в большинстве случаев при использовании обычных двигателей точное позиционирование в микрошаговом режиме не может быть гарантировано.

Синусоидальность фазного тока может быть обеспечена с помощью специальных регуляторов. Некоторые из них, напр. A3955, A3957 от Allegro, уже включают в себя ЦАП и требуют только цифровых кодов от микроконтроллера. Другие, такие как L6506, L298 от SGS-Thomson, требуют внешних синусоидальных опорных напряжений, которые должны генерироваться микроконтроллером с помощью ЦАП. Следует отметить, что слишком большое количество синусоидальных выборок не приводит к повышению точности позиционирования, поскольку ошибка, связанная с неидеальной геометрией полюсов двигателя, начинает доминировать. Более того, в этом случае выборки должны происходить с высокой частотой, что создает проблему при их программной генерации. При высоких скоростях разрешение ЦАПов может быть снижено. Кроме того, при очень высоких скоростях обычно рекомендуется работать в обычном полношаговом режиме, так как управление гармоническим сигналом теряет свои преимущества. Причина этого заключается в том, что обмотки двигателя являются индуктивными, поэтому каждая конкретная схема драйвера с конкретным напряжением питания обеспечивает вполне определенную максимальную скорость нарастания тока. Следовательно, форма волны тока начинает отклоняться от синусоиды на более высоких частотах и становится треугольной на очень высоких частотах.

Взаимосвязь крутящего момента и скорости, влияние нагрузки

Крутящий момент, создаваемый шаговым двигателем, зависит от нескольких факторов:

На рисунке 14a показана зависимость крутящего момента от угла поворота ротора.

Рисунок 14: Возникновение мертвых зон из-за трения.

В идеальном шаговом двигателе эта зависимость имеет синусоидальную форму. Точки S являются положениями равновесия ротора для ненагруженного двигателя и соответствуют нескольким последовательным шагам. Если к валу двигателя приложить внешний момент, меньший, чем момент удержания, угловое положение ротора изменится на определенный угол F.

где F – угловое перемещение,
N – количество шагов двигателя за один оборот,
Ta – внешний приложенный момент,
Th – удерживающий момент.

Угловое смещение F – это ошибка позиционирования нагруженного двигателя. Если к валу двигателя приложен момент, превышающий момент удержания, вал будет вращаться под действием этого момента. В этом режиме положение ротора не контролируется. На практике к двигателю всегда прикладывается внешний вращающий момент, хотя бы потому, что двигатель должен преодолевать трение. Силы трения можно разделить на две категории: статическое или трение покоя, для преодоления которого требуется постоянный крутящий момент, и динамическое или вязкое трение, которое зависит от скорости. Рассмотрим статическое трение. Предположим, что для его преодоления требуется половина пикового крутящего момента. Пунктирные линии на рисунке 14a представляют момент трения. Это оставляет только крутящий момент для вращения ротора, который лежит за пределами пунктирных линий на диаграмме. Отсюда следуют два вывода: трение уменьшает крутящий момент на валу двигателя, а вокруг каждого равновесного положения ротора появляются мертвые зоны (рис. 14b):

d = 2 ( S / (pi/2) ) arcsin(T f / T h) = ( S / (pi/4) ) arcsin(T f / Th),

где d – ширина мертвой зоны в радианах,
S – угол наклона в радианах,
Tf – момент трения,
Th – удерживающий момент.

Мертвые зоны ограничивают точность позиционирования. Например, при статическом трении, равном половине пикового момента шагового двигателя с углом поворота 90 градусов, мертвая зона составит 60 градусов. Это означает, что ход двигателя может изменяться от 30 до 150 градусов, в зависимости от того, где в мертвой зоне ротор останавливается после очередного шага.

Наличие мертвых зон очень важно для микрошагов. Если, например, существуют мертвые зоны d, то микрошаг, меньший, чем d, вообще не сдвинет ротор. Поэтому для микрошаговых систем очень важно минимизировать трение покоя.

Когда двигатель работает под нагрузкой, всегда существует некоторое смещение между угловым положением ротора и ориентацией магнитного поля статора. Ситуация становится особенно неблагоприятной, когда двигатель начинает замедляться и момент нагрузки меняется на противоположный. Следует отметить, что замедление или опережение относится только к положению, а не к скорости. В любом случае, если только не произошла потеря синхронизации двигателя, замедление или опережение не должно превышать значения в два полных шага. Это очень приятный факт.

Каждый раз, когда шаговый двигатель делает шаг, ротор поворачивается на S радиан. Минимальный крутящий момент возникает, когда ротор находится точно между соседними положениями равновесия (рис. 15).

Рисунок 15: Момент удержания и рабочий момент шагового двигателя.

Этот момент называется рабочим моментом и показывает, какой крутящий момент может преодолеть двигатель при вращении на низкой скорости. Если момент синусоидален по отношению к углу поворота ротора, то момент Tr = Th/(20.5). Если двигатель выровнен с двумя обмотками под напряжением, то вращающий момент во время работы равен вращающему моменту для одной обмотки под напряжением.

Производительность привода на основе шагового двигателя сильно зависит от характеристик нагрузки. В дополнение к трению фактический груз обладает инерцией. Инерция делает невозможным изменение скорости. Инерционная нагрузка требует от двигателя высокого крутящего момента при разгоне и торможении, что ограничивает максимальное ускорение. С другой стороны, увеличение инерции груза повышает стабильность скорости.

Такой параметр шагового двигателя, как отношение крутящего момента к скорости, имеет решающее значение при выборе типа двигателя, выборе метода фазового управления и выборе схемы драйвера. При разработке высокоскоростных драйверов шаговых двигателей важно учитывать, что обмотки двигателя имеют индуктивность. Эта индуктивность определяет время нарастания и спада тока. Поэтому, если к обмоткам приложено напряжение прямоугольной формы, форма волны тока не будет прямоугольной. На низких скоростях (рис. 16a) время нарастания и спада может не оказывать большого влияния на крутящий момент, но на высоких скоростях крутящий момент уменьшается. Это связано с тем, что на высоких скоростях ток в обмотках двигателя не успевает достичь своего номинального значения (рис. 16b).

Рисунок 16: Форма тока в обмотках двигателя при различных рабочих скоростях.

Для того чтобы падение момента было как можно меньше, необходимо обеспечить высокую скорость нарастания тока в обмотках двигателя, что достигается применением специальных схем их питания.

Поведение крутящего момента при увеличении частоты переключения фаз примерно следующее: начиная с определенной частоты отсечки, крутящий момент монотонно уменьшается. Обычно для шагового двигателя приводятся две кривые крутящего момента (рис. 17).

Рисунок 17: Взаимосвязь между крутящим моментом и скоростью.

Внутренняя кривая (кривая запуска, или кривая втягивания) показывает, при каком максимальном моменте трения шаговый двигатель способен запуститься на данной скорости. Эта кривая пересекает ось скорости в точке, называемой максимальной начальной частотой или частотой втягивания. Он определяет максимальную скорость, с которой может запуститься ненагруженный двигатель. На практике это значение составляет от 200 до 500 полных шагов в секунду. Инерция груза оказывает большое влияние на внутреннюю кривую. Большей инерции соответствует меньшая площадь под кривой. Эта область называется зоной старта. Внешняя кривая (кривая разгона, или кривая вытягивания) показывает, при каком максимальном моменте трения для данной скорости шаговый двигатель может поддерживать вращение без пропуска шагов. Эта кривая пересекает ось скорости в точке, называемой максимальной частотой ускорения. Он указывает максимальную скорость для данного двигателя без нагрузки. При измерении максимальной скорости помните, что из-за явления резонанса крутящий момент также равен нулю на резонансной частоте. Область, лежащая между этими кривыми, называется областью ускорения.

Следует отметить, что компоновка драйвера оказывает большое влияние на кривую крутящего момента, но это будет рассмотрено ниже.

Ускоряйтесь!

Чтобы работать на высокой скорости из зоны разгона (рис. 17), необходимо начать движение на низкой скорости из зоны старта, а затем разогнаться. При остановке необходимо соблюдать обратный порядок: сначала торможение и только после въезда в зону старта можно прекратить подачу управляющих импульсов. В противном случае синхронизация будет потеряна, и положение ротора будет потеряно. Использование ускорения и замедления позволяет достичь гораздо более высоких скоростей – в промышленных приложениях используются скорости до 10 000 полных шагов в секунду. Следует отметить, что непрерывная работа шагового двигателя на высокой скорости не всегда приемлема из-за нагрева ротора. Однако высокие скорости могут использоваться кратковременно во время позиционирования.

Во время разгона двигатель проходит через ряд скоростей, и на одной из них может возникнуть неприятное явление резонанса. Для нормального ускорения желательно использовать нагрузку, момент инерции которой по крайней мере равен моменту инерции ротора. В случае ненагруженного двигателя явление резонанса выражено наиболее ярко. Методы борьбы с этим явлением будут подробно описаны ниже.

При ускорении или замедлении важно выбрать правильный закон изменения скорости и максимального ускорения. Ускорение должно быть тем меньше, чем выше инерция груза. Критерием выбора правильного режима ускорения является разгон до желаемой скорости для данной нагрузки за минимально возможное время. На практике чаще всего используется ускорение и замедление с постоянным ускорением.

Реализация закона, по которому двигатель ускоряется или замедляется, обычно выполняется управляющим программным обеспечением микроконтроллера, поскольку микроконтроллер обычно является источником тактовой частоты для драйвера шагового двигателя. Хотя в прошлом для этой цели использовались генераторы, управляемые напряжением, или программируемые делители частоты. Для генерации тактовой частоты удобно использовать аппаратный таймер, который имеется в составе практически каждого микроконтроллера. Если двигатель вращается с постоянной скоростью, достаточно загрузить в таймер фиксированный период повторения шагов (длительность шага). Если двигатель ускоряется или замедляется, этот период будет изменяться с каждым новым шагом. Если двигатель ускоряется или замедляется с постоянным ускорением, частота повторяющихся шагов должна быть линейной, поэтому период, загружаемый в таймер, должен подчиняться гиперболическому закону.

В самом общем случае необходимо знать зависимость между продолжительностью шагов и текущей скоростью. Число шагов, сделанных двигателем при ускорении в момент времени t, равно:

N = 1/2At2+Vt, где N – количество шагов, t – время, V – скорость, выраженная в шагах за единицу времени, A – ускорение, выраженное в шагах, деленное на квадрат времени.

Для одного шага N = 1, продолжительность шага t1 = T = (-V+(V2+2A)0.5)/A

В результате одного шага скорость становится равной Vnew = (V2+2A)0.5

Расчеты по приведенным выше формулам достаточно трудоемки и требуют больших затрат процессора. В то же время они позволяют в любой момент изменить значение ускорения. Расчет можно значительно упростить, если требовать постоянного ускорения при разгоне и замедлении. В этом случае можно записать зависимость длительности шага от времени разгона:
V = V0+At, где V – текущая скорость, V0 – начальная скорость (минимальная скорость, при которой начинается ускорение), A – ускорение;
1/T = 1/T0+At, где T – продолжительность шага, T0 – начальная продолжительность шага, t – текущее время;

Следовательно, T = T0/(1+T0At)

Расчеты по этой формуле намного проще, но для изменения значения ускорения необходимо остановить двигатель.

Резонанс

Для шаговых двигателей характерно нежелательное явление, называемое резонансом. Этот эффект проявляется в резком падении крутящего момента на определенных скоростях. Это может привести к пропуску шагов и потере синхронизации. Этот эффект возникает, когда частота шага совпадает с собственной резонансной частотой ротора двигателя.

Когда двигатель делает шаг, ротор не сразу переходит в новое положение, а совершает затухающие колебания. Дело в том, что систему ротор-магнитное поле-статор можно рассматривать как пружинный маятник, частота колебаний которого зависит от момента инерции ротора (плюс нагрузка) и от величины магнитного поля. Из-за сложной конфигурации магнитного поля резонансная частота ротора зависит от амплитуды колебаний. С уменьшением амплитуды частота увеличивается, приближаясь к низкоамплитудной частоте, которую легче определить количественно. Эта частота является функцией угла тангажа и отношения удерживающего момента к моменту инерции ротора. Больший удерживающий момент и меньший момент инерции приводят к более высокой резонансной частоте.

Резонансная частота рассчитывается по формуле:

где F0 – резонансная частота,
N – количество полных шагов за один оборот,
TH – момент удержания для применяемого метода управления и фазного тока,
JR – момент инерции ротора,
JL – момент инерции нагрузки.

Обратите внимание, что резонансная частота определяется моментом инерции самого ротора двигателя плюс моментом инерции нагрузки, подключенной к валу двигателя. Поэтому резонансная частота ненагруженного ротора двигателя, которая иногда приводится среди параметров, имеет мало практического значения, так как любая нагрузка, подключенная к двигателю, изменит эту частоту.
На практике эффект резонанса приводит к трудностям при работе на частоте, близкой к резонансной. Крутящий момент на резонансной частоте равен нулю, и без специальных мер шаговый двигатель не может пройти через резонансную частоту во время ускорения. В любом случае, явление резонанса может значительно ухудшить точность привода.

В системах с низким демпфированием существует риск возникновения ступенчатых потерь или повышенного шума, когда двигатель работает вблизи резонансной частоты. В некоторых случаях проблемы могут возникать и на гармониках основной резонансной частоты.

При использовании немикростеппинга основной причиной колебаний является прерывистое вращение ротора. Когда делается шаг, ротор получает часть энергии в виде удара. Этот удар вызывает колебания. Энергия, передаваемая ротору в режиме половинного шага, составляет около 30% от энергии полного шага. Поэтому в полушаговом режиме амплитуда колебаний значительно меньше. В микрошаговом режиме с 1/32-м основным шагом на каждом микрошаге сообщается только около 0,1% от полной энергии шага. Поэтому в микрошаговом режиме явление резонанса практически незаметно.

Для борьбы с резонансом можно использовать различные методы. Примером может служить использование гибких материалов при изготовлении механических муфт с грузами. Упругий материал способствует поглощению энергии в резонансной системе, что приводит к гашению паразитных колебаний. Другой метод – использование вязкого трения. Существуют специальные демпферы, в которых металлический диск может вращаться внутри полого цилиндра, заполненного вязкой силиконовой смазкой. Поскольку эта система вращается под ускорением, на диске возникает вязкое трение, которое эффективно демпфирует систему.

Существуют электрические методы борьбы с резонансом. Колеблющийся ротор создает ЭДС в обмотках статора. Короткое замыкание обмоток, не используемых в каскаде, подавит резонанс.

Наконец, существуют методы борьбы с резонансом в алгоритме контроллера. Например, можно воспользоваться тем, что при двух включенных фазах резонансная частота примерно на 20% выше, чем при одной. Если резонансная частота точно известна, ее можно превысить, изменив режим работы.

Если возможно, для запуска и остановки следует использовать частоты выше резонансной частоты. Увеличение момента инерции системы ротор-нагрузка снижает резонансную частоту.

Однако наиболее эффективным средством борьбы с резонансом является использование микрошагов.

Чем же его кормить?

Для питания обычного двигателя постоянного тока требуется только источник постоянного напряжения, а необходимая коммутация обмоток осуществляется через коллектор. С шаговым двигателем все гораздо сложнее. Все коммутации должны выполняться внешним контроллером. В настоящее время около 95% всех шаговых двигателей используют микроконтроллер. В простейшем случае для управления шаговым двигателем в режиме полного шага требуется только два сигнала, сдвинутых по фазе на 90 градусов. Направление вращения зависит от того, какая фаза является ведущей. Скорость определяется частотой повторения импульсов. В полушаговом режиме это немного сложнее и требует не менее 4 сигналов. Все сигналы управления шаговым двигателем могут быть сгенерированы программно, но это создаст большую нагрузку на микроконтроллер. Поэтому чаще всего используются специальные схемы драйверов шаговых двигателей, чтобы уменьшить количество динамических сигналов, требуемых от процессора. Как правило, для таких схем требуется тактовая частота, которая является частотой повторения шагов, и статический сигнал, задающий направление. Иногда также подается сигнал для включения полушагового режима. Для схем драйверов, работающих в микрошаговом режиме, требуется больше сигналов. Часто бывает так, что необходимые последовательности сигналов управления фазами генерируются одной ИС, а необходимые фазные токи обеспечиваются другой ИС. Однако в последнее время появляется все больше и больше контроллеров, выполняющих все функции на одной ИС.

Мощность, требуемая от контроллера, зависит от размера двигателя и составляет доли ватта для маленьких двигателей и до 10-20 ватт для больших двигателей. Максимальная рассеиваемая мощность ограничена нагревом двигателя. Максимальная рабочая температура обычно указывается производителем, но можно приблизительно предположить, что температура корпуса в 90 градусов является нормальной. Поэтому при разработке устройств с шаговыми двигателями, работающими непрерывно с максимальным током, необходимо позаботиться о том, чтобы корпус двигателя не соприкасался с операторами. В некоторых случаях можно использовать радиатор охлаждения. Иногда это позволяет использовать более компактный двигатель и достичь лучшего соотношения мощности и стоимости.

Для шагового двигателя данного размера пространство, занимаемое обмотками, ограничено. Поэтому важно спроектировать регулятор таким образом, чтобы обеспечить наилучшую эффективность при заданных параметрах обмотки.

Схема драйвера должна выполнять три основные задачи:

Как изменить направление тока

При работе шагового двигателя направление магнитного поля должно изменяться независимо для каждой фазы. Изменение направления магнитного поля может быть достигнуто различными способами. В однополярных двигателях обмотки имеют ответвление посередине или две отдельные обмотки для каждой фазы. Направление магнитного поля изменяется путем переключения половин обмотки или всей обмотки. В этом случае требуется только два простых выключателя A и B для каждой фазы (Рисунок 18).

Рисунок 18: Питание обмотки для униполярного двигателя.

В биполярных двигателях направление меняется на противоположное путем переполюсовки выводов обмотки. Для такого реверса требуется полный Н-мост (Рисунок 19). В обоих случаях ключи должны управляться логической схемой, реализующей желаемый алгоритм работы. Предполагается, что напряжение питания цепи соответствует номинальному напряжению обмоток двигателя.

Рисунок 19: Источник питания для обмотки биполярного двигателя.

Это самый простой метод управления током обмотки, который, однако, как будет показано позже, значительно ограничивает возможности двигателя. Следует отметить, что при раздельном управлении транзисторами Н-моста существует возможность замыкания источника питания через ключи. Поэтому логика управления должна быть разработана таким образом, чтобы избежать этой ситуации, даже если управляющий микроконтроллер выйдет из строя.

Обмотки двигателя являются индуктивными, что означает, что ток не может увеличиваться или уменьшаться бесконечно, не притягивая бесконечную разность потенциалов. Когда обмотка подключена к источнику питания, ток будет увеличиваться с определенной скоростью, а при отключении обмотки произойдет скачок напряжения. Такое перенапряжение может повредить переключатели, в которых используются биполярные или полевые транзисторы. Для ограничения этого перенапряжения установлены специальные защитные цепи. На рисунках 18 и 19 эти цепи состоят из диодов, тогда как конденсаторы или комбинация конденсаторов и диодов используются гораздо реже. Использование конденсаторов вызывает электрический резонанс, что может привести к увеличению крутящего момента на определенной скорости. На рисунке 18 требуется 4 диода, поскольку половины обмотки однополярного двигателя находятся на общем сердечнике и сильно связаны друг с другом. Они действуют как автотрансформатор, и перенапряжение возникает на выходах обеих обмоток. Если МОП-транзисторы используются в качестве переключателей, необходимы только два внешних диода, поскольку они уже имеют диоды внутри. ИС, содержащие мощные выходные каскады с открытым коллектором, также часто содержат такие диоды. Кроме того, некоторые ИС, такие как ULN2003, ULN2803 и подобные, имеют оба защитных диода для каждого транзистора внутри. Обратите внимание, что для быстрых переключателей требуются сравнительно быстрые диоды. Если используются медленные диоды, они должны быть зашунтированы небольшими конденсаторами.

Текущая стабилизация

Чтобы регулировать крутящий момент, необходимо регулировать ток обмотки. В любом случае ток должен быть ограничен так, чтобы рассеиваемая мощность не превышала омического сопротивления обмоток. Кроме того, в полушаговом режиме также требуется обеспечить нулевой ток в обмотках в определенное время, а в микрошаговом режиме обычно требуется установить различные значения тока.

Для каждого двигателя производитель указывает номинальное рабочее напряжение обмоток. Поэтому самым простым способом питания обмоток является использование источника постоянного напряжения. В этом случае ток ограничивается омическим сопротивлением обмоток и напряжением питания (рис. 20а), поэтому такой способ питания называется питанием L/R. Ток обмотки увеличивается экспоненциально со скоростью, определяемой индуктивностью, сопротивлением обмотки и приложенным напряжением. При увеличении частоты ток не достигает номинального значения, и крутящий момент уменьшается. Поэтому этот тип питания подходит только для низких скоростей и на практике используется только для маломощных двигателей.

Рис. 20: Подача на обмотку номинального напряжения (а) и использование ограничивающего резистора (б).

При более высоких скоростях необходимо увеличить скорость нарастания тока обмотки, что может быть достигнуто путем увеличения напряжения питания. Максимальный ток обмотки должен быть ограничен с помощью дополнительного резистора. Например, если используется напряжение, в 5 раз превышающее номинальное, требуется дополнительный резистор, чтобы общее сопротивление было 5R, где R – омическое сопротивление обмотки (L/5R-питание). Этот тип источника питания обеспечивает более быстрое нарастание тока и, соответственно, больший крутящий момент (рис. 20b). Однако у него есть существенный недостаток: на резисторе рассеивается дополнительная мощность. Большие размеры мощных резисторов, необходимость отвода тепла и повышенные требования к мощности источника питания делают этот метод неэффективным и ограничивают его применение небольшими двигателями мощностью от 1 до 2 Вт. Надо сказать, что до начала 1980-х годов параметры шагового двигателя, приводимые производителями, относились именно к этому способу питания.

Еще более быстрый рост тока может быть достигнут, если для питания двигателя используется генератор тока. Рост тока будет линейным, поэтому номинальный ток может быть достигнут быстрее. Тем более что пара сильноточных резисторов может стоить дороже, чем пара сильноточных транзисторов, включая теплоотводы. Но, как и в предыдущем случае, генератор тока будет рассеивать дополнительную мощность, что делает эту схему питания неэффективной.

Существует и другое решение, обеспечивающее высокую скорость нарастания тока и низкие потери мощности. Он основан на использовании двух источников питания.

Рисунок 21: Питание обмоток двигателя ступенчатым напряжением.

В начале каждого шага обмотки кратковременно подключаются к более высокому напряжению питания, что позволяет току быстро нарастать (рис. 21). Затем напряжение питания обмоток снижается (момент времени t1 на рисунке 21). Недостатком этого метода является необходимость в двух ключах, двух источниках питания и более сложной системе управления. В системах, где такие источники уже существуют, этот метод может быть достаточно недорогим. Другая трудность заключается в невозможности определить время t1 для общего случая. В случае двигателя с меньшей индуктивностью обмотки скорость нарастания тока выше, и при фиксированном t1 средний ток может быть выше номинального, что чревато перегревом двигателя.

Другим методом стабилизации тока обмотки двигателя является использование широтно-импульсного управления. Современные контроллеры шаговых двигателей используют этот метод. Ключевой стабилизатор обеспечивает высокую скорость нарастания тока обмотки с легким управлением и очень низкими потерями. Еще одним преимуществом ключевой схемы со стабилизацией тока является то, что она поддерживает постоянный крутящий момент двигателя независимо от изменений напряжения питания. Это позволяет использовать простые и дешевые нестабилизированные источники питания.

Напряжение питания в несколько раз выше номинального, чтобы обеспечить высокую скорость нарастания и спада тока. Регулируя рабочий цикл импульсов, среднее напряжение и ток поддерживаются на уровне номинала обмотки. Это поддерживается в результате эффекта обратной связи. Последовательно с обмоткой подключается токочувствительный резистор R (рис. 22a). Падение напряжения на этом резисторе пропорционально току обмотки. Когда ток достигает заданного значения, ключ выключается, вызывая снижение тока. Когда ток падает до нижнего порогового значения, выключатель снова включается. Этот процесс повторяется циклически, поддерживая среднее значение тока постоянным.

Рисунок 22: Различные системы стабилизации тока с ключом.

Регулируя значение Uref, можно регулировать фазный ток, например, увеличивая его при ускорении и замедлении и уменьшая при работе на постоянной скорости. Он также может быть установлен в виде синусоиды с помощью ЦАП, таким образом реализуя микрошаговый режим. Такой способ управления ключевым транзистором обеспечивает постоянное значение пульсаций тока обмотки, которое определяется гистерезисом компаратора. Однако частота переключения зависит от скорости тока в обмотке, в частности, от ее индуктивности и напряжения питания. Кроме того, две цепи, питающие разные фазы двигателя, могут быть не синхронизированы, что может вызвать дополнительные помехи.

Схема с фиксированной частотой переключения (Рисунок 22b) свободна от этих недостатков. Ключевой транзистор управляется триггером, который устанавливается специальным генератором. Когда триггер установлен, ключевой транзистор открывается, и ток фазы начинает расти. Вместе с этим увеличивается падение напряжения на датчике тока. Когда оно достигает опорного напряжения, компаратор переключается, сбрасывая триггер. Затем ключевой транзистор выключается, и ток фазы начинает затухать до тех пор, пока генератор не сбросит триггер. Эта схема обеспечивает постоянную частоту переключения, но величина пульсаций тока не будет постоянной. Частота генератора обычно выбирается не менее 20 кГц, чтобы двигатель не издавал слышимого звука. Однако слишком высокая частота переключения может привести к увеличению потерь в сердечнике двигателя и потерь на переключение транзисторов. Хотя потери в сердечнике не так быстро увеличиваются с повышением частоты из-за того, что амплитуда импульсов тока уменьшается с увеличением частоты. Пульсации порядка 10% от среднего значения тока обычно не вызывают проблем с потерями.

Аналогичная схема реализована в микросхеме L297 от SGS-Thomson, что позволяет минимизировать количество внешних компонентов. Контроль ключей также реализуется другими специализированными ИС.

Рисунок 23: Форма тока в обмотках двигателя при различных способах питания.

На рисунке 23 показаны осциллограммы тока в обмотках двигателя для трех методов питания. Ключевой метод является лучшим с точки зрения крутящего момента. Кроме того, он обеспечивает высокую эффективность и позволяет легко регулировать значения тока.

Быстрое и медленное затухание тока

На рисунке 19 показаны основные конфигурации Н-моста для переключения различных направлений тока обмотки. Для отключения тока можно выключить все ключи Н-моста или оставить включенным один ключ (рис. 24). Эти две ситуации различаются по скорости затухания тока в обмотке. Когда индуктор отсоединяется от источника питания, ток не может прекратиться немедленно. Возникает самоиндуцированная ЭДС, направление которой противоположно направлению источника питания. Если в качестве переключателей используются транзисторы, то для обеспечения проводимости в обоих направлениях необходимо использовать шунтирующие диоды. Скорость изменения тока в индуктивности пропорциональна приложенному напряжению. Это относится как к восходящему, так и к нисходящему току. Только в первом случае источником энергии является источник питания, а во втором случае индуктивность сама отдает накопленную энергию. Этот процесс может происходить при различных условиях.

Рисунок 24: медленное и быстрое затухание тока.

На рисунке 24a показано состояние ключей Н-моста при включении обмотки. Клавиши A и D включены, направление тока показано стрелкой. На рисунке 24b обмотка выключена, но клавиша A включена. ЭДС самоиндукции замыкается этим переключателем и диодом VD3. В это время на выводах обмотки будет небольшое напряжение, равное прямому падению на диоде плюс падение на ключе (напряжение насыщения транзистора). Поскольку напряжение на выводах обмотки мало, скорость изменения тока также будет мала. Следовательно, скорость затухания магнитного поля будет низкой. Это означает, что в течение определенного периода времени статор двигателя будет генерировать магнитное поле, которое не должно присутствовать в этот момент. Это поле будет оказывать тормозящее действие на вращающийся ротор. При высоких скоростях вращения двигателя этот эффект может серьезно помешать нормальной работе двигателя. Быстрый спад тока при отключении очень важен для высокоскоростных контроллеров, работающих в полушаговом режиме.

Также можно отключить ток обмотки, открыв все ключи Н-моста (Рисунок 24c). В этом случае ЭДС самоиндукции замыкается диодами VD2, VD3 на источник питания. Это означает, что при потере тока напряжение на обмотке будет равно сумме напряжения питания и падения постоянного напряжения на двух диодах. Это гораздо более высокое напряжение по сравнению с первым случаем. Поэтому затухание тока и магнитного поля будет происходить быстрее. Это решение, использующее напряжение питания для ускорения затухания тока, является самым простым, но не единственным. Следует отметить, что в некоторых случаях могут возникать перенапряжения в сети, для подавления которых потребуются специальные схемы подавления. Не имеет значения, как усиливается напряжение на обмотке при падении тока. Для этой цели можно использовать стабилизаторы или варисторы. Однако эти элементы будут рассеивать дополнительную мощность, которая в первом случае будет отдаваться обратно в источник питания.

В случае с униполярным двигателем ситуация сложнее. Дело в том, что половинки обмотки или две отдельные обмотки одной фазы сильно связаны между собой. В результате такой связи на закрывающем транзисторе будут возникать высокоамплитудные всплески. Поэтому транзисторы должны быть защищены специальными схемами. Эти схемы должны обеспечивать достаточно высокое предельное напряжение для быстрого снижения тока. Диоды чаще всего используются вместе со стабилизирующими диодами или варисторами. Один из методов проектирования схемы показан на рисунке 25.

Рисунок 25: пример реализации быстрого снижения тока для однополярного двигателя.

При управлении ключом величина пульсаций тока зависит от скорости затухания тока. Возможны различные вариации.

Если обмотку закоротить диодом, произойдет медленное затухание тока. Это уменьшает амплитуду пульсаций тока, что очень желательно, особенно когда двигатель работает в микрошаговом режиме. Для заданного уровня пульсаций медленное затухание тока позволяет двигателю работать на более низких частотах ШИМ, что снижает нагрев двигателя. По этим причинам обычно используется медленное затухание тока. Однако существует несколько причин, по которым медленное нарастание тока не всегда оптимально: во-первых, из-за отрицательной обратной ЭДС, вызванной низким напряжением обмотки во время спада тока, фактический средний ток обмотки может быть слишком высоким; во-вторых, когда требуется быстрое снижение фазного тока (например, в полушаговом режиме), медленный спад не позволит достичь этого быстро; в-третьих, когда требуется очень низкий фазный ток, регулирование может быть нарушено из-за ограничения минимального времени включения.

Высокая скорость затухания тока, которая реализуется путем замыкания обмотки на источник питания, приводит к увеличению пульсаций. В то же время устраняются недостатки, связанные с медленным затуханием тока. Однако точность среднего тока ниже, а потери выше.

Наиболее продвинутые системы драйверов имеют возможность регулировать скорость затухания тока.

Практическое применение водителей

Перед драйвером шагового двигателя стоят две основные задачи: формирование необходимых последовательностей синхронизирующих сигналов и обеспечение необходимого тока обмотки. В интегрированных реализациях эти задачи иногда выполняются разными интегральными схемами. В качестве примера можно привести чипсеты L297 и L298 от SGS-Thomson. Микросхема L297 содержит логику временной последовательности, а микросхема L298 представляет собой мощный двойной Н-мост. К сожалению, существует некоторая путаница в терминологии для таких микросхем. Термин “контроллер” часто применяется ко многим микросхемам, хотя их функции очень различны. Иногда логические микросхемы называют “трансляторами”. В этой статье будет использоваться следующая терминология: “драйвер” – это схема, отвечающая за генерацию временных последовательностей; “контроллер” – это мощная схема, которая питает обмотки двигателя. Однако термины “контроллер” и “контроллер” могут также означать полное устройство управления шаговым двигателем. Следует отметить, что в последние годы контроллер и драйвер все чаще объединяются в одной интегральной схеме.

На практике можно обойтись и без специализированных интегральных схем. Например, все функции контроллера могут быть реализованы программно, а в качестве контроллера может использоваться набор дискретных транзисторов. Однако в этом случае микроконтроллер будет сильно загружен, а схема контроллера может оказаться громоздкой. Однако в некоторых случаях это может быть экономически эффективным решением.

Для управления обмотками униполярного двигателя необходим простейший контроллер. Для этого подходят простейшие переключатели, которыми могут быть биполярные или полевые транзисторы. Достаточно эффективных МОП-транзисторов с управлением на логическом уровне, таких как IRLZ34, IRLZ44, IRL540. Они имеют сопротивление в открытом состоянии менее 0,1 Ом и допустимый ток около 30 А. Эти транзисторы имеют отечественные аналоги КП723Г, КП727В и КП746Г соответственно. Существуют также специальные ИС, которые содержат внутри несколько мощных транзисторных переключателей. Примером может служить микросхема ULN2003 компании Allegro (наш аналог K1109KT23), которая содержит 7 ключей с максимальным током 0,5А. Принципиальная схема одного из примеров такого чипа показана на рисунке 26.

Рисунок 26: Схема одной ячейки интегральной схемы ULN2003.

Подобные микросхемы производятся многими компаниями. Следует отметить, что эти микросхемы подходят не только для питания обмоток шагового двигателя, но и для питания любых других нагрузок. Помимо простых схем драйверов, существуют более сложные схемы, которые имеют встроенный контроллер, ШИМ-управление током и даже ЦАП для микрошага.

Как упоминалось ранее, для управления биполярными двигателями требуются более сложные схемы, такие как Н-мосты. Они также могут быть реализованы на дискретных элементах, хотя в последнее время их все чаще реализуют на интегральных схемах. Пример дискретной реализации показан на рисунке 27.

Рисунок 27: Реализация мостового контроллера на дискретных элементах.

Такой Н-мост управляется двумя сигналами, поэтому он не допускает всех возможных комбинаций. Обмотка возбуждается, когда уровни на входах разные, и замыкается, когда уровни одинаковые. Это позволяет только медленное падение тока (динамическое торможение). Интегрированные контроллеры моста доступны от многих компаний. В качестве примера можно привести L293 (KR1128KT3A) и L298 от SGS-Thomson.

До недавнего времени большое количество микросхем для управления шаговыми двигателями производилось компанией Ericsson. Однако 11 июня 1999 г. передала производство своих промышленных интегральных схем компании New Japan Radio Company (New JRC). Обозначение микросхем было изменено с PBLxxxxx на NJMxxxxx.

Как простые переключатели, так и Н-мосты могут быть частью регулятора тока с ключом. Схема управления с ключом может быть выполнена на дискретных элементах или в виде специализированной интегральной схемы. Довольно популярной схемой стабилизации тока ШИМ является L297 от SGS-Thomson. Вместе со схемой мостового драйвера L293 или L298 они образуют полную систему управления шаговым двигателем (Рисунок 28).

Рисунок 28: Типичная схема подключения цепей L297 и L298N.

Микросхема L297 значительно снижает нагрузку на управляющий микроконтроллер, поскольку от него требуется только тактовая частота CLOCK (частота повторения шагов) и несколько статических сигналов: DIRECTION – направление (сигнал внутренне синхронизирован, его можно переключить в любой момент), HALF/FULL – полушаговый/полношаговый режим, RESET – устанавливает фазы в исходное состояние (ABCD = 0101), ENABLE – разрешает работу схемы, V ref – опорное напряжение, задающее пиковое значение тока при ШИМ-управлении. Кроме того, существует несколько дополнительных сигналов. Сигнал CONTROL устанавливает режим работы ШИМ-контроллера. Когда он находится в низком состоянии, ШИМ-управление осуществляется на выходах INH1, INH2, а когда в высоком состоянии – на выходах ABCD. SYNC – это внутренний выход тактового генератора ШИМ. Он используется для синхронизации работы нескольких микросхем. Он также может использоваться в качестве входа при тактировании от внешнего генератора. HOME – сигнал начального положения (ABCD = 0101). Используется для синхронизации переключения режима HALF/FULL. В зависимости от того, когда схема переключается в режим полного шага, она может работать в режиме однофазного включения или двухфазного включения.

Многие другие ИС также реализуют управление ключами. Некоторые микросхемы имеют некоторые особенности, например, контроллер LMD18T245 компании National Semiconductor не требует внешнего датчика тока, так как он внутренне реализован на основе одной ключевой ячейки MOSFET.

Некоторые схемы разработаны специально для работы в микрошаговом режиме. Примером может служить микросхема Allegro A3955. Он имеет встроенный 3-битный нелинейный ЦАП для определения синусоидально изменяющегося фазного тока.

Рисунок 29: Ток ротора и вектор смещения.

Перекос ротора как функция фазных токов, генерируемых этим 3-битным ЦАП, показан на рисунке 29. Микросхема A3972 имеет встроенный 6-битный линейный ЦАП.

Выбор типа контроллера

Максимальный крутящий момент и мощность, которые шаговый двигатель может передать на вал, зависят от размера двигателя, условий охлаждения, режима работы (соотношение работы/остановки), параметров обмотки двигателя и типа используемого драйвера. Тип используемого привода оказывает большое влияние на мощность, доступную для вала двигателя. При одинаковой рассеиваемой мощности контроллер с импульсной стабилизацией тока обеспечивает увеличение крутящего момента на некоторых скоростях в 5-6 раз по сравнению с питанием обмоток номинальным напряжением. Это также расширяет допустимый диапазон скоростей.

Технология приводов с шаговыми двигателями постоянно совершенствуется. Целью является достижение максимально возможного крутящего момента при минимально возможном размере двигателя, возможности работы на высокой скорости, высокой эффективности и повышенной точности. Важным элементом этой технологии является использование микрошагов.

На практике время разработки привода на базе шагового двигателя также имеет большое значение. Разработка специализированной конструкции для каждого конкретного случая требует значительного количества времени. С этой точки зрения, универсальные системы управления на основе ШИМ предпочтительнее, несмотря на их более высокую стоимость.

Практический пример контроллера шагового двигателя на базе микроконтроллеров семейства AVR

Хотя в настоящее время существует большое количество узкоспециализированных систем управления шаговыми двигателями, в особых случаях можно обойтись и без них. Если требования не слишком жесткие, контроллер может быть полностью реализован программно. Стоимость такого водителя очень низкая.

Драйвер предназначен для управления униполярным шаговым двигателем со средним током до 2,5 А на обмотку. Он может использоваться с популярными шаговыми двигателями, такими как DSHI-200-1, -2, -3. Он также может использоваться для управления двигателями меньшей мощности, например, используемыми для позиционирования головок в 5-дюймовых дисководах. Схему можно упростить, отказавшись от параллельного соединения ключевых транзисторов и ключа стабилизации тока, поскольку для двигателей малой мощности достаточно простого питания L/R.

Рисунок 30: Принципиальная схема драйвера шагового двигателя.

Основой устройства (рис. 30) является микроконтроллер U1 типа AT90S2313 фирмы Atmel. Сигналы, управляющие обмотками двигателя, формируются программно на портах PB4 – PB7. Для коммутации обмоток используются два полевых транзистора типа KP505A, всего 8 транзисторов (VT1 – VT8). Эти транзисторы имеют корпус TO-92 и могут коммутировать ток до 1,4 А, сопротивление канала составляет около 0,3 Ом. Для того чтобы транзисторы оставались короткими во время сигнала “сброса” микроконтроллера (в этом случае порты находятся в высокоимпедансном состоянии), резисторы R11 – R14 помещаются между затворами и выводами. Резисторы R6 – R9 установлены для ограничения тока зарядки емкости затвора. Этот драйвер не претендует на достижение высоких скоростных характеристик, поэтому вполне достаточно медленного падения фазного тока, которое обеспечивается шунтированием обмоток двигателя диодами VD2 – VD5. Для подключения шагового двигателя, имеющего два отдельных провода от каждой обмотки (например, DSHI-200), имеется 8-контактный разъем XP3. Для двигателей с внутренним подключением обмотки один или два общих контакта разъема остаются свободными.

Следует отметить, что контроллер может быть использован для управления двигателем с большим средним фазным током. Для этого достаточно заменить транзисторы VT1 – VT8 и диоды VD2 – VD5 на более мощные. И в этом случае можно обойтись без параллельного соединения транзисторов. Наиболее подходящими транзисторами являются МОП-транзисторы, которые управляются логическим уровнем. Например, это KP723G, KP727B и другие.

Стабилизация тока осуществляется с помощью ШИМ, которая также реализована программно. Для этого используются два датчика тока R15 и R16. Сигналы, снимаемые с датчиков тока, подаются на входы компараторов U3A и U3B через ФНЧ R17C8 и R18C9. LPF предотвращают ложное срабатывание компараторов из-за шума. На второй вход каждого компаратора должно подаваться опорное напряжение, определяющее пиковый ток в обмотках двигателя. Это напряжение генерируется микроконтроллером с помощью встроенного таймера, работающего в режиме 8-битного ШИМ. Для фильтрации ШИМ-сигнала используется двухпроводной LPF-фильтр R19C10R22C11. В то же время резисторы R19, R22 и R23 образуют делитель, который задает шкалу управления фазовым током. В данном случае максимальный пиковый ток, соответствующий коду 255, был выбран равным 5,11 А, что соответствует 0,511 В на датчиках тока. Учитывая, что постоянная составляющая выходного сигнала ШИМ изменяется от 0 В до 5 В, требуемый коэффициент деления составляет приблизительно 9,7. Выходы компаратора подключены к входам прерывания микроконтроллера INT0 и INT1.

Для управления двигателем имеются два логических входа: FWD (вперед) и REW (назад), подключенные к разъему XP1. Когда на один из этих входов подается логический уровень НИЗКИЙ, двигатель начинает вращаться с заданной минимальной скоростью, постепенно ускоряясь с заданным постоянным ускорением. Разгон завершается, когда двигатель достигает установленной рабочей скорости. Если подается команда на изменение направления, двигатель замедляется с тем же ускорением, а затем меняет направление и снова ускоряется.

В дополнение к входам управления к разъему XP2 подключены два входа концевых выключателей. Концевой выключатель считается сработавшим, когда на соответствующем входе появляется логический уровень LOW. В этом случае вращение в этом направлении запрещено. Если концевой выключатель срабатывает при вращении двигателя, двигатель переключается на торможение при заданном ускорении, а затем останавливается.

Входы управляющих и концевых выключателей защищены от перенапряжения с помощью R1VD6, R2VD7, R3VD8 и R4VD9, состоящих из резистора и стабилизатора.

Питание микроконтроллера создается схемой стабилизатора 78LR05, которая также выполняет функцию контроля питания. Когда напряжение питания падает ниже заданного порога, эта схема генерирует сигнал “сброса” для микроконтроллера. Регулятор питается от диода VD1, который вместе с конденсатором C6 уменьшает пульсации, возникающие при переключении относительно мощной нагрузки, такой как шаговый двигатель. Питание платы осуществляется через 4-контактный разъем XP4, контакты которого продублированы.

Демо-версия программы позволяет двигателю ускоряться и замедляться с постоянным ускорением и вращаться с постоянной скоростью в режиме полного или половинного шага. Эта программа содержит все необходимые функции и может быть использована в качестве базовой программы для написания специализированных программ. Поэтому имеет смысл рассмотреть его структуру более подробно.

Основная задача программы – генерировать последовательности импульсов для 4-х обмоток двигателя. Поскольку временные соотношения для этих последовательностей являются критическими, формирование происходит в модуле обработчика прерывания таймера 0. Можно сказать, что именно в этом обработчике программа делает большую часть своей работы. Блок-схема обработчика показана на рисунке 31.

Рисунок 31: Блок-схема обработчика прерывания таймера 0.

Несомненно, удобнее было бы использовать таймер 1, так как он 16-битный и может вызывать периодические прерывания, совпадающие с автоматическим сбросом. Однако он занят созданием опорного напряжения ШИМ для компараторов. Следовательно, он должен перезагрузить таймер 0 в прерывании, что требует некоторого согласования загружаемых значений и вызывает некоторое дрожание, но на практике это не мешает. В качестве основной временной базы был выбран интервал 25 мкс, генерируемый таймером. Временные последовательности фаз могут быть сформированы с такой дискретностью, и этот же интервал доступен для стабилизации тока ШИМ в фазах двигателя.

Для генерации периода повторения фазы используется программный 16-битный таймер STCNT. В отличие от таймера 0, его начальное значение не является постоянным, поскольку определяет скорость вращения двигателя. Поэтому переключение последовательности фаз происходит только в случае переполнения программного таймера.

Последовательность фаз приведена в таблице. В памяти программ микроконтроллера имеется три различных массива: для полношагового режима без наложения фаз, полношагового с наложением фаз и для полушагового режима. Все массивы имеют одинаковую длину 8 байт. Нужная таблица загружается в оперативную память в начале работы, что позволяет легко переключаться между различными режимами работы двигателя. Значения из таблицы выбираются с помощью указателя PHASE, поэтому переключение направления вращения двигателя также очень просто: указатель нужно увеличить для вращения вперед и уменьшить для вращения назад.

Самой “важной” переменной в программе является 24-битная переменная VC, которая содержит значение текущей скорости. Знак этой переменной определяет направление вращения, а значение – частоту шага. Нулевое значение этой переменной означает, что двигатель остановлен. В этом случае программа отключает все фазные токи, хотя многие приложения в данной ситуации требуют, чтобы текущие фазы оставались включенными и лишь немного уменьшали свои токи для обеспечения сохранения положения двигателя. При необходимости это изменение очень легко внести в логику программы.

Поэтому при переполнении таймера программы STCNT анализируется значение переменной VC, в случае положительного значения индикатор PHASE инкрементируется, а в случае отрицательного – декрементируется. Затем из таблицы выбирается следующая комбинация фаз и выводится в порт. Когда VC равен нулю, указатель PHASE не изменяется, и все нулевые значения выводятся в порт.

Значение T, которым должен быть загружен таймер STCNT, однозначно связано со значением переменной VC. Однако преобразование частоты в период занимает довольно много времени, поэтому эти вычисления выполняются в основной программе и не на каждом шаге, а гораздо реже. В общем, эти расчеты необходимо выполнять только периодически во время ускорения или замедления. В другое время скорость, а значит и период повторных шагов, не меняется.

Для реализации стабилизации тока ШИМ фазы должны периодически включаться и выключаться, когда ток достигает заданного уровня. Периодическое переключение осуществляется в прерывании таймера 0, для которого в порт выводится текущая комбинация фаз, даже если программный таймер STCNT не переполняется. Это делается с периодом 25 мкс (что соответствует частоте ШИМ 40 кГц). Выключение фазы контролируется компараторами, выходы которых подключены к входам прерывания INT0 и INT1. Прерывания включаются при включении фазного тока и сразу же выключаются при включении компараторов. Это предотвращает их переработку. Программы-обработчики прерываний отключают только соответствующие фазы (Рисунок 32).

Рисунок 32: Блок-схема обработчиков прерываний INT0 и INT1.

Процессы, происходящие во время стабилизации тока ШИМ, показаны на рисунке 33. Обратите особое внимание на то, что ток в датчике тока прерывается, даже если ток обмотки не прерывается. Это происходит потому, что во время падения тока его путь проходит не через датчик тока (а через диод).

Рисунок 33: Процесс стабилизации тока ШИМ.

Надо сказать, что аналоговая часть системы стабилизации фазного тока двигателя с ШИМ довольно “капризна”. Дело в том, что сигнал, снимаемый с датчика тока, содержит много шума. Шум возникает в основном при переключении обмоток двигателя, как “своей”, так и “чужой” фазы. Для правильной работы схемы требуется правильное подключение печатной платы, особенно проводов заземления. Может потребоваться регулировка номиналов ФНЧ на входе компаратора или даже введение небольшого гистерезиса в компаратор. Как упоминалось выше, для управления двигателями малой мощности стабилизацию тока ШИМ можно вообще не использовать, применяя для питания обмоток обычную схему L/R. Чтобы избежать стабилизации ШИМ, достаточно просто отключить входы INT0 и INT1 микроконтроллера, а компаратор и датчики тока, конечно, можно вообще не использовать.

В этой программе периодичность расчета новых значений скорости и периода выбрана равной 15,625 мс. Это значение выбирается не случайно. Этот интервал равен 1/64 с и, что более важно, он включает в себя общее количество периодов переполнения таймера 0 (25 мкс). Удобно, если значения скорости и ускорения даны в натуральных единицах, т.е. в шагах в секунду и в шагах, деленных на квадрат секунд. Чтобы иметь возможность вычислять мгновенную скорость 64 раза в секунду в целочисленной арифметике, необходимо перейти к внутреннему представлению скорости, увеличенному в 64 раза. Умножение и деление на 64 сводится к простым смещениям и поэтому требует очень мало времени. Периодичность вычисления набора обеспечивается другим программным таймером, URCNT, который декрементируется по прерыванию таймера 0 (раз в 25 мкс). Этот таймер всегда загружен постоянным значением, что гарантирует, что его период переполнения остается постоянным и составляет 15,625 мс. Переполнение этого таймера устанавливает флаг бита UPD, который сигнализирует основной программе, что “пора обновить скорость и период”.

Основная программа (Рисунок 34) рассчитывает мгновенные значения скорости и периода шага, выдавая требуемую кривую ускорения. В этом случае ускорение и замедление выполняются с постоянным ускорением, поэтому скорость изменяется линейно. Период изменяется по гиперболическому закону, и его вычисление является основной работой программы.

Рисунок 34: Блок-схема основного цикла программы.

Основная программа периодически обновляет значения скорости и шага, причем периодичность задается флагом UPD. Программа обновляется на основе сравнения значений двух переменных: мгновенной скорости VC и желаемой скорости VR.

Желаемое значение скорости также задается в основной программе. Это делается путем анализа сигналов управления и сигналов концевых выключателей. В зависимости от этих сигналов основная программа загружает переменную VR с желаемым значением скорости. В данной программе это V для движения вперед, -V для движения назад и 0 для остановки. В общем, набор скоростей (а также ускорений и фазных токов) может быть настолько большим, насколько это необходимо.

Если скорости VC и VR равны, то шаговый двигатель неподвижен и обновление не требуется. Если скорости не равны, то VC при данном ускорении аппроксимируется VR, т.е. двигатель ускоряется (или замедляется) до достижения номинальной скорости. Если даже знаки VR и VC отличаются, двигатель замедляется, меняет направление вращения и затем достигает требуемой скорости. Это происходит, так сказать, спонтанно, благодаря структуре программы.

Если следующая проверка показывает, что скорости VR и VC не равны, значение ускорения A прибавляется к значению VC (или вычитается из него). Если в результате этой операции требуемая скорость превышена, полученное значение корректируется путем замены его на точное значение требуемой скорости.

Затем рассчитывается период T (Рисунок 35).

Рисунок 35: Блок-схема подпрограммы для вычисления периода.

Сначала вычисляется модуль текущей скорости. Затем происходит ограничение минимальной скорости. Это ограничение необходимо по двум причинам. Во-первых, бесконечно малая скорость соответствует бесконечно большому периоду, что приведет к ошибке в расчетах. Во-вторых, шаговые двигатели имеют достаточно большую зону запуска, поэтому нет необходимости запускаться с очень низкой скорости, тем более что вращение на низких скоростях вызывает повышенный шум и вибрацию. Значение минимальной скорости VMIN должно выбираться в зависимости от конкретного применения и типа двигателя. Как только минимальная скорость ограничена, период рассчитывается по формуле T = 2560000/|VC|. На первый взгляд формула не очевидна, но если учесть, что период должен быть получен в интервале 25 мкс и что внутреннее представление VC в 64 раза больше его фактического значения, то все встает на свои места. Для вычисления T требуется операция деления без знака 24/24, которую AVR на частоте 10 МГц выполняет примерно за 70 мкс. Поскольку вычисления периода происходят не чаще, чем раз в 15,625 мс, нагрузка на процессор очень мала. Основная нагрузка приходится на прерывание таймера 0, которое в основном обрабатывается коротким ответвлением (без переполнения STCNT) длительностью около 3 мкс, что соответствует 12% загрузки процессора. Это означает, что имеются значительные резервы вычислительных ресурсов.

Печатная плата драйвера шагового двигателя показана на рис.36.

Рис.36. Печатная плата драйвера шагового двигателя.

Полную версию этой статьи можно найти в журнале Fundamentals of Circuitry, No.6-7/2001 Автор – L. Ridico

В настоящее время существует обширная литература по теории шаговых и редукторных двигателей и способам управления ими:

1. автоматизированные электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями / М.Е. Гольц, А.Б. Гудзенко, В.М. Остреров и др. М: Энергия, 1972.

2. ан J и др. Датчики измерительных систем: в 2-х томах – М.: Мир, 1992.

Андреев, В.П., Сабинин, Ю.А. Основы электрической тяги (на русском языке). – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963 г. – 772 с.

4) Андрющенко В.А., Ломов В.С. Электронные и полупроводниковые устройства сервопривода / Под ред. В.С. Ломова. Москва: Машиностроение, 1967.

5 Анхимюк В.Л., Опейко О.Ф. Проектирование систем автоматического управления электроприводами. Минск: Средняя школа, 1986.

6. Арменский Е.В., Фальк Г.Б. Электрические микромашины. – М.: Выс. шк. 1985 г. – 231 с.

7. Балагуров В.А. и др. Круговые двигатели постоянного тока с постоянными магнитами / В.А. Балагуров и др. Балагуров, В.М. Гридин, В.К. Лозенко. – Москва: Энергия, 1975.

8 Бамдас А.М., Шапиро С.В. Трансформаторы с магнитным управлением. – М.: Энергия, 1965. – 160 с.

9. Башарин А.В., Голубев Ф.Н., Кепперман В.Г. Примеры расчетов автоматизированного электропривода. М.; Л.: Энергия, 1964.

10. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Энергоиздат, 1982.

Башарин А.В., Постников Ю.В. Моделирование и расчет компьютерных систем управления электроприводами. Л.: ЛЭТИ, 1984.

12. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Тиристорные системы электропривода с упругими связями. L.: Energia 1979.

13. Брускин Д.Е., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины и микромашины. – М.: Вышкова, 1981. – 432 с.

14. Брускин Д.Е., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины: учебник для вузов. Москва: Высшая школа, 1987.

15. Быков Б.К. и др. Основы теории силовых аппаратов. – М.: Высшая школа, 1970. – 600 с.

16. Васин В.М. Электрическая тяга. – М.: Высшая школа, 1984.

17. Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А., Сергеев П.С. Проектирование электрических машин. М., 1969.

18. Волков, Н.И., Миловзоров, В.Н. Электромашинные устройства автоматизации. – М.: Выс. шк., 1986. – 336 с.

19. Вольдек А.И. Электрические машины. Л., 1974.

20. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. L.: Energia, 1973.

21. Грязнов Н.М. Трансформаторы и дроссели в импульсной аппаратуре. – М.: Радио и связь, 1986.

22. Гулин В.Ф., Калитинская Т.В. Тяговый шаговый электропривод. – Л.: Энергия, 1980 г. – 168 с.

23. Динамика электропривода постоянного тока с приводом от затвора, под ред. А.Д. Поздеева. – М.: Энергия, 1975 – 223 с.

24. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / под ред. М.Г. Чиликина. – М.: Энергия, 1971 г. – 624 с.

25. Ермолин, Н.П. Электрические машины малой мощности. – М.: Высшая школа экономики, 1961. – 503 с.

26. Зимин Е.Н., Кацевич В.Л., Козырев С.К. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями. Москва: Энергоиздат, 1981.

27. зимин Е.Н., Яковлев В.И. Автоматическое управление электроприводами. Москва: Высшая школа, 1979.

28. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М., 1980.

29. Ивоботенко Б.А., Луценко В.Е., Голиашвили Е.С. Двухкоординатные поступательно-колесные электродвигатели (ДППД) // Труды МЭИ. – 1976. – Выпуск. 285. – С. 69-73.

30. Ижеля, Г.И. и др. Линейные асинхронные двигатели / Г.И. Ижеля, С.А. Ребров, А.Г. Шаповаленко. – Киев: Техника, 1975.

31. Ижеля Г.И., Ребров С.А., Шаповаленко А.Г. Линейные асинхронные двигатели. – К.: Техника, 1975 г. – 136 с.

32. исследование электрических микромоторов / Астахов Н.В., Крайз Б.Л., Лопухина Е.М. и др. – М., 1973.

33 Каасик П.Я., Несварова Е.Д. Управляемые асинхронные двигатели. Л., 1965.

34. Карпенко Б.К., Ларченко В.И., Прокофьев Ю.А., Кузнецов А.В., Кузнецов А.А., Кузнецов А.В. Шаговые двигатели. – К.: Техника, 1972 г. – 216 с.

35. Кацман, М.М. Руководство к лабораторным работам по электрическим машинам и электрическим двигателям. – Москва: средняя школа, 1983.

36. 36. Кацман М.М. Электрические машины и трансформаторы. – Москва, часть I, 1976; часть II, 1976.

37. 37. Кацман М.М. Электрические машины и электропривод автоматических устройств: учебник для электротехнических спецшкол – М.: Высшая школа, 1987 г. – 335 с.

38. 335. Кацман, М.М. Электрические машины: учебник для учащихся техникумов электротехнического профиля. – М.: Средние школы, 1990 год.

39. Электрические машины автоматических систем: учебник для средних технических учебных заведений / Под ред. Ф.М. Юфирова. – 2-е издание, переработанное и дополненное: М.: Высшая школа, 1979 – 261с.

40. Кенио Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления. – Москва: Мир, 1987.

41. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины: учебник для вузов. – 3-е изд. Л.: Энергия, 1973.

42. Кузнецов В.Г. Приводы станков с программным управлением. – Москва: Машиностроение, 1983.

43. Лодочников Е.А., Юферов Ф.М. Микроэлектромоторы для систем автоматизации // Микроэлектроника. – М.: Энергия, 1967. – 276 с.

44. Лопухина Е.М., Семенчуков Г.А. Проектирование асинхронных микромоторов с применением компьютера. М., 1980.

45. Мелкозеров, П.С. Приводы в системах автоматического управления / П.С. Мелкозеров. Москва; Л.: Энергия, 1966.

46. Микроэлектромоторы для систем автоматизации / Анненков В.Б. и др; Под ред. Е.А. Лодочников и Ф.М. Юферов. М., 1969.

47 Миловзоров В.П. Элементы информационных систем. – Москва: Высш. шк. shk. 1989.

48. мкртчян Д.П., Хрущев В.В. Однофазные селсины. – Л.: Судпромгиз, 1957 г. – 344 с.

49. Москаленко В.В. Современные системы автоматизированного электропривода. – Москва: средняя школа, 1980 год.

50. Осин И.Л., Колесников В.П., Йоферов Ф.М. Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами // Известия вузов. М., 1976.

51. Петров, Г.Н. Электрические машины / Г.Н. Петров. М., 1974, ч. I; 1963, ч. II; 1968, ч. III.

52. Писарев А.Л., Деткин Л.П. Управление тиристорным преобразователем. – Москва: Энергия, 1975.

53. Подлесный Н.И., Рубанов В.Г. Элементы систем автоматического управления. – К.: Выш. шк., 1992.

54 Подлипенский В.С., Петренко В.Н. Электромагнитные и электрические устройства управления для машин. – К.: Вышк. шк., 1987.

55 Подлипенский В.С., Сабинин Ю.А., Юрчук Л.Ю. Элементы и устройства автоматизации. – Санкт-Петербург: Политехника, 1995.

56. Справочник по применению промышленных роботов / под редакцией Кацухико Нода. – Москва: Мир, 1975.

57. Постников И.М. Проектирование электрических машин. Киев, 1960.

58. Потапов, Л.А., Юферов, Ф.М. Измерение крутящего момента и скорости микроэлектрических двигателей. М., 1974.

59. Романенко В.Д. Методы автоматизации прогрессивных технологий. – М.: Высшая школа, 1995.

60. рудаков В.В. Динамика электроприводов с контурами обратной связи. L.: LGI, 1980.

61. рудаков В.В. Усилители электрических машин в системах автоматизации. Москва, Л.: Госэнергоиздат, 1961.

62. сабинин Ю.А. Электромашинные устройства автоматизации. – Л.: Энергоатомиздат, 1988.

63. сабинин Ю.А., Грузов В.Л. Асинхронные электроприводы с частотным регулированием. Л.: Энергоатомиздат, 1985.

64. А., Кулешов В.И., Шмырева М.М. Автономные дискретные электроприводы с мощными шаговыми двигателями // Автономная электротехника. L.: Energia, 1980.

65 Сандлер А.С., Сарбатов Р.С. Автоматическое управление асинхронным двигателем с заданной частотой. Москва: Энергия, 1974.

66. Сборник задач и упражнений по теоретическим проблемам электротехники / Под ред. П.А. Ионкин. – Москва: Энергоиздат, 1982.

67. 67. Свечарник, Д.В. Линейный электропривод. – М.: Энергия, 1976. – 153 с.

68. системы управления роботами и промышленными манипуляторами / под ред. проф. Е.И. Юревича. – Редактор учебных курсов Ленинградского государственного университета, 1980 год.

69. слежановский О.В. Реверсивный электропривод постоянного тока. Москва: Металлургия, 1967.

70. специальные электрические машины / А.И. Бертинов, Д.А. Brut, S.R. Мизюрин и др; Под редакцией А.И. Бертинова. – Москва: Энергоиздат, 1982.

71 Справочник по автоматическим электрическим силовым установкам / Под ред. В.А. Елисеев и А.В. Шинянский. Москва: Энергоатомиздат, 1983.

72 Теоретические основы электротехники. Том 2 Нелинейные цепи и основы теории электромагнитного поля / Под ред. П.А. Ионкин. – Москва: Высшая школа, 1976.

73. управление электроприводами вентилей постоянного тока / Е.Д. Лебедев, В.Е. Неймарк, М.Я. Кузнецов. Москва: Энергия, 1970.

74 Хализев, Г.П. Электропривод и основы управления. – Москва: Высшая школа, 1977.

75. Хрущев, В.В. Электрические машины систем автоматизации: Руководство для университетов. Л.: Энергоатомиздат, 1985.

76. хрущев В.В. Микроэлектрические машины автоматических устройств. – Л.: Энергия, 1976 г. – 384 с.

77. Чечет Ю.С. Электрические микромашины автоматических устройств. – М.; Л.: Энергия, 1964 г. – 351 с.

78. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматических электрических движителей. – М.: Энергия, 1979 – 616 с.

79. Чиликин М.Г., Козлитин Л.С. Исследование асинхронного электропривода с тиристорным регулятором напряжения // Труды МЭИ. – 1966 – Kwest. 66, ч. 1. – С. 261-275.

80. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Руководство для университетов. – 6-е издание Москва: Энергоиздат, 1981.

81 Чиликин, М.Г., Соколов, М.М., Шинянский, А.В. Асинхронный электропривод с насыщающимися реакторами (на русском языке). – М.; Л.: Энергия, 1964 г. – 293 с.

82. Чистов В.П., Бондаренко В.И., Святославский В.А. Оптимальное управление электроприводами. Москва: Энергия, 1968.

83. Шегал Г.Л., Коротков Г.С. Электрические исполнительные механизмы в системах управления. – Москва: Энергия, 1968.

84. shelting G., Baisse A. Электрические микромашины. – Москва: Мир, 1997.

85 Шипило, В.Н. Автоматизированный электропривод ворот. – М.: Энергия, 1969. – 400 с.

86. электродвигатели с гладким якорем для систем автоматизации / под ред. Дж. – Москва: Энергия, 1979.

87. Юферов, Ф.М. Электрические машины автоматических устройств / Ф.М. Юферов. – М.: Высш. школа, 1976 г. – 416 с.

88. Робототехника и GAP. В 9 книгах. Ян В.Е. Приводы робототехнических систем : учеб. пособие / Ж.П. Ахмадов. Приводы робототехнических систем : учебное пособие / Ж.П. Ахромеев – М.: Высшая школа. 1986 – 175 стр. (621.86 Р58)

89 Сафонов Ю.М. Электроприводы промышленных роботов. – Москва: Энергоатомиздат, 1990 – 176 стр. (621.86 С21)

90. Дубровский И.Л., Дамбраускас А.П., Рыбин А.А. Микропроцессорное управление электроприводами промышленных роботов: учебное пособие/; – Красноярск, КГТУ, 1993 – 88 с.

91 Чиликин, М.Г., Сандлер, А.С. Общий курс по электрическим силовым установкам: Руководство для университетов. – М.: Энергоиздат, 1981 – 576 с.

92. Робототехнические системы и комплексы / И.И. Мачульский, В.П. Запятой и др. под ред. И.И. Мачульского, М.: Транспорт, 1999 – 464 с.

93. поединок Д.А. “Бесконтактные электрические машины” Москва: Высшая школа, 1990.

94. Лебедев, Н.И., Гандшу, В.М., Явдошак, Я.В., Яковлев, В.А., Яковлев, В.А., Яковлев, В.В., Яковлев, В.А., Яковлев, В.А. Наука, 1996 г. – 352с.

95. Козырев Ж.Г. Промышленные роботы: Справочное пособие. – М.: Машиностроение, 1988 – 392 с.

96. Справочник по автоматизированному электроприводу. / Под редакцией В.А. Елисеев и А.В. Шинявский. М.: Энергоатомиздат, 1983 – 616 с.

97. Встовский А.Л., Титович В.И., Лазовский Н.Ф. Электромеханические элементы и приводы для роботов: Учебное пособие / А.Л. Встовский, В.И. Титович, Н.Ф. Лазовский. – Красноярск: КрПИ, 1988 г. – 104с.

98. руководство по применению промышленных роботов. / Под редакцией Кацухико Нода. М.: Мир, 1975 – 452 с.

99. Кенио Такаси. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления, Перевод с английского, Москва: Энергоатомиздат, 1987 – 199 с.

100. Копылов, И.В. Электрические машины. – Москва, 1980 – 360 стр.

101. Микропроцессорное управление электроприводом станков с ЧПУ / Е.Л. Тихомиров, В.В. Васильев и др. Тихомиров Е.Л., Тихомиров и другие (на русском языке). – Москва: Машиностроение, 1990 – 320 с.

102. системы управления промышленными роботами / Ю.Д. Андрианов, Л.Я. Кузнецов. – М.: Машиностроение, 1984 – 288 с.

103. Хрущев, В.В. Электрические машины систем автоматизации: Пособие для средних школ (на русском языке). – Л.: Энергоатомиздат, 1985 – 368 с.

104. автоматизированные электроприводы с широтно-импульсными преобразователями. / М.Э. Гольц и др. – Москва: Энергоатомиздат, 1972 – 112 с.

105. Быстродействующие электроприводы постоянного тока с преобразователями частоты. / М.Е. Гольц и др. – Москва: Энергоиздат, 1986 – 184 с.

106. шаговые двигатели / Карпенко Б.К. Москва: 1990.

107. Шаговые двигатели для систем автоматического управления / Ратмиров В.А., Ивоботенко Б.А. Москва: 1962.

108. Янгол В. / Стабилизация частоты вращения электродвигателей большой мощности // Радиолюбитель, 1992. №3 с.28-29

Читайте далее:
Сохранить статью?