Исследование управления шаговыми двигателями для применения в мехатронных модулях и робототехнических системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование управления шаговыми двигателями для применения в мехатронных модулях и робототехнических системах

В.Н. Пащенко, Д.О. Ульянов

КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Калуга

Шаговый электродвигатель -- это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. Главное преимущество шаговых приводов -- точность. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Шаговый привод наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика.

Для шагового двигателя наблюдается зависимость - крутящего момента от скорости (см. рис. 1). Момент шагового двигателя зависит от величины тока в обмотках. На больших скоростях ток фазы за время одного шага не успевает достигнуть нужной величины. По этой причине момент шагового двигателя падает с увеличением скорости вращения. При увеличении напряжения питания ток нарастает быстрее, благодаря чему можно достичь больших скоростей или сохранить момент шагового двигателя на заданной скорости.

Рисунок 1 - зависимость момента, создаваемого шаговым двигателем, от скорости вращения ротора.

Для того, чтобы работать на большой скорости из области разгона (рис. 1), необходимо стартовать на низкой скорости из области старта, а затем выполнить разгон. При остановке нужно действовать в обратном порядке: сначала выполнить торможение, и только войдя в область старта можно прекратить подачу управляющих импульсов[1]. В противном случае произойдет потеря синхронности и положение ротора будет утеряно. Использование разгона и торможения позволяет достичь значительно больших скоростей - в индустриальных применениях используются скорости до 10000 полных шагов в секунду. Необходимо отметить, что непрерывная работа шагового двигателя на высокой скорости не всегда допустима ввиду нагрева ротора. Однако высокая скорость кратковременно может быть использована при осуществлении позиционирования. При разгоне двигатель проходит ряд скоростей, при этом на одной из скоростей можно столкнуться с неприятным явлением резонанса. Для нормального разгона желательно иметь нагрузку, момент инерции которой как минимум равен моменту инерции ротора. На ненагруженном двигателе явление резонанса проявляется наиболее сильно.

При осуществлении разгона или торможения важно правильно выбрать закон изменения скорости и максимальное ускорение. Ускорение должно быть тем меньше, чем выше инерционность нагрузки[1]. Критерий правильного выбора режима разгона - это осуществление разгона до нужной скорости для конкретной нагрузки за минимальное время.

При разгоне или торможении с постоянным ускорением частота повторения шагов должна изменяться линейно, соответствено значение периода, которое необходимо загружать в таймер блока управления, должно меняться по гиперболическому закону [1]. Для наиболее общего случая требуется знать зависимость длительности шага от текущей скорости. Количество шагов, которое осуществляет двигатель при разгоне за время равно:

где - число шагов, - время, - скорость, выраженная в шагах в единицу времени, - ускорение, выраженное в шагах, деленных на время в квадрате.

Для одного шага , тогда длительность шага:

В результате осуществления шага скорость становится равной:

Вычисления по приведенным формулам довольно трудоемки и требуют значительных затрат процессорного времени. В то же время, они позволяют изменять значение ускорения в произвольный момент. Расчеты можно существенно упростить, если потребовать постоянства ускорения во время разгона и торможения. В этом случае можно записать зависимость длительности шага от времени разгона:

где - текущая скорость, - начальная скорость (минимальная скорость, с которой начинается разгон), - ускорение;

где - длительность шага, - начальная длительность шага, - текущее время. Откуда, .

Шаговым двигателям свойственен нежелательный эффект, называемый резонансом. Эффект проявляется в виде внезапного падения момента на некоторых скоростях. Это может привести к пропуску шагов и потере синхронности. Эффект проявляется в том случае, если частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора двигателя. Резонансная частота вычисляется по формуле:

где - резонансная частота, - число полных шагов на оборот, - момент удержания для используемого способа управления и тока фаз, - момент инерции ротора, - момент инерции нагрузки.

Для борьбы с резонансом можно использовать различные методы. Например, использование эластичных материалов при выполнении механических муфт связи с нагрузкой. Другим способом является применение вязкого трения. Выпускаются специальные демпферы, где внутри полого цилиндра, заполненного вязкой кремнийорганической смазкой, может вращаться металлический диск. Существуют электрические методы борьбы с резонансом. Колеблющийся ротор приводит к возникновению в обмотках статора ЭДС. Если закоротить обмотки, которые на данном шаге не используются, это приведет к демпфированию резонанса. И, наконец, существуют методы борьбы с резонансом на уровне алгоритма работы драйвера. Например, можно использовать тот факт, что при работе с двумя включенными фазами резонансная частота примерно на 20% выше, чем с одной включенной фазой. Если резонансная частота точно известна, то ее можно проходить, меняя режим работы. Если возможно, при старте и остановке нужно использовать частоты выше резонансной. Увеличение момента инерции системы ротор-нагрузка уменьшает резонансную частоту. Однако, самой эффективной мерой для борьбы с резонансом является применение микрошагового режима [2].

Скорость шагового двигателя зависит от частоты переключения обмоток двигателя. Этой работой занимаются блоки управления. Распространенным вариантом является управление импульсами, подаваемыми на вход блока - один управляющий импульс соответствует одному шагу двигателя. Таким образом, скорость вращения шагового двигателя зависит от частоты подачи импульсов. Драйверы, как правило, поддерживают функцию дробления шага. Распространенными блоками управления являются устройства, которые воспринимают внешние управляющие сигналы 0В/5В и преобразуют их в соответствующие перемещения шагового двигателя. Один управляющий импульс соответствует одному шагу или микрошагу шагового двигателя. Если управляющие импульсы должны следовать по определенному, заранее известному алгоритму, удобнее применять специальные контроллеры шаговых двигателей. Современные контроллеры предоставляют более удобный способ - скорость, ускорение, направление и другие параметры работы задаются командами. Такие контроллеры управляют не отдельным дискретным перемещением, а задают траекторию движения, с нужными скоростями, ускорениями, воспринимают сигналы от внешних датчиков, имеющихся в системе для синхронизации шагового привода с другими элементами производственной машины [3].

шаговый двигатель мехатронный робототехнический

Выводы

В случае шаговых двигателей скорость работы не зависит от изменения нагрузки на валу двигателя. Однако, все шаговые двигатели теряют крутящий момент при увеличении скорости. Чем выше напряжение питания, подаваемое на шаговый привод, тем выше максимальный допустимый крутящий момент шагового двигателя для определенной скорости движения. Шаговый привод наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика. Для работы шаговых двигателей датчиков обратной связи не требуется. Однако, в случаях, когда есть вероятность потери шага вследствие превышения момента, иногда в системе используются дополнительные энкодеры.

Список литературы

1. А. В. Емельянов, А. Н. Шилин Шаговые двигатели: учеб. пособие. Федеральное агентство по образованию, Волгоградский гос. технический ун-т. - Волгоград: Политехник, 2005. - 45 с.: ил.; 21 см.

2. Кенио Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 200 стр.

3. Вильямс Дж. Программируемые роботы. Создаем робота для своей домашней мастерской. Пер. с англ. А.Ю. Карцева - М.: НТ Пресс, 2006 год, 240 стр.:ил.

Размещено на Allbest.ru