Система управления шаговым двигателем

В современном мире всё большую роль играет автоматизация процессов. Для этого необходимо преобразовывать сигналы управления в механические движения. Одним из способов достижения данной цели является использование шаговых двигателей.

Шаговый двигатель — это электромеханичское устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения.

Преимущества применения шаговых двигателей

  • угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель;
  • если обмотки запитаны, то двигатель в режиме остановки обеспечивает полный момент;
  • хорошие шаговые двигатели обеспечивают точность 3-5% от величины шага, при этом ошибка не накапливается от шага к шагу;
  • возможность быстрого старта/остановки/реверсирования;
  • высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников;
  • однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи;
  • возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора;
  • может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Недостатки применения шаговых двигателей

  • шаговым двигателем присуще явление резонанса;
  • из-за работы без обратной связи возможна потеря контроля положения, поэтому рекомендуется дополнять системы управления шаговым двигателем энкодером;
  • потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки;
  • затруднена работа на высоких скоростях;
  • невысокая удельная мощность;
  • относительно сложная схема управления.

Применение шаговых двигателей:

  • приводы осей координатных столов и манипуляторов;
  • системы линейного перемещения;
  • упаковочные и конвейерное оборудование;
  • оборудование для текстильного и пищевого производств;
  • полиграфическое оборудование;
  • устройство подачи, дозирования;
  • сварочные автоматы.

Принцип работы шагового двигателя

Основной принцип работы шагового двигателя заключается в следующем — двухполюсный ротор электродвигателя, сделанный из специальной магнитомягкой стали, располагается в четырехполюсном статоре. Первая полюсная пара сделана из магнитов (постоянных), на второй паре имеется обмотка управления шаговым электродвигателем. В то время, когда ток в обмотках управления отсутствует, ротор двигателя располагается вдоль магнитов и стабильно удерживается с некоторым усилием (зависящее от силы магнитного потока).

Как только осуществляется подача напряжения (постоянного) на обмотку управления шаговым электродвигателем, появляется магнитный поток, что больший магнитного потока имеющихся постоянных магнитов. Под воздействием усилия (электромагнитного) ротор начинает менять угол, стараясь войти в положение соосное с полюсами обмотки управления. Последующий импульс управления полностью отключает электрическое напряжение с обмотки управления. Вследствие этого ротор движка движется под воздействием магнитного потока магнитов.

В данной работе описывается алгоритм управления шаговыми двигателями двухфазного (биполярного) и четырёхфазного (униполярного) типа с помощью модуля управления шаговым двигателем с интерфейсом CAN ZET 7160-S StepMotor-CAN или интерфейсом RS-485 ZET 7060-S StepMotor-485.

Биполярный (двухфазный) шаговый двигатель

Двухфазный шаговый двигатель (биполярный шаговый двигатель) имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода.

Внутренняя схема биполярного шагового двигателя
Рис. 1 Внутренняя схема биполярного Ш.Д.
Схема выводов биполярного шагового двигателя
Рис. 2 Схема выводов биполярного Ш.Д.
Схема подключения биполярного шагового двигателя к ZET7X60-S StepMotor
Рис. 3 Схема подключения биполярного Ш.Д. к ZET7X60-S

Униполярный (четырёхфазный) шаговый двигатель

Четырёхфазный шаговый двигатель (униполярный шаговый двигатель) также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов.

Внутренняя схема униполярного шагового двигателя
Рис. 4 Внутренняя схема униполярного Ш.Д.
Схема выводов униполярного шагового двигателя
Рис. 5 Схема выводов униполярного Ш.Д.
Схема подключения униполярного шагового двигателя к ZET7X60-S
Рис. 6 Схема подключения униполярного Ш.Д. к ZET7X60-S

Режимы работы шагового двигателя

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя. Наиболее распространёнными из них являются полношаговый и полушаговый режим. Существуют также режимы управления с 1/4, 1/8, 1/16 шага. Но эти режимы нужны только для узкого круга задач, и они требуют значительного усложнения схемы микроконтроллера и алгоритма управления. Ниже приводится последовательность генерируемых импульсов для различных режимов работы шагового двигателя, на примере униполярного двигателя.

Полношаговый режим, с 1-ой активной обмоткой на каждом шаге
Рис. 7 Полношаговый режим, с 1-ой активной обмоткой на каждом шаге

Полношаговый режим, с 2-мя активными обмотками на каждом шаге
Рис. 8 Полношаговый режим, с 2-мя активными обмотками на каждом шаге

Полушаговый режим
Рис. 9 Полушаговый режим

Разгон и торможение шагового двигателя

Такой параметр шагового двигателя, как зависимость момента от скорости является важнейшим при выборе типа двигателя, выборе метода управления фазами и выборе схемы драйвера. При конструировании высокоскоростных драйверов шаговых двигателей нужно учитывать, что обмотки двигателя представляют собой индуктивность. Эта индуктивность определяет время нарастания и спада тока. Поэтому если к обмотке приложено напряжение прямоугольной формы, форма тока не будет прямоугольной. При низких скоростях (рис. 10а) время нарастания и спада тока не способно сильно повлиять на момент, однако на высоких скоростях момент падает. Связано это с тем, что на высоких скоростях ток в обмотках двигателя не успевает достигнуть номинального значения (рис. 10б).

Зависимость тока в обмотках шагового двигателя от частоты
Рис. 10 Зависимость тока в обмотках Ш.Д. от частоты

Таким образом, для работы с шаговым двигателем на большой скорости необходимо выполнять его разгон и замедление, в противном случае произойдёт потеря синхронности между шаговым двигателем и контроллером, и положение ротора шагового двигателя будет утеряно.

Управление шаговым двигателем с помощью модуля ZET7X60-S StepMotor

Перед началом работы с шаговым двигателем необходимо выставить необходимые параметеры на вкладке «Настройки»:

  • Частота опроса — частота, с которой будет обновляться информация в канале о количестве проделанных шагов;
  • Тип двигателя — тип двигателя, подключенного к модулю ZET 7X60-S StepMotor.

После этого с помощью вкладки «Управление» можно начинать управление шаговым двигателем.

  • Старт/Стоп — начать /остановить движение шагового двигателя;
  • Направление вращения — задаём направление вращения шагового двигателя, по или против часовой стрелки;
  • Кол-во шагов до остановки — количество шагов, которое проделает шаговый двигатель после запуска;
  • Время одного шага — скорость вращения шагового двигателя.
Вкладка Настройки в программе MODBUS-ZELAB
Рис. 11 Вкладка «Настройки» в программе MODBUS-ZELAB
Вкладка Управление в программе MODBUS-ZELAB
Рис. 12 Вкладка «Управление» в программе MODBUS-ZELAB

Во время выполнения команды, контроллер сообщает о количестве проделанных шагов на данный момент с частотой заданной в настройках (Настройки —> Частота опроса).

Многоканальный осциллограф
Рис. 13 Отображение количества проделанных шагов в программе ZELAB «Многоканальный осциллограф»

Система управления шаговым двигателем с обратной связью

Система управления шаговым двигателем с обратной связью строится на базе модуля управления шаговым двигателем ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN) и интеллектуального энкодера ZET 7060-E Encoder-485 (ZET 7160-E Encoder-CAN). Для подключения к системе ZELAB используется преобразователь интерфейса ZET 7070. Управление шаговым двигателем осуществляется подачей сигналов с модуля ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN). Контроль состоянием шагового двигателя осуществляется энкодером, сигнал с которого обрабатывается модулем ZET 7060-E Encoder-485 (ZET 7160-E Encoder-CAN). Обработка сигналов с интеллектуального энкодера и программное управление модулем ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN) осуществляется с помощью программного обеспечения ZELAB.

Схема системы управления шаговым двигателем с обратной связью
Схема системы управления шаговым двигателем с обратной связью

Состав системы управления шаговым двигателем с обратной связью

Описание
Управляющий модуль ZET 7060-S StepMotor-485 или ZET 7160-S StepMotor-CAN
Цифровой модуль управления шаговым двигателем с интерфейсом RS-485 или CAN.
Датчик углового перемещения
Преобразование углового перемещения в последовательность электрических сигналов, содержащих информацию о величине и направлении этого перемещения. Диаметр корпуса 50 мм. Разрешающая способность до 320000 дискрет на оборот.
Измерительный модуль ZET 7060-E Encoder-485 или ZET 7160-E Encoder-CAN
Преобразование сигнала с датчика в значения углового перемещения и передача этих данных по протоколу Modbus по интерфейсу RS-485 или CAN 2.0.
ZET 7070 RS-485↔USB или ZET 7174 CAN-USB
Модуль передачи данных с измерительных модулей на ПК
MODBUS OPC Сервер
Программа «Сервер данных интеллектуальных датчиков»
Кабели для подключения измерительных и управляющих модулей к ZET 7070 или ZET 7174
Программное обеспечение ZELAB
Программы для отображения результатов измерений интеллектуальных датчиков в численном и графическом виде на плоскости и в объеме.
SCADA ZETVIEW
Графическая среда разработки приложений для автоматизации измерений