Управление движением и позиционированием шагового двигателя с применением ПО ZETVIEW

В современном мире системы автоматического управления и контроля применяются практически везде, сложно найти область человеческой деятельности, в которой нет необходимости автоматизировать тот или иной процесс. При рассмотрении темы управления движением, перемещением и позиционированием можно выделить множество объектов исследования, к каждому из которых требуется свой научный подход, например: управление скоростью вращения электрических приводов, точное позиционирование якоря шаговых двигателей с целью применения в точных системах автоматики и многое другое. Стоит отметить, что в качестве объекта исследования, можно рассматривать систему в целом.

В связи с обширными интересами специалистов в области управления движением шаговых двигателей и их точным позиционированием предлагается создать универсальную систему, которая могла бы задавать различные режимы работы двигателя и воздействовать на него через организованные обратные связи на основе аппаратного и программного обеспечения ZETLAB и ZETVIEW

Общую схему универсальной измерительной и управляющей системы, которая будет основой для построения предлагаемой системы можно представить так, как это показано на рисунке 1.


Рисунок 1. Общая схема универсальной измерительной и управляющей системы

Построение системы всегда базируется на объекте управления. Для сбора информации с объекта используются различные датчики — первичные преобразователи, которые воспринимают воздействие на него и в качестве выходного значения имеют изменение электрического потенциала (или тока), степень и скорость изменения которого пропорциональна воздействию на датчик. Электрический потенциал с датчика поступает на модуль сбора данных, созданный на основе аналого-цифрового преобразования. Это звено является промежуточным между датчиком и контроллером, выполняющим математическую обработку информации и выработку управляющего воздействия. В свою очередь, модуль сбора данных представляет собой непростое устройство, состоящее из нескольких звеньев: кодека, выполняющего предварительную обработку сигнала и аналого-цифрового преобразователя. Данные в цифровом виде передаются в цифровой сигнальный процессор и в линию связи для последующей математической обработки. Прохождение сигналов и координация работы модуля сбора данных обеспечивается встроенным микроконтроллером. Сигналы от датчика, но уже в цифровом виде, поступают в линию передачи данных. Линия передачи данных может быть как проводной, так и беспроводной. В качестве основных линий передачи данных могут использоваться следующие шины:

  • RS-232;
  • RS-485;
  • USB;
  • Ethernet;
  • Bluetooth;
  • Wi-Fi
  • и другие.

Вся последующая математическая обработка сигналов производится на микроконтроллере или обычном персональном компьютере. Именно тут происходит программная реализация алгоритма управления и последующая выработка сигнала управления. Сигнал управления подается на блок управления, который в свою очередь воздействует на объект.

Для более точного определения структуры и состава системы управления шаговым двигателем, создаваемой на основе универсальной измерительной и управляющей системы, требуется рассмотреть его более подробно.

Шаговый двигатель — это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Такие электродвигатели бывают трех видов: с переменным магнитным сопротивлением; с постоянными магнитами; гибридные двигатели.

Для рассматриваемой задачи предлагается использовать шаговый двигатель с постоянными магнитами, который имеет две независимые обмотки. Он состоит из статора, имеющего обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением. Пример шагового двигателя с постоянными магнитами представлен на рисунке 2.

В зависимости от конфигурации обмоток двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовывается контроллером. Для такого типа двигателя требуется мостовая схема, или полумостовая с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода. Униполярный 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 управления. Схема должна 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. Принципиальная схема электродвигателя представлена на рисунке 3.


Рисунок 2. Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Рисунок 3. Принципиальная схема униполярного шагового двигателя с 5 выводами

Для создания системы управления в качестве объекта управления будет использован шаговый двигатель фирмы Sankyo типа MSJE200A53, который является униполярным шаговым двигателем с постоянными магнитами, имеющим две независимые обмотки и 5 выводов от них.

Одной из важнейших задач при разработке является выбор аппаратного обеспечения создаваемой системы управления. Поскольку схема должна иметь 4 простых ключа, которые должны подавать напряжение питания на концы обмоток электродвигателя, то достаточно использовать интегральную микросхему типа ULN2003, состоящую из набора мощных составных ключей с защитными диодами на выходе. Наличие защитных диодов в микросхеме ULN2003 позволит подключать индуктивные нагрузки без дополнительной защиты от выбросов обратного напряжения.

Для подачи управляющих импульсов на 1…4 входы микросхемы, можно воспользоваться модулем АЦП-ЦАП ZET 210, имеющего также цифровой порт, который наиболее привлекателен для применения в проектируемой системе. Выходы цифрового порта ZET 210 соответствуют стандарту TTL 3.3 В, чего вполне достаточно для переключения ключей управления при питании электродвигателя и микросхемы ULN2003 напряжением 12 В.

Таким образом, схему управления шаговым двигателем можно представить так, как это показано на рисунке 4.


Рисунок 4. Схема управления шаговым двигателем

При использовании модуля ZET 210 возможно наращивание функциональности создаваемой системы, поскольку этот АЦП-ЦАП модуль предназначен для измерений параметров сигналов в широком частотном диапазоне (с частотой дискретизации до 400 кГц, значение которой можно выбрать в зависимости от решаемых задач), поступающих с различных первичных преобразователей. Для системы управления шаговым двигателем могут подойти такие датчики, как:

  • потенциометр — в качестве датчика положения магнитных полюсов шагового двигателя (анализируя показания потенциометра можно управлять шаговым двигателем с высокой точностью);
  • датчик оборотов — в качестве датчика слежения за количеством оборотов, совершенным шаговым двигателем при работе в непрерывном режиме вращения.

Большой динамический диапазон входных каналов ZET 210 освобождает пользователя от переключения коэффициентов усиления, что может понадобиться при подключении различных типов датчиков. Модуль функционирует в режиме непрерывного ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов в память персонального компьютера с возможностью цифровой обработки сигналов. Оцифровывание выбранных каналов происходит последовательной коммутацией ключей с использованием одного аналого-цифрового преобразователя. В модуле используется АЦП последовательного приближения. Модуль АЦП предназначен для оцифровки сигналов постоянного уровня и переменного напряжения. К одному компьютеру можно подключать несколько различных модулей АЦП-ЦАП, что позволяет создавать мобильные измерительные комплексы.

Выбор аппаратного обеспечения влечет за собой выбор верхнего уровня взаимодействия с объектом — программного обеспечения. Для программной составлюящей представленной системы наиболее точно подходит SCADA-система ZETVIEW, являющаяся высокоэффективной средой графического программирования, в которой можно создавать гибкие и масштабируемые приложения измерений, управления и тестирования с минимальными временными и денежными затратами. SCADA-система ZETVIEW, как правило, используется как система сбора и обработки данных от устройств, подключенных к персональному компьютеру (анализаторы спектра, платы АЦП-ЦАП, мультиметры). Также система предназначена для автоматизации управления технологическими процессами. Благодаря своей гибкости и масштабируемости, ZETVIEW может использоваться на всех этапах технологического процесса: от моделирования и разработки прототипов продуктов до широкомасштабных производственных испытаний. Применение интегрированной среды ZETVIEW для измерения сигналов, обработки результатов и обмена данными повышает производительность всего предприятия.

Вместе с тем ZETVIEW — очень простая и интуитивно понятная система. Неискушённый пользователь, не являясь программистом, за сравнительно короткое время (от нескольких минут до нескольких часов) способен создать сложную программу для сбора данных и управления объектами, обладающую красивым и удобным человеко-машинным интерфейсом. Созданные приложения можно запускать автономно (без среды программирования ZETVIEW) — это существенно упрощает эксплуатацию и обучение работе с ними.

Для реализации алгоритма управления шаговым двигателем при помощи программных блоков ZETVIEW создается проект для управления устройством, в котором есть возможность задавать режимы вращения вала, изменять скорость движения, а также делать реверс. Использование SCADA позволяет пользователю редактировать как логику автоматизации процесса измерения и управления, так и внешний вид оператора, для адаптации под себя, если это необходимо.

Логическая схема работы системы управления, перенесенная на SCADA-проект «Управление шаговым двигателем» состоит из различных блоков, соединенных между собой линиями связи. Ключевым блоком в схеме является «Устройство управления», которое организует связь между пользователем, задающим управляющие воздействия и объектом. Реализованная схема представлена на рисунке 5.


Рисунок 5. Логика работы системы управления шаговым двигателем в SCADA-проекте ZETView.

Из схемы, изображенной на рисунке 5 видно, что система управления шаговым двигателем строится достаточно просто, линейно и последовательно. В проект входят несколько типов блоков:

  • блоки управления — элементы, через которые оператор задает управляющие воздействия (начало работы, выбор направления вращения, скорости вращения, режима вращения и т.д.);
  • блоки индикации — элементы, которые используются для отображения различных состояний процесса (индикаторы состояния управляющих линий);
  • блоки математической и логической обработки — промежуточные вспомогательные элементы, через которые реализуются алгоритмы управления (операции математического и логического умножения, сложения, ключи и т.д.)
  • блоки аппаратной привязки — элементы, через которые происходит связь с аппаратным обеспечением системы (цифровые порты, измерительные каналы, каналы цифро-аналоговых преобразователей и т.д.)

При последовательном построении схемы из предложенных блоков получается целостная система — программа, в качестве программного кода которой служит полученная мнемосхема, а в качестве среды исполнения — оболочка ZETVIEW.

Последним шагом перед эксплуатацией системы является настройка пользовательского интерфейса. Пользовательский интерфейс, заложенный в предлагаемой программе управления, изображен на рисунке 6. У оператора есть возможность запуска алгоритма управления шаговым двигателем при помощи соответствующей кнопки, выбора направления движения вала, режима вращения при помощи комбинированных списков, а также просмотра состояния линий управляющего устройства (модуля управления — цифрового порта ZET 210) через индикаторы.


Рисунок 6. Пользовательский интерфейс системы управления шаговым двигателем в SCADA-системе ZETView.

В SCADA-системе ZETVIEW существует множество инструментов для расширения и наращивания существующей программы управления шаговым двигателем. Конечный пользователь, исходя из своих задач, может дополнить логику работы системы управления и организовать удобный для себя интерфейс. При таком подходе, а именно акценте на модульность и универсальность, любой человек сможет реализовать свои потребности в создании автоматизированных систем управления технологическими процессами. Широкое применение реализованной системы управления можно обозначить, например, в машинах и механизмах, работающих в старт-стоповом режиме, или в приводах непрерывного движения, используемых для автоматизации технологических процессов, в том числе, в электронной промышленности. В тоже время, за счет наличия обратной связи можно реализовывать различные алгоритмы управления, например ПИД-регулирование.

Авторы статьи: Антонов А.Ю., Красовский А.А.
В статье была использована следующая литература:
//zetlab.ru
Кестер У. Аналого-цифровое преобразование. Пер. с англ. Под ред. Е. Б. Володина — М.: Техносфера, 2007 г.
Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования — СПб.: Политехника, 1999 г.
Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. Пер. с англ. С.А. Кулешова. Под ред. А. С. Ненашева — М.: Техносфера, 2006 г.
Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Пер. с англ.: Б. Н. Бронина, И. И. Короткевич, А. И. Коротова, М. Н. Микшиса, Л. В. Поспелова, О. А. Соболевой, К. Г. Финогенова, Ю. В. Чечёткина, М. П. Шарапова — М.: Мир, 1993 г.