Шаговый двигатель

Разработка системы управления привода подачи газа в печь на основе шагового двигателя.

Элементом управления любой цифровой системы управления электроприводом является тот или иной исполнительный двигатель. В цифровых автоматических системах управления нашли широкое применение различные типы и модификации электродвигателей.

Независимо от типа и конструктивных особенностей исполнительные двигатели должны обладать рядом общих свойств: линейностью механических и регулировочных характеристик, быстродействием, наибольшим диапазоном регулирования скорости вращения, минимальным напряжением трогания, отсутствием самохода, устойчивостью.

Асинхронные и синхронные электродвигатели переменного тока стали применяться в опытных цифровых автоматических системах относительно недавно, благодаря появлению особых цифровых контроллеров. Надо заметить, что в исполнительных двигателях переменного тока механические и регулировочные характеристики существенно нелинейны.

Управление двигателем постоянного тока может осуществляться изменением напряжения на якорной обмотке с помощью усилителей. Транзисторные и магнитные усилители, работающие в основном в линейном режиме, могут быть использованы для управления двигателем постоянного тока. Наиболее экономичными являются тиристорные и транзисторные ключевые усилители с широтно-импульсной модуляцией, при этом значительно снижается выделение тепла выходным каскадом усилителя. Тем не менее, в двигателях постоянного тока в той или иной степени имеют место явление насыщения магнитной цепи, размагничивающее и искажающее влияние реакции якоря, обусловливающие нелинейности механических и регулировочных характеристик, что ведет к некоторым погрешностям в точности отработки механических перемещений в динамических и установившихся режимах работы электропривода.

Микропроцессорные комплексы, применяемые для переработки и анализа информации при управлении сложными автоматическими системами, позволяют с высокой точностью и без запаздывания контролировать поведение системы одновременно по большому числу параметров. Однако исполнительные органы непрерывного действия с развитыми цепями обратных связей оказываются слабо пригодными для совместной работы с электронно-вычислительным оборудованием. Необходимость преобразования сигналов из аналоговой формы в дискретную с последующим обратным преобразованием не только усложняет общую структуру автоматических систем, затрудняя их синтез, но и требует разработки прецизионных дорогостоящих устройств обратной связи. Высокая скорость и точность обработки информации управляющих микропроцессорных устройств в некоторых случаях, например, при необходимости получения быстрых старт-стопных перемещений исполнительного органа или при передачи сигнала на фоне помехи оказываются бесполезными. Классический синхронизированный электропривод непрерывного действия, приспособленный к слежению за изменением непрерывных величин не удовлетворяет современным системам цифрового и программного управления. Разработка современных систем цифрового автоматического управления требует быстродействующих исполнительных элементов, непосредственно преобразующих импульсные сигналы в пропорциональное числу этих сигналов механическое перемещение.

В своей наиболее общей структуре дискретный электропривод с шаговым двигателем повторяет в главных чертах непрерывный следящий привод с исполнительными двигателями постоянного тока. Качественно отличительные признаки состоят в следующем:

• привод построен на дискретных элементах и благодаря этому максимально приспособлен к совместной работе с микропроцессорной системой. Обеспечивается точная и надежная фиксация конечных координат перемещения;

• все узлы системы управления, включая выходные усилительные каскады электронного коммутатора, работающие в ключевом режиме, состоят из стандартных логических элементов вычислительной техники. Это позволяет преобразовывать сигнал с минимальными затратами энергии и в полном объеме использовать модульный принцип построения систем управления электроприводом с применением последних достижений микроэлектронной технологии.

Использование шаговых двигателей в цифровых автоматических системах управления электроприводом на подаче горелки станка МCVD в отличие от применения других типов двигателей доказывается рядом факторов:

• скорость вращения шагового электродвигателя имеет четкую синхронизацию, зависящую только от управляющего импульса, что позволяет исключить использование обратной связи для контроля за частотой вращения двигателя;

• шаговые электродвигатели являются бесколлекторными двигателями, значительно увеличивающие срок службы и надежность используемого оборудования по сравнению с двигателями других типов и при этом исключается искрение, возникающее у коллекторных двигателей;

• шаговые электродвигатели по своей природе относятся к дискретным электроприводам (это значительно упрощает их управление от микропроцессорного устройства и исключает необходимость в использовании цифро-аналоговых преобразователей или дополнительных преобразующих устройств);

• шаговые электродвигатели являются малогабаритными электроприводами, с достаточными скоростью вращения и моментом для работы на подаче заготовки и вытяжке волокна.

Конструкция ШД предопределила конфигурацию системы управления. Как правило, работой ШД управляет электронная схема, а питание его осуществляется от источника постоянного тока. На рис. 3.2 приведена структурная схема системы управления четырехфазным ШД.

Рис. 3.2

Сигнал, приходящий с задатчика шаговой частоты вращения 1 на логический блок 2, обеспечивает подачу сигнала управления на коммутатор (инвертор) 3, тем самым способствуя перемещению ротора ШД 4 на один шаг.

Задачу отработки шаговой частоты вращения ротора ШД, рассчитанную центральным процессором может выполнить специальный контроллер, осуществляющий программируемое деление образцовой частоты, поступающей с кварцевого резонатора. В качестве задатчика частоты вращения рационально использовать БИС программируемого таймера КР580ВИ53, предназначенную для формирования временных интервалов, длительность и период повторения которых управляется программно. БИС КР580ВИ53 содержит три одинаковых счетчика (таймера) с независимым управлением. Особенность счетчиков – многорежимность: любой из них может работать в шести режимах, в каждом из этих режимов возможны два способа задания коэффициента пересчета, который, в свою очередь, может быть либо двоичным, либо двоично-десятичным. Счетчики таймера КР580ВИ53 – 16 разрядные с предустановкой и работают на вычитание. Максимальный коэффициент пересчета (деления) соответствует загрузке в них всех нулей и составляет 65536 (2¹⁶) при работе в двоичном коде (при тактовой частоте процессора 2 МГц самая низкая частота на выходе БИС составит 30,5 Гц). В предлагаемом способе использования БИС КР580ВИ53 работает в режиме 3 (меандр с делением тактовой частоты на задаваемый программно коэффициент пересчета) и в двоичном режиме задания коэффициента деления.

Логический блок – это электронная схема, управляющая последовательностью возбуждения фаз ШД, в соответствии с поступлением входных импульсов шаговой частоты. Обычно логический блок состоит из регистра сдвига и логических схем (например “И-НЕ”, “ИЛИ-НЕ”, и т.д.). В конкретном случае можно разработать необходимый логический блок подбором соответствующих интегральных схем: последовательной логики (JK- или D- триггеров с логическим входом, срабатывающий по обратному фронту сигнала управления) и интегральных комбинационных схем.

На рис. 3.3 представлена схема логического блока для двухфазного возбуждения четырехфазным ШД.

Рис. 3.3

В данной схеме отсутствуют элементы “И-НЕ”, а основу логического блока составляют два D-триггера DD1.1 - DD1.2. Значения логической функции, реализуемой этим блоком, приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Номер импульса управления	1	2	3	4	5	6	7	....	N-3	N-2	N-1	N
Фаза 1	0	1	1	0	0	1	1		1	1	0	0
Фаза 2	0	0	1	1	0	0	1		0	1	1	0
Фаза 3	1	0	0	1	1	0	0		0	0	1	1
Фаза 4	1	1	0	0	1	1	0		1	0	0	1

При двухфазном способе возбуждения обмоток фаз статора ШД колебания ротора затухают быстрее, чем при однофазном, что объясняется образованием замкнутого контура электромагнитной индукции, вследствие чего колебательные составляющие тока имеют противоположные фазы. Поскольку при однофазном возбуждении подобные замкнутые контуры не образуются, то колебания затухают только под действием трения.

На рис. 3.4 представлена схема логического блока для однофазного возбуждения фаз четырехфазного ШД.

Рис. 3.4

Однофазный логический блок получается добавлением четырех логических схем “И-НЕ” DD2.1-DD2.4 к выходам D-триггера DD1.1-DD1.2. Значения логической функции, реализуемой этим блоком, приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Номер импульса управления	1	2	3	4	5	6	7	....	N-3	N-2	N-1	N
Фаза 1	0	1	0	0	0	1	0		0	1	0	0
Фаза 2	0	0	1	0	0	0	1		0	0	1	0
Фаза 3	0	0	0	1	0	0	0		0	0	0	1
Фаза 4	1	0	0	0	1	0	0		1	0	0	0

Однако работа ШД при однофазном возбуждении характеризуется медленным затуханием колебания движения ротора при отработке шага.

Выходной сигнал с логического блока подается на вход силового инвертора (коммутатора), который усиливает сигналы включения обмоток двигателя по мощности.

Предлагаемая система управления привода на основе шагового двигателя для станка MCVD состоит из микропроцессорного контроллера непосредственно управляющего последовательностью переключения инвертора (рис. 3.5 ).

Рис. 3.5

Особенностью предложенной системы является отсутствие логического блока управления. Последовательность возбуждения фаз статора шагового двигателя, а также задание шаговой частоты осуществляется программно.

В микропроцессорном контроллере реализована система таймерного прерывания, суть которого состоит в том, программируемый таймер (ПТ) КР580ВИ53 получив от центрального процессорного устройства (ЦПУ) КР580ВМ80А коэффициент деления определяющий шаговую частоту, инициирует прерывание посредством контроллера (КП) КР580ВН59 на центральное процессорное устройство, выполняющего подпрограмму коммутации фаз.

Шаговый двигатель используемый в системе привода является двухфазным и требует реверса вращения ротора, что вызвало необходимость использования особой схемы инвертора на основе биполярных составных транзисторов с использованием оптоэлектронных элементов гальванической развязки. Принципиальная схема управления шаговым двигателем приведена на рис. 3.6

Передаточная функция ШД для данной системы является интегральным звеном.

Рис. 3.6

По каналу «сила тока – температура нагрева» я выбрала в качестве исполнительного механизма тиристорный усилитель с фазовым управлением.

Тиристорный усилитель с фазовым управлением.

Во многих случаях управления нагрузкой с помощью усилителей мощности сама нагрузка обладает фильтрующим свойствами и эффект пропорционален среднему и эффект управления пропорционален среднему или действующему значению выходного напряжения характерной в этом отношении нагрузкой является электрический нагреватель (электропечь сопротивления). Инерционность таких печей, а также теплоемкость нагреваемой среды способствует тому, что температура нагрева оказывает пропорциональной действующему значению проводимого напряжения вне зависимости от его формы. Именно это свойство позволяет использовать выходных каскадных усилителей мощности тиристоры, а управлять мощностью путем изменения угла зажигания тиристоров.

Структурная схематиристорного усилителя мощности с фазовым управлением рис. Содержит два встречно – параллельно включенных тиристора (или симистор), управляемые от формирователя импульсов Ф Формирователь обычно строится на заторможенном блокинг-генаратореили однопереходном транзисторе и содержит гальваническую развязку, изолирующую силовую часть схемы, связанную с питающей сетью, от схемы управления. Если в усилители используются тиристорные оптопары, считающие функции усиления мощности и гальвоничиской изоляции, роль формирователя сводится к усилению выходного сигнала компаратора до значения, необходимого для включения тиристорных оптопар.

На выходе компаратора К, управляющего формирователем, алгебраически суммируются три сигнала: входное напряжение U_вх, напряжение смещения U_см и пилообразное напряжение U_пил , при этом U_вх, и U_пил имеют один знак, а U_см – противоположный. Значения этих сигналов выбираются таким образом, чтобы , где U_вхmax – максимальное значение диапазона измерения входного сигнала, соответствующее максимальной мощности, выделяемого в нагрузке; U_пилmax – амплитудное значение пилообразного напряжения. Если при этом генератор пилообразного напряжения синхронизировать с питающим напряжением таким образом, чтобы частота U_пил равнялась удвоенной частоте сети, получим диаграмму напряжений на входе компаратора, соответствующей рис.3.7,б.

При изменении входного сигнала в диапазоне 0 - U_вхmax компаратор будет срабатывать в момент времени, соответствующие измерению угла включения тиристоров в диапазоне π – 0 радиан, соответствует измерению мощности в нагрузке от нуля до своего максимального значения, близкого к Р_{н max} = U²_сети/ R_н.

Таким образом, для схемы рис3.7,а угол включения рис.3.7,в

φ = π(1- U_вх, / U_вхmax)

Передаточная функция тиристорного усилителя выглядит следующим образом:

Ф

~U_сети

φ

π

ωt

ωt

U_см

φ

ωt

б)

U_вх>0

U_н

U_вх=0

U_н

φ

ωt

в)

ωt

Рис. 3.7 . Усилитель мощности с фазовым управлением