Шаговый двигатель

Режимы  работы шаговых двигателей

Характер  движения ротора шагового двигателя  определяется частотой и характером изменения управляющих импульсов. В зависимости от этого различают  следующие режимы работы шаговых  двигателей:

• статический;
• квазистатический;
• установившейся;
• переходный.

Статический режим – это режим, при котором по обмоткам статора протекает постоянный ток, создающий неподвижное в пространстве магнитное поле, а ротор не вращается. Под действием нагрузки ротор лишь отклоняется от положения М = 0 на некоторый угол q. Основной характеристикой этого режима является зависимость статического синхронизирующего момента от угла рассогласования M = f(q). 
 
Квазистатический режим – это режим отработки единичных шагов, при котором переходные процессы от предыдущего такта коммутации полностью затухли и скорость ротора в начале следующего шага равна нулю. Он используется в стартстопных, лентопротяжных и других механизмах, в которых требуется фиксация ротора после каждого шага. Предельная частота управляющих импульсов, при которой еще соблюдается квазистатический режим, определяется временем протекания электромагнитных и особенно электромеханических переходных процессов, т.е. временем колебаний ротора. Для уменьшения или полного устранения качаний ротора в конце шага применяют различные приемы. При принудительном торможении после перевода управляющего импульса с первой обмотки или группы обмоток на вторую через некоторый промежуток времени, в течении которого ротор отработает часть шага и запасет определенное количество кинетической энергии, управляющий импульс вновь переводится на первую обмотку. На ротор начинает действовать тормозной момент. При правильном выборе времени и величины тормозящего момента ротор остановится в конце шага, после чего управляющий импульс переводится на вторую обмотку и ротор, отработав шаг, фиксируется в заданном положении практически без колебаний. При естественном торможении отработка шага происходит в два этапа: на первом этапе движение ротора осуществляется за счет положительного приращения момента, возникающего при сдвиге НС статора на часть полного шага; на втором этапе – за счет кинетической энергии, запасенной ротором при отрицательном (тормозном) моменте. При достижении ротором заданного положения НС сдвигается на оставшуюся часть шага и фиксирует ротор в этом положении. Естественное торможение возможно лишь в тех шаговых двигателях, у которых полный шаг можно поделить на несколько элементарных шагов. Повысить предельную частоту квазистатического режима можно путем увеличения числа обмоток статора или числа тактов коммутации. Во всех этих случаях снижается угол перемещения и кинетическая энергия ротора, что уменьшает его склонность к качаниям. 
 
Установившийся режим – это режим, соответствующий постоянной частоте следования управляющих импульсов. При частоте управляющих импульсов f1, меньшей частоты собственных колебаний двигателя f0, движение ротора носит колебательный характер, что увеличивает динамическую ошибку при отработке заданного перемещения. При малых возмущениях частота собственных колебаний ротора где Mmax – максимальный статический синхронизирующий момент; Jp ,Jн- момент инерции ротора и нагрузки, приведенные к валу двигателя; р –число пар полюсов. При значительных возмущениях. При частоте управляющих импульсов f1 = f0/k, где k – целое число, возникает явление электромеханического резонанса, которое при слабом демпфировании колебаний может привести к нарушению нормального движения ротора и выпадению его из синхронизма. При f1> f0 имеют место вынужденные колебания с частотой управляющих импульсов; амплитуда их монотонно уменьшается с увеличением частоты. Для устойчивой работы шагового двигателя необходимо, чтобы 
Mн/Mmax < 0,3 - 0,5, a Jн/Jp <1 -2. 
 
Переходный режим - это основной эксплуатационный режим работы шагового двигателя. Он включает в себя пуск, реверс, торможение, переход с одной управляющей частоты на другую. Физические процессы в переходных режимах определяются как параметрами двигателя и его нагрузки, так и начальными условиями, при которых начинается переходный процесс. Основное требование к шаговому двигателю в переходных режимах заключается в отсутствии потери шага, т.е. сохранение синхронизма при любом характере изменения управляющих импульсов. Пуск шагового двигателя осуществляется из неподвижного положения ротора, которое он занимает при установившихся значениях токов в обмотках, путем скачкообразного увеличения частоты управляющих импульсов от нуля до рабочей. При этом ротор вначале отстает от поля, затем, ускорясь, достигает частоты вращения поля, опережает его и вследствие отрицательного синхронизирующего момента снова замедляет свое движение. Вследствие демпфирования колебания скорости вращения быстро затухают, наступает установившийся режим. Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск без потери шага, называется частотой приемистости fпр. Частота приемистости растет с увеличением максимального синхронизирующего момента, уменьшением шага, снижением постоянной времени обмоток, нагрузки и момента инерции. Для современных ШД fпр = 100-1000 Гц. Торможение шагового двигателя осуществляется скачкообразным снижение частоты управляющих импульсов от рабочего значения до нуля. Предельная частота, при которой ротор останавливается без потери шага, как правило, выше частоты приемистости, что объясняется внутренним демпфированием – электромагнитным тормозным моментом, моментом сопротивления нагрузки и трением в опорах. Реверс шагового двигателя производится путем изменения последовательности коммутации токов в обмотках, приводящего к изменению направления вращения магнитного поля на обратное. Предельная частота управляющих импульсов, при которой реализуется реверс без потери шага, всегда меньше частоты приемистости и составляет (0,2-0,5)fпр. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.Управление шаговыми двигателями

Для управления шаговыми двигателями используются драйверы (для коммутации обмоток), контроллеры - для логического управления шаговыми двигателями и комбинированные  устройства. 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. 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.

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.

   Подключение шагового двигателя.

                      3. Программа управление  шаговым двигателем.

Для управления шаговым двигателем использовалась программа С++ 6.0. Далее было  создано Windows приложение. MFC приложение создается : Открываем MV Studio С++ , в пункте меню выбираем file –New, MFC Appwizard exe. B и задаем ему имя. В котором было создано: функция timer, функция Direction, функция Mode.

Функция Timer: В Windows  приложении была создана функция Ontimer. В которой было сделано 2 кнопки: StartTimer и StopTimer. Так же в эту функцию была включена  переменная step. Был создан массив phase. Этот массив подает  импульсы в LPT порт.                                                                                                                                                        

 Так  же в кнопке StartTimer вызывается функция setTimer которая запускает системный таймер с периодом одна милисекунда . Таким образом после вызова данной функции операционная система посылает программе системное сообщение WM_ timer каждую миллисекунду. После этого как программа  получила  сообщение  она вызывает функцию Ontimer.

В Ontimer  были введены условия для выбора режима управления двигателя и вращения.

Функция Direction:  В ней было создано 2 RadioButtona. Они создаются только в группе в одном из них  задается  переменная m_Direction. Для того что бы ее задать   нажимается  правая  кнопка мыши по RadioButton и заходим в Classwizard  где включаем Member Variables  и в нем находим IDC_Radio1 выбираем  его и нажимаем Add Member Variable где прописываем функцию m_Direction. Так же в 1 RadioButton  заходим в Properties  ставим галочку Group так как RadioButton   работают в группе.  

Функция Mode: В функции Mode  создается 2 RadioButton, которые создаются  только в группе, в одном из них задается  переменная m_Mode. Для того что бы ее задать  нажимается  правая  кнопка мыши по RadioButton и выбирается Classwizard , где включается Member Variables  и в нем находиться IDC_Radio1, выбирается  Add Member Variable где прописывается функция m_Mode. Так же в 1 RadioButton  заходим  в Properties  ставим галочку Group так как RadioButton   работают в группе. Для послания всего пакета импульсов для полношагового режима и через один для полушагового.

Slider: Так же в windows  приложение создан Slider для изменения скорости двигателя. А скорость связана с частотой timer  а чем больше частота тем быстрее крутится двигатель. Для того что бы работал slider мы заходим в Classwizard глее включаем Member Variables  и в нем находим IDC_ Slider выбираем его и нажимаем Add Member Variable  где прописываем функцию m_slider и выбираем тип переменных CSliderCtrl для контроля.    

ActiveX является основой для определения многоразовые программных компонентов в языке программирования независимым образом. программные приложения могут быть состоять из одного или нескольких из этих компонентов в целях обеспечения их функциональности.

Он был  введен в 1996 году Microsoft , как развитие его Component Object Model (COM) и связывания и внедрения объектов (OLE) технологий и обычно используется в Windows операционной системы, хотя сама по себе технология не привязана к нему.

Многие  Microsoft Windows приложений - в том числе многие из тех, от Microsoft, вроде Internet Explorer , Microsoft Office , Microsoft Visual Studio и Windows Media Player - использование элементов управления ActiveX, чтобы построить их набор функций, а также инкапсулировать свои функции как элементы управления ActiveX, которые затем могут быть встроенные в другие приложения. Internet Explorer также позволяет встраивать элементы управления ActiveX на веб-страницах.