Система управления электромеханическим стабилизатором напряжения переменного тока

Величина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая – типично 0.1 мм. Это требует высокой точности при сборке, поэтому шаговый двигатель не стоит разбирать ради удовлетворения любопытства, иначе на этом его срок службы может закончиться.  
Чтобы магнитный поток не замыкался через вал, который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных марок стали. Они обычно обладают повышенной хрупкостью, поэтому с валом, особенно малого диаметра, следует обращаться с осторожностью.

Существуют и другие конструкции шаговых двигателей. Например, двигатели с дисковым намагниченным ротором. Такие двигатели имеют малый момент инерции ротора, что в ряде случаев важно.

3.  Типы шаговых двигателей

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 драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода (рисунок 7а).

Рисунок 8 −  Биполярный двигатель (а), униполярный (б) и четырехобмоточный (в).

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 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 (рисунок 7б). Иногда униполярные двигатели имеют раздельные 4 обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8 (рисунок 7в). При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярный двигатель с двумя обмоткими и отводами тоже можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными. В любом случае ток обмоток следует выбирать так, чтобы не превысить максимальной рассеиваемой мощности.

Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность. При одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент.

Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путь для повышения магнитного поля – это увеличение тока или числа витков обмоток. Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника. Однако на практике это ограничение действует редко. Гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя вследствии омических потерь в обмотках. Как раз этот факт и демонстрирует одно из преимуществ биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток. Другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки, т.е. их использование оптимально. В таком двигателе сечение отдельных обмоток вдвое больше, а омическое сопротивление – соответственно вдвое меньше. Это позволяет увеличить ток в корень из двух раз при тех же потерях, что дает выигрыш в моменте примерно 40%. Если же повышенного момента не требуется, униполярный двигатель позволяет уменьшить габариты или просто работать с меньшими потерями.

 

4.  Расчёт требуемого момента

      Исходные данные:

Электрощётка медно-графитовая  (МГ)

Удельное сопротивление ρ = 0.03-0.12 мкОм×м

Допустимая плотность тока I=30 А/см2

Допустимая линейная скорость υ=30 м/с

Коэффициент трения k=0,3

Удельное нажатие H=1.8-2.3 ×10-2 МПа

Длина l=28 мм

Ширина b=5 мм

Длина от центра вала до окружности узла переключения ламелей l1=0.035м

 Рассчитаем площадь электрощётки.

 

                                                                                                            (4.5.1)

 

  м2    так как у нас в будут использоваться две щётки, то            

  S=0.00028 м2

 Рассчитаем реакцию опоры ( выберем максимальное удельное нажатие)

 

                                                                                                                   (4.5.2)

 

H=23кПа=2.3×104 н/м2≈2345кг/м2

                                                   н

 Найдем силу трения электрощётки о узел переключения ламелей.

 

                                                                                                                 (4.5.3)

 

                                    

Рассчитаем момент сопротивления трению.

                                                                                                                                      (4.5.4)

 

Зная момент сопротивления трения можно подобрать шаговый двигатель который преодолеет найденный момент.

Рынок ШД на данный момент очень развит. Нами было рассмотрено несколько ШД различных стран и фирм производителей и исходя из полученных результатов расчёта, габаритов,  а главное стоимости в сравнение с другими аналогичными по параметрам шаговыми двигателями выберем шаговый двигатель китайской фирмы Changzhou Fulling Motor Co. модель  PM4222-02.

 Основные характеристики:

• Момент Мн=0.11 н×м
• Напряжение питания Uн=19 В
• Сопротивление обмотки Rоб=15 Ом
• Шаг S=7.5°
• Ток  I=1.27 A
• Момент инерция ротора Mp=0.009 н×м
• Тип двигателя  униполярный
• Гарантированный срок службы 3000 часов

Как видно из приведенных параметров шаговый двигатель PM4222-02 с постоянными магнитами удовлетворяет всем требованиям.

5.  Разработка системы управления для шагового двигателя

1.  Способы управления фазами шагового двигателя

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя.

Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза (рис 8а). Этот способ называют ”one phase on” full step или wave drive mode. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора у не запитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени используется 50% обмоток, а для униполярного – только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9 − Различные способы управления фазами шагового двигателя.

 

Второй способ - управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Его называют ”two-phase-on” full step или просто full step mode. При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора (рисунок 8б) и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на пол-шага.

Третий способ является комбинацией первых двух и называется полушаговым режимом, ”one and two-phase-on” half step или просто half step mode, когда двигатель делает шаг в половину основного. Этот метод управления достаточно распространен, так как двигатель с меньшим шагом стоит дороже и очень заманчиво получить от 100-шагового двигателя 200 шагов на оборот. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две (рисунок 8в). В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса. Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент, хотя наиболее совершенные драйверы реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной.

Еще один способ управления называется микрошаговым режимом или micro stepping mode. При этом способе управления ток в фазах нужно менять небольшими шагами, обеспечивая таким образом дробление половинного шага на еще меньшие микрошаги. Когда одновременно включены две фазы, но их токи не равны, то положение равновесия ротора будет лежать не в середине шага, а в другом месте, определяемом соотношением токов фаз. Меняя это соотношение, можно обеспечить некоторое количество микрошагов внутри одного шага.

Число ламелей коллекторного узла  12 следовательно для того чтобы  перейти с одной ламели на соседнюю необходимо повернуть щёточный узел на угол в 30 градусов. Угол в 30 градусов будет пройдет двигателем за 4 шага (т.к. S =7.5°) . Но так как на лицо преимущества использования шагового двигателя в полу шаговом режиме, а именно: а) более высокая степень точности попадания на ламель,  б) максимальный момент на валу двигателя, в) избавление от эффекта резонанса. Шагов для перехода с ламели на ламель будет 8.

 

2.  Расчёт усилителя тока для управления шаговым двигателем.

 Исходя из необходимого момента нагрузки на валу, а также коммерческих и ценовых соображений мы выбрали для управления нашим коммутационным узлом униполярный шаговый двигатель производства КНР серии PM4222-02 с двумя обмотками и подводом напряжения питания к их средним точкам в соответствии с рисунком 10

 

 

 

 

 

Рисунок 10 -  Монтажная схема шагового двигателя PM4222-02

Алгоритм фазового управления шаговым двигателем формируется программно с помощью микроконтроллера PIC16F874 фирмы Microchip, запитываемого от источника питания  +5В относительно общего провода схемы управления шагового двигателя. Отсюда следуют исходные данные для расчёта усилителя тока и преобразователя уровня напряжения одновременно для питания полуобмоток шагового двигателя:

Uвх=0÷5 В

Iвх=0÷0.25 mA

Uвых=0÷19 В

Iвых=0÷1,27 A

Задача данного усилителя преобразовывать сигнал высокого логического  уровня с выхода микроконтроллера  в величину тока Iвых≥1,27 A. С целью снижения себестоимости и повышения надёжности воспользуемся одним транзисторным каскадом с общим эмиттером, в коллекторную цепь которого включена полуобмотка шагового двигателя, а на базу через токазадающий резистор R1 поступает фазоуправляющий сигнал с выхода микроконтроллера D1  в соответствии с рисунком 11.

Рисунок 11 – Принципиальная схема драйвера шагового двигателя.

Для управления униполярным шаговым двигателем по монтажной схеме изображенной на рисунке 10. Таких транзисторных каскадов необходимо четыре по каждому на полуобмотку шагового двигателя. Так как данный транзисторный каскад должен обеспечивать ток в нагрузке не менее 1,27 А при напряжении 19 В, то для повышения надёжности работы схемы выберем транзистор с током коллектора Iк≥1.5 A и напряжением Uкэ≥30 В (1,5 кратный запас) и по возможности из ряда транзисторов используемых в производстве ООО «НПП ИНТЕПС» с целью снижения себестоимости единицы комплектующего изделия. Таким требованиям удовлетворяет транзистор BD 139, используемый в импульсных схемах управления тиристорами. Его параметры:

Постоянный ток коллектора Iк=1.5 A

Импульсный ток коллектора  Iкм=3 A

Предельное напряжение коллектор-эмитер Uкэ=60 В

Статический коэффициент усиления в схемах с общим эмиттером коэ=100÷250

В нашем случае у транзисторного каскада практически ключевой импульсный режим, ибо обмотки шагового двигателя не находятся под напряжением в состоянии покоя с целью снижения теплового рассеяния, поэтому раздельная величина постоянного а тем более импульсного тока коллектора данного транзистора нас вполне устраивает. Величину необходимого базового тока с учётом технологического разброса параметров транзисторов рассчитываем по минимальному статическому коэффициенту усилия.

 

Данный ток в 2 раза меньше предельного выходного тока микроконтроллера PIC16F874  IPIC=25 mA. Выходное напряжение микроконтроллера высокого уровня в наихудшем случае будет равно U1=4.3 В. Для обеспечения ключевого режима кремниевого транзистора Uбэ=0.8 В, тогда

 

Выбираем из ряда R24 резистор R1=270 Ом тогда,

 

Резистор R2 необходим для обеспечения режима поддержания обратного тока коллектора и исключения режима «плавающего потенциала базы» при высокоимпедансном выходе. В разогретом транзисторе в запертом состоянии обратный ток коллектора BD139 Iокб≤10-5  A. При этом величина напряжения создаваемого при протекании его через  резистор R2 должна быть меньше величины, обеспечивающей надёжную отсечку (запирание) транзистора VT1 Uбэ1≤0.3 В. Отсюда максимальное значение сопротивления резистора

 

 

Для надёжного запирания транзистора во всех режимах, в том числе и в случае выскокоимпедансного выхода PIC16F874A выбираем резистор R2=20кОм

При этом общий ток с выхода микроконтроллера

 

 

Диод VD1 устанавливается в обратном включении  катодом к «+» источника питания, параллельно каждой полуобмотки шагового двигателя. Он необходим, что бы снизить величину ЭДС самоиндукции, возникающей в обмотке шагового двигателя при его выключении, тем самым происходит демпфирование переходного процесса, защита транзистора от выбросов ЭДС на коллекторе и обеспечивается «мягкость» переключения обмоток шагового двигателя. Для обеспечения всех процессов выберем диод Шоттки 11DQ06 из числа используемых в производстве «НПП ИНТЕПС»

Его параметры:

• обратное напряжение URRM=60В
• максимальный прямой ток IF=1.11A
• прямое напряжение UF≤0.55В
• токовый импульс при tp=5µc IFSM≤225 A

т.к. этот диод работает практически  в импульсном режиме (только в момент выключения), то по своим параметрам и быстродействию он вполне удовлетворяет поставленным требованиям.