Методические указания по выполнению работы. Шаговый двигатель (ШД) является одним из широко используемых элементов современных систем автоматического управления

Шаговый двигатель (ШД) является одним из широко используемых элементов современных систем автоматического управления. Он представляет собой бесколлекторный двигатель постоянного тока с фиксированными положениями вала. Просто подавая на двигатель питание, заставить его работать невозможно. Для его работы необходимо подавать на обмотки двигателя специальным образом сформированные последовательности импульсов, каждый из которых вызывает перемещение вала двигателя на заданный угол. Конструкция шагового двигателя и схема включения его обмоток показаны на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Конструкция и схема включения обмоток ШД

В ШД управляющие импульсы подаются поочередно на обмотки статора, в результате чего ориентация магнитного потока в пространстве между полюсами статора дискретно меняется и вызывает поворот ротора на некоторый фиксированный угол, называемый шагом ротора. Для того чтобы заставить вал двигателя вращаться, необходимо поочередно подавать напряжение на обмотки статора (фазы) в нужной последовательности. Смена направления вращения вала осуществляется простой заменой последовательности подключения обмоток на обратную, а изменение частоты вращения вала − изменением длительности управляющих импульсов.

В лабораторном стенде используется униполярный ШД с четырьмя обмотками, который имеет шаг 1.8º и, вследствие этого, для полного оборота вала необходимо подать на обмотки 200 импульсов.

Существует несколько способов управления ШД, каждый из которых может быть достаточно просто реализован программно с использованием управляющего МК. Рассмотрим эти способы управления более подробно.

Первый способ управления обеспечивается последовательной коммутацией фаз, при которой в каждый момент времени включена только одна обмотка. Этот способ управления называют однофазным полношаговым режимом. Схема коммутации обмоток ШД для однофазного полношагового режима показана на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Схема коммутации обмоток ШД для однофазного полношагового режима

Во втором способе коммутация фаз производится с перекрытием: в каждый момент времени включены две соседние обмотки двигателя и поэтому его называют двухфазным полношаговым режимом. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на полшага и ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора. Кроме того, при этом способе управления обеспечивается больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Схема коммутации обмоток ШД для реализации двухфазного полношагового режима показана на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Схема коммутации обмоток ШД для двухфазного полношагового режима

Рассмотренные способы являются простейшими способами управления ШД со всеми присущими им недостатками: малым числом шагов на оборот, повышенной шумности, колебаниями вала при перемещении от шага к шагу. От этих недостатков избавляют более сложные алгоритмы управления, к которым можно отнести следующий способ управления.

Этот способ является комбинацией первых двух и называется полушаговым режимом, при котором двигатель делает шаг, равный половине основного. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза двигателя, а в остальных случаях – две. В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Схема коммутации обмоток ШД для полушагового режима показана на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Схема коммутации обмоток ШД для полушагового режима

Для вращения вала двигателя необходимо подавать импульсы напряжения на каждую из четырех обмоток статора в той последовательности, которая определяется используемым способом управления. Вал двигателя при этом будет на каждом шаге поворачиваться на фиксированный угол, величина которого определяется конструкцией двигателя и составляет обычно единицы градусов. Скорость вращения вала двигателя можно изменять введением пауз различной длительности между моментами переключения фаз.

Схема подключения ШД к МК показана на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Схема подключения шагового двигателя

Поскольку при работе ШД через его обмотки протекает ток, значительно превышающий максимально допустимый ток порта МК, то для подключения двигателя используется уже знакомая нам силовая микросхема – драйвер ULN2003A, управляемый логическими сигналами с разрядов порта.

Как следует из схемы, для подачи напряжения на обмотку ШД необходимо занести в соответствующий разряд порта PORTC значение логической единицы. В этом случае на выходе драйвера появляется потенциал низкого логического уровня, и в подключенной к нему обмотке формируется передний фронт управляющего импульса. При занесении в разряд PORTC логического нуля на соответствующей обмотке формируется задний срез импульса. Длительность импульса задается введением заданной задержки между этими двумя действиями.

В качестве примера приведем фрагмент программы, реализующей выполнение одного шага в однофазном полношаговом режиме управления двигателем.

DDRC = 0x0F; // младшие разряды PORTC - выход

PORTC = PORTC | (1<<0); // сформировать фронт импульса

Delay_ms(20); // задать длительность импульса

PORTC = PORTC & ~(1<<0); // сформировать срез импульса

Очевидно, что скорость вращения вала двигателя можно изменять заданием длительности управляющих импульсов. При выполнении заданий следует учитывать, что предельная скорость вращения ограничена конструкцией используемого ШД и не превышает 150…200 оборотов в минуту в зависимости от режима управления.

Варианты заданий

В соответствии с вариантом задания, представленном в табл. 3.4, составьте программу управления шаговым двигателем для реализации заданного режима управления и графика изменения скорости вращения.

Таблица 3.4

Вариант задания	График изменения скорости вращения	Режим управления
		Двухфазный полношаговый
	Полушаговый
		Двухфазный полношаговый
	Полушаговый
		Двухфазный полношаговый
	Полушаговый
		Двухфазный полношаговый
	Полушаговый