Шаговые электроприводы НПФ Электропривод

В настоящее время хорошей альтернативой микроприводам, состоящим из быстроходного двигателя с обратной связью и механического редуктора, является шаговый электропривод, ставший уже традиционным исполнительным устройством многих электронных приборов и систем.

Шаговый двигатель — это синхронная электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в угловое или линейное перемещение ротора с возможностью его остановки в некоторых фиксированных положениях с сохранением стабилизирующего момента. Принцип действия всех существующих шаговых двигателей основан на дискретном изменении состояния электромагнитного поля в рабочем зазоре электрической машины.

При проектировании электромеханических систем часто приходится делать выбор между шаговым электроприводом и сервоприводом.

Сервопривод состоит из контроллера, драйвера, двигателя постоянного тока или синхронного двигателя и датчика обратной связи. Контроллер сервопривода обрабатывает сигналы датчика. Крутящий момент обеспечивается регулировкой питающего тока.

Шаговый электропривод состоит только из контроллера, драйвера и шагового двигателя. Сведений о положении ротора контроллер не имеет, но оно с большой долей вероятности предсказуемо, поэтому датчик обратной связи не используется.

Достоинства шагового электропривод:

• максимальный крутящий момент на низких скоростях;
• высокая точность позиционирования;
• простая схема управления;
• низкая стоимость.

Достоинства сервопривода:

• высокие динамические характеристики;
• плавность движения.

Недостатки шагового электропривод:

• потеря крутящего момента на высоких скоростях;
• резонанс шагового двигателя;
• возможна потеря контроля над положением ротора ввиду отсутствия обратной связи.

Недостатки сервопривода:

• колебательные процессы в контуре обратной связи;
• сложная схема управления.

Современные системы управления шаговыми электроприводом обычно имеют отделенные друг от друга контроллер (рис. 1) и драйвер (рис. 2). Связано это с тем, что у правильно спроектированного драйвера довольно сложный алгоритм дробления шага, позволяющий уменьшить величину минимального перемещения и избежать резонансных явлений. Такое разделение позволяет легко использовать для управления шаговыми электроприводом как специализированные контроллеры, сделанные под узкий спектр задач, так и LPT-порт персонального компьютера. Драйвер шагового двигателя для пользователя является универсальным устройством, на вход которого подается лишь силовое питание для двигателя и стандартные сигналы «направление» и «шаг». На драйвере выставляются только величина тока в фазах двигателя и коэффициент дробления шага.

Использование в качестве контроллера шаговых двигателей персонального компьютера получило широкое распространение в малых токарных и фрезерных станках как вариант замены промышленной стройки ЧПУ. Современное программное обеспечение позволяет контур или трехмерную модель, сделанную, например, в AutoCAD, сразу выводить как на принтер, так и на станок с ЧПУ.

Специализированные контроллеры шаговых электроприводов, такие как трехканальный контроллер SMC-3, выпускаемый НПФ Электропривод, предназначены в основном для задач автоматизации технологических процессов. Каждый из каналов контроллера SMC-3 выполнен на микроконтроллере ATMega8 и работает по исполнительной программе, содержащейся в энергонезависимой памяти микроконтроллера. Исполнительная программа записывается с помощью ПК через интерфейс RS-232. Все три канала подключены к одному порту RS-232 и «слушают» шину одновременно. Обмен устройства с ПК осуществляется по принципу «команда — ответ». Ответ содержит параметр, сообщающий ПК об успешном или неуспешном выполнении команды с указанием номера ошибки. Ответ приходит от того контроллера, который распознал свой номер, содержащийся в управляющей команде. Если команда ошибочна и не распознана ни одним из микроконтроллеров, все каналы находятся в дежурном режиме, ответ (сообщение об ошибке команды) приходит от контроллера № 1. Выполнение исполнительной программы контроллером заключается в чтении очередной команды из энергонезависимой памяти и в выдаче соответствующих команд управляющих сигналов на драйвер ШД. Одновременно осуществляется анализ сигналов от выключателей реверса и аварийных концевых выключателей. Перечень команд охватывает все возможные варианты работы шагового двигателя — работа в статическом режиме, движение с постоянной скоростью, движение с ускорением, изменение направления движения, переключение величины дробления шага, синхронизация шаговых двигателей соседних каналов. Контроллер SMC-3 не позволяет в полной мере поддерживать графические интерфейсы ПК, однако ориентированная на неподготовленного пользователя программа верхнего уровня обеспечивает интуитивно понятный доступ к полному набору команд контроллера. Раздельное исполнение контроллера SMC-3 и драйверов позволяет одинаково просто управлять шаговыми электроприводами в диапазоне мощностей 0,005–1,5 кВт.

Шаговый двигатель — компактное исполнительное устройство с большим крутящим моментом, составляющее конкуренцию сервоприводам во многих приложениях, в которых требуются низкая скорость и высокая точность позиционирования. Примеры использования шаговых электроприводов — станки с ЧПУ, намоточное оборудование, механизмы протяжки проволоки, фольги, контрольно-сортировочные автоматы, сварочные роботы, этикетировщики.