Контроллер микрошагового управления двухфазным шаговым двигателем с электрическим дроблением основного шага

Способы управления фазами шагового двигателя

Известны следующие способы электрического дробления основного (конструктивного) шага при управлении фазами шагового двигателя (ШД) [1, 4, 5]:

• естественное дробление: полношаговый и полушаговый режимы;
• искусственное дробление: микрошаговый режим.

Изменение цены шага при естественном дроблении достигается исключительно за счет изменения комбинации включения обмоток ШД. На рис. 1 приведены номограммы векторов статического (вращающего) момента в соответствующих режимах.

Рис. 1. Естественные режимы коммутации фаз двухфазного ШД:
а) полношаговый с включением одной фазы;
б) полношаговый с включением двух фаз;
в) полушаговый

По сравнению с полношаговым режимом полушаговый имеет следующие преимущества:

• более высокая разрешающая способность без применения более дорогих двигателей;
• меньшие проблемы с явлением резонанса. Резонанс приводит лишь к частичной потере момента, что обычно не мешает нормальной работе привода.

Недостатком естественных режимов дробления является небольшой коэффициент дробления, а также довольно значительное колебание вращающего момента от шага к шагу. В тех положениях ротора, когда запитана одна фаза, момент составляет примерно 70% от полного, когда запитаны две фазы. Эти колебания могут явиться причиной повышенных вибраций и шума.

Искусственное дробление шага предполагает одновременное управление током не менее чем в двух фазах ШД [1, 5]. Чтобы получить нужное направление магнитного поля, необходимо выбрать не только правильное направление токов в катушках, но и правильное соотношение этих токов.

Если одновременно запитаны две обмотки двигателя, но токи в этих обмотках не равны (рис. 2), то результирующий момент M = (M_A²+M_B²)^0,5, а точка равновесия ротора сместится в точку х = (S/(π/2)) × arctan(M_B/M_A), где M_A и M_B — момент, создаваемый первой и второй фазой соответственно, M — результирующий момент удержания, x — положение равновесия ротора в радианах, S — угол шага в радианах.

Рис. 2. Зависимость момента от угла поворота ротора в случае разных значений тока фаз

Смещение точки равновесия ротора говорит о том, что ротор можно зафиксировать в любой произвольной позиции. Для этого нужно лишь правильно установить отношение токов в фазах. Именно этот факт используется при реализации микрошагового режима. К тому же меньший угол шага способен обеспечить более точное позиционирование.

Существует много различных микрошаговых режимов, с величиной шага от 1/3 полного шага до 1/32 и даже меньше.

Рис. 3. Номограмма статического момента

Функции изменения токов в фазах выбирается при этом таким образом, чтобы исходные статические характеристики в совокупности обеспечивали постоянство амплитуды и формы статического (вращающего) момента ШД (рис. 3). Это возможно только если кривые статического момента, создаваемые отдельными фазами ШД, и суммарная статическая характеристика будут синусоидальными функциями угла рассогласования (рис. 4) между осями полюсов магнитных полей статора и ротора [1, 2].

Рис. 4. Микрошаговый режим управления двухфазным ШД

В общем случае микрошаговый режим управления ШД позволяет, в зависимости от задаваемого коэффициента дробления основного шага ШД, увеличить приемистость (приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке), значительно уменьшить величину отрабатываемых единичных шагов и тем самым повысить точность позиционирования, исключить ударные нагрузки в механической части дискретного привода и существенно улучшить плавность его хода, устранить резонансные явления [1, 4].

Структурная блок-схема устройства микрошагового управления двухфазным ШД

Структурная блок-схема устройства микрошагового управления двухфазным ШД приведена на рис. 5. Входной контроллер вырабатывает определенную последовательность импульсов, которую логический блок использует для формирования адресов ячеек постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), в которых хранятся коды фазных токов ШД текущего шага. С выхода ПЗУ эти коды загружаются в цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), на выходах которых формируются напряжения, пропорциональные токам фаз ШД. Эти напряжения усиливаются линейными усилителями мощности (ЛУМ) и через коммутаторы подаются на обмотки ШД. Одновременно логический блок вырабатывает коды управления коммутаторами, обеспечивая правильность подключения обмоток ШД к выходам ЛУМ.

Рис. 5. Структурная блок-схема устройства микрошагового управления двухфазным ШД

В современных системах управления ШД управляющий контроллер (часть блок-схемы, выделенная серым цветом) выполняется либо в виде дорогостоящей специализированной микросхемы, возможности которой ограничены (в смысле изменения коэффициента дробления), либо используются микроконтроллеры (МК). Современные МК имеют встроенные таймеры, ЦАП и т. д., которые можно использовать для реализации микрошагового режима практически с любым коэффициентом дробления (программными средствами без усложнения аппаратурного содержания) взамен специальных контроллеров [2, 4].

Функциональная схема устройства микрошагового управления двухфазным ШД

Функциональная схема устройства микрошагового управления двухфазным ШД, контроллер которого реализован на МК, приведена на рис. 6. В устройстве использован микроконвертер ADuC812 [3, 7].

Рис. 6. Функциональная схема микроконтроллерного устройства микрошагового управления двухфазным ШД:
МК — микроконтроллер;
ЛУМ — линейный усилитель мощности;
АК — аналоговый ключ;
ФА, ФВ — обмотки фаз ШД

Выбор АК и ЛУМ определяется типом ШД (значениями фазных токов и напряжения питания).

Использование ресурсов микроконвертера:

P3.0 — уменьшение частоты вращения;

P3.1 — увеличение частоты вращения;

P3.2 — запрос внешнего прерывания (INTO) — установка частоты вращения ШД;

P3.3 — запрос внешнего прерывания (INT1) — установка направления вращения;

P3.5 — «0» — точно, «1» — грубо;

P3.6 — реверс;

P3.7 — «0» — STOP, «1» — START;

DAC0 — выход первого ЦАП;

DAC1 — выход второго ЦАП;

P2.3-P1.0 — порт вывода кода управления аналоговыми коммутаторами (АК);

Т2 — таймер — формирователь длительности дробного шага;

F0 — пользовательский флаг направления;

FI — флаг останова таймера 2.

В таблице приведены коды управления АК, выходные значения напряжений ЦАП1 и ЦАП2 для каждого шага дробления, а также последовательность переключения фаз.

Таблица. Управляющие сигналы МК и кривые фазных токов ШД

Номер такта	Управляющие сигналы*				Hex Code	DAC0 Фаза A	DACl Фаза B	Последовательность переключения фаз ШД
	PhA+	PhA-	PhB+	PhB-
1-10	0/1	1/0	1/0	0/1	06/09
11-20	1/0	0/1	1/0	0/1	0A/05
21-30	1/0	0/1	0/1	1/0	09/06
31-40	0/1	1/0	0/1	1/0	05/0A

Алгоритм программы управления

На основании функциональной схемы и в соответствии с приведенной таблицей управляющих кодов разработан алгоритм программы управления, приведенный на рис. 7.

Рис. 7. Алгоритм управления ШД в микрошаговом режиме

Программа управления

Программа управления написана на языке Assembler для Intel-МСS51-совместимых микроконтроллеров [5] и отлажена в интегрированной среде разработки приложений Keil-μVision3, основное окно которой с результатами отладки программы показано на рис. 8.

Рис. 8. Окно среды программирования Keil-μVision3 с результатами отладки программы управления

При тактовой частоте микроконтроллера 11,0592 МГц частота вращения ШД находится в диапазоне:

а) в режиме «Точно» 0-100 об/мин;
б) в режиме «Грубо» 100-1000 об/мин.

Программа защищена от зацикливания встроенным сторожевым таймером, настроенным на период сброса, равный 2047,973 мс.

Выводы

Идеальный шаговый двигатель при питании фаз синусоидальным и косинусоидальным током должен вращаться с постоянной скоростью. У реального двигателя в таком режиме будут наблюдаться некоторые колебания скорости. Связано это с нестабильностью воздушного зазора между полюсами ротора и статора, насыщением магнитной системы наличием магнитного гистерезиса, трения, что приводит к погрешностям величины и направления магнитного поля, и т. д. Поэтому положения равновесия и момент имеют некоторые отклонения. Эти отклонения зависят от погрешности формы зубцов ротора и статора и от примененного материала магнитопроводов.

Микрошаговый режим обеспечивает высокую приемистость и точность позиционирования ШД, устраняет колебания ротора вокруг положения равновесия и устраняет резонансные явления.

Полный набор периферийных модулей и встроенных ресурсов микроконтроллера позволяет строить систему управления практически без применения внешних периферийных микросхем (специальных контроллеров). Это дает возможность минимизировать устройство и снизить его стоимость.