Курсовая работа: Тема: Драйвер управления шаговым двигателем DM442

У нас на сайте представлено огромное количество информации, которая сможет помочь Вам в написании необходимой учебной работы.

Но если вдруг:

Вам нужна качественная учебная работа (контрольная, реферат, курсовая, дипломная, отчет по практике, перевод, эссе, РГР, ВКР, диссертация, шпоры...) с проверкой на плагиат (с высоким % оригинальности) выполненная в самые короткие сроки, с гарантией и бесплатными доработками до самой сдачи/защиты - ОБРАЩАЙТЕСЬ!

КУРСОВАЯ РАБОТА

Учебная дисциплина: МДК 01.02.

Тема: Драйвер управления шаговым двигателем DM442

Оглавление

1. Оглавление 2

2. Введение 3

3. Описание принципа работы драйвера управления шаговым 5

двигателем DM 442

4. Описание драйвера управления шаговым двигателем DM 442 14

5. Список литературы 22

Введение

Принцип действия шагового двигателя основан на последовательной подаче напряжения в обмотки статора, в каждый момент времени срабатывающие как магниты и фиксирующие ротор. Разница между токами в обмотках определяет угол поворота ротора. Драйвер ШД – силовое устройство, формирующее токи питания для каждой обмотки.

Одноканальные используются для управления одним ШД. Применяются при построении станков, где используются двигатели типоразмера 86 мм с током управления выше 4А.

Многоканальные представляют собой управляющую плату, на которой размещены одноканальные драйверы в количестве, соответствующем количеству приводов. Используются в станках с ШД типоразмером до 57 мм.

подавление резонанса. Использование драйвера без этой функции приемлемо только для двигателей типоразмером до 86 мм. Алгоритмы работы функции прописываются производителем под конкретные ШД и частоты, но драйверы Leadshine серии MD, предлагаемые нашей компанией, настраиваются на один из трех диапазонов резонансных частот;
· снижение тока в режиме простоя. Предотвращает перегрев двигателя и уменьшает энергопотребление;
· плавный пуск. Постепенное увеличение напряжения при пуске ШД не приводит к ударам, как в случае с подачей тока полным напряжением;
· морфинг – способность драйвера к плавному переходу с микрошагов на полный шаг на высоких оборотах. В режиме микрошагов крутящий момент снижается. Инерционность ротора позволяет работать в режиме полного шага, момент в этом случае повышается.

· Контроллеры – платы коммутации, используемые для преобразования управляющих команд, поступающих с ПК, в последовательность импульсов для драйверов. Плата может иметь дополнительный функционал – разъемы для подключения концевых ограничителей, силовые реле, разъемы для управления шпинделем. Подключается к компьютеру через LPT или USB интерфейс.

· Многоканальные драйверы ШД –устройство объединяющее в себе драйвера ШД и плату коммутации. Подключаются к ПК непосредственно управляют ШД. Также в состав контроллера входят такие функциональные возможности как таймер СОЖ, конвертор ШИМ для инвертора, силовые реле, разъемы для подключения датчиков ограничения линейных перемещений. Драйвера могут исполняться на различное количество ШД.

В современных системах управления широко используются устройства, с цифровой обработкой сигналов. Цифровые системы управления привели к созданию нового типа исполнительных механизмов — шаговых двигателей. Они широко используются дисководах, сканерах, факсах, принтерах, а также в разнообразном промышленном и специальном оборудовании. На данный момент времени промышленностью выпускается множество различных типов шаговых двигателей.

Шаговый двигатель Nema отличается от аналогов высокой надёжностью при работе при максимально допустимых нагрузках, точным поворотом вала на заданный угол, относительно невысокой стоимостью и стойкостью конструкции к превышению допустимых оборотов вала. За счёт отсутствия обратной связи ротор поворачивается на точно заданный угол с максимально допустимой погрешностью не более 5% от его величины, и что самое важное – без накопления ошибки позиционирования.

Именно поэтому шаговый двигатель купить для установки в станки с ЧПУ весьма выгодно, поскольку он сможет обеспечить высокую точность позиционирования ШВП с установленным обрабатывающим инструментом. Надёжность двигателя обеспечивается отсутствием в конструкции контактных щёток, поэтому длительность и качество его работы ограничено только ресурсом используемых подшипников для крепления вала.

Реализация низких скоростей вращения позволяет достигать высокого крутящего момента, позволяющего передавать его прямо на шарико-винтовой механизм без использования редуктора. Путём изменения подаваемых импульсов, можно чётко отрегулировать оптимальный режим и скорость вращения вала. Максимальная мощность вращения достигается применением больших по размерам обмоток, массивных соединительных фланцев и предельных величин подаваемого тока.

В линейку Nema входят двигатели с величиной подаваемого тока от 0,4 до 5 А и развиваемым крутящим моментом от 2,8 кг•см до 120 кг•см соответственно. На шаговый двигатель цена полностью зависит от его технических характеристик, которая варьируется в широком диапазоне, поэтому в целях экономии их необходимо приобретать для решения конкретных задач.

Первые упоминания о ШД можно найти в научно-технической литературе, опубликованной сразу после I мировой войны. Важно отметить, что существующие ныне ШД конструктивно мало отличаются от их предшественников. Что такое шаговый электродвигатель? Если вы спросите об этом у инженеров-электромехаников, то можно гарантировать, что у одной половины из них появиться чувство, сходное с зубной болью, а у другой, напротив, эмоции будут самые положительные. Это вызвано тем, что обладая большими достоинствами, далеко не во всех областях промышленности ШД нашли широкое применение в силу ряда их особенностей.

Наиболее часто из недостатков ШД выделяют невысокие удельные показатели. Действительно, практически не создавались ШД на большие моменты, т.к. габариты или цена их становится несоизмеримо большими по сравнению с двигателями постоянного или переменного тока. Из достоинств можно подчеркнуть способность ШД строго отрабатывать входные импульсы, подаваемые на обмотки ШД.

Шаговые двигатели применялись давно, но это применение было, как правило, экзотическим, из-за необходимости применения механических или электронных коммутаторов, которые сильно сужали области применения.

Подлинную революцию в создании управляемых приводов, созданных на базе ШД, вызвала эра цифрового управления, начавшаяся с 1957года, когда в американском журнале был опубликован отчет о применении ШД в трехкоординатном электроприводе фрезерного станка. Коммутаторы ШД реализовывались на базе ламповых тиратронов, а процесс обработки деталей мог производиться считыванием импульсов с магнитной ленты. По сути, это первый станок с числовым программным управлением (ЧПУ).

Во всех развитых странах с этого времени началось широкое использование ШД в области металлообработки. Возможность цифрового управления от ЧПУ или ЭВМ заставила разработать множество типоразмеров ШД (наша страна даже закупала в Болгарии ШД мощностью до 1.6 кВт). Но одновременно с (ред.)

эйфорией начали проявляться и недостатки, в частности, необходимость усиления вращающего момента ШД с помощью гидроусилителей или механических редукторов. Гидроусилители требовали наличия масляных компрессоров, что существенно увеличивало габариты устройств и, кроме того, подтекание маслопроводов и повышенный шум создавали вокруг таких электроприводов условия далеко не комфортные. У инженеров -электромехаников появился даже термин "мокрый" привод. При преобразовании гидроусилителями вращения вала ШД в поступательное движение рабочего штока, например, у первых образцов советских роботов, в режиме малых скоростей перемещений проявляется эффект релаксации - залипания штока к цилиндру, который вызывал весьма своеобразное движение рабочего органа - захвата робота, напоминающее трясущееся движение руки алкоголика. Успехи в области полупроводниковой техники в начале 70-х годов позволили создать "сухие" тиристорные электропривода с двигателями постоянного тока, которые в механообработке практически полностью вытеснили шаговые электродвигатели. Этим можно объяснить скептическое отношение к ШД некоторых инженеров. Но одновременно в мире начался бум, вызванный широким использованием вычислительной техники, в которой применение ШД значительно упрощало конструкцию различных периферийных устройств ЭВМ (принтеров, графопостроителей, устройств считывания информации с магнитных дисков и т.д.), и не требовало усиления момента гидроусилителями, т.е. такие шаговые электропривода были также „сухими". Сегодня количество вычислительной и контрольно - измерительной техники стремительно растет, одновременно растет количество используемых ШД.

Шаговый двигатель представляет собой разновидность синхронной электрической машины, принцип действия которой основан на дискретном изменении электромагнитного поля в зазоре машины путем переключения обмоток.

Описание

Шаговые двигатели применяются сегодня во многих промышленных сферах. Двигатели данного типа отличаются тем, что позволяют добиться высокой точности позиционирования рабочего органа, по сравнению с другими типами двигателей. Очевидно, что для работы шагового двигателя требуется точное автоматическое управление. Именно этой для этой цели и служат контроллеры шаговых двигателей, обеспечивающие бесперебойную и точную работу электроприводов различного назначения.

Грубо принцип работы шагового двигателя можно описать так. Каждый полный оборот ротора шагового двигателя состоит из нескольких шагов. Подавляющее большинство шаговых двигателей рассчитаны на шаг в 1,8 градуса, и на полный оборот приходится 200 шагов. Привод меняет положение на шаг при подаче на определенную обмотку статора напряжения питания. Направление вращения зависит от направления тока в обмотке.

Следующий шаг — выключается первая обмотка, питание подается на вторую и так далее, в итоге после отработки каждой обмотки ротор совершит полный оборот. Но это грубое описание, на деле алгоритмы несколько сложнее, и об этом будет рассказано далее.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

Рисунок. 6.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора. Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от 5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

Рисунок 7.

С постоянным магнитом

Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси. Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала.

Рисунок 8.

Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.стройство гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Рисунок 9.Расположение пазов ротора

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рисунок 10. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

Особенности шаговых двигателей

На сегодняшний день существует достаточно большое количество различных двигателей – систем управления механизмами. Одним из наиболее передовых и эффективных их видов по праву считаются шаговые двигатели. В данной статье мы рассмотрим основные особенности строения этой техники, а также расскажем вам о ее существующих разновидностях. Как известно, ШД представляет собой синхронный двигатель, в роторе которого расположены постоянные магниты, а основные направляющие (магнитное поле статора), вращается с помощью электроники.

В ходе своей работы, шаговый двигатель трансформирует управляющие импульсы (шаги) в механическое движение (вращение) ротора. ШД обладают целым рядом преимуществ, по сравнению с другими типами подобного оборудования. Сюда можно отнести их простую и понятную конструкцию, высокую надежность и долговечность, доступную цену, а также высокие показатели крутящего момента при низких скоростях. Однако данная техника также обладает и определенными недостатками – в частности, сюда относится эффект резонанса при низких скоростях и снижение крутящего момента на высоких. Впрочем, современные драйверы шаговых двигателей способны существенно снизить эффект от перечисленных недостатков.

Система управления шаговым двигателем

Indexer – контроллеры шаговых двигателей, представлены в виде микропроцессора, который генерирует импульсы «НАПРАВЛЕНИЕ» и «ШАГ», в соответствии с сигналами, которые он получает от пользователя. Помимо этого, контроллеры также выполняют и другие, более сложные функции. Силовой частью ШД является его драйвер – он преобразовывает сигналы от контроллера в силовые импульсы, которые необходимы для движения ротора. Современный рынок шаговых двигателей предлагает покупателям весьма большой выбор драйверов к ним. Для каждой модели драйвера характерны определенная величина тока и формы импульсов. Драйверы шаговых двигателей не являются универсальными, каждый из них совместим лишь с конкретной моделью ШД. Если вы собираетесь приобрести надежный и долговечный двигатель, то крайне важным решением будет подбор драйвера к нему.

Современные шаговые двигатели делятся на 3 основные типа:

• Двигатели с переменным магнитным сопротивлением

• Двигатели с постоянными магнитами

• Гибридные двигатели

Каждый из этих разновидностей имеет особое строение и механизм работы. Например, постоянные магниты нельзя использовать в двигателях с переменным сопротивлением. В результате у таких моделей ШД отсутствует функция стопорного момента (detent torque). Из-за этого двигатели с переменным магнитным сопротивлением, в большинстве случаев, не могут достигнуть высоких показателей крутящего момента. Что же касается двигателей с постоянными магнитами, то их величина шага довольно велика – не менее 7.5°. Эта характеристики связана с особенностями конструкции ротора данных ШД. Кроме того, такие двигатели обладают достаточно низкой ценой, однако скорость их вращения оставляет желать лучшего.

Гибридные же шаговые двигатели обладают ротором с постоянными магнитами и многополюсным статором. Благодаря этому, такие модели ШД демонстрируют умеренную величину шага (около 1,8°) и достойные показатели крутящего момента (до 300 кгс/см). Стопорный момент у такого оборудования равняется примерно 10%, от показателей синхронизирующего статического момента.

Кроме того, шаговые двигатели отличаются друг от друга по способу питания. Здесь существуют:

• Униполярные двигатели

• Биполярные двигатели

Шаговый двигатель является униполярным в том случае, когда отводы от середины обмоток объединены между собой внутри самого двигателя. Таким образом, пользователю доступно только 5 выводов, что бывает крайне редко.

Оптоизолированные входы

Сейчас сложно встретить драйвер, в котором входы не изолированны гальванически от остальной части, и производители упоминают об оптоизоляции больше для проформы. Драйвер - устройство силовое, на входе у него маломощные сигналы, как правило 0..5 В, и током не более 50-100 мА, тогда как в драйвере коммутируются напряжения на порядок больше, иногда до 100-200 В, и токи бывают немалые - до 5-8А. В случае отсутствия оптопар на входе, при пробое силовой части эта энергия может устремиться в виде тока обратно по входным проводам, и повредить контроллер и подключенные к нему устройства. Поэтому защитная опторазвязка - строго обязательная часть любого нормального драйвера.

Микрошаг и максимальная частота входных импульсов.

Микрошаговый режим сам по себе, несомненно, полезная функция. Вопрос в том, можно ли использовать максимальное деление шага как аргумент при выборе драйвера. Иногда кажется, что производители соревнуются, кто больше делений шага сможет зашить в устройство. Многие фирмы предлагают драйверы, позволяющие делить шаг на 512 микрошагов. Для того, чтобы в таком режиме вращать вал со скоростью 20 об/сек(а это вполне нормальная скорость для качественных двигателя и драйвера), потребуется подавать импульсы STEP с частотой 512*200*20 = 2 Мгц. Тогда как сам драйвер обычно способен отрабатывать импульсы на частоте не более 200-300 кГц. Соответственно, если Вы используете деление шага 1/512 то быстрее чем 2 об/сек двигатель раскрутить не удастся - это в том случае, если Ваш контроллер может выдавать импульсы с частотой 300 кГц. Многие контроллеры ограничены частотой 100-150 кГц, и менее. Следовательно, в реальных задачах имеет смысл использовать микрошаг порядка 1/32 или 1/64, бОльшие деления - удел очень узкоспециальных применений. Мы рекомендуем не смотреть на максимальное деление шага при выборе драйвера, но желательно, чтобы драйвер позволял работать в диапазонах деления шага 1/2 - 1/64

Функция подавления резонанса

Она же функция компенсации резонанса, она же функция устранения среднечастотной нестабильности. Шаговые двигатели подвержены резонансу - такова их конструктивная особенность. Чем сильнее резонирует вал двигателя, тем меньший крутящий момент двигатель отдает. В отдельных случаях вал просто может остановиться. Функция подавления резонанса - помогает уменьшить негативный эффект резонанса. Этой функцией оснащены на самом деле очень мало драйверов шаговых двигателей, самые известные примеры - это драйверы Leadshine серий DM, AM и EM и драйверы Geckodrive. Технологии, которые используют производители, не раскрываются, но примерно известно, что возникновение резонанса отслеживается по колебаниям ЭДС индукции, возникающим в обмотках двигателя от резонирующего ротора, после чего ПО драйвера определяет стратегию его устранения, в качестве которой может быть использовано смещение импульсов во времени. Функция подавления резонанса достаточно полезна, и польза её растет вместе с нагрузкой на двигатель и его размером - если для двигателей 42 и 57 мм это не так существенно, то работать с 86 двигателями без такой фукнции уже может быть неприятно. Следует упомянуть, что алгоритмы подавления резонанса в блоках управления Geckodrive, Yako и Purelogic - автоматические, причем подогнаны под конкретные типоразмеры двигателей, а в блоках управления Leadshine - полностью настраиваемые с помощью специальной программы, что делает решение от Leadshine более гибким, но чуть более сложным в настройке.

Морфинг

Функция, впервые появившаяся в драйверах Geckodrive. В полном шаге каждая обмотка постоянно запитана полным током, а при использовании микрошагового режима - меняются по синусоидальным законам, со смещением фазы в 90 градусов. Это значит, что в режиме полного шага на ротор действует сила, складывающаяся из сил магнитного притяжения обеих обмоток статора, причем - обе этих силы максимальны(запитка полным током). В случае микрошага - две обмотки могут быть запитаны полным током только в тот момент, когда ротор проходит положение полного шага. Следовательно, момент в микрошаговом режиме - меньше чем в полу- или полношаговом. При быстром вращении, однако, можно объединять много микрошагов в один шаг - в самом деле, ротор имеет инерцию, и ни мгновенно разогнаться, ни мгновенно остановиться не может, а значит, скорость меняется плавно, и можно объединять микрошаги в полный шаг без существенной потери точности - а значит, запитывать обмотки полным током, и получать больший момент на высоких оборотах. Функция плавного перехода с микрошагового управления(синусоидальных токов) к полношаговому(запитке фаз полным током) и называется морфингом. Таково теоретическое обоснование данной функции. Практическое её значение под большим сомнением, так как при тестировании драйверов G203 и PLD86, оснащенных данной функцией, и драйвера Leadshine AM882 без таковой, драйвер AM882 показал больший крутящий момент на всех частотах вращения(тестирование проводилось на одном и том же стабилизированном источнике питания, с напряжением питания 50 В, частота вращения задавалась цифровым генератором прямоугольных импульсов). Поэтому мы рекомендуем не принимать во внимание данную функцию при выборе драйвера.

Определение остановки вала ("определение срыва", "stall detection")

Функция, присутствующая на текущий момент только в драйверах Leadshine серий AM и EM. Суть её в том, что драйвер способен определить момент, когда вал двигателя аварийно остановился - по причине заклинивания механической части или иным причинам. Это явление происходит с шаговыми двигателями на высоких скоростях вращения, и свидетельствует о слишком высоких заданных скоростях или ускорениях, малом напряжении питания, подклинивании в механической части. Используя закрытые алгоритмы, драйвер определяет этот момент и мгновенно подает сигнал ошибки на выход. В случае, когда на оси X станка стоят 2 приводных винта, и при холостом перегоне большого портала из одного конца в другой, например, при занулении станка, "срыв" одного из них приведет к тому, что второй винт будет продолжать перемещаться, и может возникнуть перекос. Заведя выход ошибки с драйвера на вход E-stop или иной аналогичный вход контроллера, можно добиться того, что весь станок остановится вслед за одним из двигателей. Такой подход также может спасти несколько заготовок - "срыв" двигателя во время обработки весьма пагубно скажется на обрабатываемой детали, если драйвера не оснащены такой функцией. Подобная функция свидетельствует о весьма интеллектуальной прошивке драйвера, и, не являясь строго необходимой, тем не менее, добавляет полезный функционал шаговым приводам.

Плавный пуск шаговых двигателей

При подаче питания на блоки управления, ток в обмотки подается обычно просто - полным напряжением и затем отсечка по достижению нужного значения тока. Поскольку до подачи тока ротор находится неизвестно где, то в момент подачи он приходит в положение равновесия рывком - это слышно при включении питания, раздается характерный "удар". При плавном пуске напряжение питания возрастает постепенно, и вал двигателя подтягивается тоже постепенно, без удара. В целом, это наверняка благотворно сказывается на механике. Но как-то замерить или даже заметить результат её работы на механике вряд ли удастся - включаете Вы драйвер вряд ли чаще, чем 2-3 раза в день, а обычно - 1 раз, в начале работы. Этого слишком мало для проявления существенных преимуществ функции, она скорее относится к разряду "косметических".

Рисунок 11.

Рисунок 12.

· В современных системах управления широко используются устройства, с цифровой обработкой сигналов. Цифровые системы управления привели к созданию нового типа исполнительных механизмов — шаговых двигателей. Они широко используются дисководах, сканерах, факсах, принтерах.

Рисунок 13.