10. КЕРУВАННЯ КРОКОВИМИ ЕЛЕКТРОДВИГУНАМИ

Призначення крокових електродвигунів

У зв'язку з розвитком цифрової техніки виникла потреба програмного керування дискретної дії. Застосування крокових двигунів дозволяє перетворити керуючі імпульси у фіксований кут повороту валу без датчика зворотного зв'язку. При цьому крокові електродвигуни (КЕД) виконують роль як вимірювального, так і виконуючого пристрою. Системи з КЕД є розімкненими, і втрата імпульсу приводить до безповоротної помилки. Крокові двигуни застосовуються також в якості виконавчого пристрою в замкнутих системах передачі інформації. Існує велика різноманітність КЕД, які відрізняються принципом дії, конструкцією, способом керування і т.п. Спрощена класифікація цих двигунів приведена на рис. 1.

Рис. 1. Класифікація КЕД

Принцип дії крокових електродвигунів

КЕД являє собою синхроний електродвигун без щіток. Він має декілька обмоток статора. Струм, який подається до однієї з обмоток викликає фіксацію ротора. Послідовна активація обмоток електродвигуна викликає дискретні кутові переміщення (кроки) ротора. Розглянемо одноканальний реверсивний кроковий двигун з реактивним ротором (рис. 2). Статор одноканальних реверсивних КЕД має явнополюсну систему з зосередженими обмотками, а ротор має зубці. Двигуни виконуються з різним полюсним діленням на роторі і статорі.

Рис. 2. Зовнішній вигляд КЕД

Розглянемо принцип роботи двигуна, що має шість полюсів на статорі і вісім зубців на роторі. На рис. 3 показано взаємне розташування зубців ротора і статора у вихідному положенні.

Рис. 3. Hозташування зубців ротора і статора КЕД

На рис. 4 приведена схема включення обмоток статора. На кожному полюсі статора розташовані по дві обмотки, позначені однаковими цифрами. Обмотки з штрихами в позначенні використовуються при зміні напряму обертання двигуна. У момент включення КЕД на обмотки 1, 4 подається постійна напруга, при цьому ротор займає вихідне положення. При подачі керуючого імпульсу, наприклад, на затискач IV, підключаються обмотки 3', 6', 5', 2'.

Одночасно напруга подається на обмотки 1', 4', які включені зустрічно обмоткам 1, 4. Відбувається розмагнічування полюсів статора 1, 4. Завдяки наявності конденсатора С2 і через малий опір обмоток 5', 2' наростання струму в обмотках 5', 2' відбувається швидше, ніж в обмотках 3', 6', тому ротор встановлюється таким чином, що його полюси 2, 6 стануть під полюсами 2, 5 статора. Коли конденсатор зарядиться, МДС обмоток 6', 3' приблизно буде удвічі більше МДС обмоток 2', 5', ротор обернеться і займе нове положення. При цьому полюси 3, 7 ротора стануть під полюсами 3, 6 статора. Після зняття керуючого імпульсу обмотки 2', 5', 3, 6 і 1', 4' знеструмлюються і ротор займе вихідне положення, тобто полюси ротора 8, 4 встановлюються під полюсами 1, 4 статора. При реверсі імпульси, що управляють, подаються на затискач ІІІ.

Рис. 4. Cхема включення обмоток статора КЕД

Основні режими роботи крокових електродвигунів

Режими роботи КЕД підрозділяються на статичний, сталий і перехідний.

Статичний режим – це режим при протіканні постійних струмів в обмотках керування і нерухомому роторі (частота імпульсів f_i = 0). В тепловому відношенні це найбільш важкий режим, оскільки, струми у фазах максимальні, обмотки не перемикаються, що при неповній кількості включених фаз створює нерівномірний нагрів двигуна.

Сталий синхронний режим – цей режим має місце при постійній частоті керуючих імпульсів f_i = const і характеризується або постійною швидкістю ротора, або її періодичними коливаннями відносно синхронної швидкості.

Перехідні режими:
• розгін двигуна від нульової швидкості ротора до граничної, коли частота змінюється стрибком від 0 до f_пр;
• гальмування двигуна від сталого синхронного режиму до зупинки при раптовому припиненні подачі керуючих імпульсів;
• реверсування двигуна, яке походить від сталого синхронного режиму одного напряму обертання ротора до сталого режиму іншого напряму обертання при раптовій зміні чергування перемикання обмоток.

Керування кроковими електродвигунами

Кроковий двигун обертається дискретними переміщеннями. Досягається це за рахунок форми ротора і двох (рідше чотири) обмоток. Внаслідок чого, шляхом чередування напряму напруги в обмотках можна добитися того, що ротор по черзі займатиме фіксовані значення. В середньому, в кроковому двигуні на один оборот валу, доводиться близько ста кроків. Але це залежить від моделі двигуна, а також від його конструкції. Крім того існують напівкроковий і мікрокроковий режими, коли на обмотки двигуна подають ШІМ напругу, що заставляє ротор встати між кроками в рівноважному стані, який підтримується різним рівнем напруги на обмотках. Це значно покращує точність, швидкість і безшумність роботи, але знижується момент і збільшується складність керуючої програми – адже треба розраховувати напругу для кожного кроку.

Схема керування кроковим двигуном на контролері L297 і потужному здвоєному мості L298N наведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема керування КЕД

Вказані на схемі сигнали на контролер L297 подаються від мікроконтролера:
• на вхід CW/CCW подається напрям обертання – 0 в один бік, 1 – в інший;
• на вхід CLOCK подаються імпульси відповідно до кількості кроків, один імпульс – один крок;
• вхід HALF/FULL задає режим роботи – повний крок/напівкрок;
• CONTROL визначає яким чином задається ШІМ, якщо він дорівнює нулю, то ШІМ утворюється за допомогою виходів дозволу INH1 і INH2, а якщо 1 то через виходи на драйвер ABCD.