Система управления шаговым двигателем

Содержание.

1. Введение 4

2. Техническое задание 6

3. Описание функциональной схемы  устройства 7

4. Описание схемы электрической  принципиальной 8

5. Описание управлением ШД…………………………………….10

          5.1 Блок (цифровой) плавного разгона и торможения (БПРТ) и задатчик темпа интегрирования (ЗТИ)......................................................10

5.2. Преобразователь «Код-частота»..............................................13

5.3 Распределитель  импульсов.........................................................14

5.4 Коммутатор..................................................................................15

6. Выбор элементной базы 16

7. Расчёт основных узлов 18

7.1 Расчёт гальванической развязки   18

7.2 Выбор элементов тактового генератора  18

7.3 Расчёт  коммутатора 19

7.4 Выбор резисторов и конденсатов 19

7.5 Остальные узлы 19

8. Результаты моделирования ГТИ 20

9. Разработка печатной платы 23

Список  24

Перечень элементов 25

Приложение 1 27

 

 

Введение

Автоматизация производства на основе электронной техники для развития и совершенствования, существующих и создающихся технологических производств, является одним из важных направлений производства. Особенностью современного этапа развития автоматизации производства является появление и массовое применение качественно новых технических средств.

Целью данной курсовой работы является проектированное управление шаговым двигателем.

Шаговые двигатели получили широкое распространение в промышленности, быту и т. д. ШД разрабатывают для получения максимальной мощности в минимальном объеме, они сложнее в производстве и, следовательно, дороже.

Особенностью ШД в отличие от двигателей других типов, которые могут быть использованы для построения дискретного привода, является большое число пар полюсов (рп=4-60), что обеспечивает малое значение шага aм=0,6-22,5о и возможность получения низких скоростей при сравнительно высоких частотах управления. По своим характеристикам дискретный привод с ШД может быть отнесен к дискретной разомкнутой следящей системе с внутренней обратной связью по положению. В этом основная особенность такого привода, отличающая его от непрерывных приводов, например, постоянного тока, в которых действует внутренняя обратная связь по скорости.

В настоящее время определялись и получили применение три основных типа ШД, отличающихся конструкцией ротора: с пассивным зубчатым безобмоточным ротором (реактивный и индукторный), индукторный с двумя пассивными зубчатыми роторами, связанными аксиально намагниченным кольцом, и с активным ротором из постоянных магнитов.

Статор ШД с пассивным ротором выполняется с явно выраженными полюсами, на которых размещены катушки. Обычно число полюсов статора принимают равным удвоенному числу фаз. Катушки диаметрально противоположных полюсов, соединенные между собой последовательно или параллельно, образуют фазу ШД. Полюсы статора снабжены зубцами, аналогичными зубцам ротора. Для получения симметричной магнитной системы в одностаторном ШД число зубцов ротора должно быть четным и не делящемся на число фаз m. При таком выборе числа зубцов zр ротора обеспечивается автоматический угловой сдвиг зубцов смежных полюсов статора относительно зубцов ротора на tz/m, где  tz=pDp/zp- зубцовое деление; Dp- диаметр ротора.

Магнитоэлектрический ШД является классической синхронной машиной. Его принцип действия основан на взаимодействии потока возбуждения от многополюсного магнита с потоком управления, создаваемым многофазной (как правило, двухфазной) обмоткой статора. Скачкообразное перемещение поля статора обеспечивается изменением направления тока поочередно в каждой фазе, что приводит к смещению результирующего поля статора на шаг а. Такая же картина перемещения поля статора на шаг будет иметь место при расщеплении каждой фазы и питании каждой секции однополярными импульсами тока. Расщепление фаз позволяет заменить реверсивный инвертор на более простой и нереверсивный. В ШД с переменно-полюсным активным ротором трудно выполнить большое число полюсов, поэтому их шаг лежит в пределах 15-900.

Большое число пар полюсов специальных ШД, особенно с пассивным ротором, выполняет роль электрического редуктора, так как увеличивает момент двигателя. Поэтому при равном моменте ШД по сравнению с двигателями постоянного тока имеют меньшие массогабаритные показатели и большее быстродействие.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Техническое задание.

Необходимо спроектировать управление шаговым двигателем.

 По заданию  необходимо выбрать четырехфазный  шаговый двигатель с током  фазы  Iф=2,65А. Выбираем ШД магнито- электрического типа, с внутренней фиксацией ротора ШДМ-7Ф, со следующими характеристиками:

1 Номинальное  напряжение питания                                27+/-2,7В

2 Номинальный  вращательный момент в продол-

   жительном  режиме                                                           0,118

    в кратковременном  режиме                                            0,157

3 Номинальный  момент инерции нагрузки                   0,98*105кг*м2

4 Номинальная  приемистость, не менее                             40 шаг*с-1

5 Номинальный  шаг                                                              22,50

6 Максимальная  приемистость, не менее                            70шаг*с-1

7 Потребляемый  ток в режиме фиксированной  сто-

   янки под  током, не более                                                      2,65А

8 Статическая  погрешность обработки шагов

   при холостом  ходе, не более                                                 200

9 Статический  фиксирующий момент, не менее                   392*10-4

10 Потребляемый  ток в режиме фиксированной

     стоянки  под током при t=-600С, не менее                            3,8А

11 Момент инерции  ротора электрического двигателя0,82*105кг*м2

12 Сопротивление  обмоток постоянному току,

     приведенное  к t=200С                                                           23-29Ом

13 Максимальный статический синхронизирующий

    момент  при напряжении питания не  менее                         27В

14 Индуктивность  обмотки                                                      0,0295Гн

15 Масса электродвигателя, не более                                       1,9кг

           

 

 2. Описание функциональной схемы устройства.

Функциональна схема приведена в приложении 1.

Шина данных – внешнее управление. Она выдает двенадцати разрядный сигнал управления для работы с данной схемой. Шина данных подает сигнал непосредственно блок плавного разгона и торможения (БПРТ). На этот блок поступает частота управления, которая поступает от задатчика темпа интегрирования, тем самым регулируя  скорость разгона и торможения.

Преобразователь «код-частота» – этот узел предназначен для преобразования 12-ти разрядного кода в частоту управления двигателем.

Функционирование схемы: на распределитель импульсов поступает однофазное напряжение 220В  частоты 800Гц. Преобразуется им в четыре сигнала, которые поочередно поступают на оптронные развязки для дальнейшего преобразования. РИ из частоты 800Гц формирует 4 независимых широт-модулированых импульсных сигнала, которые коммутируют ключи.

 

3. Описание схемы электрической принципиальной.

 

Опторазвязка исполнена на элементах: R3, R4, R5, R6-R18, U1, U2, U3, U4. Она обеспечивает гальваническую развязку низковольтной внешней от высоковольтной части схемы.

Элементы С4, R21, R22 – элементы тактовых генераторов импульсов.

Коммутатор состоит из: D1, D2, D3, D4 – защитные диоды (защищают транзисторы от индуктивных выбросов катушек ШД), R1,R2 – резистор смещения рабочей точки транзисторов Q1, Q2, Q3, Q4, С1, С2 – фильтрующие конденсаторы, R1:1, R1:2, R1:3, R1:4- защитные резисторы. Эта схема была выбрана из-за того, что она малогабаритная.

Преобразователь «код-частота» собран по схеме из двух счетчиков SN54F151AJ.Блок плавного разгона и торможения реализован на элементах U22-U27,U32-U34, U21:A, U26:A, U29:A. Более подробное описание блока БПТР см. пункт 5.

 На четырех элементах ИЛИ-НЕ 54HC02, емкости С5, резисторах R24-R26, диодах D12, D13 реализован тактовый генератор частоты для ЗТИ [2].

Схема оптронных развязок состоит из диодов [3]: D7, D8, D9, D10; резисторов R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14-R-18 транзисторов: Q5-Q12; оптронных ключей:. Диоды и транзисторы создают гальванически развязанные источники питания для коммутации ключей. Резисторы необходимы для защиты микросхемы от импульсных токов при перезарядке ёмкостей затворов транзисторов

Схема ключей состоит из транзисторов [3]: VT1, VT2, VT3, VT4 и защитных цепей R3, R4, R5, R6, C3, C4. Эти защитные цепочки сглаживают импульсы при отключении ключей от индуктивной нагрузки (двигателя) и тем самым немного разгружают обратные диоды ключей.

 

5. Описание управления ШД.

5.1. Блок (цифровой) плавного разгона и торможения (БПРТ) и задатчик темпа интегрирования (ЗТИ).

В состав блока  БПРТ входят три цифровые ячейки: компараторы 4063 (3), шесть конъюнкторов AND2 и реверсивные счетчики 4520. И в состав блока ЗТИ входит: управляемый делитель частоты состоящий из ячейки управления (элементы ИЛИ-НЕ, И, R-S триггер) и двух шестиразрядных счетчиков CD40174BK   работающих на вычитание. 

Цифровое задание по уровню Nзу с числом разрядов 12 преобразуется БПРТ в число N на выходе, линейно изменяющееся от начального значения No до установившегося Nзу в течение времени

T=(Nзу-Nо)/fу.

где fу – управляющая частота, поступающая на вход блока управления БПРТ, Гц. Темп изменения выходного числа N определяется величиной fу, которая формируется которая формируется ЗТИ в зависимости от цифрового задания темпа Nзу

fу=fг/Nзу=900Гц

где fу=10кГц –  частота генератора тактовых импульсов.

Пусть в начальный момент времени счетчики СТ1, СТ2, СТ3обнулены, т.е. No=0, а на входе БПРТ задан числовой уровень Nзу=Nзу1.тогда компараторы дают единичный сигнал на выходе N1>N2. Этот сигнал подается на верхний элемент. И ячейки управления W1, и при наличии разрешающего сигнала управления Yу1=1 на вход суммирования счетчика СТ1(+1) проходят импульсы с частотой fу=fу1 от ЗТИ, который задает темп интегрирования, определяемый числом Nзу=Nзу1. Счетчик выполняет суммирование, и на его выходе растет число N.  В момент  времени t1, когда управляющий сигнал Yу1=0, суммирование на некотором уровне прекращается и возобновляется момент t2 при Yу1=1. При сохранении управляющего сигнала суммирование прекращается при N=Nзу1 (момент времени t3), при этом на среднем выходе компаратора (N1=N2) появляется единичный сигнал. Если на входе БПРТ появляется новое задание Nзу=Nзу2<Nзу1, то компаратор дает единичный сигнал на выходе N1<N2(момент времени t4). При этом, если Yу1=1, то открывается нижний элемент И ячейки управления W1 и импульсы ЗТИ с частотой управления fу2=1000Гц, зависящей от Nзу=Nзу2, проходят на вход вычитания СТ(-1). Счетчики выполняют вычитание N, и число на выходе снижается. При сохранении единичного управляющего сигнала уменьшение N прекращается при N=Nзу2 (момент времени t5).

Темп интегрирования устанавливается с помощью цифрового кода Nзу на входе ЗТИ. Это число записывается в счетчики СТ4, СТ5, СТ6 при ех нулевом состоянии, когда сигнал обратной связи через элемент НЕ переводит триггер ячейки управления  W2 в единичное состояние. При  этом  единичный  сигнал с прямого выхода триггера подается на вход С счетчика К155ИЕ6, давая тем самым разрешение на запись числа Nзу. 

5.2. Преобразователь «Код-частота».

Счетчик SN54F151AJ представляет собой пример устройства, предназначенного для преобразования входного кода в среднюю частоту или в число выходных импульсов. Устройство содержит шестиразрядный двоичный синхронный счетчик и ряд логических цепей. На входы счетчиков подаются внешние управляюшие сигналы V1-V32 разрешающие или запрещающие единичные сигналы. В нутрии счетчика импульсы суммируются и поступают на выходы S. Для преобразования шестиразрядного двоичного кода в частоту следует на входы Vо, R, C микросхемы SN54F151AJ подать сигнал 0, на вход V- сигнал 1, а к тактовому входу Т присоединить источник импульсов образцовой частоты f=4МГц. Тогда на выходах И получим инверснонные импульсные последовательности, средняя частота которых будет f=fo/4092=977Гц.

Источник импульсов – генератор. Использовав усилительные свойства инверторов на основе цифровых ИС построили генератор импульсов. Стабилизация режимов инверторов по постоянному току обеспечивается за счет общей обратной связи через резисторы R21,R22,охватывающий три последовательно включенных инвертора. Положительная обратная связь реализуется за счет конденсатора С4. 

5.3 Распределитель импульсов

Распределитель импульсов в общем случае вырабатывает произвольную n-фазную систему прямоугольных напряжений, не совпадающих с требуемым законом коммутации фаз ШД, который характеризуется числом одновременно включенных фаз и продолжительностью включения каждой фазы.  Распределитель импульсов относится к счетным многотактным устройствам и построен на триггерах, элементах И-НЕ. РИ управляет двухфазно, подавая импульсы по очередно на оптронные развязки, в зависимости от управления предыдущим блоком. Основное требование, которому должен удовлетворять РИ, - это высокая помехозащищенность, поскольку он является основным источником потерь информации, невосполнимых в разомкнутом приводе.

 

 

5.4 Коммутатор

Входной сигнал подаётся на вход силового инвертора, который управляет включением обмоток двигателя. Инвертор можно будет назвать коммутатор. Обмотку ЩД представляют на схеме последовательным соединением индуктивности и резистора. Рассмотрим условия двигателя и силовых транзисторов для различных значений напряжения питания.