Теория управления шаговыми двигателями

В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя

Система отработки угла выходного вала двигателя с использованием датчика обратной связи.

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.
Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.
Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.
Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота.
Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.
Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.
Шаговые синхронные двигатели активного типа. В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.
Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.

Принципиальная схема управления шаговым двигателем

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.
При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления

Симметричная система коммутации

При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления

Несимметричная система коммутации

Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки» .

Число тактов КТ системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления КТ =4, а для несимметричной КТ =8.

В общем случае число тактов КТ зависит от числа обмоток управления (фаз статора) mу и может быть посчитано по формуле:

K_T=m_yn₁n₁,
где n₁=1 при симметричной системе коммутации;
n₁=2 при несимметричной системе коммутации;
n₂=1 при однополярной коммутации;
n₂=2 при двуполярной коммутации.

Схемы, иллюстрирующие положения ротора шагового двигателя с постоянными магнитами при подключении к источнику питания одной (а) и двух обмоток (б)

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении; при двуполярной — в обеих.
Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают.
Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1).
Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.

Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:

Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р= 4. 6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.

Реактивные шаговые двигатели. У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.
Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.
Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора

Принцип действия реактивного редукторного шагового двигателя: (а) — исходное положение устойчивого равновесия; (б) — положение устойчивого равновесия. cдвинутое на один шаг

Если зубцы ротора соосны с одной диаметрально расположенной парой полюсов статора, то они сдвинуты относительно каждой из оставшихся трех пар полюсов статора соответственно на ј, Ѕ и ѕ зубцового деления.
При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.
Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:

В выражении для КТ величину n2 следует брать равной 1, т. к. изменение направления поля не влияет на положение ротора.
Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.
Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.
Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, можно достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, т.е. оси их полюсов полностью совпадают.
Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.
Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.
В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.
По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики.
Линейные шаговые синхронные двигатели. При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.
Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов

Читать еще: Эфирный двигатель тесла схема

Схема, иллюстрирующая работу линейного шагового двигателя

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.
Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнитопровода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.
Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя. Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.

где
KТ — число тактов схемы управления.
Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.
В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.
Режимы работы синхронного шагового двигателя. Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.
Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0

Процесс отработки шагов шаговым двигателем

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.
В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.
Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.
Предельная механическая характеристика- это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов

Предельная механическая характеристика шагового двигателя

Приемистость- это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления

Предельная динамическая характеристика шагового двигателя

Приемлемость падает с увеличением нагрузки.

Подпишитесь на наши новости

Получайте первыми актуальную информацию от ООО «Электропривод»

Отслеживание вращения с чрезвычайно высокой точностью

Я хотел бы отследить угловое положение довольно медленного вращающегося рычага с электроприводом (прямой привод; см. Рисунок ниже), но требовать угловой точности менее 0,05 ° и аналогичного разрешения.

Как отметил @gbulmer в комментариях, это эквивалентно позиционированию кончика рычага по окружности с точностью (2 × π × 10 см) / (360˚ / 0,05) = 0,08 мм.

Есть ли в настоящее время реализуемый датчик или электронный метод, который может достичь такого уровня точности при вращательном зондировании, не тратя целое состояние?

Это то, что я пробовал до сих пор, от самого простого до запутанного:

Цифровой компас / магнитометр: я начал с этого; но, очевидно, далеко не в спектакле, который я ищу.

Поворотное кодирование: кодирование на основе потенциометра / датчика Холла: невозможно получить достаточное разрешение, имеется значительная погрешность линейности.

Машинное зрение. Попытка размещения оптического маркера на кончике рычага (поскольку кончик отслеживает самую длинную дугу) и использование камеры (OpenCV) для отслеживания положения маркера: не удалось так хорошо разрешить очень маленькие повороты, учитывая интервалы вращения руки площадь 10х10 см.

Магнитный датчик: В настоящее время я изучаю использование AS5048, магнитного поворотного датчика от AMS, расположенного так, чтобы центр датчика находился в положении вала двигателя. Что-то вроде этого:

То, что вы делаете, возможно, но я не понимаю, как вы собираетесь делать это дешево.

0,05 градуса (3 минуты дуги) означают разрешение 7200 отсчетов / оборот или эквивалент 13 бит (8192). Хуже того, поскольку вы пытаетесь сделать контур положения, вам потребуется хотя бы один дополнительный бит разрешения или 14-битная система. Проблема заключается в том, что ваш контур положения не может обнаружить ошибку менее одного бита, поэтому, если рука начинает дрейфовать, датчик угла не обнаружит ее до тех пор, пока выходной сигнал не станет одним битом. Цикл позиционирования отводит рычаг назад и останавливает его, когда ошибка падает до нуля. Но это позволит руке поворачиваться в другую сторону, пока она не получит счет в противоположном направлении и т. Д. Так, например, если вы хотите, чтобы рука поддерживала счетчик датчиков равным 100, система вполне может произвести 100, 101, 100 99, 100 и т. Д.

Читать еще: Что такое аварийная защита двигателя

Я полагаю, что оптический кодировщик — ваш лучший выбор, но 14-битный (16 384 ppr) кодер не будет дешевым. Другой возможностью является распознаватель или синхро, с RDC или SDC (преобразователь / цифровой преобразователь или синхронно / цифровой преобразователь) в качестве второй возможности, но это будет стоить еще дороже. Синхронизаторы / преобразователи имеют 2 недостатка. Во-первых, их обычно заменяют оптические энкодеры, поэтому на рынке вы найдете в основном лишние единицы. Во-вторых, точность обычно не адекватна. Резольверы размера 23 обычно рассчитаны на 5-10 минут дуги, поэтому вам понадобится высокоточный блок и удачи в его поиске.

Inductosyns даст вам исключительное разрешение и точность, но будет стоить даже дороже, чем оптический датчик. По сути, вам нужен высокоскоростной RDC для чтения вывода.

Ваша забота о точности оптического датчика основана на бумаге конкретного производителя, но это, по сути, пугающая вещь. Возможности для ошибки одинаковы для каждого производителя, и связанный производитель не так уж и лучше, чем другие производители. Как правило, для точных датчиков точность совпадает с разрешением.

Хотя возможно получить оптические кодеры с параллельными выходами, вам, вероятно, лучше использовать инкрементальный датчик и использовать собственный счетчик вверх / вниз. Если вы пойдете по этому пути, вы будете использовать сигнал «home» для сброса счетчика положения при каждом включении системы.

Регулятор холостого хода: правила ремонта РХХ

Дроссельная заслонка находится в запертом положении, когда на двигатель не воздействует нагрузка. Поддерживать стабильные обороты, не позволяющие заглохнуть двигателю, помогает регулятор холостого хода. Он решает вопрос с подачей достаточного количества воздуха во впускной тракт, благодаря чему удается стабилизировать холостой ход.

Назначение, устройство и принцип действия

К основным составляющим датчика регулятора холостого хода относят конусную иглу, шаговый электродвигатель, пружину и шток. Посмотреть внутренности рхх можно на изображении ниже.

Конусная игла служит для изменения пропускной способности регулятора. что влияет на количество подаваемого воздуха в мотор. Пружина используется для создания противодействия и устранения люфтов в работе датчика. Шаговый двигатель выполняет роль привода. Формирование управляющих сигналов происходит в ЭБУ, с учетом информации с других датчиков, например, об положении коленчатого вала либо температуры охлаждающей жидкости.

Принцип работы устройства основан на изменении сечения пропускного канала воздушного потока, идущего в камеру сгорания при запертом дросселе. Шаговый двигатель выдвигает шток до тех пор, пока конусная иголка не коснется отверстия. При запуске машины рхх открывает проход, подавая необходимое количество воздуха. Для большего понимания принципа работы регулятора холостого хода следует обратить внимание на разрез рхх, изображенный ниже.

В работе регулятора есть возможность ускоренного прогрева авто. Когда датчик охлаждающей жидкости подает сигнал о работе двигателя ниже допустимого диапазона температур, то происходит автоматическое увеличение количества подаваемого воздуха. В следствии этого растут обороты коленчатого вала и прогрев происходит более интенсивно. Благодаря рхх инжектор позволяет двигаться на автомобиле сразу после запуска мотора, что недоступно владельцам карбюраторных двигателей.

Располагается рхх возле датчика дроссельной заслонки. Крышка шагового мотора сильно выделяется на фоне узла. Сложность найти где находится регулятор возникает лишь в случае если он расположен под общим пластиковым корпусом, обеспечивающим защиту устройств от механических повреждений.

Поломки регулятора

Симптомом, указывающим на неисправность регулятора холостого хода, является нестабильная работа двигателя на холостом ходу. При отсутствии нагрузки начинают плавать обороты, двигатель начинает плохо заводиться. Поломка рхх дополнительно может сопровождаться:

повышенным расходом топлива без видимых на то причин;
повышенной вибрацией двигателя при работе без нагрузки;
автомобиль глохнет на светофоре.

Отремонтировать регулятор следует в кратчайшие сроки, так как при его неисправности ускоренному износу поддается силовая установка, ее опоры и подушки, инжектор.

Неисправный датчик холостого хода не способен обеспечивать повышение оборотов при недостаточной температуре охлаждающей жидкости, что отличает его от простого реле. Обычно это связанно с тем, что рхх неправильно занимает калибровочное положение, что ведет к уменьшению сечения канала и подаче недостаточного количества воздуха. При этом заметно влияние включенных электроприборов на обороты двигателя. При самых неблагоприятных условиях включение, например, передних фар способно заглушить мотор. В таком случае быстрая замена регулятора холостого хода не является критической для эксплуатации авто. Отсутствие повышения оборотов коленвала на холодную наносит больше ущерба комфорту автовладельца, чем силовому агрегату.

Проблем с тем, как проверить регулятор холостого хода, не возникнет в случае полного выхода его из строя. Автомобиль в таком случае невозможно завести без нажатия педали газа. Двигатель будет глохнуть даже на ходу, достаточно снизить обороты, например, переключая передачу. Эксплуатировать машину в прежнем режиме становится невозможно, и автовладельцу срочно потребуется заменить регулятор холостого хода.

Диагностика и устранение неисправностей

Монтаж регулятора на дроссельный узел производится с помощью двух винтов. Для того, что открепить устройство необходимо отвернуть болты подходящей отверткой. Проблемы с тем, как снять датчик, возникают в том случае, если автопроизводитель для устранения самоотворачивания винтов от вибрации залил резьбовое соединение клеем. Для разбора данного крепления нужны аккуратные действия по избавлению от фиксирующего состава без повреждения дроссельного механизма. Лучше снимите весь узел для проведения демонтажных манипуляций.

Датчик холостого хода наиболее часто не работает по причине:

в регуляторе стоит изношенная конусная игла либо вышел из строя шаговый двигатель или сопутствующие элементы;
загрязнение поверхностей;
проводка внутри устройства имеет повреждения.

Для проверки электрической составляющей необязательно обладать тестером регуляторов холостого хода. Для проведения диагностики достаточно наличия мультиметра. Первоначально следует проверить подачу напряжения на контакты, установив предел измерений на 20 В постоянного напряжения. После этого следует обесточить датчик и проверить сопротивление. Между AB и CD оно должно быть около 50 Ом. В других комбинациях мультиметр должен показывать разрыв. Схема проверки может меняться, поэтому для того, чтобы более точно прозвонить датчик холостого хода рекомендуется обратится к его datasheet.

Читать еще: Hse двигатель что это

В случае наличия загрязнений потребуется чистка регулятора холостого хода. Перед началом процедуры стоит визуально осмотреть клапан на наличие инородных частиц. Далее необходимо придерживаться следующих рекомендаций о том, как почистить рхх своими руками:

для очистки использовать проникающую смазку WD-40, либо жидкость, которую используют, чтобы промывать инжектор;
в процессе очистки постоянно следить за тем, как работает клапан;
избегать чрезмерных усилий, способных вызвать деформацию.

Ремонт нецелесообразен, если наблюдаются повреждения или чрезмерный износ шагового двигателя, конусной иглы или штока. В таком случае рхх меняем на новый.

Тонкости приобретения нового РХХ

После приобретения нового регулятора требуется произвести его настройку. Инжектор при помощи ЭБУ самостоятельно производит калибровку, поэтому трудностей с тем, как поменять датчик не будет. Для автоматического проведения операции достаточно обесточить инжектор перед установкой РХХ.

Приобретая новый регулятор, следует обратить внимание на его качество. Клапан и прочие элементы не должны иметь изъянов и деформаций. Качество пайки контактов должно быть на высоком уровне. Установка на посадочное место должна происходить без перекосов, иначе в скором времени потребуется ремонт.

Проходящий через клапан воздушный поток решил вопрос с работой двигателя без нагрузки. Теперь на дроссельную заслонку возложена функция управления динамическими характеристиками, а на холостых оборотах двигатель находится в полном контроле рхх. Возможность повышать обороты, которой обладает датчик, позволяет не тратить время автовладельца на ожидания прогрева двигателя.

Возникли проблемы с тем, чтобы мой шаговый двигатель реагировал на мой датчик кнопки в эскизе Arduino

Я использую библиотеку AccelStepper для управления моим шаговым двигателем, и мне трудно понять, как заставить мой двигатель остановиться, когда моя кнопка нажата.

Я могу заставить мотор остановиться, как только он завершит все свое движение по команде moveTo , но я не могу заставить его остановиться до того, как он закончит. Я пробовал использовать if statement, вложенный в while loop, который я использую, чтобы заставить двигатель работать, но без костей.

2 ответа

Как управлять шаговым двигателем с помощью инфракрасного ИК-приемника?

Привет, я новичок в Arduino Uno Мой вопрос заключается в том, как повернуть шаговый двигатель 90 dgree по часовой стрелке только тогда, когда инфракрасная цензура что-то цензурирует, и повернуть против часовой стрелки, когда вторая инфракрасная цензура что-то нажимается снова? Шаговый двигатель.

Я работаю с шаговым двигателем, подключенным к контактам 9, 10, 11 и 12 на Arduino Uno. Для того чтобы вращать шаговый двигатель, я написал вспомогательный метод. Этот конкретный шаговый двигатель вращается на 30 градусов за один шаг. Метод таков: void rotateStepperBy(float deg) < int steps = deg.

Я не знаю, поняли ли вы это уже, но я наткнулся на эту тему и заметил кое-что, что может решить или не решить вашу проблему. В данный момент я тоже работаю с accelstepper.

У меня такое чувство, что даже если вы используете .stop для остановки двигателя, вы все равно назначаете новое место назначения (stepper.moveTo(12000)), после чего вы все равно выполняете команду stepper.run() внизу, заставляя шаговый двигатель «бежать к 12000 шагам». Может быть, попробовать это?

Я не знаю, сработает ли это, но таким образом, если кнопка нажата, переменная button_state должна препятствовать запуску шагового механизма, когда он установлен на 1.

Надеюсь, это поможет,

Просто проходящий мимо студент

Я вижу три проблемы в вашем коде:

когда вы нажимаете кнопку, ее состояние будет установлено на HIGH в течение всего времени , пока вы ее нажимаете, и это может быть несколько циклов. Вам лучше использовать переменную состояния, которая запускает то, что вы хотите сделать, при нажатии кнопки только один раз.

глядя на документацию, вы используете stepper.runToPosition() , который блокируется до тех пор, пока не достигнет места назначения. Поэтому чем больше вы нажимаете, тем больше он может быть заблокирован. Вам лучше использовать только метод stepper.moveTo() и stepper.run() , который позволяет использовать несколько циклов для взаимодействия.

в начале цикла вы делаете блок кода до тех пор, пока stepper.currentPosition не дойдет до -10000 . Таким образом, вы наверняка блокируете, пока он не доберется туда, удаляя всю реактивность на каждой итерации loop() .

вы можете лучше проработать свою функцию loop() следующим образом:

Теория управления шаговыми двигателями