Управление на стъпкови електродвигатели

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2012

Управление на стъпкови електродвигателиУправление на стъпкови електродвигателиУправление на стъпкови електродвигателиУправление на стъпкови електродвигателиУправление на стъпкови електродвигателиУправление на стъпкови електродвигателиУправление на стъпкови електродвигателиУправление на стъпкови електродвигатели

  Стъпковите електродвигатели (Stepper Motor, Step Motor) намират приложение в голяма част от индустриалните и потребителските механични и електронни устройства, в системите за автоматизация и автомобилостроенето. Нещо повече, чрез използването на свойствата на тези двигатели се създават устройства с нови характеристики и принципи на действие. Управлението на стъпковите електродвигатели се извършва само чрез средствата на електрониката, като съществува голямо разнообразие на схеми и елементи за реализацията им, модули за вграждане и самостоятелни прибори, основни сведения за които се дават в статията.

Същност на управлението
Две са основните различия на стъпковите електродвигатели от останалите постояннотокови електродвигатели, които дават отражение върху тяхното управление. Едното е сравнително малката им мощност, което определя по-прости, евтини, с малка постояннотокова консумация и размери схеми за управление. Второто различие е, че техният ротор не се върти плавно в класическия смисъл, а се завърта на определен ъгъл (прави една стъпка), като може да остане неподвижен за известно време и след това отново да се завърти в същата или обратна посока. Това движение на стъпки определя наименованието на електродвигателите. Както бе споменато, на всяка стъпка роторът може да остане неподвижен неограничено дълго време, което е удобно за позициониране на изпълнителния механизъм. Описаното действие се осигурява от импулси (а не с аналогово напрежение, както при другите електродвигатели) от управляващата електроника. Чрез електронни схеми една или повече намотки на статора се свързват към захранващото напрежение UМ на електродвигателя, докато роторът е без намотки, като може да е постоянен магнит (Permanent Magnet Stepper Motor) с определен брой полюси, да е от магнитен материал в електродвигателите с променливо магнитно съпротивление (Variable Reluctance Stepper Motor) и комбинация на двете в хибридните стъпкови електродвигатели (Hybrid Stepper Motor, Hybrid Permanent Magnet Stepper Motor). Последните са най-масово използваните за индустриални приложения, като управлението им не се различава от това на двигателите с постоянен магнит.

На фиг. 1 е дадена обобщената блокова схема на управление на стъпкови електродвигатели. Изходното стъпало OS съдържа електронни ключове, реализирани с дискретни MOS или биполярни транзистори или интегрални схеми (ИС) с тях и осигурява включването и изключването на намотките на статора на двигателя М. Посоката на въртене на ротора се определя от последователността на отваряне и затваряне на ключовете и следователно реверсирането се реализира лесно чрез подходящи управляващи импулси. За управлението на транзисторите е предвиден драйверът DR. Стъпалото OS е дадено с прекъсната линия, тъй като не се поставя при маломощни електродвигатели, токът на чиито намотки може да се осигури от DR. Последователността на включване и изключване се осигурява чрез подаване на импулси от управляващия блок Contr, който в повечето случаи е микроконтролер или цифров сигнален контролер (Digital Signal Controller) DSC и в паметта му е записан алгоритъмът за управление.

Съществуват приложения, когато управлението се извършва от външно устройство (например компютър) чрез подаване на сигнали на вход IN, като записаната в него програма осъществява управлението. Възможно е в този случай блокът Contr да липсва или да е с опростена структура. Част от микроконтролерите имат възможност да генерират необходимите за управлението двоични числа чрез придвижване на плъзгача на потенциометър, свързан към техен вход. Това означава потенциометрично задаване на някои параметри на стъпките, например времето, през което роторът остава на всяка стъпка (еднакво за всички стъпки).

Схемата на фиг. 1 представлява управляваща система без обратна връзка (Оpen Loop Control System) и се използва в голяма част от приложенията, където електродвигателите работят със статичен товар и е достатъчно да имат малко ускорение. Известен недостатък на тази система е, че при претоварване на електродвигателя може да се наруши програмно зададената последователност на операциите и алгоритмът автоматично да започне изпълнението им отначало (Reinitialization). Недостатъкът практически не е от особено значение, тъй като стъпковите електродвигатели не се препоръчват за случаи, където са необходими високи обороти (максималната им честота на въртене е около 2000 об/мин) и големи мощности. Стойността на честотата на въртене е пропорционална на честотата на импулсите от Contr, което осигурява лесното й задаване и регулиране по електронен път. При това трябва да се има предвид, че при всички стъпкови електродвигатели произведението от честотата на въртене и въртящия им момент практически е неизменна, т. е. при нарастване на честотата, моментът намалява.

За сравнително редките случаи на необходимост от голямо ускорение и най-вече при наличие на променлив товар трябва да се използва система с обратна връзка (Closed Loop Control System), която следи положението на ротора и тока на електродвигателя и изработва подходящ сигнал, подаван на Contr за промяна на управляващите импулси.

Управление на двигатели с променливо магнитно съпротивление
Тези двигатели имат 3 намотки на статора, всяка от които от две еднакви диаметрално разположени половини, а роторът е с 4 зъба (фиг. 2а). Свързването на намотките е показано на фиг. 2б, като при затворен Sw1 и отворени Sw2 и Sw3 роторът е в положението, показано на фиг. 2а. При затваряне на Sw2 и отворени други два ключа роторът се завърта на 30° по посока на часовниковата стрелка, а при затваряне на Sw3 и отворени Sw1 и Sw2 завъртането вече е на 60°. Установяването отново на първата комбинация води до ъгъл 90° и т. н., т. е. стъпката е 30°.

Аналогично, при управлението не само на всякакви видове електродвигатели, но и на други мощни товари е полезно, а в много случаи задължително, да се следи токът през намотките, за да може при надхвърляне на максимално допустимата му стойност да се задейства защита, която да го намали или да изключи електродвигателя. В схемата на фиг. 2б това може да се осигури по два начина – чрез поставяне на нискоомен резистор между всеки от ключовете и маса, и трите ключа да се свържат заедно към маса през един резистор. И в двата случая напрежението върху резистора се подава на блока Contr, където се сравнява с опорно напрежение, съответстващо на максималния ток. При надхвърляне на последното, защитата се задейства.

Управление на еднополярни електродвигатели
Те са с постоянен магнит или хибридни и наименованието им (Unipolar Stepper Motor) се дължи на протичането през намотките им на ток само в една посока. За да се изясни управлението им, на фиг. 3а е показана структурата на двигател с ротор от три постоянни магнита, разположени на 60° един спрямо друг и статор от две намотки (1 и 2), всяка с по 4 последователно свързани секции (a - d), разположени от своя страна на 45° една от друга. Секциите а и b образуват лявата половина на всяка намотка на фиг. 3б, а секциите с и d - дясната половина. Показаното свързване на намотките е в сила за 6-проводните електродвигатели (6-Lead Stepper Motor), но може да се осъществи и при 8-проводните електродвигатели (8-Lead Stepper Motor), имащи по две самостоятелни намотки вместо една със среден извод.

Показаното на фиг. 3а положение на ротора е при затваряне на ключове Sw1 и Sw2 и съответно протичане на ток през намотката 1, при което накрайник 1а действа като южен полюс и привлича N1, а накрайник 1с – като северен полюс и привлича S1. Вижда се, че полюси N3 и S3 са на 15° от накрайници 2b и 2d, които чрез отваряне на Sw1 и Sw2 и затваряне на Sw3 и Sw4 се превръщат съответно в южен и северен полюс и привличайки най-близкия магнит, завъртат ротора на още 15°. По аналогичен начин чрез подходящо затваряне и други комбинации от ключове (но винаги са затворени два ключа) се осигурява движението на ротора със стъпка 15°, като последователността на затваряне на ключовете се повтаря на всеки четвърт оборот. Стъпка от 7,5° се осигурява чрез съответния по-голям брой магнити (12), полюсни накрайници (24) и ключове, а повторението на комбинациите на ключовете става на всеки 1/8 оборот. Най-малката стъпка на двигатели с постоянен магнит е 1,8°, докато при хибридните е 0,72°. Същността на този начин на управление е въздействието върху ротора с магнитните полета на две намотки, поради което се нарича двуфазно управление (Two-Phase On) и е масово използвано.

Описаният начин на управление е известен като работа с цели стъпки (Full-Step Pattern), при него въртящият момент на която и да е стъпка е един и същ, тъй като за установяването й винаги са задействани две половини на намотки. Когато при една стъпка роторът се завърта на х градуса за осигуряване на N об/мин на ротора, са необходими управляващи импулси с честотата fi=6N/x, всеки от които завърта ротора на една стъпка. Съществува и режим на работа на половин стъпка (Half-Step Pattern), осигуряван чрез подходящи комбинации на затворени ключове, които се дават в таблици в каталозите. При този режим се осигуряват стъпки по средата между целите, т. е. броят им се удвоява, а най-малката стъпка е два пъти по-малка (положението на ротора се установява по-прецизно). Тези предимства са съпътствани с недостатъка, че при част от полустъпките въртящият момент е с 40% по-малък, тъй като придвижването на ротора се осигурява само от половин намотка.

Поради омичното съпротивление R на намотките те се нагряват, като температурата им е пропорционална на квадрата на протичащия ток, поради което неговата максимална стойност се определя от най-голямата допустима температура. От друга страна, за ефективно използване на електродвигателя, т. е. той да осигурява най-голяма механична енергия, трябва токът му да е равен на максималния. Тази практическа особеност е в сила за всички видове стъпкови електродвигатели и трябва да се има предвид при избора на ключовете в изходното стъпало OS.

Отварянето и затварянето на ключовете в OS по време на работа на стъпковия електродвигател означава подаване на правоъгълни импулси на намотките на статора. Поради добре известните преходни процеси във вериги от последователно свързани индуктивност и съпротивление (каквато е всяка намотка), токът през намотките нараства и намалява по експоненциален закон, като практически достига установените си стойности за време 3L/R, където L е индуктивността на намотката. Например, при отваряне на ключ токът в управляваната от него намотка се нулира за това време, след което трябва да се затвори ключ за активиране на друга намотка, токът в която ще се установи също за време 3L/R. Следователно, дори при пренебрегване на инертността на ротора минималното време за преместването му с една стъпка е 6L/R, а при n стъпки на всеки оборот необходимото време за него е n x 6L/R. От последното може да се определят теоретически максималните обороти на стъпковия електродвигател, докато реалните са по-малки.

При протичане на ток през която и да е намотка, в нея се натрупва магнитна енергия и след изключването й трябва да има верига за максимално бързото й изтегляне. За целта се използват подходящо свързани диоди, които се отпушват от обратното напрежение на намотката при прекъсването на веригата й и я дават накъсо. Една от възможностите за това са диодите на фиг. 3б.

Управление на двуполярни електродвигатели
За разлика от предните, посоката на тока през техните намотки се сменя в процеса на работата им (Bipolar Stepper Motor). Предимството е в по-простите намотки (нямат среден извод), което е за сметка на усложняване на управлението и на първо място в необходимостта от 2 пъти повече ключове. И тук всяка от намотките е разделена на две последователно свързани половини, разположени на срещуположни полюсни накрайници на статора, което е в сила за 4-проводников електродвигател (4-Lead Stepper Motor). При 6-проводните електродвигатели са възможни две свързвания - първото е използване по една половина от всяка намотка (Half Coil Configuration) с получаване на малък, но стабилен при високи обороти въртящ момент. При второто свързване средният извод на намотките се оставя свободен (Full Coil Configuration) за осигуряване на голям въртящ момент и препоръчван режим на работа с неголеми обороти. При използването на 8-проводни електродвигатели всяка двойка намотки могат да се свържат последователно или паралелно. Първият случай се препоръчва при нужда от голям въртящ момент при ниски обороти, а вторият – за голям въртящ момент при високи обороти. Всяка от намотките се свързва в единия диагонал на мост от 4 ключа, а в другия е захранващото напрежение (фиг. 4). При затваряне на Sw1 и Sw4 токът през намотката е в посока от 1 към 2, полученият северен полюс на единия от накрайниците привлича най-близкия южен полюс на ротора, който се завърта, за да застанат двата един срещу друг. Следва аналогично активиране на другата намотка и ново завъртане. Третата стъпка е затваряне на Sw3 и Sw2, при което токът е в посока от 2 към 1, полюсите се сменят и това предизвиква следващото завъртане. Последното завъртане (след което процесът започва отново) се осигурява чрез аналогична смяна на посоката на тока през втората намотка.

Както при еднополярните двигатели и тук има режим на работа на половин стъпка, осигуряван чрез положение на ключовете, описвано в таблица и със същите предимства и недостатъци.

Чрез други комбинации на положението на ключовете могат да се осигурят два режима на спиране. Например, при споменатия ток през намотката в посока от 1 към 2 и отваряне на Sw1 и Sw4 полярността на напрежението върху намотката се сменя (т. 2 става положителна спрямо т. 1), диодите D1 и D4 се отпушват и токът през намотката предизвиква бързо спиране на движението на ротора. Това е бързото спиране (Fast Dеcay Mode, Coasting Mode). Другият режим е бавно спиране (Slow Decay Mode, Dynamic Brake Mode) и се осигурява чрез даване накъсо на намотката, например чрез затваряне на Sw2 и Sw4.

Логично е, че при организацията на управлението не трябва (макар и за много кратко време) да се допуска ключове Sw1-Sw2 или Sw3-Sw4 да са затворени едновременно. Контролирането на тока през всяка намотка се прави поотделно чрез вмъкване на резистор между т. 3 и маса.

Типични свързвания на намотките
Най-простите стъпкови електродвигатели са с 4 извода, свързването им е най-лесно, но при тях въртящият момент не може да се променя. Разположението на изводите им е дадено на фиг. 5а, а управлението на всяка от намотките се извършва чрез схемата на фиг. 4. Две са възможните свързвания на електродвигатели с 6 извода. Използването само на половината от всяка намотка (Half Coil Configuration – фиг. 5б) има за резултат по-малък въртящ момент, но стабилен при големи обороти, докато последователното съединяване на двете половини на всяка намотка (Full Coil Configuration - фиг. 5в) се препоръчва при необходимост от голям въртящ момент при неголеми обороти. Също две са свързванията на електродвигателите с 8 извода. Последователното съединяване на половинките на всяка намотка (Series Connection - фиг. 5г) отново се препоръчва за голям въртящ момент при малки обороти, но за да няма прегряване, токът трябва да се ограничи до 70% от максималния според каталога. И накрая, паралелното свързване на половинките на намотките осигурява голям въртящ момент при значителни обороти.

Съществуват бифилярни стъпкови електродвигатели (Bifilar Motor) с намотки на статора в съответствие с фиг. 6а – всяка намотка представлява бифилярно навити две намотки със самостоятелни изводи, т. е. електродвигателите са с 8 извода. При използването им като еднополярни двигатели бифилярните намотки се свързват последователно, а средният им извод (както на намотка 1 на фиг. 6а) може да се използва или не. За да не се прегреят свързаните намотки, напрежението им трябва да е с най-много корен от 2 пъти по-голямо от максималното на всяка от тях. Същевременно, за избягване на насищане на магнитопровода токът през намотките трябва да е до 50% от максималния при самостоятелното използване на всяка от тях. При двуполярните електродвигатели намотките се свързват последователно или паралелно, като вторият вариант се предпочита за нисковолтови с голям ток двигатели.

Реално намотките на всички предлагани на пазара бифилярни двигатели с 6 извода са свързани последователно и имат среден извод, но за приложения, изискващи сравнително високо напрежение и малък ток той се оставя несвързан.

Голяма част от двигателите с бифилярни намотки работят като 4-фазни стъпкови електродвигатели (4-Phase Stepping Motor) с отделно управление на всяка от четирите си намотки. Идея за свързването и действието на една бифилярна двойка е дадена на фиг. 6б (свързването и действието на другата са аналогични). При затворен Sw през намотката L1 протича ток Ion с показаната посока и придвижва ротора на една стъпка. Поради L-R веригата токът и, съответно, напрежението UI нарастват по експонента и когато UI  достигне определена стойност, компараторът Comp отваря ключа Sw и напрежението върху L1 сменя полярността си. Бифилярните намотки L1 и L2 имат силна магнитна връзка, напрежението върху L2 също сменя полярността си и поради магнитната енергия в тази намотка протича токът Ioff. Той зарежда кондензатор (не е показан на фиг. 6б) и при определено негово напрежение Comp отново затваря Sw и процесът продължава.

Понятието многофазни стъпкови електродвигатели (Multiphase Stepper Motor) обикновено означава 5-фазни двигатели (5-Phase Motor) с едно от свързванията на фиг. 7. Основните им предимства са по-малките вибрации и че при дадени размери осигуряват по-голям въртящ момент. Това е за сметка на по-сложното управление - пет полумоста за схемите на фиг. 7а и 7б, докато тази на фиг. 7в може да има различни свързвания на намотките и, съответно, управление. Полезно е да се има предвид, че някои от тези двигатели имат стъпка 0,72° и че са възможни техни свързвания "триъгълник" и "звезда" като трифазни електродвигатели.

Усъвършенствано управление
Използва се за по-прецизно придвижване на ротора на еднополярни и двуполярни стъпкови електродвигатели и фиксирането му в желано положение.

Микростъпки. Тази първа разновидност (Microstepping) означава разделяне на цялата стъпка от n градуса на х еднакви части (микростъпки), което съответно означава, че на една микростъпка съответства ъгъл на завъртане на ротора q=(n/x)°, а броят на стъпките в един оборот е N=360x/n. В зависимост от типа на двигателя n е между 90° и 0,72°, а х може да има стойности 4, 8, 16, 32, 64 и 128. Сред най-прецизните стъпкови електродвигатели са тези с n=1,8° и х=128, което означава q»0,844´ и N=25600 стъпки в един оборот. Предимствата на микростъпките, освен осигуряването на прецизно позициониране при малка скорост на въртене, са по-плавното придвижване на ротора и осигуряването на максимален въртящ момент независимо от скоростта. Тези предимства реално не се увеличават чрез правене на още по-малки стъпки, каквито и не се реализират, въпреки че технически е възможно.

Микростъпките се осъществяват, като през двете намотки едновременно се пропуска ток с големина в едната IPEAKsinq и в другата - IPEAKcosq, където IPEAK е номиналният ток на намотките според каталога на двигателя. В процепа между ротора и статора се получава векторната сума на магнитните полета на двата тока и тя фиксира положението на ротора на ъгъл q. Реално не се използват синусоидални токове, а правоъгълни импулси с амплитуда IPEAK и PWM, като всяка желана стойност на тока се осигурява чрез подходящ коефициент на запълване на импулсите. Като пример на фиг. 8 са показани осцилограмите на тока в двете намотки на двуполярен двигател с 64 микростъпки в оборот. Самата реализация се извършва, като блокът контрол на фиг. 1 се реализира с подходящ микроконтролер за генериране на импулсите с PWM. Чрез микроключета към изводите му се избира броят на микростъпките и посоката на въртене, а броят на оборотите се задава чрез вход IN от компютър (обикновено общият за цялата система, част от която е стъпковият електродвигател). Полезно е да се има предвид, че значителна част от производителите на DR предлагат модели за микростъпково управление.

Микростъпки с линеаризация. Намаляването на шума при работата на стъпковите електродвигатели е съществено за множество приложения. Една от важните мерки за осигуряване на това е промяната на тока да се прави плавно, а не скокообразно. При двигателите с микростъпки това се постига лесно, като връзките между Contr и DR се направят чрез RC групи (кондензаторът е между веригата на сигнала и маса) с подходяща времеконстанта. Така може да се осигури линейно изменение на тока между две стъпки, което понякога се означава като Linear Speed Ramp. Някои производители на микроконтролери предлагат техническа информация (т.нар. Application Notes) с подробни обяснения за изчислението и реализацията им.

Управление с накъсване (Chopper Control). Основната му цел е осигуряване на неизменен ток през намотките и съответно фиксиране на стойността на въртящия момент. Допълнително и не по-малко важно свойство е възможността за бърза смяна на тока и, съответно, ускоряване на смяната на положението на ротора. Принципът на реализацията на управлението се изяснява с опростената схема на фиг. 9, валидна за една от намотките L на електродвигателя. Обикновено ключът S е мост като дадения на фиг. 4. Напрежението US е няколко пъти по-голямо от номиналното UM на двигателя, като отношението US/UM се нарича Overdrive Ratio. Това е направено за по-бързо изменение на тока (то е правопропорционално на US/UM) и, съответно, задвижване на ротора. За да бъде напрежението върху намотките L равно на UM чрез управляващия блок СС, токът им се накъсва и стойността на UM се определя от коефициента на запълване d на импулсите. В СС падът на напрежение върху RS (пропорционален на тока на електродвигателя) се сравнява с опорното напрежение UR, с което d се променя за подържане на неизменен ток. Например при нежелано нарастване на тока, блокът СС задържа ключа S отворен за по-дълго време с цел намаляване на d и, съответно, на средната стойност на тока.

Управляващи блокове
Те са три основни разновидности в зависимост от конструктивното оформление, но с еднакъв принцип на действие и известни различия в някои от параметрите. Работата на управляваните стъпкови електродвигатели се осигурява чрез свързване на блоковете към компютър с общо предназначение или специализиран (например този в автоматизираната система, част от която е двигателят). В много от блоковете към тези възможности се прибавя управление от програмируеми логически контролери (PLC), от системи за цифрово програмно управление (CNC) и други подобни. Предимствата им са голямата гъвкавост на управлението и рязко разширяване на приложенията. Например последователността на изпълняване на стъпките може да се извършва със самото устройство без външна намеса и едновременно с това, чрез външно управление да се променят някои от параметрите на устройството. Програмните продукти се предлагат от производителите на двигателите, в повечето случаи безплатно. Входовете за управление на устройствата може да са несиметрични или диференциални и почти като правило са галванично разделени. Те работят с някое от стандартните логически нива, но все по-често включват няколко от тях – например устройство може да работи с произволни нива в границите 0-12 V или 0-24 V (по избор).

Почти като правило устройствата могат да бъдат управлявани с един или няколко от класическите интерфейси – често RS-232 и RS-485 със скорости между 9,6kbps и 115kbps и Modbus-RTU Fieldbus, но все по-широко се използва USB. Също за улеснение на приложенията, постоянното захранващо напрежение на блоковете е в твърде широки граници, което същевременно гарантира работата им при нежелани негови изменения.
Първият тип управляващи блокове са оформени в самостоятелен корпус (например като модул за DIN шина) и освен споменатите общи параметри имат като основни максималното захранващо напрежение (до 240 V в някои модели), максимален ток на двигателя (средноквадратична стойност до 10 А), който в много модели може да се задава в широки граници (например десетина стойности между 0,5 А и 7 А) и брой на стъпките в оборот (между 2 и 51 200). Последните се задават по програмен път и/или чрез микроключета на лицевия панел. За предпазване на двигателя от повреда често има защити от недопустимо голямо напрежение и ток и от грешно задаване на последователността на свързване на намотките.

Вторият тип са блокове без собствена кутия, предназначени за вграждане в апаратури. Типичен такъв блок работи с напрежение между 12 и 34 V, осигурява на всяка от намотките ток 1,2 А, стъпките се регулират между цяла и 1/32, а за един оборот могат да са до 6400. Размерите на блока са 79x69x27 mm. Връзката с електродвигателя се осигурява чрез кабел с куплунг в горната част на платката. За пускане на блока в действие и проверка на правилното му функциониране често се използват специални интерфейсни модули към USB порта на компютър.

Третата разновидност са стъпкови електродвигатели с вградено управление. Както личи от наименованието, тук управляващият блок е монтиран върху самия стъпков електродвигател.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top