Способы управления шаговьш двигателем

Применяются четыре способа управления шаговым двигателем.

Первый способ управления ШД полношаговый режим (''one phase on" full step или wave drive mode). В этом случае включена одна фаза статора и вращение ротора обеспечивается попеременной коммутацией фаз обмоток статора, при этом они не перекрываются, т. е. в один момент времени включена только одна фаза обмотки. На рис. 5.75 представлен простейший ШД, имеющий две обмотки статора АВ, DC и однополюсный момент ротора. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора у незапитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени используется 50% обмоток, а для униполярного — только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный максимальный момент ШД. На рис. 5.75,а показаны фазы вращения ротора двигателя. На I этапе ток подаётся в обмотку АВ («+» в начало А), которая создает магнитное поле статора, южный полюс которого совпадает с положительным напряжением тока в обмотке «+». Ротор двигателя поворачивается так, что разноименные полюса S и N статора и ротора притягиваются На II этапе ток подаётся в обмотку СД («+» в начало С), а обмотка А В обесточивается. Ротор поворачивается на 90°. Далее на III этапе ток подается в обмотку А В («+» в конец обмотки В) с другим направлением тока и т. д. В этом случае ротор ШД дискретно вращается по часовой стрелке с шагом 90°.

Второй способ управления ШД — также полношаговый режим: включены две фазы обмотки статора (управление фазами с перекрытием), в этом случае две фазы включены в одно и то же время («two-phase-on» full step или просто full step mode). В этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора (рис. 5.75,6).

При этом способе обеспечивается примерно на 40% больший момент ШД, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на полшага. Первый и второй способы управления называются полношаговыми режимами.

Третий способ управления ШД — полушаговый режим, (''one and two-phase-on" half step или просто half step mode) представляет комбинацию первых двух способов. В этом случае ротор двигателя делает шаг в половину основного при полношаговом режиме.

В этом способе управления в каждый второй шаг ШД запитана его одна фаза, а в остальных случаях запитаны две фазы (рис. 5.75,в). В результате угловое перемещение ротора ШД составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент ШД в полношаговом режиме с включением двух фаз, хотя наиболее совершенные драйверы реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, и при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной.

Рис. 5.75. Способы управления фазами шагового двигателя: а — полношаговый режим, включена одна фаза; б — полношаговый режим, включены две фазы; в — полушаговый режим; I, II, III, IV — этапы подачи тока в обмотки А В и CD.

Четвертый способ управления ШД — микрошаговый режим (micro stepping mode). При этом способе управления ток в фазах обмотки статора меняется небольшими шагами, причём величина токов в фазах принимается разной. Когда одновременно включены две фазы, но их токи не равны, то положение равновесия ротора будет лежать не в середине шага, а в другом месте, определяемом соотношением токов фаз. Меняя это соотношение, можно обеспечить некоторое количество микрошагов внутри одного шага. Кроме увеличения разрешающей способности, микрошаговый режим имеет и другие преимущества, которые будут описаны ниже.

Вместе с тем, для реализации микрошагового режима требуются значительно более сложные драйверы, позволяющие задавать ступенчатый ток в обмотках с необходимой дискретностью. Полушаговый режим (третий способ) является частным случаем микрошагового режима, но он не требует формирования ступенчатого тока питания катушек, поэтому реализуется чаще.

При работе ротор ШД принимает равновесные положения смещения на шаг, полшага или долю шага. Однако положение ротора не сохраняется неизменным после выключения тока обмоток. Поэтому при включении и выключении питания двигателя ротор будет смещаться на полшага. Для того чтобы он не смещался при остановке, необходимо подавать в обмотки ток удержания.

Ток удержания может быть меньше номинального, так как от двигателя с неподвижным ротором обычно не требуется большого момента. Однако есть механизмы, у которых в остановленном состоянии двигатель должен обеспечивать полный момент, что для шагового двигателя возможно. Указанное свойство ШД позволяет в таких ситуациях обходиться без механических тормозных систем. Поскольку современные драйверы позволяют регулировать ток питания обмоток статора ШД. Задание необходимого тока удержания обычно не представляет технических трудностей. Задача решается разработкой соответствующего программного обеспечения микроконтроллера управляющего электропривода.

Формирование токов обмоток ШД осуществляется специальными электронными схемами (драйверами), которые содержат силовые ключи и, как правило, микроконтроллер управляющий ключами.