Е.И. Цокур, А.В. Масалов,
(КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань)
Объектом исследования является система управления (СУ) торцовым волновым шаговым электродвигателем (ТВШД), который относится к сравнительно новому классу электрических машин.
Одним из наиболее целесообразных способов улучшения параметров электрических приводных устройств является применение тихоходных (до нескольких единиц оборотов в минуту) электродвигателей, основанных на использовании волновых передач с электромагнитным генератором волн деформаций. Характерными особенностями этих двигателей являются: большое передаточное отношение (несколько сотен) в одной ступени зубчатого зацепления, большой момент на валу (до нескольких десятков НЧм), малая (единицы угловых минут) дискретность шага, малая статическая погрешность отработки одиночных шагов (десятки угловых секунд), отсутствие электрических скользящих контактов, малые осевые размеры, возможность выполнения пустотелого вала и др. Эти двигатели имеют хорошие выходные характеристики, однако, не существует полной теории расчета подобных двигателей. Следовательно, вопросы проектирования и управления, связанные с разработкой рациональной, экономически обоснованной и надежной их конструкцией, являются на данный момент актуальными.
Тихоходные ТВШД могут отрабатывать с высокой точностью как заданную частотой управляющих импульсов угловую скорость, так и заданный количеством управляющих импульсов угол поворота выходного вала.
Рассматриваемая микропроцессорная СУ предназначена для управления ТВШД.
Основные требования к системе управления:
1. Возможность задания различных режимов работы ТВШД: непрерывное вращение - режим, при котором происходит вращение ротора электродвигателя с частотой задаваемой пользователем, на высоких оборотах осуществляется форсированное возрастание токов в обмотке управления (возбуждения); пошаговый режим - ротор поворачивается на определенный угол при каждой подаче импульса; реверс с любого положения - режим, при котором происходит изменение направления вращения двигателя; режим отработки заданного угла.
2. Гибкость то есть возможность варьировать такими параметрами системы как число фаз двигателя; количество одновременно коммутируемых фаз (закон коммутации); коэффициент дробления шага.
3. Совместимость системы управления с компьютером, что позволяет с компьютера задавать различные законы движения двигателя, которые будут сохранены в энергонезависимой памяти контроллера. Что обеспечивает автономность работы контроллера по ранее записанным с компьютера алгоритмам управления.
4. Универсальность - возможность подключения системы управления к различным типам шаговых двигателей и обеспечения различных законов управления.
Несмотря на то, что в настоящее время существует большое количество специализированных микросхем для управления шаговыми двигателями, они не позволяют построить СУ с качествами присущими микропроцессорной СУ (гибкость, универсальностью, многорежимностью и пр.), а в большинстве случаев выполняют функции драйверов управляющих шаговыми двигателями. Систему управления двигателем можно реализовать полностью программно с помощью микроконтроллера. При этом стоимость такой СУ получается достаточно низкой.
Рассматривается практический пример построения СУ ТВШД на основе микроконтроллера семейства PIC16F877. Основным блоком является устройство управления, которое выполняет функции: управления двигателем (функции формирователя и распределителя импульсов) через усилитель мощности, ввода и обработки данных, поступивших с клавиатуры или компьютера, вывод данных и параметров СУ на жидкокристаллический индикатор (ЖКИ).
Устройство управления выполняется на микропроцессорной логике, тактовый генератор обеспечивает синхронизацию микропроцессора, схема сброса формирует сигнал сброса до тех пор. пока не стабилизируется напряжение питания, энергонезависимая память хранит Необходимые константы и управляющие воздействия.
Сигналы управления обмотками двигателя формируются на портах микроконтроллера программно. Для коммутации обмоток используются нормально закрытые полевые транзисторы, которые подключают напряжение к обмоткам двигателя через датчики тока.
Режим форсировки (для ускорения переходных процессов нарастания и спада тока в фазах двигателя на высоких частотах вращения, двигателя ) осуществляется с помощью широтноимпульсной модуляции (ШИМ), которая тоже реализована программно. В режиме форсирования сигнал, снятый с датчика тока, через фильтр низкой частоты (ФНЧ) поступает на инвертирующий вход компаратора. ФНЧ предотвращает ложные срабатывания компараторов вследствие действия помех. На прямой вход каждого компаратора подано опорное напряжение, которое и определяет пиковый ток в обмотках двигателя. Это напряжение формируется на выходе микроконтроллером PIC16F877 с помощью встроенного таймера, работающего в режиме 8-битной ШИМ. Для фильтрации сигнала ШИМ используется двухкаскадный ФНЧ. Одновременно резистивный делитель задает масштаб регулировки токов фаз.
Связь СУ с компьютером осуществляется через интерфейс RS-232 (СОМ порт компьютера).
Для автономного управления контроллером, его запуска, выбора режима работы используется клавиатура, собранная по схеме коммутационной матрицы.
Для сохранения введенных с компьютера данных используется микросхема энергонезависимой памяти.
Питание СУ (микроконтроллера) формируется с помощью интегрального стабилизатора, который одновременно выполняет функции монитора питания.
Использование результатов работы позволит расширить области применения и проектировать двигатели, соответствующие приоритетным направлениям развития техники (технологии двойного назначения, критические технологии и др.), конкурентоспособные на отечественном и мировом рынке.
Перспективные направления использования ТВШД: в устройствах наблюдения за объектами на земле и в околоземном пространстве: для привода платформ, на которых расположены точные приборы; в установках автоматической подачи проб и ввода лекарств; в механизмах точного наведения медицинских приборов; для поворота столов и кресел при диагностическом обследовании с автоматическим сканированием (в томографах); для точного позиционирования зеркал; для поворота барабанов и платформ внутри камер; в устройствах дистанционного открытия и закрытия кранов и задвижек, дозирующих расход жидкостей, газов (в том числе в нефте- и газопроводах); в фотороботах; в приводных системах для обезвреживания взрывчатых веществ при чрезвычайных ситуациях и во многих других применениях.
|
