Міністерство освіти та науки України

Національний університет водного господарства та природокористування

Кафедра електротехніки і автоматики

Лабораторна робота №3

“Реалізація пристрою керування покроковим двигуном на мікроконтролері”

з курсу „Програмування мікроконтролерів”

для студентів, які навчаються за напрямом „Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології”

Рекомендовано до друку методичною комісією за напрямом

„Автоматизація та комп’ютерно-

інтегровані технології”.

Протокол №4 від 11.11.2008 р.

Рівне-2008

Лабораторна робота №3 “Реалізація пристрою керування покроковим двигуном на мікроконтролері” з курсу „Програмування мікроконтролерів” для студентів спеціальності „Автоматизоване управління технологічними процесами” / В.С. Мельник. – Рівне, НУВГП, 2008, 20с.

Відповідальний за випуск – зав. кафедри електротехніки та автоматики, професор, академік УЕАН Б.О. Баховець.

© В.С.Мельник

© НУВГП., 2008

2

Робота 3. Реалізація пристрою керування покроковим двигуном на мікроконтролері

3.1 Мета роботи

Реалізація пристрою керування покроковим двигуном на базі мікроконтролера PIC18F452 та силового драйвера L293D.

3.2 Теоретичні відомості

Крокові двигуни вже давно й успішно застосовуються в найрізноманітніших пристроях. Їх можна зустріти в дисководах, принтерах, плотерах, сканерах, факсах, а також у різноманітному промисловому й спеціальному устаткуванні. У цей час випускається безліч різних типів крокових двигунів на всі випадки життя. Однак правильно вибрати тип двигуна - це півсправи. Не менш важливо правильно вибрати схему драйвера й алгоритм його роботи, що найчастіше визначається програмою мікроконтролера. Кроковий двигун - це електромеханічний пристрій, що перетворює електричні імпульси в дискретні механічні переміщення. Зовні він практично нічим не відрізняється від двигунів інших типів. Найчастіше це круглий корпус, вал, кілька виводів (мал. 1).

Рис. 1. Зовнішній вигляд крокових двигунів сімейства ДШИ-200

Однак крокові двигуни мають деякі унікальні властивості, що робить часом їх винятково зручними для застосування або навіть незамінними. Переваги покрокових двигунів:

- кут повороту ротора визначається числом імпульсів, які подані на

двигун;

- двигун забезпечує повний момент у режимі зупинки (якщо обмотки заживлені);

- прецизійне позиціювання й повторюваність. певні крокові двигуни мають точність 3-5% від величини кроку;

3

- ця помилка не накопичується від кроку до кроку;

- можливість швидкого старту/зупинки/реверсування;

- висока надійність, пов'язана з відсутністю щіток, термін служби крокового двигуна фактично визначається терміном служби підшипників;

- однозначна залежність положення від вхідних імпульсів забезпечує позиціювання без зворотного зв'язка;

- можливість одержання дуже низьких швидкостей обертання для навантаження, приєднаної безпосередньо до вала двигуна без проміжного редуктора;

- може бути перекритий досить великий діапазон швидкостей,

швидкість пропорційна частоті вхідних імпульсів.

Недоліки покрокових двигунів:

- кроковим двигунам властиве явище резонансу

- можлива втрата контролю положення через роботу без зворотнього зв'язку

- споживання енергії не зменшується навіть без навантаження

- ускладнена робота на високих швидкостях

- невисока питома потужність

- відносно складна схема керування

3.2.1 Види покрокових двигунів

Існують три основні типи покрокових двигунів:

- двигуни із перемінним магнітним опором;

- двигуни з постійними магнітами;

- гібридні двигуни.

Визначити тип двигуна можна експериментально: при обертанні вала знеструмленого покрокового двигуна з постійними магнітами (або гібридного) відчувається перемінний опір обертанню, вал обертається ніби ривками. В той же час вал знеструмленого покрокового двигуна з перемінним магнітним опором обертається вільно. Гібридні двигуни є подальшим кроком в модернізації двигунів з постійними магнітами і по способу управління нічим від них не відрізняються. Визначити тип двигуна можна також по конфігурації обмоток. Двигуни із перемінним магнітним опором мають три (рідше чотири) обмотки з одним спільним виводом. Двигуни з постійними магнітами найчастіше мають дві незалежні обмотка, які можуть мати відводи від середини. Іноді двигуни з постійними магнітами мають чотири роздільні обмотки.

4

В покроковому двигуні обертовий момент створюється магнітними потоками статора та ротор, які відповідним чином орієнтовані відносно один одного. Статор виготовлений з матеріалу з виокою магнітною проникністю і має декілька полюсів. Полюс можна визначити як деяку область намагніченого тіла, де сконцентроване магнітне поле. Полюси мають як статор так і ротор. Для зменшення втрат на вихрові струми, магніто проводи зібрані з окремих пластин, подібно до осердя трансформатора. Обертовий момент пропорційний величині магнітного поля, що пропорційна струму в обмотці та кількості витків. Якщо хоч одно обмотка покрокового двигуна під напругою, ротор приймає певне положення. Він буде находитися в цьому положенні до того часу, поки прикладений ззовні момент не перевищить моменту утримання двигуна. Після цього ротор повернеться і буде старатися зайняти одне з наступних положень рівноваги.

Двигуни з постійними магнітами складаються з статора, який має

обмотки, і ротора з постійними магнітами (рис.2). Полюси ротора мають прямолінійну форму і розміщені почергово паралельно осі двигуна. Завдяки намагніченості ротора в таких двигунах забезпечується значний магнітний потік і, відповідно, значний момент, в порівнянні з двигунами з перемінним магнітним опором.

Рис. 2. Покроковий двигун з постійними магнітами

Зображений на рис.3. двигун має три пари полюсів ротора і дві пари полюсів статора. Двигун має дві незалежні обмотки, кожна з яких намотана на протилежних полюсах статора. Такий двигун має величину кроку 30°. При включенні струму в одній з обмоток, ротор намагається зайняти таке положення, щоб різнойменні полюси статора і ротора знаходилися навпроти. Для отримання неперервного обертання необхідно почергово перемикати фази. Реальні покрокові двигуни з постійними магнітами звичайно мають 24-48 кроків на один

5

оберт (крок 7.5-15°). Розріз двигуна з постійними магнітами показано на рис.3.

Рис. 3. Розріз покрокового двигуна з постійними магнітами

Більшість сучасних покрокових двигунів є гібридними. По-суті, гібридний двигун є двигуном з постійними магнітами, але з великою кількістю полюсів. По способу управління такі двигуни одинакові. Гібридні двигуни як правило мають 100, або 200 кроків на оберт (крок

3.6 або 1.8°).

В залежності від конфігурації обмоток, двигуни поділяються на біполярні і уніполярні. Біполярні мають одну обмотку в кожній фазі. Для двигунів такого типу необхідний мостовий драйвер, або напівмостовий з двополярним живленням. Всього біполярний двигун має дві обмотки і, відповідно, чотири виводи (рис. 4а).

Рис. 4. Біполярний двигун (а), уніполярний (б) та 4-обмотковий (в).

Уніполярний двигун також має одну обмотку в кожній фазі, але від середини обмотки зроблений відвід. Це дозволяє змінювати напрям магнітного поля, що створюється обмоткою, простим перемиканням половинок обмоток. При цьому суттєво спрощується схема драйвера, який повинен мати лише чотири прості ключі. Середні виводи обмоток можуть бути з’єднані всередині двигуна, тому такі двигуни мають 5 або 6 виводів (рис. 4б). Іноді уніполярні двигуни мають роздільні 4

6

обмотки, і 8 виводів (рис. 4в). При відповідному з’єднанні обмоток, такий двигун можна використовувати як біполярний, або уніполярний. Уніполярні двигуни також можна використовувати як біполярні, якщо середини обмоток не використовувати. В будь-якому випадку, струм обмоток необхідно вибирати так, щоб не перевищити максимальної розсіюваної потужності. Якщо порівнювати між собою біполярні та уніполярні покрокові двигуни, то біполярні мають більшу високу питому потужність. При одних і тих самих розмірах, біполярні двигуни мають більший момент. На практиці все ж частіше використовують уніполярні двигуни, так як вони працюють при значно більш простіших схемах управління.