Крокові електродвигуни залишаються популярними в розробках, де необхідно високоточне позиціонування, наприклад, в різноманітному обладнанні від дозиметричних насосів до приводів, клапанів і камер систем спостереження. Вони також знаходять застосування в динамічних додатках, таких як регулювання положення фар транспортних засобів, управління сценічним освітленням. Завдяки поліпшеним швидкісним характеристикам, вони застосовуються у виробництві маніпуляторів, швейних і ткацьких верстатів.
принципи управління
Хоча більшість крокових двигунів використовується в режимі без зворотного зв'язку, в багатьох сучасних конструкціях застосовується технологія зворотного зв'язку. Безперервний зв'язок між реальним і розрахунковим становищем ротора у відповідність з сигналами електроприводу дозволяє збільшити швидкість переміщення при гарантованій точності.
Традиційно в системах зі зворотним зв'язком застосовується звичайний або кроковий датчик, призначений для передачі в ланцюг приводу інформації про становище ротора. Таким чином забезпечується зв'язок між реальним і розрахунковим (або «електричним») становищем. Зворотній зв'язок не тільки дозволяє забезпечити ефективне управління струмами приводу для додання необхідного прискорення й крутного моменту, але і дає можливість виявляти заклинювання, а також уникати пропуску положень.
Загальноприйнятим підходом до реалізації управління на основі показників датчиків є застосування датчика Холла, хоча зустрічаються конструкції, в яких використовується оптичне кодування і потенціометри, встановлені на валу ротора. Останнім часом з'явилися схеми зворотного зв'язку без застосування датчиків. У них забезпечується зчитування реальних значень струмів приводу і зворотного ЕРС, порушуємо обертанням ротора, для розрахунку механічного положення ротора.
ASSP допомагають в реалізації систем
Так як алгоритми управління і схеми приводів постійно розвиваються, розробники створюють все більш складні інтегральні схеми, призначені для виконання більшої частини рутинних завдань, які виконуються схемою двигуна. До складу спеціалізованих стандартних продуктів (Application-specific standard products - ASSPs), таких як серія схем ON Semiconductor AMIS-305xx, входять інтегральні перетворювачі, призначені для перетворення послідовних переміщень в ток обмотки необхідного значення (за допомогою таблиці кодування або іншими засобами). Також до складу схеми приводу входять транзистори, встановлені за схемою H-моста, обратноходового діоди, схеми стабілізації струму на основі широтно-імпульсної модуляції, а також різні схеми захисту.
В кінцевому підсумку виходить пристрій, за допомогою якого, починаючи з високорівневих команд "наступних кроків", прийнятих через логічний інтерфейс, наприклад, шину SPI, забезпечується безпосередній привід крокового електродвигуна. Інтегрована схема микрокоманд переміщень значно підвищує не тільки роздільну здатність, але і крутний момент на малих швидкостях, знижуючи рівень шуму і запобігаючи пропуски положень.
Пристрої ASSP (рис. 1) розбиті на дві категорії з позначеннями AMIS-305xx і AMIS-306xx.
Мал. 1. Структурна схема ASSP AMIS-305xx
Остання є більш розвиненою і забезпечує повністю інтегроване рішення, сумісне з високорівневими командами, прийнятими через інтерфейс I2C або LIN. Алгоритм управління реалізований в ІС у формі кінцевого автомата, і розробнику необхідно просто забезпечити вхідний сигнал, який «дає команду» схемою AMIS-306xx перемістити двигун в певне положення з зазначеним прискоренням і максимальною швидкістю з певним розміром мікрошага.
Такі рішення ідеально підходить, наприклад, для позиціонування камер спостереження, коли інженеру необхідно якомога швидше побудувати робочу конструкцію. Розробнику не потрібно турбуватися про динамічні характеристики, що реалізуються за допомогою алгоритму переміщення, оскільки вони вже реалізовані в складі ASSP. Досить просто задати діапазон переміщень, і мікросхемою будуть відпрацьовані розширені функції, наприклад, виявлення заклинювання без використання датчиків.
Переваги многокристальной конструкції
Однак такі пристрої, як схеми серії AMIS-305xx, не дозволяють в повній мірі реалізувати принцип здачі системи «під ключ» і дати розробникові можливість більш точного управління протягом усього динамічного циклу роботи системи. Розробники, які застосовують інтелектуальні приводи, використовують більш традиційну архітектуру ланцюга управління з мікро контролером або програмним забезпеченням цифрової обробки сигналу і генерацією імпульсів «наступного мікрошага». Можливе використання додаткового інтерфейсу SPI для передачі в систему таких параметрів, як амплітуда струму, крок за кроком режим, частота широтно-імпульсної модуляції. У свою чергу, інтелектуальним приводом зазвичай забезпечується передача в контролер інформації про прапори стану, аварійні сигнали розриву або замикання ланцюга.
Щоб знизити витрати на матеріали і спростити рішення із застосуванням датчиків, до складу приводу також входить зворотний зв'язок. У серії AMIS-306xx такий зворотний зв'язок обмежується високоточним сигналом виявлення заклинювання, що подається у вбудований кінцевий автомат. Але в серії AMIS-305xx можливе застосування зовнішнього виходу для вимірювання швидкості і кута прикладання навантаження (SLA). Це дає розробнику можливість безпосереднього вимірювання зворотної ЕРС, порушуємо обмотками двигуна під час проходження магнітних полюсів ротора.
Зовнішній доступ до вимірювання зворотної ЕРС відкриває широкий діапазон можливостей вдосконалення конструкції двигунів. Оскільки такий підхід дозволяє точно знати положення і швидкість ротора, він, звичайно, допускає застосування багатокристальні модулів для проведення порівняння електричного і розрахункового положення ротора. Найбільш простим застосуванням є виявлення заклинювання. Однак можливий динамічний контроль зворотного ЕРС, який корисний для проведення порівняння фактичного і розрахункового положення ротора в режимі реального часу. Можливе використання такого контролю для точного передбачення ситуації пропуску кроків і прийняття необхідних заходів. Більш того, різниця між фактичним і розрахунковим становищем показує значення крутного моменту, що прикладається двигуном.
Фактично фазовий зсув між зворотної ЕРС і струмом обмоток двигуна - так званий кут прикладання навантаження - зростає зі збільшенням механічного навантаження на двигун. Синхронне вимір зворотного ЕРС дає послідовно знижуються результати зі зростанням механічного навантаження на ротор. Це дає можливість застосування складних алгоритмів керування крутним моментом.
діагностичне вікно
Найважливіше наслідок описаного вище явища - діагностичне «вікно» під час роботи інтегрованої комбінації приводу, двигуна і використовуваної навантаження. Правильний вибір двигуна, простота реалізації системи, а також високу якість і розвинена функціональність можливої реалізації яких багато важать для розробника.
Спочатку значення зворотної ЕРС можна використовувати для вибору двигуна, а розвинені стратегії управління можна застосувати для розширення робочого діапазону двигуна. Як правило, основною характеристикою двигунів є залежність між крутним моментом і швидкістю, яка визначає максимально допустиму швидкість. Однак вимір характеристик функціонування двигуна і відстеження значення крутного моменту на виході SLA може показати малопомітні параметри.
Як правило, двигун призначається для використання в полношаговом режимі. З підвищенням швидкості досягається точка, в якій крутний момент різко падає. Це точка вимикання двигуна, за межами якої виробники не рекомендують його експлуатацію. Однак падіння крутного моменту може бути менш значним, якщо двигун використовувати на одній і тій же швидкості, але в мікрошаговий режимі. При подальшому зростанні швидкості в полношаговом режимі зазвичай відбувається повернення до значень, досягнутих на більш низьких частотах. Крива залежності крутного моменту від швидкості більше виглядає як «пульсуюча» функція, ніж як «низькочастотна» функція. Як правило, ця пульсація обумовлена коливаннями.
Вимірювання робочих характеристик двигуна дозволяє розробнику застосовувати алгоритм управління, який відповідає полношаговому режиму в крайніх точках під час роботи на знижених або підвищених швидкостях, а також перемикатися в мікрошаговий режим на вузькому центральному діапазоні значень швидкості. Така схема дозволяє виробникам високоточних двигунів з вбудованою електронною схемою приводу значно розширити робочий діапазон своїх виробів. Фахівці компанії ON Semiconductor прийшли до висновку, що ці вдосконалення дозволяють розширити корисний діапазон швидкостей роботи двигунів в два-три рази.
Вимірювання зворотного ЕРС на інтелектуальному виході SLA також можна використовувати для визначення характеристик функціонування системи, що дозволяє розробнику уникнути роботи обладнання на заборонених резонансних власних частотах. Ці частоти є характеристикою системи «двигун - привід - навантаження» в цілому, тому їх неможливо знайти в специфікації. Однак їх легко визначити під час контролю вихідного сигналу SLA, оскільки вони проявляють себе у вигляді вібрацій.
Як правило, ця проблема вирішується прискоренням двигуна на частоті власних коливань до максимально можливого значення. Установка діагностичного обладнання, яке призначене для виявлення проблем діапазону швидкостей системи, дозволить розробникам швидко і точно визначати проблемні місця і, відповідно, скоротити час розробки.
Динамічне управління крутним моментом
Засоби діагностики також дозволяють адаптувати систему до крутного моменту, що передається в певних умовах, наприклад, в ситуації, коли контролером визначається можливість неминучого пропуску положення: у відповідь реакцією системи може бути передача підвищеного крутного моменту. Незважаючи на підвищену потужність, зберігається можливість застосування функції автоматичного регулювання швидкості.
В цьому випадку мікро контролером видається запит інтелектуальної схемою приводу на переміщення двигуна в зазначене положення «на максимально можливій швидкості». Потім застосовується механізм вимірювання зворотної ЕРС для визначення необхідності та моменту виконання «наступного» кроку.
У такого підходу дві переваги. Потужність, необхідна для виконання зазначеного переміщення, зменшується вдвічі, як і час, необхідний для виконання такого переміщення. Ці два результату взаємопов'язані: двигуном здійснюється передача крутного моменту, необхідного в даний момент часу для максимально швидкого переміщення ротора, цей факт також означає, що системою максимально використовується енергія, що подається в неї.
Ці переваги є дуже привабливими в системах із застосуванням крокових двигунів, які, як правило, володіють високими динамічними характеристиками, але працюють в переривчастому режимі. Таке обладнання, як маніпулятори, повинно бути придатним для припинення руху в строго певні моменти, як можна швидше, перед таким же швидкісним переміщенням в «наступне» положення. І хоча це не типові застосування з високою споживаною потужністю, економія енергії в яких є одним з найважливіших показників, зниження споживання енергії викликає ланцюгову реакцію: можлива настройка двигуна на споживання харчування, значення якого істотно ближче до номінальної характеристиці системи, а не до максимального значення споживання . Як правило, це буде означати необхідність застосування двигуна з крутним моментом, рівним 70 Нм, замість 100 Нм.
висновок
Крокові двигуни стають все більш популярною альтернативою для управління швидким, точним і динамічним переміщенням. У міру розвитку технології інтелектуальні приводи / контролери ASSP необхідно приводити у відповідність з нею. Сучасні пристрої пропонують розробнику вибирати між готової ІС, що працює у взаємодії з шинної архітектурою, або більш гнучким рішенням, яке відкриває великі можливості для застосування прогресивних функцій і допомагає знаходити нові застосування даної технології.
Поряд з пропозицією архітектур управління, орієнтованих на певні параметри, ці ASSP забезпечують «діагностичне вікно» продуктивності системи, що дозволяє інженерам розробляти, реалізовувати і діагностувати комплексні електромеханічні системи легко і швидко.
Для забезпечення подальшого вдосконалення розробникам потрібно комбінація готових і багатокристальні рішень. Безсумнівно, діапазон застосувань крокових двигунів і складної мехатроніки продовжить збільшуватися.
Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка -
e-mail: [email protected]
Новий умножитель частоти
Компанія ON Semiconductor представила NB3N3020 - програмований умножитель частоти з високою точністю, низьким фазовим шумом і низькою величиною тремтіння фронтів.
Мікросхема забезпечує отримання тактових сигналів LVPECL і LVCMOS від одного пристрою, що дає можливість використовувати NB3N3020 в широкому спектрі додатків, включаючи мережеве обладнання, побутову електроніку та комп'ютерну техніку. Мікросхема має три висновки вибору частоти з трьома логічними рівнями LVCMOS, які забезпечують вибір однієї з 26-ти частот, даючи можливість розробникам виконати вимоги і замінити безліч джерел тактирования в різних системах за допомогою однієї настроюється мікросхеми.
Програмований умножитель частоти NB3N3020 компанії ON Semiconductor має широкий діапазон вихідних частот від 8 МГц до 210 МГц. Мікросхема використовує для роботи кварц з паралельним резонансом на першій гармоніці з частотою від 5,0 ... 27 МГц або несиметричний джерело тактового сигналу LVCMOS частотою 2,0 ... 210 МГц і формує диференційний LVPECL-вихід і несиметричний LVCMOS-вихідний сигнал обраної частоти, яка виходить множенням вхідний частоти. При низькому рівні LVCMOS-сигналу дозволу виходу (OE), мікросхема відключає виходи тактового сигналу, що дає можливість розробникам контролювати наявність тактирования створюваних систем. За заявою компанії, мікросхема має чудову величину тремтіння фронтів - період тремтіння 5 пикосекунд, що зменшує жорсткість допусків для розробників плат, дозволяє збільшити робочу частоту апаратури і підвищити її надійність.
Про компанію
...Читати далі