Формы шагового управления с обратной связью

2017 — Самая популярная статья — Для достижения максимальной производительности шаговый двигатель можно рассматривать как двухфазный бесщеточный серводвигатель. Тогда ток двигателя будет контролироваться в зависимости от сигнала ошибки, как и в случае со стандартными серводвигателями.

Предоставлено | Галил Motion Control, Inc.

Шаговые двигатели используются в различных областях техники, поскольку они недороги, просты в эксплуатации и обеспечивают высокий крутящий момент на низких скоростях. Однако шаговые двигатели имеют такие недостатки, как пропуск шагов, снижение крутящего момента на высоких скоростях, резонансы и высокое энергопотребление. Чтобы смягчить эти проблемы, в Galil есть три метода замыкания контура шагового двигателя: коррекция конечной точки, микрошаговый режим с замкнутым контуром и управление шаговым двигателем как двухфазным бесщеточным двигателем.

Шаговые двигатели имеют несколько «зубчатых» электромагнитов, расположенных вокруг зубчатого ротора. Чтобы заставить вал двигателя вращаться, на эти электромагниты подается питание в определенной последовательности. На рисунке 1 показано упрощенное представление этого процесса для двухфазного шагового двигателя. Каждая конкретная последовательность соответствует одному шагу двигателя. Шаговый двигатель обычно имеет 200 шагов на оборот.

Шаговые двигатели не лишены некоторых недостатков. Первым недостатком шагового двигателя является то, что он всегда работает на полном токе. Это приводит к потере энергии и избыточному выделению тепла. Во-вторых, фундаментальным для работы шаговых двигателей является вибрация, возникающая при дискретном изменении их положения. Когда частота шага соответствует собственным колебаниям или резонансной частоте шагового двигателя, амплитуда этих вибраций увеличивается, что приводит к потере положения. Шаговые двигатели также испытывают значительное снижение крутящего момента по мере увеличения скорости двигателя. Общая кривая скорость-момент показана в разделе «Ошибка: источник задания не найден». Наконец, позиционное разрешение ограничено количеством шагов за оборот. Если требуется повышенное разрешение, шаговый двигатель можно управлять с помощью микрошагового процесса.

Микрошаговый режим — это метод управления шаговым двигателем, при котором каждый шаг двигателя разбивается на более мелкие шаги, называемые микрошагами. Микрошаговый режим обычно создает от 2 до 256 микрошагов на полный шаг, что означает, что двигатель с частотой 200 шагов на оборот теперь может иметь до 51200 таких микрошагов на оборот. На рисунке 3 показана форма сигнала тока в каждой фазе шагового двигателя с увеличением количества микрошагов на полный шаг.

Фактическая точность микрошага во многом зависит от внешних сил. Микрошаг имеет точность с точностью до полного шага двигателя, однако если присутствует погрешность более чем на полшага, произойдет потеря положения. Движение не произойдет, если трение, сила тяжести или любая другая сила достаточно велика, чтобы предотвратить влияние небольшого изменения тока между двумя положениями микрошагов на положение двигателя. На рисунке 4 показан график перемещения от точки к точке, выполняемого в системе, приводимой в движение шаговым двигателем, соединенным с энкодером. Красная линия — это ожидаемое положение шагового двигателя, фиолетовая линия — это шаговые импульсы, выдаваемые на двигатель, а синяя линия — это положение двигателя, измеренное энкодером. Черная линия указывает, когда контроллер активно профилирует движение. Из-за трения в системе конечное положение шагового двигателя не соответствует заданному положению, что приводит к некоторой установившейся ошибке.

Используя обратную связь энкодера для распознавания этой ошибки положения, конечную точку можно отрегулировать, подав команду на дополнительные шаговые импульсы, чтобы привести двигатель в правильное положение. Галил называет это режимом поддержания позиции шагового двигателя или SPM. SPM по-прежнему управляет шаговым двигателем в микрошаговом режиме, но точность конечной точки теперь можно проверить и отрегулировать. Этот режим работает путем сравнения заданного положения шагового двигателя с фактическим положением, выдаваемым энкодером непосредственно перед завершением перемещения. На рис. 5 показана та же система, что и на рис. 4, которая теперь работает в режиме поддержания положения шагового двигателя. После окончания перемещения распознается ошибка положения и референтная позиция корректируется с учетом этой ошибки. Затем подается команда на движение для исправления ошибок, чтобы привести шаговый двигатель в правильное положение. Благодаря добавлению кодировщика контроллер теперь имеет возможность распознавать и исправлять ошибки, присутствующие в системе. То же движение, которое раньше приводило к устойчивой ошибке из-за трения, теперь можно учесть и исправить.