Стабилизация тока и скорость спада тока - Разработка стенда управления шаговым двигателем

Для регулировки момента требуется регулировать силу тока в обмотках. В любом случае, ток должен быть ограничен, чтобы не превысить рас-сеиваемую мощность на омическом сопротивлении обмоток. Более того, в полушаговом режиме еще требуется в определенные моменты обеспечивать нулевое значение тока в обмотках, а в микрошаговом режиме вообще требу-ется задание разных значений тока.

Для каждого двигателя производителем указывается номинальное рабочее напряжение обмоток. Поэтому простейший способ питания обмоток -- это использование источника постоянного напряжения. В этом случае ток ограничен омическим сопротивлением обмоток и напряжением источника питания (рисунок 20, а), поэтому такой способ питания называют L/R-питанием.

Ток в обмотке нарастает по экспоненциальному закону со скоростью, определяемой индуктивностью, активным сопротивлением обмотки и при-ложенным напряжением. При повышении частоты ток не достигает номи-нального значения и момент падает. Поэтому такой способ питания пригоден только при работе на малых скоростях и используется на практике только для маломощных двигателей.

При работе на больших скоростях требуется увеличивать скорость на-растания тока в обмотках, что возможно путем повышения напряжения ис-точника питания. При этом максимальный ток обмотки должен быть ограни-чен с помощью дополнительного резистора. Например, если используется напряжение питание в 5 раз большее номинального, то требуется такой до-полнительный резистор, чтобы общее сопротивление составило 5R, где R - омическое сопротивление обмотки (L/5R-питание). Этот способ питания обеспечивает более быстрое нарастание тока и как следствие, больший момент (рисунок 20, б). Однако он имеет существенный недостаток: на резисторе рассеивается дополнительная мощность. Большие габариты мощных резисторов, необходимость отвода тепла и повышенная необходимая мощность источника питания -- все это делает такой метод неэффективным и ограничивает область его применение небольшими двигателями мощностью 1 - 2 ватта.

До начала 80-х годов прошлого века параметры шаговых двигателей, приводимые производителями, относились именно к такому способу питания.

Еще более быстрое нарастание тока можно получить, если использо-вать для питания двигателя генератор тока. Нарастание тока будет происхо-дить линейно, это позволит быстрее достигать номинального значения тока. Тем более, что пара мощных резисторов может стоить дороже, чем пара мощных транзисторов вместе с радиаторами. Как и в предыдущем случае, генератор тока будет рассеивать дополнительную мощность, что делает эту схему питания неэффективной.

Существует еще одно решение, обеспечивающее высокую скорость на-растания тока и низкую мощность потерь. Основано оно на применении двух источников питания.

В начале каждого шага кратковременно обмотки подключаются к более высоковольтному источнику, который обеспечивает быстрое нарастание тока. Затем напряжение питания обмоток уменьшается (момент времени T1 на). Недостатком этого метода является необходимость двух клю-чей, двух источников питания и более сложной схемы управления. В систе-мах, где такие источники уже есть, метод может оказаться достаточно деше-вым.

Еще одной трудностью является невозможность определения момента времени T1 для общего случая. Для двигателя с меньшей индуктивностью обмоток скорость нарастания тока выше и при фиксированном T1 средний ток может оказаться выше номинального, что приведет к перегреву двигателя.

Еще одним методом стабилизации тока в обмотках двигателя является ключевое (широтно-импульсное) регулирование. Современные драйверы шаговых двигателей используют именно этот метод. Ключевой стабилизатор обеспечивает высокую скорость нарастания тока в обмотках вместе с простотой его регулирования и очень низкими потерями. Еще одним преимуществом схемы с ключевой стабилизацией тока является и то, что она поддерживает момент двигателя постоянным, независимо от колебаний напряжения питания. Это позволяет использовать простые и дешевые нестабилизированные источники питания.

Для обеспечения высокой скорости нарастания тока используют на-пряжение источника питания, в несколько раз превышающее номинальное. Путем регулировки скважности импульсов, среднее напряжение и ток под-держиваются на номинальном для обмотки уровне. Поддержание произво-дится в результате действия обратной связи. Последовательно с обмоткой включается резистор -- датчик тока R.

Падение напряжения на этом резисторе пропорционально току в об-

Мотке. Когда ток достигает установленного значения, ключ выключается, что приводит к падению тока. Когда ток спадает до нижнего порога, ключ снова включается. Этот процесс повторяется периодически, поддерживая среднее значение тока постоянным.

Управляя величиной Uоп можно регулировать ток фазы, например, увеличивать его при разгоне и торможении и снижать при работе на постоянной скорости. Можно также задавать его с помощью ЦАП в форме сину-соиды, реализуя таким образом микрошаговый режим. Такой способ управ-ления ключевым транзистором обеспечивает постоянную величину пульса-ций тока в обмотке, которая определяется гистерезисом компаратора. Однако частота переключений будет зависеть от скорости изменения тока в обмотке, в частности, от ее индуктивности и от напряжения питания. Кроме того, две такие схемы, питающие разные фазы двигателя, не могут быть засинхрони-зированы, что может явиться причиной дополнительных помех.

От указанных недостатков свободна схема с постоянной частотой пе-реключения. Ключевым транзистором управляет триггер, кото рый устанавливается специальным генератором. Когда триггер устанавлива-ется, ключевой транзистор открывается и ток фазы начинает расти. Вместе с ним растет и падение напряжения на датчике тока. Когда оно достигает опорного напряжения, компаратор переключается, сбрасывая триггер. Клю-чевой транзистор при этом выключается и ток фазы начинает спадать до тех пор, пока триггер не будет вновь установлен генератором.

Такая схема обеспечивает постоянную частоту коммутации, однако ве-личина пульсаций тока не будет постоянной. Частота генератора обычно вы-бирается не менее 20кГц, чтобы двигатель не создавал слышимого звука. В то же время слишком высокая частота переключений может вызвать повы-шенные потери в сердечнике двигателя и потери на переключениях транзи-сторов. Хотя потери в сердечнике с повышением частоты растут не так быст-ро ввиду уменьшения амплитуды пульсаций тока с ростом частоты. Пульса-ции порядка 10% от среднего значения тока обычно не вызывают проблем с потерями.

При использовании транзисторов в качестве ключей необходимо ис-пользовать шунтирующие диоды, чтобы обеспечить проводимость в обе стороны. Скорость изменения тока в индуктивности пропорциональна приложенному напряжению. Это справедливо как для нарастания тока, так и для его спада. Только в первом случае источником энергии является источник питания, а во втором сама индуктивность отдает запасенную энергию. Этот процесс может происходить при разных условиях.

На рисунке 24 а, показано состояние ключей H-моста, когда обмотка включена. Включены ключи A и D, направление тока показано стрелкой. На рисунке 24 б, обмотка выключена, но ключ A включен. ЭДС самоиндукции закорачивается через этот ключ и диод VD3. В это время на выводах обмотки будет небольшое напряжение, равное прямому падению на диоде плюс падение на ключе (напряжение насыщения транзистора). Так как напряжение на выводах обмотки мало, малой будет и скорость изменения тока. Соответственно малой будет и скорость спада магнитного поля. А это значит, еще некоторое время статор двигателя будет создавать магнитное поле, которого в это время быть не должно. На вращающийся ротор это поле будет оказывать тормозящее воздействие. При высоких скоростях работы двигателя этот эффект может серьезно помешать нормальной работе двигателя. Быстрый спад тока при выключении является очень важным для высокоскоростных контроллеров, работающих в полушаговом режиме.

Возможен и другой способ отключения тока обмотки, когда размыка-ются все ключи H-моста (рисунок 24, в). При этом ЭДС самоиндукции закорачивается чрез диоды VD2, VD3 на источник питания. Это значит, что во время спада тока на обмотке будет напряжение, равное сумме напряжения источника питания и прямого падения на двух диодах. По сравнению с первым случаем, это значительно большее напряжение. Соответственно, более быстрым будет спад тока и магнитного поля. Такое решение, использующее напряжение источника питания для ускорения спада тока является наиболее простым, но не единственным.

Следует отметить, что в ряде случаев на источнике питания могут поя-вится выбросы, для подавления которых понадобятся специальные демпфер-ные цепочки. Безразлично, каким способом обеспечивается на обмотке по-вышенное напряжение во время спада тока. Для этого можно применить ста-билитроны или варисторы. Однако на этих элементах будет рассеиваться до-полнительная мощность, которая в первом случае отдавалась обратно в ис-точник питания. двигатель магнитный ток микросхема

Для униполярного двигателя ситуация более сложная. Дело в том, что половинки обмотки, или две отдельных обмотки одной фазы сильно связаны между собой. В результате этой связи на закрывающемся транзисторе будут иметь место выбросы повышенной амплитуды. Поэтому транзисторы долж-ны быть защищены специальными цепочками. Эти цепочки для обеспечения быстрого спада тока должны обеспечивать довольно высокое напряжение ог-раничения. Чаще всего применяются диоды вместе со стабилитронами или варисторы.

При ключевом регулировании величина пульсаций тока зависит от скорости его спада. Если обеспечить закорачивание обмотки диодом, будет реализован медленный спад тока. Это приводит к уменьшению амплитуды пульсаций тока, что является весьма желательным, особенно при работе двигателя в микрошаговом режиме. Для данного уровня пульсаций медленный спад тока позволяет работать на более низких частотах ШИМ, что уменьшает нагрев двигателя. По этим причинам медленный спад тока широко используется.

Однако существует несколько причин, по которым медленное нарастание тока не всегда является оптимальным:

    - из-за отрицательной обратной ЭДС, ввиду малого напряжения на обмотке во время спада тока, реальный средний ток обмотки может оказаться завышенным. - когда требуется резко уменьшить ток фазы (например, в полушаговом режиме), медленный спад не позволит сделать это быстро; - когда требуется установить очень низкое значение тока фазы, регулирование может нарушится из-за существования ограничения на минимальное время включенного состояния ключей.

Высокая скорость спада тока, которая реализуется путем замыкания обмотки на источник питания, приводит к повышенным пульсациям. Вместе с тем, устраняются недостатки, свойственные медленному спаду тока. Однако при этом точность поддержания среднего тока меньше, также больше потери.

Похожие статьи




Стабилизация тока и скорость спада тока - Разработка стенда управления шаговым двигателем

Предыдущая | Следующая