Введение
Шаговые электродвигатели очень удобны для применения в приводах роботов, поскольку не требуют датчиков обратной связи для определения положений звеньев. Такие двигатели позволяют с высокой точностью преобразовывать цифровые электрические сигналы непосредственно в дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.
По принципу действия шаговый двигатель относится к двигателям синхронного типа: в нем существует связь между сигналом питания и положением ротора. Благодаря периодическим переключениям обмоток статора, его магнитодвижущее поле, поворачиваясь на определенный угол (шаг), производит поворот на такой же определенный угол ротора двигателя, представляющего собой постоянный магнит либо переменное магнитное сопротивление.
В данной выпускной работе была поставлена задача изучить способ управления шаговым двигателем через LPT-порт. Была разработана и написана программа для макета транспортного робота. В лаборатории имеется модель робота. Данный макет робота представляет собой два шаговых двигателя, закрепленных на тележке. Программа написана с помощью языка программирования Delphi.
Рис.1 Макет Транспортного робота
1. Шаговый двигатель, его устройство и принцип работы
шаговый двигатель данные логический
1.1 Устройство шагового двигателя
Шаговый электродвигатель -- это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.
Рис.2 Шаговый двигатель
Статор-- неподвижная часть электрической машины, взаимодействующая с подвижной частью -- ротором. Статор может быть либо постоянным магнитом, либо электромагнитом
Ротор -- вращающаяся часть электрической машины. Ротор асинхронной электромашины обычно представляет собой собранное из листовой электротехнической стали цилиндрическое тело с пазами для размещения обмотки. Ротор в электромашинах постоянного тока называется якорем.
Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнито-мягкого (ферромагнитного) материала или из магнито-твёрдого (магнитного) материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать бомльший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.
Главное преимущество шаговых приводов - точность. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Шаговый привод, как недорогая альтернатива сервоприводу, наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика.
Чтобы управлять шаговым двигателем необходим контроллер.
Контроллер - схема, которая подает напряжение к любой из четырех катушек статора. Устройство может быть построено с использованием интегральной микросхемы типа ULN2003 (отечественный аналог К1109КТ22) состоящая из набора мощных составных ключей с защитными диодами на выходе. Наличие защитных диодов позволяет подключать индуктивные нагрузки без дополнительной защиты от выбросов обратного напряжения.
Рис.3 Принцип работы
Контроллер шагового двигателя предназначен для создания автономного управления системой различного рода технологическими процессами, такими как: упаковочные роботы, дозаторов сыпучих продуктов и жидкостей, маркировщиков, в качестве устройства управления открытием-закрытием окон, дверей, для конструкций вращения, управления за камерами слежения за объектами и т.д.
Рис.4 Контроллер
Контроллер шагового двигателя имеет следующие технические характеристики: ток 0,3-7А, питание 24-80В, защита от КЗ (для ADR401С), 4 оптически развязанных входа управления.
1.2 Принцип работы
Шаговые двигатели отличаются от регулируемых двигателей постоянного тока. Вместо того чтобы вращаться как двигатели постоянного тока, шаговый двигатель совершает дискретное вращение под воздействием серии импульсов. В нашем примере двигателю необходимо 200 шагов чтобы совершить полный оборот в 360 градусов.
Рис. 5 Устройство шагового двигателя
Другое преимущество шаговых двигателей - то, что их скорость вращения может быть достигнута почти мгновенно при изменении направления вращения на противоположное.
Рис.6 Принцип работы Шагового Двигателя
Двухполюсный ротор из магнитомягкой стали с клювообразными выступами помещен в четырехполюсный статор. Одна пара полюсов выполнена из постоянных магнитов, на другой - находится обмотка управления. Пока тока в обмотках управления нет, ротор ориентируется вдоль постоянных магнитов и удерживается около них с определенным усилием, которое определяется магнитным потоком полюсов. При подаче постоянного напряжения на обмотку управления возникает магнитный поток примерно вдвое больший, чем поток постоянных магнитов.
Под действием электромагнитного усилия, создаваемого этим потоком, ротор поворачивается, преодолевая нагрузочный момент и момент, развиваемый постоянными магнитами, стремясь занять положение соосное с полюсами управляющей обмотки.
Для фиксации ротора при обесточенной обмотке управления не требуется потребление энергии, угол поворота сохраняет свое значение и при перерывах в питании. Двигатели этого типа отрабатывают импульсы с частотой до 200-300 Гц.
Особенностью устройства управления шаговым двигателем является цифровой способ задания скорости вращения, которая позволяет устанавливать частоту вращения мотора с дискретностью в 1 шаг на всем диапазоне.
1.3 Способы управления
Есть несколько способов, которые можно использовать, чтобы управлять шаговым двигателем.Одиночные импульсы - самый простой способ. Одновременно подключается только одна катушка. Необходимо 200 шагов чтобы ротор совершил один полный оборот. Каждый шаг перемещает ротор на 7,5 градусов.
Рис. 7 Одиночный импульс
Двойной импульс - одновременное подключение двух соседних катушек. В этом случае также необходимо 200 шагов чтобы ротор совершил один полный оборот. Каждый шаг перемещает ротор на 7,5 градусов.
Рис.8 Двойной импульс
Комбинированные импульсы - чередование первого и второго способа. Двигатель нуждается в 400 шагах, чтобы совершить один оборот. Каждый шаг перемещает ротор приблизительно на 3,75 градуса.
1.4 Основные параметры и характеристики шаговых двигателей
Специфика конструкции шаговых двигателей и многообразие режимов их работы вызывают необходимость оценивать эти двигатели по следующим параметрам: частоте собственных круговых колебаний; электромагнитным постоянным времени; коэффициенту внутреннего демпфирования и характеристикам - предельным механическим и предельным динамическим.
Частота собственных круговых колебаний - это угловая частота колебаний ротора около устойчивого положения при отсутствии момента нагрузки. Она является обобщенным параметром, зависящим от момента инерции J, амплитуды максимального синхронизирующего момента Mmax, числа пар полюсов p. Период собственных круговых колебаний, равный 1/w0, может служить внутренним эталоном времени. Действительно, момент инерции J определяет инерционность двигателя и механизма, амплитуда максимального синхронизирующего момента Mmax дает характеристику шагового двигателя как преобразователю энергии, число пар полюсов p определяет степень электромеханической редукции угла поворота и скорости вращения. Отношение Mmax/J дает теоретически предельное ускорение ротора шагового двигателя.
Электромагнитная постоянная времени обмоток управления Tэм = L/R характеризует скорость протекания электромагнитных переходных процессов. Часто для уменьшения Тэм последовательно с обмоткой управления включают добавочное сопротивление. Уменьшать постоянную времени необходимо потому, что чем она больше, тем до меньшего значения нарастает ток за время импульса напряжения, меньше становится синхронизирующий момент, а, следовательно, и допустимый момент сопротивления.
Коэффициент внутреннего демпфирования определяется отношением амплитуды потокосцепления ротора с фазой обмотки статора к ее активному сопротивлению. Этот параметр относится только к шаговым двигателям с активным ротором, поскольку его физический смысл заключается в образовании электромагнитного тормозного момента, вызванного взаимодействием поля ротора с током статора, наведенным этим полем и замыкающимся по цепи статор-источник тока. При этом механическая энергия колеблющегося ротора превращается в электрическую энергию с последующим рассеиванием ее в теплоту в активных сопротивлениях обмоток статора.
Предельная механическая характеристика - это зависимость допустимого момента сопротивления от частоты управляющих импульсов в установившемся режиме работы. С ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании тока, обусловленное индуктивностью обмоток.
Предельная динамическая характеристика - зависимость частоты приемистости от момента сопротивления и момента инерции нагрузки.
2. Транспортные роботы
Транспортные роботы предназначены для автоматизированного транспортирования объектов, а также для управления различными транспортными системами. Исследования и разработки по созданию транспортных роботов интенсивно ведутся во всем мире. При этом выделяются четыре принципиально различных типа - наземные, воздухоплавающие, водоплавающие и подземные. Теория и практика трех последних типов не достигли еще в целом того уровня, чтобы говорить о них сегодня как о всеобщей реальности. Практическое развитие получили ныне наземные транспортные роботы, которые могут быть колесными, шагающими и гусеничными.
Так же по способу перемещения грузов они разделяются на транспортирующие груз захватом манипулятора, буксирующие транспортные средства с грузом и перемещающие груз без захвата.
По функциональным возможностям -- выполняющие только одну операцию, связанную с перемещением груза, и выполняющие несколько операций (перемещение, загрузка, выгрузка и т.п.).
По типу ходового устройства -- пневмоколесные, на рельсовом ходу, гусеничные и шагающие.
По способу управления -- с ручной системой, автономные, работающие по внешним сигналам, и с комбинированной системой. В первом случае параметры траектории движения груза выбирают операторы, система робота реализует и поддерживает их значения. Во втором случае указание параметров движения транспортного робота осуществляется полностью его автономной системой автоматического управления. В третьем -- все параметры движения (скорость, путь, остановка и др.) формируется под воздействием внешних сигналов, передаваемых бесконтактным способом.
Система управления транспортных роботов, построенная на комбинированных способах задания программы, обеспечивает расшифровку этих сигналов и выработку команд на исполнительные механизмы.
Транспортные роботы по приспособляемости к воздействию внешних условий делятся на роботы с жесткой программой и адаптивные. Большинство применяемых транспортных роботов относится к жесткопрограммируемым, т.е. программа их действия содержит полный набор информации, не изменяющийся в процессе работы и не корректирующийся при изменении внешней среды. Адаптивные транспортные роботы имеют сенсорное обеспечение, позволяющее корректировать управляющую программу в соответствии с информацией, полученной в процессе работы. Система этих роботов позволяет обойти препятствие, возникшее на пути движения, что очень важно как с точки зрения техники безопасности, так и сохранности самого транспортного робота.
Наибольшее развитие и распространение в настоящее время получили колесные транспортные роботы, используемые достаточно широко в промышленных автоматизированных транспортно-складских системах и гибких автоматизированных производствах в виде мобильных автоматических кранов, автоматических управляемых тележек (АУТ), робокаров и др., оснащаемых во многих случаях различными манипуляционными устройствами. В самом простом виде такие роботы следуют по рельсам либо по маршруту над кабелем, проложенным под поверхностью пола. Генератор частоты, подавая ток по кабелю, создает магнитное поле, улавливаемое двумя датчиками приемного устройства тележки, направляющими ее по требуемому маршруту. Даже такие 58 простые системы АУТ позволяет включать маршруты с несколькими ветвями и петлями посредством использования различных частот для каждого пути. В более сложном варианте тележка оборудуется автономной управляющей ЭВМ и средствами очувствления.
Транспортные роботы различаются скоростью и высотой перемещения захвата, способом выполнения операции перемещения, типов устройства управления, составом дополнительных устройств, механизмов, путевых устройств, а также массой и типов приводов перемещения роботов и их захватов.
Различие в технических характеристиках транспортных роботов обусловливает различие в их экономических показателях и, следовательно, в экономической эффективности их применения.
2.1 Описание LPT порта
IEEE 1284 (порт принтера, параллельный порт, англ. Line Print Terminal, LPT) -- международный стандарт параллельного интерфейса для подключения периферийных устройств персонального компьютера.