Дипломная (вкр): Система управления электроприводами станка с ЧПУ

-        прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу;

-        возможность быстрого старта/остановки/реверсирования;

-        высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников;

-        однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи;

-        возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора;

-        может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов;

Недостатки ШД:

-  шаговым двигателем присуще явление резонанса

-        возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи

-        потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки

-        затруднена работа на высоких скоростях

-        невысокая удельная мощность

-        относительно сложная схема управления

Шаговые двигатели относятся к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Как и любые бесколлекторные двигатели, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в критичных, например, индустриальных применениях. По сравнению с обычными двигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют значительно более сложных схем управления, которые должны выполнять все коммутации обмоток при работе двигателя. Кроме того, сам шаговый двигатель - дорогостоящее устройство, поэтому там, где точное позиционирование не требуется, обычные коллекторные двигатели имеют заметное преимущество. Справедливости ради следует отметить, что в последнее время для управления коллекторными двигателями все чаще применяют контроллеры, которые по сложности практически не уступают контроллерам шаговых двигателей.

Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, так как такие датчики могут стоить намного больше самого двигателя. Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация о положении ротора теряется и система требует базирования с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика. Системы с обратной связью не имеют подобного недостатка.

Виды шаговых двигателей.

Существуют три основных типа шаговых двигателей:

-  двигатели с переменным магнитным сопротивлением

-        двигатели с постоянными магнитами

-        гибридные двигатели

Определить тип двигателя можно даже на ощупь: при вращении вала обесточенного двигателя с постоянными магнитами (или гибридного) чувствуется переменное сопротивление вращению, двигатель вращается как бы щелчками. В то же время вал обесточенного двигателя с переменным магнитным сопротивлением вращается свободно. Гибридные двигатели являются дальнейшим усовершенствованием двигателей с постоянными магнитами и по способу управления ничем от них не отличаются. Определить тип двигателя можно также по конфигурации обмоток. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют три (реже четыре) обмотки с одним общим выводом. Двигатели с постоянными магнитами чаще всего имеют две независимые обмотки. Эти обмотки могут иметь отводы от середины. Иногда двигатели с постоянными магнитами имеют 4 раздельных обмотки.

В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс можно определить, как некоторую область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент зависит от параметров обмоток. Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Он будет находится в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.

Двигатели с постоянными магнитами.

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты, смотри рисунок 1.13. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.

Рисунок 1.13 - Двигатель с постоянными магнитами.

Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Двигатель имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель, как и рассмотренный ранее двигатель с переменным магнитным сопротивлением, имеет величину шага 30 град. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48 - 24 шага на оборот (угол шага 7.5 - 15 град).

Разрез реального шагового двигателя с постоянными магнитами показан на рисунке 1.14.

Рисунок 1.14 - Разрез шагового двигателя с постоянными магнитами

Для удешевления конструкции двигателя магнитопровод статора выполнен в виде штампованного стакана. Внутри находятся полюсные наконечники в виде ламелей. Обмотки фаз размещены на двух разных магнитопроводах, которые установлены друг на друге. Ротор представляет собой цилиндрический многополюсный постоянный магнит.

Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, котрая ограничивает максимальную скорость. Для работы на высоких скоростях используются двигатели с переменным магнитным сопротивлением.

Биполярные и униполярные шаговые двигатели.

В зависимости от конфигурации обмоток двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовывается драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода, смотри рисунок 1.15а.

Рисунок 1.15 - Биполярный двигатель (а), униполярный (б) и четырехобмоточный (в).

Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов, смотри рисунок 1.15б. Иногда униполярные двигатели имеют раздельные 4 обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8, смотри рисунок 1.15в. При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярный двигатель с двумя обмоткими и отводами тоже можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными. В любом случае ток обмоток следует выбирать так, чтобы не превысить максимальной рассеиваемой мощности.

Временные диаграммы работы.

Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза, смотри рисунок 1.14а. Этот способ называют ”one phase on” full step или wave drive mode. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора у незапитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени иcпользуется 50% обмоток, а для униполярного - только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент.

Рисунок 1.16 - Различные способы управления фазами шагового двигателя.

Второй способ - управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Его называют ”two-phase-on” full step или просто full step mode. При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора, смотри рисунок 1.14б и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на полшага.

Третий способ является комбинацией первых двух и называется полушаговым режимом, ”one and two-phase-on” half step или просто half step mode, когда двигатель делает шаг в половину основного. Этот метод управления достаточно распространен, так как двигатель с меньшим шагом стоит дороже и очень заманчиво получить от 100-шагового двигателя 200 шагов на оборот. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две, смотри рисунок 1.14в. В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса. Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент, хотя наиболее совершенные драйверы реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной.

Еще один способ управления называется микрошаговым режимом или micro stepping mode. При этом способе управления ток в фазах нужно менять небольшими шагами, обеспечивая таким образом дробление половинного шага на еще меньшие микрошаги. Когда одновременно включены две фазы, но их токи не равны, то положение равновесия ротора будет лежать не в середине шага, а в другом месте, определяемом соотношением токов фаз. Меняя это соотношение, можно обеспечить некоторое количество микрошагов внутри одного шага. Кроме увеличения разрешающей способности, микрошаговый режим имеет и другие преимущества, которые будут описаны ниже. Вместе с тем, для реализации микрошагового режима требуются значительно более сложные драйверы, позволяющие задавать ток в обмотках с необходимой дискретностью. Полушаговый режим является частным случаем микрошагового режима, но он не требует формирования ступенчатого тока питания катушек, поэтому часто реализуется.

2. Разработка структурной схемы устройства

Современные комплексы автоматизации имеют инструментальную платформу (персональный компьютер и среда программирования) и исполнительную платформу (контроллер с драйверами и операционной системой).

Связь с контроллером осуществляется через сеть Ethernet. Это даёт возможность следить за выполнением программы и вносить в изменения в условия.

Структурная схема системы управления электроприводами станка с ЧПУ, смотри рисунок 2.1. Модули расширения имеют следующие функции:

-        I-8042: Управляет электро-автоматикой станка, а также коммутирует обмотки шаговых двигателей;

-        I-87026: Задаёт скорость шпинделя;

-        I-8090: Контролирует положение шпинделя и подач, посредством фото-импульсного датчика;

-        I-8091: Управление шаговыми двигателями продольной и перечной подачи.

Рисунок 2.1 - Структурная схема системы управления электроприводами станка с ЧПУ

3. Разработка принципиальной схемы управления электроприводами станка с ЧПУ

3.1 Составляющие принципиальной схемы

Принципиальная схема состоит из трёх блоков:

-        Персональный компьютер;

-        Контроллер и блоки расширения;

-        Электроприводы станка.

На рисунке 3.1 представлена схема подключения электро-автоматики станка к модулям расширения контроллера.

Рисунок 3.1 - Схема подключения электроприводов станка к модулям расширения контроллера

3.2 Блок-схемы алгоритмов программ управления

Алгоритм управления приводом постоянного тока показан в блок-схеме, смотри рисунок 3.2.

Рисунок 3.2 - Блок-схема алгоритма управления приводом постоянного тока

Двигатель постоянного тока выполняет следующие функции:

-        Обеспечение оптимальной частоты вращения шпинделя;

-        Вращение шпинделя в обратном направлении.

Алгоритм управления шаговыми двигателями показан в блок-схеме, смотри рисунок 3.3.

Рисунок 3.3 - Блок-схема алгоритма управления шаговым двигателем

Шаговые двигатели выполняют следующие функции:

-        Движение по осям X и Y влево и вправо;

-        Достаточную точность в отсчёте количества шагов.

.3 Программное обеспечение в среде программирования ISaGRAF

На персональном компьютере создаём программу управления шаговыми двигателями и двигателем постоянного тока в среде программирования ISaGRAF.

Шаговые двигатели управляются тремя различными способами:

полношаговый режим с одной включённой фазой;

полношаговый режим с двумя включёнными фазами;

полушаговый режим;

Для проекта нам необходим только режим с одной включённой фазой, смотри рисунок 3.4.

Рисунок 3.4 - Полношаговый режим с одной включённой фазой

Для написания программы используется язык функциональных блочных диаграмм (FBD) - графический язык. Он позволяет программисту строить сложные процедуры, используя существующие функции из библиотеки ISaGRAF и связывая их вместе при помощи графических диаграмм.

На начальной стадии разработки показан простой пример использования RS-триггера. Контактом In устанавливается значение 1 на выходе Q, а контактом Res значение сбрасывается, смотри рисунок 3.5.

Рисунок 3.5 - Пример использования RS-триггера в среде ISaGRAF

На следующем этапе разработки потребовалось подключить к триггеру таймер, чтобы переключение происходило за определённый интервал времени. В соответствии с рисунком 3.6, триггер открывает выход с интервалом в 1 секунду.

Рисунок 3.6 - Подключение таймера к RS-триггеру в среде ISaGRAF.