CC BY
12
УДК 621.313.13-133.32
Коваленко М. А.1, Мацюк Д. С.2
1Канд. техн. наук, асистент кафедри електромеханки, Нац/ональний технiчний ушверситет УкраГни «Кивський
полiтехнiчний нститут», Украина, E-mail: kovalenko_ma@i.ua 2Студент, На^ональний технчний унiверситет Укра'ни «КиТвський полimехнiчний нститут», Украна
АВТОНОМНИЙ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ СТЕНД ДЛЯ ВИПРОБУВАННЯ УН1ПОЛЯРНОГО КРОКОВОГО ДВИГУНА НА БАЗ1
М1КРОКОНТРОЛЕРА
Для вдосконалення, оновлення матерiально-технiчного бази та лабораторного обладнання кафедри елект-ромехатки НТУУ «КП1» розроблено автономний стенд для до^дження характеристик унтолярного кроко-вого двигуна на базi мтроконтролера. Функщональт можливостi стенду дозволяють реалiзовувати три ре-жими керування кроковим двигуном, дев 'ять фiксованих швидкостей, можлив^ть реверсу. Розроблено мето-дичт рекомендацИ для проведення лабораторних робт студентами. Отримано часовi дiаграми розподту струму та напруги в обмотках, знято та побудовано мехашчну характеристику до^джуваного двигуна.
Ключов1 слова: унтолярний кроковий двигун, лабораторний стенд, мЫроконтролер, режими керування.
ВСТУП
Кроковий двигун (КД) з'явився як недорога альтернатива позицшному приводу. При цьому, найбшьш сутте-вою вщмшшстю КД стала простота в управлшш пози-щею валу. Все що потр!бно - це подати iмпульси на обмотки двигуна у правильнш послщовносп, для забезпе-чення обертання валу. На сьогодшшнш день КД устш-но застосовуються в найрiзноманiтнiших пристроях: по-бутовш технщ, оргтехтщ, комп 'ютернш, автомоб!льнш техшщ i т.iн. та обладнаннi спецiального призначення. Основна функцiя КД-перетворення вхiдного електрич-ного сигналу у механiчне перемщення ротора.
Матерiально-технiчна база кафедри електромехатки, в умовах фактично! вiдсугностi фшансування з боку дер-жави i з врахуванням тяжкого економiчного становища, застар!вае. Бiльшiсть iз наявних стендiв для дослвдження характеристик мiкромашин та безконтактних машин морально застарша i потребуе оновлення. Поруч з тим, бшьшють обладнання вщпрацювало термш безвщмов-но! роботи i працюе понад норму. Це приводить до рап-тового виходу обладнання стенда з ладу та зриву навчаль-ного процесу.
Модернiзацiя лабораторно! бази вищих навчальних техшчних закладiв електромеханiчного спрямування за участю студентiв необхвдна розвитку та тдтримки висо-кого науково-технiчного рiвня пiдготовки майбутнiх фахiвцiв, а також тдтримки у належному станi обладнання для практичних та лабораторних занять. Залучен-ня студентiв ВУЗiв до практично! роботи по розробщ та модертзацп обладнання пiдвищуе загальний рiвень пiдготовки студентiв-електромеханiкiв, дозволяе опану-вати навички пiдбору, монтажу, налагодження та обслу-говування сучасного обладнання.
Розробка стендiв для електричних машин мало! по-тужносп потребуе менших матерiальних витрат, так! стен-ди е енергоефективними, осшльки споживають невели-ку к1льк1сть електрично! енергi!. Тому оновлення лабораторного обладнання доцшьно розпочинати !з стендiв
© Коваленко М. А., Мацюк Д. С., 2015
для електричних машин мало! потужносп. Основою таких стендiв повинт бути сучасш технологи: цифров! при-стро! та перетворювач!, що виконують функцп регулятора, комутацл та захисту.
Метою роботи е розробка автономного експеримен-тального стенду для дослщження характеристик уншо-лярного крокового двигуна типу ПБМГ - 200 на баз! мжро-контролера з метою оновлення та модершзацп матерь ально-техшчно! бази лабораторш на баз! доступних за-соб!в та систем. А також оновлення навчально-методич-ного забезпечення для навчання студенпв напрямку «Електромехатка».
Розробщ автономних схем керування КД присвяче-но велика кшьюсть робгт як вичизняних [ 1-3] так ! закор-донних вчених [4, 5]. В основному, сучасш схеми керування КД побудоваш на використанш мжропроцесор-но! техтки у сукупносп !з ПЕОМ. Так1 стенди мають ряд суттевих недол1к1в пов'язаних !з: великою варпстю; при-в'язка до певного типу КД; недовикористання мжропро-цесору.
Актуальним напрямком е оновлення матер!ально-техшчно! бази лабораторш мжромашин (також загаль-но! лабораторп електричних машин) та розробка нових компактних, недорогих, надшних та простих у користу-ванш лабораторних стенда.
Розробка стенду неможлива без анал!з!в основних переваг та недолшв КД. До переваг КД ввдносяться:
- немае необхвдносп у зворотному зв 'язку, що знач-но спрощуе систему драйвера;
- точтсть позицюнування ! повторюватсть, помил-ка не накопичуеться в!д кроку до кроку;
- швидкий старт, реверс;
- можливють отримання низьких швидкостей;
- висока надайшсть;
- наявшсть фжсуючого моменту.
Недолшами КД е:
- споживають номшальну потужшсть, навиъ без навантаження;
- можливий пропуск кроку;
- притаманне явище резонансу;
- складносп керування на високих швидкостях.
Конструктивно КД даться на три типи [2]: 1) Реак-
тивнi; 2) КД iз постiйними магнiтами; 3) Пбридт КД.
Головною умовою створення стенду для КД е неви-сока вартiсть як окремих його елеменпв (системи керування, КД, силово! частини). В якостi об'екту керування взято унiполярний чотирьохфазний КД типу ПБМГ - 200, що використовувався для приводу гнучких магштних накопичувачiв 5,253 . Даний двигун дорожчий шж реак-тивнi КД та КД iз постiйними магнитами, але забезпечуе меншу величину кроку, бшьший момент i вищу швидюсть. Типова к1льк1сть крок1в для йбридних двигутв складае 100 - 400 кроюв на один оберт (кут кроку 3,6 - 0,9 градуав). Даний двигун конструктивно вiдноситься до пбридного типу КД. Конструкц1я дослвджуваного двигу-на приведена на рис. 1.
На рис. 1 показано: 1 - постшний магнiт; 2 - магнитне осердя ротора; 3 - обмотки статора КД; 4 -магттне осер-дя статора; 5 - тдшипники; 6 - mдшипниковi щити.
В табл. 1 наведено деяш номiнальнi параметри КД типу ПБМГ - 200.
Схема розташування (маркування) обмоток дослiд-жуваного КД приведена на рис. 2.
Параметри та характеристики КД визначаються способом комутацп обмоток. Розрiзняють чотири способи комутацп обмоток КД:
- Повнокроковий режим без перекриття фаз;
Таблиця 1 - параметри КД ПБМГ - 200
№ Параметр Величина
1 Кут повороту на один крок 1,80
2 Юльюсть кроюв за повний оберт валу 200
3 Напруга живлення 12^24 В
4 Отр обмоток 70 Ом
5 Споживаний струм 0,17 А
6 Частота приемистосп 52 к№
- Повнокроковий режим з перекриттям фаз;
- Нашвкроковий режим;
- Мжрокроковий режим.
При повнокроковому режимi без перекриття фаз в один момент часу живиться одна фаза двигуна. Характерною рисою повнокрокового режиму з перекриттям фаз е те, що одночасно живляться двi сум1жш фази i ротор зупиняеться не навпроти полюсiв, а в промiжному положеннi мiж ними. Нашвкроковий режим е комбша -щею двох вищеназваних, тобто ротор зупиняеться як навпроти полюав, так i в промiжному положент мiж ними. В мiкрокроковому режимi можна досягти будь -якого положення ротора мiж сусiднiми полюсами.
Митпеш значення напруги живлення в кожнш фазi при повнокроковому режимi з перекриттям фаз показано на рис. 3.
Будь яка схема керування КД складаеться з двох час-тин: системи керування та силово! частини. 1снуе чотири принципових схеми керування КД, яш базуються на:
1. Лопчних елементах;
2. Мiкроконтролерах;
3. Мжропроцесорах;
4. Коп'ютерному керуваннi.
Будь-який варiант виконання системи керування КД мае сво! переваги та недолiки. Першочерговим завдан-
Рисунок 2 - З'еднання обмоток уншолярного КД
Рисунок 3 - Миттев1 значення напругиживлення обмоток в
Рисунок 1 - Конструкщя пбридного уншолярного КД повнокроковому режим1 з перекриттям фаз
ням е обгрунтування вибору схеми керування КД. Вибiр схеми проводиться методами лшшного програмування, а саме методом багатокрш^ального вибору [6]. Виз-начимо критерп вибору:
1. - к1нцева варт1сть схеми;
2. Я2 - гнучк1сть схеми (варiативнiсть параметрiв, режимiв, можливiсть реал1заци зворотних зв'язк1в, керування рiзними типами та габаритами КД i тлн.);
3. Я3 - простота реалiзацi! (доступнiсть елементiв, простота схеми та монтажу).
Для реал1зацп алгоритму багатокрш^ального вибору необхiдно задатись ваговими коефiцiентами кожного критерiю на основi експертно! оцiнки:W1 = 0,5 - варт1сть схеми; W2 = 0,2 - гнучшсть схеми; W3 = 0,3 - простота
схеми. Для спрощення подачi матерiалу методика роз-рахунку не приводиться. Оптимальною схемою е схема на мжроконтролерг
Принципова електрична схема системи керування та силово! частини (драйвера) приведена на рис. 4.
Структурно схема складаеться i3 двох частин: системи керування КД та драйвера.
Основою системи керування е доступниймжроконт-ролер компани Atmel ATtiny2313. Основою драйвера КД (силова частина) е кремнiевi транзистори КТ972а (за-кордонний прототип BD876). Номшальний струм колек-тора транзистора складае Н"2 А, що забезпечуе необхвд-ний запас по струму i дозволяе випробовувати бiльшiсть сершних унiполярних КД.
Рисунок 4 - Схема електрична принципова Таблиця 2 - специфжащя елеменив схеми
№ Назва елементу Юльюсть, шт.
1 Мжроконтролер ATTINY 2313 1
2 Мжрокнопка тактова 6х6х2.5мм 5
3 Конденсатор 100 нФ 1
4 Конфенсатор 470 пФ 1
5 Конденсатор 33 пФ 1
6 Конденсатор 3 нФ 1
7 Резистор 10 кОм 1
8 Резистор 660 Ом 3
9 Резистор 1 кОм 4
10 Резистор 200 Ом 1
11 Дюд 1n4006 6
12 Стабтзатор напруги 7805 1
13 Транзистор КТ972а 4
14 Кмемники 2
Рисунок 5 - Змонтована схема
Представлена на рис. 4 схема контролера дозволяе керувати будь-якими уншолярними (5-6 провод!в) КД в р!зних режимах швидкостей ! кроку. Перевагою контролера е його автономшсть, не потр!бно забезпечувати штерфейс !з комп'ютером, дана схема працюе повтстю автономно.
Специфтащя елеменпв схеми приведено в табл. 2.
На рис 5: 1 - кнопки для керування КД та режимами; 2 - мжроконтролер ЛТшу2313; 3 - !ндикатори режиму роботи; 4 - драйвера, транзистори типу КТ972а; 5 -подключения живлення та обмоток КД.
Схема дозволяе реал!зувати три режими керування КД: повнокроковий режим без перекриття фаз; повнок-роковий режим з перекриттям фаз; нашвкроковий режим. Про роботу кожного з них сигнал!зуе вщповщний свгтловий шдикатор 3 (рис. 5).
Кнопки для керування передбачають (зверху до низу, рис. 5, 1): обертання за годинниковою та проти годинни-ково! стршки; дев'ять фжсованих швидкостей; виб!р од -ного !з трьох режишв керування; мшрокроковий режим.
Ва характеристики КД отримат на експерименталь-ному макет! стенду, побудованого на основ! змонтовано! схеми. Загальний вигляд макету експериментального стенду для дослвдження уншолярного КД показано на рис. 6.
На рис. 6: 1 - iмпульсний блок живлення для драйверу та системи керування КД; 2 - схема керування та драйвер КД; 3 - уншолярний КД ПБМГ - 200; 4 - навантажу-вальний генератор поспйного струму i3 постшними маг-нiтами (низько швидк1сний); 5 - навантажувальний реостат генератора постшного струму.
Швидк1сть обертання КД вимiрювалась стробоскот-чним методом i для спрощення на рис. 6 не показана. В подальшому, плануеться забезпечити стенд цифровим давачем швидкосп обертання i3 iндикатором.
На рис. 7 показано осцилограми струмiв в обмотщ КД при швидкостi обертання КД 45 об/хв. Та повнокро-ковому режиму керування без перекриття фаз.
Шки струму 1 (рис. 7) вщповщають сигналам керування i подачi напруги на обмотку. Середне значення струму складае ~ 0,163 А. Сплески струмiв 2 на осцилог-рамi вiдповiдають зворотнiм струмам, що пропкають в момент коли тиристор закритий. Ц струми компенсу-ються зворотними вентилями VD1-VD4 (рис. 4).
При збшьшенш швидкостi обертання ампл^да iмпульсiв струму знижуеться, але збшьшуеться ïx частота (рис. 8.)
Осцилограма на рис. 8 отримана для повнокроково-го режиму керування без перекриття фаз.
Рисунок 6 - Макет експериментального стенду
Рисунок 7 - Осцилограма струму в обмотщ при швидкост 45 об/хв
На рис. 9 показано осцилограми струмiв у фазi «А» та «В» при повнокроковому режимi iз перекриттям фаз на 0,5Т при швидкосп 45 об/хв.
Однiею iз причин спотворення осцилограм струмiв при навантажент е те, що джерелом живлення для досл-iджуваного КД е iмпульсний блок живлення. При засто-суваннi в якостi джерела живлення акумуляторно! бата-ре1, генератора постшного струму чи нашвпровщнико-
Рисунок 8 - Осцилограма струму в обмотщ КД при швидкосп 160 об/хв.
Рисунок 9 - Осцилограми струм1в при повнокроковому режим! ¡з перекриттям фаз
вого випрямляча ¡з фшьтром форма напруг та струм!в стае бшьш «чистою».
За допомогою навантажувального генератора отрима-но мехашчт характеристики КД для двох режимв керування: повнокрокового без перекриття фаз та повнокрокового ¡з перекриттям фаз. Результат показано на рис. 10.
На рис. 10: 1 - мехашчна характеристика при повнокроковому режим! ¡з перекриттям фаз; 2 - мехашчна характеристика при повнокроковому режим! ¡з без перекриття фаз.
1з результапв видно, що при комутацп обмоток КД ¡з перекриттям ¡мпульав напруги, забезпечуеться бшьша величина мехашчного моменту ~ 1,4 рази, що коре-люеться ¡з вщповвдними теоретичними вщомостями.
ВИСНОВКИ
Розроблено експериментальний стенд для дослвджен-ня характеристик уншолярного КД на баз! мжроконтро-лера. Перевагами стенду е його простота, надшшсть, невисока варпсть та можливють розширення функцю-нальних можливостей при невисоких затратах. Розроб-лений стенд дозволяе випробовувати КД будь-яко! по-тужносп при р!зних режимах керування. Використання стенду дозволяе модершзувати лабораторне обладнан-ня учбового закладу та тдвищити яшсть шдготовки фах1вщв напряму « Електромехатка».
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Ситников А. В. Стенд для управления шаговым двигателем / Ситников А. В. Ажгиревич И. Л., Пущин А. В. // Инженерный вестник. - 2014. - №5. - С. 501 - 509.
2. Емельянов А. В.Шаговые двигатели: учеб. пособие/ А. В. Емельянов, А. Н. Шилин // ВолгГТУ - Волгоград, 2005. - 48 с.
3. Douglas W. Jones Control of Stepping Motors /W. H. Yeadonand A. W. Yeadon // A Tutorial. - McGraw-Hill, 2001. - 256 р.
4. Осадчий В. В. Лабораторный стенд для исследования алгоритмов микропроцесорных систем управления шаговыми двигателями / Осадчий В. В., Назарова Е. С., тоболкин С. Ю. // Електромехатчш системи та автоматизащя. - 2014. - №1. - С. 159 - 161.
5. Н. Yeadon and Alan W. Yeadon. Handbook of Small Electric Motors William / McGraw-Hill, 2001. - 187 р.
6. Зайченко Ю. П. Дослщження операцш: тдручник / Ю. П. Зайченко. - 7-ме вид., перероб. та доп. - Кт'в : Слово, 2006. - 816 с.
Стаття надiйшла до редакцИ' 29.10.2015
50 100 150 200
Рисунок 10 - Мехашчна характеристика КД
Коваленко М. А.1, Мацюк Д. С.2
1К.т.н., ассистент кафедры электромеханики, Национальный технический университет «Киевский политехнический институт», Украина
2Магистр кафедры электромеханики, Национальный технический университет «Киевский политехнический институт», Украина
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УНИПОЛЯРНОГО ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
Для усовершенствования и обновления материально-технического базы, а также лабораторного оборудования кафедры электромеханики НТУУ «КПИ» разработан автономный стенд для исследования характеристик униполярного шагового двигателя на базе микроконтроллера. Функциональные возможности стенда позволяют реализовывать три режима управления шаговым двигателем, девять фиксированных скоростей, возможность реверса. Разработаны методические рекомендации для проведения лабораторных работ студентами. Получены временные диаграммы распределения тока и напряжения в обмотках, снята и построена механическая характеристика исследуемого двигателя.
Ключевые слова: униполярный шаговый двигатель, лабораторный стенд, микроконтроллер, режимы управления.
KovalenkoM. A.1, Matsjyk D. S.2
1PhD in Technical Sciences, assistant, electromechanics department ofNational Technical University «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine
2Magister, electromechanics department of National Technical University «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine
EXPERIMENTAL TEST BENCH FOR STUDIES OF UNIPOLAR STEPPING MOTOR BASED ON MICROCONTROLLER
For updating the material, technical base and laboratory equipment of the department ofNTUU«KPI» the autonomous test bench for unipolar stepping motor characteristics studies which based on microcontroller is designed. Functional capabilities of the bench allow to realize three control modes of stepping motor, nine fixedfunctional speeds and reverse ability. The methodological recommendationsfor carrying students laboratory research are developed. The time-dependent diagrams for current and voltage distribution in step motor windings are given and the speed-torque characteristic of unipolar step motor is shown and obtained.
Keywords: unipolar step motor, test bench, microcontroller, control modes.
REFERENCES
1. Sitnikov A. V, Azhgirevich I. L., Pushhin A. V. Stend dlj aupravlenija shagovym dvigatelem, Inzhenernyj vestnik, 2014, No 5, pp. 501-509.
2. Emel'janov A. V., Shilin A. N. Shagovye dvigateli: ucheb. Posobie. Emel'janov, VolgGTU, Volgograd, 2005, 48 s.
3. Douglas W., Yeadon A. W. Jones Control of Stepping Motors. A Tutorial, McGraw-Hill, 2001, 256 s.
4. Osadchij V. V., Nazarova E. S., Tobolkin S. Ju. Laboratornyj stend dlja issledovanija algoritmov mikroprocesornyh sistem upravlenij ashagovymi dvigateljami. Elektromehanichni sistemi ta avtomatizacija. 2014, No 1.pp. 159-161.
5. H. Yeadon and Alan W. Yeadon. Handbook of Small Electric Motors William. McGraw-Hill, 2001, 187 s.
6. Zajchenko Ju. P. Doslidzhennja operacij: pidruchnik 7-me vid., pererob. Tadop, Kiiv :Slovo, 2006, 816 s.
