Современная электроника №7/2022

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 46 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2022 Создание адаптивной системы управления шаговым двигателем Рис. 1. Пример четырёхобмоточного ШД Рис. 2. Пример гибридного двигателя В данной статье описывается создание адаптивной системы управления шаговым двигателем для лазерного станка с ЧПУ. Рассмотрены модель в виде готового блока «Stepper Motor with Control» в пакете Matlab Simulink; модель шагового двигателя на основе системы дифференциальных уравнений и модель на основе формулы определения текущей скорости ШД. Создана адаптивная модель управления шаговым двигателем для лазерного станка ЧПУ с пирометром. Александр Петрушин (alex.petrushin.96@mail.ru) Введение В станках с числовым программным управлением, 3D-принтерах, роботах и прочих системах автоматизации широко используется электропривод на базе шаговых двигателей. Их широ- кое применение, прежде всего в систе- мах позиционного электропривода роботов, обусловлено отличительны- ми особенностями самого шагового двигателя (ШД) как электромеханиче- ского преобразователя энергии, таки- ми как возможность отработки малых дискретных перемещений, отсутствие коллекторно-щёточного узла, а также развитием элементной базы и возмож- ностями современных микропроцес- сорных систем программного управ- ления. Описание шагового двигателя Шаговый электродвигатель (ШД) — это синхронный бесщёточный элек- тродвигатель с несколькими обмотка- ми, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фикса- цию ротора. Последовательная актива- ция обмоток двигателя вызывает дис- кретные угловые перемещения (шаги) ротора [2]. Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки воз- буждения, и ротора, выполненного из магнитомягкого или из магнитотвёр- дого материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют полу- чать больший крутящий момент и обе- спечивают фиксацию ротора при обе- сточенных обмотках (рис. 1). Таким образом, выделяют следую- щие разновидности ШД по конструк- ции ротора: ● с постоянными магнитами (ротор из магнитотвёрдого материала); ● реактивный (ротор из магнитомяг- кого материала); ● гибридный. Гибридные двигатели (рис. 2) соче- тают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротив- лением и двигателей с постоянными магнитами. Адаптивная система управления шаговым двигателем Создана адаптивная система управле- ния шаговым двигателем (рис. 3), состо- ящая из следующих элементов: сам шаговый двигатель, драйвер для управ- ления шаговым двигателем, программ- но-логический контроллер, на который программируется алгоритм действий шагового двигателя. От ПЛК идёт пре- образователь от RS-485 до RS-232, где подключается пирометр к разъёму RS-232, также от ПЛК идёт подключение к панели HMI, где регулируется работа с шаговым двигателем, и ПК, который имеет возможность запрограммиро- вать шаговый двигатель. Компьютерная модель в Matlab Система управления шаговым дви- гателем была собрана по принципу реального управления в шаговом режи- ме с программной обратной связью. Из библиотеки программы была взята готовая модель биполярного шагового двигателя. На рис. 4 представлена схе- ма в общем виде. Эта модель показывает, как исполь- зовать драйвер шагового двигателя и блоки шагового двигателя вместе для реализации управляемого шаго- вого двигателя с постоянным магни- том. Модель предоставляет два вариан- та контроллера: один для управления положениеми один для управления ско- ростью. Чтобы изменить тип контрол- лера, щёлкните правой кнопкой мыши на блоке контроллера, выберите Вари- ант → Переопределить с помощью → и выберите Положение или Скорость. Шаговый двигатель имеет полный размер шага 1,8 градуса. В модели пози- ционного управления входным значе- нием Ref является желаемое количество шагов. В режиме управления скоростью входным значением Ref является жела- емое количество шагов в секунду. Эта модель представляет собой модель системного уровня, подходя- щую для изучения динамики шагово- го двигателя и того, будет ли угол шага скользить при движении заданной нагрузки. Его также можно использо- вать для настройки шагового контрол- лера для улучшения производительно- сти шага. Часто контроллер частично или полностью реализован на готовом модуле шагового контроллера. Альтернатива реализации алгорит- ма на микропроцессоре (например,