Коммутация фаз ШД

По способам управления фазами различают биполярные и униполярные ШД, в которых изменение направления магнитного поля в фазах осуществляется разными способами. Схемы управления фазами получили название драйверы ШД, соответственно различают драйверы биполярных и униполярных ШД.

Биполярный двигатель имеет две одинаковых обмотки. Чтобы изменять направления магнитного поля в фазах, драйвер такого двигателя должен переполюсовывать приложенное к обмоткам напряжение. Каждая обмотка подключена к мостовой схеме управления (полный Н-мост, рисунок 5), которая меняет полярность напряжения на выводах обмотки и, таким образом, направление тока в обмотке. Управление транзисторными ключами моста осуществляется логическими схемами, входящими в состав специализированного контроллера ШД, выполняемого обычно в интегральном исполнении.

Рисунок 5. Схема включения фаз биполярного ШД

Униполярный двигатель (используется в данной работе) содержит две одинаковых бифилярных обмотки, причем каждая обмотка имеет средний вывод, который подключен к одному полюсу источника питания. Два других вывода каждой обмотки поочередно подключаются к другому полюсу источника с помощью транзисторных ключей (рисунок 6). Таким образом меняется направление магнитного поля, создаваемого обмотками каждой фазы. Схема драйвера униполярного ШД проще – содержит четыре транзисторных ключа. Управление транзисторными ключами осуществляется логическими схемами контроллера униполярного ШД.

Рисунок 6. Схема включения фаз униполярного ШД

В отличие от биполярных двигателей, униполярные ШД создают меньший момент при тех же габаритах двигателя, так как в каждый момент времени используется только половина обмотки фазы. К достоинствам униполярных ШД можно отнести наличие более простой схемы управления.

Существует три способа управления фазами ШД: шаговый, полушаговый и микрошаговый. Причем шаговый способ делится на однофазный шаговый и двухфазный шаговый.

Однофазный шаговый способ реализуется поочередным включением обмоток каждой фазы (таблица 1, рисунки 7 и 8). В каждый момент времени включена только одна фаза, поэтому, по сравнению с другими способами управления, данный способ обеспечивает минимальное потребление энергии и меньшую величину момента. Имеет наибольшую точность позиционирования ротора.

Таблица 1 - Последовательность возбуждения фаз – однофазный шаговый

Рисунок 7. Однофазный шаговый способ возбуждения

Рисунок 8. Последовательность подачи импульсов при однофазном

шаговом способе возбуждения

Двухфазный шаговый способ реализуется поочередным включением пар двух смежных фаз (таблица 2, рисунки 9 и 10). Вследствие одновременного включения двух фаз момент увеличивается примерно в √2 раз. Шаговый угол такой же, как при однофазном способе управления.

Таблица 2 - Последовательность возбуждения фаз – двухфазный шаговый

Рисунок 9. Двухфазный шаговый способ возбуждения

Рисунок 10. Последовательность подачи импульсов при двухфазном

шаговом способе возбуждения

Полушаговый способ управления совмещает в себе однофазный и двухфазный способы управления (таблица 3, рисунки 11 и 12). В результате шаговый угол становится вдвое меньше, число шагов за оборот удваивается. Характеризуется неравномерностью момента вследствие переключения между однофазным и двухфазным способами управления. Данный способ позволяет уменьшить явление резонанса.

Таблица 3 - Последовательность возбуждения фаз – полушаговый

Рисунок 11. Полушаговый способ возбуждения

Рисунок 12. Последовательность подачи импульсов при полушаговом

способе возбуждения

Микрошаговый способ управления используется для получения меньших значений шагового угла и более плавного движения при переходе от шага к шагу. В большинстве случаев микрошаговый режим позволяет уменьшить шум при работе ШД и избежать проблемы резонанса. Современные схемы драйверов микрошагового режима обеспечивают дробление шага до 1/200 полного шага.

Шаговый двигатель может работать как синхронный электродвигатель в режиме непрерывного вращения. Для этого токи его фаз должны быть синусоидальными, сдвинутыми друг относительно друга на 90 градусов (рисунок 13).

Рисунок 13. Токи фаз ШД в режиме синхронного электродвигателя

В соответствии с синусоидальной формой тока при вращении поля ротор плавно поворачивается от полюса к полюсу. При этом результирующий момент будет постоянен для любого угла поворота ротора вследствие очевидного соотношения: sin²a + cos²a = 1. Результирующий момент:

,

где М_а и М_b – момент, создаваемый токами фаз А и В соответственно.

Таким образом, в режиме синхронного электродвигателя вращение ротора плавное, момент имеет постоянную величину, но в таком режиме работы ШД исчезает понятие «шаг».

Если же в фиксированные моменты времени установить заданное соотношение токов в фазах, то ротор можно зафиксировать в любой произвольной позиции. Для этого в схеме коммутатора ШД (см. «Описание функциональной схемы ИШД, рисунок 17), работающего в режиме ключевого источника тока, опорное напряжение U_ОП формируется блоком КОНТРОЛЛЕР и цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). При этом ток в фазах ШД устанавливается в фиксированные моменты времени в соответствии с величиной U_ОП, а задачу синхронизации фазных токов по уровню и по фазе для получения синусоидальной формы тока берет на себя блок КОНТРОЛЛЕР. В результате ток в обмотке приобретает дискретный характер в соответствии с заданной величиной дробления шага (рисунок 14).

Рисунок 14. Ток в фазе ШД в микрошаговом режиме управления

Перечислим преимущества микрошагового режима:

· плавное вращение ротора ШД;

· уменьшение шума при работе ШД;

· уменьшение явления резонанса;

· способность ШД заменить механический редуктор.