Описание функциональной схемы ИШД

Функциональная схема стенда приведена на верхней панели приборного блока. Схема состоит из системы управления с логическим блоком, коммутатора шагового двигателя (ШД), блока индикации и блока питания (рисунок 19).

Система управления предназначена для формирования последовательности им­пульсов, поступающих на коммутатор ШД, в соответствии с режимами возбуждения обмоток - шаговым, полушаговым и микрошаговым.

Блок СБРОС системы управления устанавливает систему в начальное состояние с помощью кнопки SB1.

Логический блок системы управления состоит из регистра сдвига RG, базовых ло­гических элементов НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ и мультиплексоров MS. Блок формирует выходные сигналы QA+,QB+,QA-,QB- для управления ключами коммутатора ШД в шаговом и полуша­говом режимах возбуждения.

Тактовые импульсы Clk поступают на схему восьмиразрядного реверсивного реги­стра RG, который вместе с элементами НЕ образует кольцевой регистр сдвига. Пе­риодически повторяющийся на выходе RG восьмиразрядный цифровой код совме­стно с элементами ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ формиру­ет четырехканальную последовательность импульсов DA+,DB+,DA-,DB- на выходе мультиплексора MS. В соответствии с положением переключателя SA4 эта последо­вательность импульсов соответствует шаговому (рисунок 20) или полушаговому (рисунок 21) режимам возбу­ждения ШД. Реверсирование регистра RG осуществляется переключателем SA1, по­ложение которого определяет направление вращения вала ШД - по часовой (CW) или против часовой (CCW) стрелке.

Рисунок 19. Функциональная схема стенда ИШД

Рисунок 20. Работа логического блока – шаговый режим

Рисунок 21. Работа логического блока – полушаговый режим

Логические уровни, приведенные на рисунках 20 и 21, выводятся на гнезда лицевой панели приборного блока в положении переключателя SA2 «Шаг» в шаговом и полушаговом режимах работы ШД.

Блок КОНТРОЛЛЕР системы управления формирует четырехканальную последо­вательность импульсов MDA+,MDB+,MDA-,MDB-, соответствующую микрошаго­вому режиму возбуждения ШД. Блок формирует также выходной сигнал D_оп в параллельном двоичном коде, поступающий на вход двухканального цифро-аналогового преобразова­теля ЦАП (на схеме для упрощения два канала совмещены в один), с выхода которого опорное напряжение U_оп поступает на коммутатор ШД.

Четырехканальная последовательность импульсов QA+,QB+,QA-,QB-, управляющая ключами коммутатора ШД, поступает с выходного мультиплексора MS логического блока. На вход этого мультиплексора поступают импульсы DA+,DB+,DA-,DB- для реализации шагового и полушагового режимов возбуждения ШД и импульсы MDA+,MDB+,MDA-,MDB- для реализации микрошагового возбуждения ШД. Выбор между этими двумя наборами импульсов осуществляется переключателем SA5.1.

Блок ГЕНЕРАТОР системы управления является источником тактовых импульсов Clk, поступающих на логический блок (на вход регистра RG) и на блок КОНТРОЛ­ЛЕР. Частота тактовых импульсов регулируется потенциометром R «Частота». С помощью переключателя SA2 определяется режим подачи тактовых импульсов -непрерывное вращение или отработка шага. Пошаговое движение осуществляется нажатием на кнопку SB2 «Шаг». С помощью переключателя SA3 осуществляется пуск и останов ШД.

Блок коммутатор ШД обеспечивает выполнение следующих функций: коммутация тока в обмотках ШД с быстрым нарастанием и спадом тока; поддержание заданного значения тока. Блок состоит из транзисторных ключей VT, защитных диодов VD, датчиков тока RS_A и RS_B, датчика тока RS фазы А+, логических элементов 2И, RS-триггеров Т, компараторов DA и генератора ШИМ.

В униполярном шаговом двигателе обмотки имеют отвод от середины, и направле­ние поля меняется путем переключения половинок обмоток первой фазы А+ и А-ключами VT. То же для обмоток В+ и В- второй фазы ШД. Диоды VD служат для ограничения выбросов напряжения, возникающих при коммутации обмоток двига­теля, представляющих собой индуктивности. Коммутация фаз ШД осуществляется транзисторными ключами VT под управлением четырехканальной последовательности импульсов QA+,QB+,QA-,QB-, поступающих через элементы 2И на затворы транзисторов VT.

Максимальная величина тока в обмотках ШД ограничена допустимой мощностью рассеяния фазы двигателя. При увеличении частоты вращения вала двигателя для сохранения величины момента необходимо увеличивать скорость нарастания тока в обмотках путем повышения напряжения питания. При этом ограничение макси­мальной величины тока обмотки может быть выполнено следующими способами: с помощью дополнительного резистора, включенного последовательно с обмоткой; с помощью линейного генератора тока; путем использования двух источников пита­ния; с помощью ШИМ-регулирования. Последний способ получил наибольшее рас­пространение вследствие высокой эффективности: высокая скорость нарастания то­ка в обмотках; простота регулирования; низкие потери; нечувствительность к коле­баниям напряжения питания.

Высокая скорость нарастания тока в обмотках ШД обеспечивается при напряжении источника Un, в несколько раз превышающем номинальное напряжение двигателя. Средние значения напряжения и тока в обмотках поддерживаются путем регулиров­ки скважности импульсов, поступающих на ключи VT. Для этого элементы 2И в це­пях затворов транзисторов VT управляются логическими уровнями, поступающими с выходов RS-триггеров Т. Триггеры устанавливаются импульсами генератора ШИМ, частота которого 20...25 кГц. Стабилизация тока в обмотке ШД происходит в результате действия токовой обратной связи. В процессе коммутации последова­тельно с обмоткой включается резистивный датчик тока (RSa, RSb), падение напря-жения на котором, пропорциональное току в обмотке, поступает на вход компаратора DA. Когда триггер Т устанавливается импульсом от генератора ШИМ, открыва­ется соответствующий ключ VT, и ток фазы начинает расти. Когда ток достигает ус­тановленного значения, определяемого величиной U_оп, компаратор DA переключа­ется, сбрасывая триггер Т, ключ VT выключается, что приводит к падению тока. Ко­гда ток упадет до величины нижнего порога, триггер Т снова устанавливается очередным импульсом с генератора ШИМ, и ключ VT снова включается. Этот процесс повторяется периодически при постоянной частоте коммутации, поддерживая среднее значение тока постоянным. Среднее значение тока фазы ШД определяется величиной опорного напряжения U_оп (рисунок 22). Выбор опорного напряжения U_оп в шаговом, по­лушаговом и микрошаговом режимах производится переключателем SA5.2.

Рисунок 22. Формирование фазного тока ШД в шаговом и полушаговом режимах

Микрошаговый режим возбуждения описан выше, в разделе 4.2 «Коммутация фаз ШД». Управление формированием токов фаз ШД в этом режиме производится блоком КОНТРОЛЛЕР, который выводит четырехканальную последовательность импульсов MDA+…MDB-, соответствующую микрошаговому режиму. При этом опорное напряжение U_оп , поступающее на коммутатор ШД с выхода ЦАП, изменяется блоком КОНТРОЛЛЕР в фиксированные моменты времени, соответствующие величине дробления шага, формируя таким образом синусоидальный фазный ток (рисунок 23). Осциллограмму тока фазы А ШД можно получить на клеммах IфА датчика тока RS коммутатора ШД.

Рисунок 23. Фазные токи ШД в микрошаговом режиме

Блок индикации HG выводит значение частоты управляющих импульсов в Гц, посту­пающих на вход коммутатора ШД (сигналы QA+...QB-) при непрерывном враще­нии ШД, и выводит количество выполненных шагов при каждом нажатии на кнопку SB2 «Шаг».

Блок питания UZ обеспечивает коммутатор ШД напряжением постоянного тока +24В, а также напряжением +5В систему управления и блок индикации.