Управление в разработанном приводе

Анализируя все недостатки схемы стабилизации тока ПШД5/80, изложенные в предыдущем разделе, была разработана новая схема. Здесь питание двигателя осуществляется только от 80 V источника напряжения. Благодаря этому мы избегаем переходного процесса переключения с 80 V питания на 6 V. Также, источник питания разработанного привода становится проще в изготовлении потому, как не используется силовая низковольтовая составляющая напряжением 6V. Принципиальная схема нового источника стабилизации тока в обмотке изображена на рисунке 10. Для управления током, здесь используются два ключа, выполненные на полевых транзисторах средней мощности IRF530n, фирмы International Rectifier (VT1 и VT2 на рисунке). Управление этими ключами осуществляется от специализированного драйвера IR2113, этой же фирмы. Драйвер управляется программируемой логической матрицей EPM7128SLC84, фирмы Altera. Так в режиме наращивания тока в фазу, оба ключа VT1 и VT2 – замкнуты (транзисторы находятся в открытом состоянии). При этом фаза двигателя оказывается включенной, через шунт R₁ на питание 80 V. Как известно из предыдущего раздела, ток в фазе, при этом, начинает быстро возрастать. При этом значение тока мы отслеживаем по падению напряжения на шунте R₁, вводя обратную связь, с него, на логическую матрицу. При достижении током заданной величины, происходит размыкание форсажного ключа (запирается транзистор VT1). Таким образом, фаза двигателя оказывается, замкнута через цепь, включающую диод D1, шунты R₁ и R₂, а также, транзистор VT2. В этой цепи имеется малое активное сопротивление:

R_а = R₁ + R₂ + R_D1 + R_ф + R_VT2,

где R₁ = R₂ = 0.1 Ω, R_ф = 1 Ω – активное сопротивление фазы двигателя. В данной схеме в качестве диодов использовались диоды Шотки – 50QS100, ввиду малого времени восстановления, а в качестве транзисторов – IRF530n, ввиду малого сопротивления стока – истока в открытом состоянии. Их параметры: R_D1 = 0.1 Ω – активное сопротивление диода D1, R_VT2 = 0.1 Ω – сопротивление стока – истока открытого полевого транзистора. Таким образом, R_а = 1.4 Ω.

Используя такую стабилизацию тока, мы можем поддерживать не только 3 А в фазе двигателя, но и любой другой, прграммируемый нами ток. Это основное отличие новой схемы стабилизации тока. Ведь в существующем приводе можно было поддерживать ток в обмотке равный только 3А. Таким образом, появилась возможность управлять током в фазе не в виде квазипрямоугольной зависимости, от времени, как в ПШД5/80, а в виде запрограммированной в логической матрице, зависимости. В разработанном приводе была выбрана трапецеидальная зависимость из – за простоты реализации. То есть, если режим накачки тока в обмотке мы разобьём на n тактов, в каждом из которых ток у нас сначала будет возрастать на I₀ / n, от предыдущего значения, а далее, стабилизироваться на этом значении. За n тактов ток в обмотке вырастет до значения I0, по квазилинейной зависимости от времени. Понятно, что чем ни больше n, тем наша зависимость сильнее приближаемся к линейной. Крутизной этой зависимости можно управлять, меняя частоту тактов. Аналогично получается квазилинейная зависимость снижения тока в обмотке, разбив на n тактов, в каждом из которых ток снижается на I₀ / n, от предыдущего значения, и далее, стабилизируется до окончания такта. Используя одинаковое число тактов, при нарастании и спаде тока, мы выполняем управление током в фазе по равнобокой трапецеидальной зависимости. Такое управление позволяет выполнить поворот ротора двигателя более плавно. В старом приводе, при подаче в фазу двигателя квазипрямоугольного тока, ротор совершал рывок, и при этом он мог перескочить, по инерции, на следующее устойчивое положение, по отношению к зубцам статора, и вернуться обратно. Вследствие этого, при малых нагрузках, наблюдался колебательный вид отработки шага. Поэтому, в старом приводе применялось механическое демпфирование для гашения рывков ротора, которое представляло собой добавление механической нагрузки на ротор в виде трения. Использование такого демпфера приводило к ухудшению динамических параметров двигателя (из – за большего момента инерции ротора). В нашем же случае, рывок ротора разбивается на n, разнесённых во времен рывков, с амплитудой в n раз меньшей. Таким образом, подобрав соответствующее n, исходя из характеристик системы, для которой применяется шаговый двигатель, мы можем отказаться от механического демпфера, тем самым, повысив старт – стопные параметры двигателя.

Схема трапецеидального управления током, в фазе двигателя, была смоделирована на компьютере, с помощью программы нелинейного моделирования Nl. Результат этого моделирования приведён на рисунке 11. Здесь скорость вращения ротора пропорциональна частоте генератора импульсов, потому как период этого генератора равен времени отработки такта увеличения (уменьшения или стабилизации) тока в фазе.

Включение форсажного и удерживающего ключей разнесено во времени. Сделано это потому что, например, в ситуации одновременного открывания форсажного ключа и запирания удерживающего привело бы в неопределённость определения тока логическим управлением привода. Так, например, удерживающий ключ размыкается по спадающему фронту импульса генератора, а форсажный замыкается по нарастающему.

Основным преимуществом новой схемы управления током в фазе является то, что появляется возможность выполнить дробление шага двигателя. То есть, если мы рассмотрим зависимости токов от времени, во всех шести фазах сразу, и выберем некоторый момент времени τ, и зафиксируем токи в фазах такими, как показано на рисунке, то мы остановим ротор двигателя в положении, не кратном шагу дискретизации двигателя. То есть, если со старым приводом ПШД5/80 минимальный угол, на который мог совершить поворот ротор ШД5 – го, составлял ³/₂ º, то при таком фиксировании токов мы можем остановить ротор в положении ³/₄ º, ³/₈ º, в зависимости от степени дробления шага. Появление возможности, выполнить дробление шага, связано с тем, что новая схема управления током в фазе двигателя может стабилизировать любой (в рамках разумного) ток, а не только 3 А, как в ПШД5/80. Как видно на рисунке 12, в фазах 1 и 3 токи не равны ни 0 А, ни 3 А. При этом устойчивое положение ротора будет не посередине зубцовых делений, как просто при включении фаз 4 – 5 – 6, а будет отставать, от этого положения на ³/₈ º, ввиду того, что ротор ещё тянут к себе фаза 1, с моментом ¾, от максимально – возможного, а также фаза 3 с моментом ¼.

В новом приводе будет использоваться дробление шага на четыре. В связи с этим, точность отработки угла улучшена в четыре раза. Тем более что динамические характеристики, при этом, хуже не стали. Ведь максимальная скорость, с которой может вращаться ротор, определяется скоростью нарастания тока в фазе двигателя, которая, в свою очередь, определяется напряжением питания фазы (скорость пропорциональна напряжению). При переходе к предельной скорости вращения, силовой момент ротора начинает снижаться из – за того, что ток в фазе не успевает нарастать. Ясно, что предельная скорость вращения будет определяться суммарным временем нарастания и спада тока в фазе двигателя. Таким образом, максимальную циклическую частоту вращения ротора можно определить, как

2π                   2π                          τ                  

ωmax = –  (9), где Тmin = – Тшага.min;           Тшага.min = –.

Тmin               α₀                                      k

Тmin – минимальное время, за которое ротор успевает выполнить один оборот, вокруг своей оси, без потери шага. Тшага.min – минимальное время, за которое ротор успевает выполнить поворот на угол α₀ = 1.5 °. Нетрудно заметить, что Тшага.min пропорционально минимальному времени включения питания, на фазу двигателя – τ, при котором ток успевает возрасти до максимально – программируемого значения – 3 А. Отношение числа тактов, при которых фаза находится под напряжением, к общему числу тактов, приходящихся на один период шага двигателя – k (определяется из схемы коммутации); τ ровно времени нарастания тока, от 0 А до значения 3 А, плюс времени спада тока, от 3 А до 0 А. Значит, зная τ и k, мы можем вычислить ωmax по формуле:

              kα₀                  α₀ k     

ωmax = –,       a fmax = – – (10)

              τ                      2π τ

Формула получена путём подстановок Тmin и Тшага.min в формулу (9). Старая схема коммутации фаз двигателя (в приводе ПШД5/80) отличается от новой (в рассматриваем приводе) именно величиной k. Так для старой схемы: (12 – 123 – 23 – 234 – 34 – 345 – 45 – 456 – 56 – 561 – 61 – 612) – kпшд5/80 = 5 / 12 (видно, что любая из фаз включается 5 раз за весь период, равный 12 – и включениям); в новой – knew = 18 / 24 (определяется по рисунку 12). Таким образом, в новом приводе максимальная скорость (частота) вращения ротора двигателя возрастает на 80%, по сравнению со старым приводом (оценка получена из формулы 10).