Diseño de sistema de control automático de motor paso a paso basado en microcontrolador
El ángulo de paso es de 1,5° o 3°
El modelo de motor paso a paso conocido es 36BF003 (motor paso a paso trifásico), el voltaje nominal de la fase de trabajo es 27 V y la corriente de fase El valor nominal es 1,5 A, el par de retención es 78 mN-my el ángulo de paso es 1,5°/3°.
Aplicar el software Protel99SE y simular la placa PCB.
Palabras clave: motor paso a paso; circuito amplificador de potencia; TWH8751; Protel99SE
Contenido
I. .................. ................................. ... ....Página 2
II. Principio de funcionamiento del motor paso a paso................. ............. ................................................. ...Página 2
3. Diagrama de bloques de composición del sistema del motor paso a paso....... ................................. 5 páginas
4. Diseño del circuito unitario...... ................................. ................ .............Página 6
V. Diseño del circuito de alimentación del motor paso a paso .................................. . ..Página 8
VI.Resultados experimentales de simulación y Protel................. ........................................ Página 9
7. Introducción al software Protel99SE................................. ..... ........................Página 10
VIII. ..... ................................................. ................................................ ...... ...Página 11.
IX Referencias......................... ................................................. ............. ........ ........ Página 12
I. Propósito y significado del diseño:
1) Comprender la estructura y el principio de funcionamiento del motor paso a paso.
2) Dominar los métodos de diseño y las habilidades de depuración de sistemas de control de motores paso a paso.
3) Capacidad para utilizar software de simulación de circuitos para la depuración de circuitos.
Contenido del diseño del sistema de control de accionamiento del motor paso a paso
2. Principio de funcionamiento del motor paso a paso
. Un motor paso a paso es un elemento de control de bucle abierto que convierte señales de impulsos eléctricos en desplazamiento angular o desplazamiento lineal. Cuando no hay sobrecarga, la velocidad del motor y la posición de parada solo dependen de la frecuencia y la cantidad de pulsos de la señal de pulso y no se ven afectadas por los cambios de carga. Es decir, si se agrega una señal de pulso al motor, el motor lo hará. girar en un ángulo escalonado. La existencia de esta relación lineal, sumada a las características del motor paso a paso de que solo tiene errores periódicos y no errores acumulativos. Por tanto, en el campo del control de velocidad y posición, es muy conveniente utilizar motores paso a paso para el control.
Aunque los motores paso a paso se han utilizado ampliamente, no se pueden utilizar en la vida diaria como los motores de CC y CA normales. Debe utilizar un sistema de control compuesto por señales de pulso de doble anillo y circuitos de accionamiento de potencia. Por tanto, no es fácil hacer un buen uso de los motores paso a paso. Implica muchos conocimientos profesionales como mecánica, motores, electrónica e informática. En la actualidad, hay muchos fabricantes que producen motores paso a paso, pero hay muy pocos fabricantes con personal profesional y técnico que puedan desarrollarlos y desarrollarlos ellos mismos. La mayoría de los fabricantes solo tienen de una a veinte personas y ni siquiera tienen el equipo más básico. Sólo puede ser en la etapa de imitación ciega. Esto trae muchos problemas a la selección de productos y al uso de máquinas domésticas. Con base en la situación anterior, decidimos tomar como ejemplo el motor subpaso a paso de inducción de gran ancho. Introduzca su principio básico de funcionamiento. Espero que sea útil para la mayoría de los usuarios en términos de selección de modelos, uso y mejora general de la máquina.
Los generadores trifásicos son principalmente generadores síncronos de CA trifásicos. Su rotor suele ser una bobina de excitación de CC generada por un electroimán, que proporciona un campo magnético para que funcione el generador. El estator es un devanado de CA trifásico (un grupo de bobinas conectadas de acuerdo con una determinada regla se llama devanado), que se encuentran en un ángulo eléctrico de 120 grados entre sí en el espacio.
Cuando el rotor de un generador síncrono trifásico y de CC impulsado por un motor primario gira, el campo magnético del rotor provoca un movimiento relativo a los devanados trifásicos del estator y a los devanados trifásicos del El estator induce corriente alterna trifásica. Al ajustar el tamaño de la bobina del rotor con corriente continua, se puede cambiar la magnitud del voltaje del devanado trifásico del estator. Al cambiar la velocidad del motor primario, se puede cambiar la frecuencia del voltaje del devanado trifásico del estator. ser cambiado.
Figura 1
1. Estructura: Como se muestra en la Figura 1, hay muchos dientes pequeños distribuidos uniformemente en el rotor del motor. Hay tres resistencias de devanado de excitación en los dientes del estator y. sus ejes geométricos están en secuencia con El eje del diente del rotor está escalonado. 0, 1/3て, 2/3て, (la distancia entre dos ejes de engranajes del rotor adyacentes está representada por el paso de los dientes て), es decir, A está alineado con el diente 1 y B y el diente 2 están escalonados hacia la derecha. por 1/3て, C y el diente 3 están escalonados 2/3 hacia la derecha, A' está alineado con el diente 5, (A' es A, el diente 5 es el diente 1) La siguiente es la vista ampliada del estator y el rotor. :
2. Rotación: Si la fase A está energizada y las fases B y C no están energizadas, el diente 1 está alineado con A debido al efecto del campo magnético (lo mismo ocurre debajo del rotor sin ningún fuerza). Si la fase B está energizada y las fases A y C no están energizadas, el diente 2 debe estar alineado con B. En este momento, el rotor está más de 1/3 て a la derecha. En este momento, el diente 3 está desplazado de C por. 1/3 て y el diente 4 está desplazado de A. Desplazamiento (て-1/3 て) = 2/3 て. Si la fase C está energizada y las fases A y B están desenergizadas, el diente 3 debe estar alineado con C. En este momento, el rotor se mueve 1/3て hacia la derecha. En este momento, la alineación del diente 4 y A está desplazada 1/3て. Si se energiza la fase A, las fases B y C no se energizan, el diente 4 se alinea con A y el rotor se mueve 1/3 hacia la derecha, después de que A, B, C y A se energizan respectivamente, el diente. 4 (es decir, el diente antes del diente 1) Pasa a la fase A y el rotor del motor se mueve un diente hacia la derecha. Si sigues presionando A, B, C, A... para encender, el motor se moverá 1. /3 hacia la derecha en cada paso (cada pulso), gira hacia la derecha. Si A, C, B, A... están energizados, el motor gira en dirección inversa. Se puede observar que la posición y velocidad del motor tienen una correspondencia uno a uno entre el número de conducciones (número de pulsos) y la frecuencia. La dirección está determinada por la secuencia conductora. Sin embargo, por razones de par, suavidad, ruido y ángulo reducido. Por lo general, el estado conductor A-AB-B-BC-CA-A se utiliza para cambiar el paso original de 1/3 て a 1/6 て. Incluso mediante diferentes combinaciones de corrientes bifásicas, 1/3て se puede cambiar a 1/12て o 1/24て. Esta es la base teórica básica para la unidad de subdivisión de motores. No es difícil de introducir: el estator del motor tiene una resistencia del devanado de excitación de fase m y sus ejes se desvían respectivamente del eje del engranaje del rotor en 1/m, 2/m...(m-1)/m, 1. La conducción se puede controlar en dirección directa e inversa de acuerdo con una determinada secuencia de fases; esta es la condición física para la rotación del motor paso a paso. Siempre que se cumpla esta condición, teóricamente podemos fabricar motores paso a paso con cualquier fase. Debido a costos y otras consideraciones, generalmente se utilizan en el mercado bifásicos, trifásicos, cuatro y cinco fases.
3. Torque: Una vez que el motor está energizado, el estator y el rotor generarán un campo magnético (flujo magnético Ф). Cuando el rotor y el estator se tambalean en un cierto ángulo, la fuerza F generada es proporcional a. (dФ/dθ). Flujo magnético Ф=Br*S Br es la densidad magnética, S es el área de permeabilidad magnética, F es proporcional a L*D*Br, L es la longitud efectiva del núcleo de hierro, D es el rotor. diámetro, Br=N-I/RN-I es el amperio de resistencia del devanado de excitación. Resistencia del devanado de excitación amperios-vueltas (corriente multiplicada por el número de vueltas) R es la resistencia magnética. Torque = fuerza * radio El torque es proporcional al volumen efectivo del motor * amperios vueltas * densidad magnética (solo se considera el estado lineal), por lo que cuanto mayor sea el volumen efectivo del motor, mayor será el amperio-vueltas de excitación y el espacio entre el estator. y rotor Cuanto menor es el entrehierro, mayor es el par del motor y viceversa.
3. Diagrama de bloques del sistema de motor paso a paso
Figura 2 ¿Diagrama de bloques del sistema de control de motor paso a paso?
Figura 3 ¿Estructura del sistema de motor paso a paso controlado por microcomputadora?
Figura 4
IV. Diseño del circuito de la unidad
1 Diseño del circuito del amplificador de potencia
Opción 1 Voltaje único usando transistor de efecto de campo de potencia Amplificación circuito
El circuito amplificador de potencia de un solo voltaje es el tipo más simple de circuito de accionamiento en el control de motores paso a paso. La figura muestra el diagrama esquemático de un conjunto de circuitos de accionamiento de devanado (los otros grupos de circuitos de accionamiento de fase son iguales). esto) (Igual que los circuitos de accionamiento de fase ascendente de otros grupos). En la figura, T es el transistor de efecto de campo de potencia, L es la inductancia del devanado del circuito escalonado, R es la resistencia limitadora de corriente de fuga del tubo de efecto de campo y D es el diodo de conducción, que proporciona un circuito de descarga para el devanado. Principio de funcionamiento: cuando la señal de salida del distribuidor de anillo es de alto nivel, T está saturado y conduce, y el devanado L genera corriente.
Circuito amplificador de potencia de voltaje único
El principio del circuito se muestra en la Figura 5. El voltaje del circuito E generalmente se selecciona entre 10 y 100 V, y algunos pueden alcanzar los 200 V, según la aplicación, la potencia del motor paso a paso y los requisitos reales. Este es uno de los circuitos de control de motores paso a paso más simples. Básicamente, se trata de un simple inversor. El transistor T se utiliza como interruptor; L es la inductancia del devanado de una fase del motor paso a paso; RL es la resistencia del devanado; RC es la resistencia externa y la resistencia limitadora de corriente;
Figura 5 Diagrama del circuito de conmutación del devanado monofásico de un motor paso a paso
La característica más importante del amplificador de potencia de un solo voltaje es su estructura simple, pero su desventaja es su baja eficiencia, especialmente en altas frecuencias. La resistencia RC consume una cantidad considerable de energía y el calor generado por RC afecta directamente el estado de funcionamiento estable del circuito. Por lo tanto, los circuitos amplificadores de potencia de un solo voltaje generalmente solo se usan para accionar motores paso a paso de pequeña potencia.
La Figura 6 muestra el circuito amplificador de potencia de voltaje único mejorado.
Figura 6 Diagrama de circuito del amplificador de potencia de un solo voltaje mejorado
Circuito amplificador chopper de la opción 2 que utiliza un dispositivo de conmutación de potencia integrado
El interruptor electrónico de potencia integrado TWH8751 se puede conectar directamente impulsado Para circuitos digitales como TTL y CMOS, este dispositivo tiene una velocidad de conmutación rápida, alta frecuencia de operación y gran potencia de control. El voltaje de ruptura inversa del tubo del interruptor interno es 100. Con la adición de un disipador de calor, el disipador de corriente puede. llegar a 3A. Su tubo de salida adopta un colector abierto y se puede seleccionar el voltaje apropiado según los requisitos de la carga. El chip también tiene un circuito de protección de reducción de corriente sin sobrecalentamiento.
Los pines del TWH8751 se muestran en la Figura 7
Figura 7
¿Cortar el circuito amplificador de potencia?
Cortar la potencia suavemente El circuito amplificador y el principio de funcionamiento se muestran en la Figura 8.
En comparación con los circuitos amplificadores de potencia de un solo voltaje ordinarios, la frecuencia de funcionamiento de los circuitos amplificadores de potencia tipo helicóptero se puede aumentar en aproximadamente un 30% y el par se puede aumentar entre un 10 y un 25%. La mejora de la eficiencia también es muy significativa. Cuando la potencia de salida es la misma, la potencia de entrada del circuito cortador es la mitad de la potencia de entrada del circuito amplificador de voltaje único.
Figura 8 Diagrama del circuito del amplificador de suavizado de corte
5. Diseño del circuito de alimentación del motor paso a paso
El voltaje de funcionamiento nominal del motor paso a paso es de 27 V y la fase la corriente es 1.5A. Nota: Es el voltaje nominal y el valor actual del motor paso a paso, no el voltaje nominal ni el valor actual. (En aplicaciones reales, los valores de voltaje y corriente del motor paso a paso se pueden determinar según sea necesario, pero no deben diferir demasiado del valor nominal). Seleccione el regulador de voltaje directo ajustable de tres terminales CW338, cuyo terminal positivo controla ADJ, y el voltaje de salida se puede ajustar continuamente de 1,2 V a 32 V. La corriente de salida máxima del CW338 es 5A y tiene funciones internas de limitación de corriente, sobrecalentamiento y protección de seguridad.
Otros circuitos integrados CMOS se alimentan mediante una fuente de alimentación de 12 V, que puede ser proporcionada por el regulador de voltaje integrado fijo opcional de tres terminales LM7812.
Circuito de aplicación CW338