Sterowanie prędkością silnika krokowego z zastosowaniem mikrokontrolera ATmega8

Transkrypt

1 mg inż. ŁUKASZ BĄCZEK d hab. inż. ZYGFRYD GŁOWACZ pof. ndzw. w AGH Akademia Góniczo-Hutnicza Wydział Elektotechniki, Automatyki, Infomatyki i Elektoniki Kateda Mazyn Elektycznych Steowanie pędkością ilnika kokowego z zatoowaniem mikokontolea ATmega8 Zapojektowano i wykonano teownik ilnika kokowego bipolanego. Steownik kłada ię z mikokontolea ATmega8, pogamatoa, motka typu H umożliwiającego zmianę kieunku obotów ilnika, tabilizatoa napięcia, któy poiada wbudowane oganiczenia: pądowe, temiczne oaz zabezpieczenie pzed opuzczeniem obzau bezpiecznej pacy, LCD alfanumeycznego wyświetlacza. Kontukcja teownika pozwala na jego ozbudowę. 1. WPROWADZENIE Silniki kokowe zalicza ię do gupy ilników elektycznych, gdzie impulowe zailanie pądem pozwala na wykonywanie uchu obotowego otoa z okeśloną pędkością i o okeślony kąt [1], [2], [3]. Cechą odóżniającą omawiane ilniki od innych mazyn elektycznych jet kokowe wiowanie wektoa pola magnetycznego. Watości kąta obotu i pędkości zależą od liczby impulów i budowy ilnika podobnie jak makymalna pędkość obotowa oaz momenty obotowy i tzymający (czyli moment pzy zeowej pędkości obotowej ilnika zailanego znamionowym napięciem). Silniki kokowe wymagają zatoowania odpowiedniego układu teowania, któy geneuje impuly powodujące dyketny uch obotowy otoa. W zczególności pędkość obotowa zależy od czętotliwości impulów, a jej kieunek od kolejności impulów podawanych na jego uzwojenia. 2. PODZIAŁ SILNIKÓW KROKOWYCH ZE WZGLĘDU NA SPOSÓB STEROWANIA Silniki kokowe ze względu na poób teowania dzielimy na bipolane, któe poiadają 4 wypowadzenia i unipolane wypoażone w 5 6 wypowadzeń w potaci pzewodów. Silnik bipolany Silnik bipolany o dwóch fazach ma jedno uzwojenie na fazę. W celu zapewnienia zmiany pola magnetycznego w każdym z uzwojeń mui być zapewniony pzepływ pądu w obu kieunkach. W ilniku bipolanym do zmiany pola magnetycznego w dzeniu wytacza jeden pzełącznik dwupozycyjny lub dwa tanzytoy włączane na pzemian. Zaletą teowania bipolanego jet dobe wykozytanie momentu obotowego dzięki temu, że całe uzwojenie jet w tanie pądowym po otzymaniu impulu. Ogólnie zecz bioąc, ilniki bipolane wymagają badziej ozbudowanego układu teowania. Silnik unipolany Silnik unipolany ma jedno uzwojenie z odczepem pośodku. Itnieją także ilniki poiadające po dwa uzwojenia na fazę. Mogą one pacować zaówno w tybie unipolanym jak i bipolanym. Pzy teowaniu unipolanym jednocześnie jet włączona połowa pama. Steowanie unipolane zapewnia pzepływ pądu w danym uzwojeniu tylko w jednym kieunku. Zaletą waiantu unipolanego jet potzy układ połączeń i mniejza liczba tanzytoów, wadą zaś to, że jednocześnie pacuje tylko połowa uzwojenia, a zatem nie wytwaza ię moment obotowy o pełnej watości. Rodzaje koku i algoytmy komutacji Najpowzechniejze odzaje teowania to: falowe, pełnokokowe, półkokowe oaz mikokokowe.

2 6 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Steowanie falowe W teowaniu tym zwanym ównież teowaniem jednofazowym w danym momencie zailana jet tylko jedna faza. W pzypadku ilnika dwufazowego tojan jet zailany zgodnie z ekwencją AB CD BA DC. Wynikiem tego odzaju teowania jet wykonanie pełnego cyklu. Ry. 1. Steowanie falowe Steowanie pełnokokowe W teowaniu dwufazowym inaczej pełnokokowym w każdej chwili zailane ą dwie fazy. Stojan jet zailany zgodnie z ekwencją AB; CD BA; CD BA; DC AB; DC. Wynikiem tego odzaju teowania ą takie ame uchy jak pzy teowaniu jednofazowym z tym, że pozycja winika jet pzeunięta o pół koku. Ry. 2. Steowanie dwufazowe Steowanie półkokowe Steowanie półkokowe jet kombinacją teowania dwufazowego i jednofazowego. Co dugi kok zailana jet tylko jedna faza, a w pozotałych kokach dwie fazy. Stojan ilnika dwufazowego jet zailany zgodnie z poniżzą ekwencją AB B AB A AB B AB A. Wynikiem tego ą oboty winika ówne połowie tych ze teowania z jedną lub dwiema fazami włączonymi. Steowaniem półkokowym możemy zedukować efekt ezonanu mechanicznego, któy ujawnia ię w dwóch popzednich odzajach teowania. Ry. 3. Steowanie półkokowe

3 N 10(488) PAŹDZIERNIK Steowanie mikokokowe Implementacja teowania mikokokowego wymaga od teownika możliwości zmiany amplitudy pądu w każdym uzwojeniu. Wyóżnia ię kilka typowych metod ealizacji teowania mikokokowego, mianowicie: a) pzebieg kwadatowy metoda ta zapewnia najwyżzy chwilowy moment obotowy. Odbywa ię to jednak koztem ocylacji winika. b) pzebieg inuoidalny metoda ta polega na wymuzeniu w każdym z uzwojeń odpowiednio pze- uniętych w fazie, inuoidalnych pzebiegów pądu. Zapewnia tały moment obotowy. Jet to najczęściej toowana metoda. Wiele dotępnych opiów teowania mikokokowego pomija w ogóle fakt itnienia innych ealizacji. c) pzebieg abitalny tudno znaleźć uzaadnienie zatoowania tej metody. W celu opiania powyżzych algoytmów najlepiej połużyć ię pzebiegami fazowymi i czaowymi pądów w uzwojeniach ilnika. Badzo dobze oddają one ogólne idee teowania i zwalniają z dodatkowych opiów łownych. Ry. 4. Pzebiegi fazowe pzy teowaniu mikokokowym, kolejno od lewej: pzebieg kwadatowy, pzebieg inuoidalny, pzebieg abitalny Moment elektomagnetyczny ilników kokowych Moment elektomagnetyczny dowolnej nienayconej mazyny elektycznej można wyazić jako pochodną enegii elektomagnetycznej układu W m względem kąta obotu części uchomej tej mazyny, w tounku do nieuchomej oi odnieienia: dwm M ( ) (1) d Po powadzeniu uzwojeń ilnika kokowego i ewentualnego magneu twałego do działania uzwojenia w potaci dwóch pam zatępczych w tojanie i winiku w elektomagnetycznym tanie utalonym, enegia magnetyczna układu może być wyażona natępującym wzoem: W m 1 W W ( I I ) (2) 2 Stumienie kojazone tojana i winika możemy pzedtawić jako iloczyny pądów i indukcyjności uzwojeń zatępczych: L ( ) I M ( ) I (3) L ( ) I M ( ) I (4) gdzie: L ( ), L ( ) indukcyjności włane tojana i winika; M ( ) indukcyjność wzajemna. 1 2 dl 1 2 dl dm M ( ) I I I I (5) 2 d 2 d d Dwa piewze człony ównania pzedtawiają moment eluktancyjny, któy jet wynikiem modulacji pola w zczelinie wywołanej pzez pouzający ię winik. Tzeci człon ównania epezentuje moment ynchoniczny wzbudzeniowy. 3. CHARAKTERYSTYKI MECHANICZNE Poza podtawowymi paametami itotną olę odgywają chaakteytyki mechaniczne zwane czętotliwościowymi chaakteytykami momentu. Chaakteytyka ta okeśla dobó ilnika do okeślonych wymagań tawianych napędowi oaz oganiczenia w zakeie teowania dla danego typu ilnika.

4 8 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Na yunku 5 pzedtawiono pzykładową chaakteytykę ilnika kokowego. pzecięcia kzywej B z oią odciętych wyznacza makymalną czętotliwość pacy ilnika. Obza pacy między kzywymi A i B jet nazywany obzaem pacy pzypiezonej. Wyjście poza obza okeślony kzywą B kutkuje wypadnięciem z ynchonizmu i zatzymaniem ię ilnika. Stoując odpowiednie układy zailające można powiękzyć obzay wyznaczone pzez kzywe A i B do potaci obzaów, któe ą wyznaczone pzez kzywe A i B. 4. ZASADA DZIAŁANIA STEROWNIKA Ry. 5. Chaakteytyka mechaniczna ilnika kokowego Pzetzeń zakeślona pzez kzywą A oaz oie układu wyznacza tzw. obza tat topowy. Obza ten wyznacza pędkości i obciążenia, pzy któych ilnik pacuje ynchonicznie i nie gubi impulów. Możliwe w nim jet pzejście od tanu utalonego do tanu pacy kinematycznej w wyniku kokowego wzotu czętotliwości impulów teujących. Punkt pzecięcia kzywej A z oią zędnych wyznacza makymalny moment obciążenia jaki może wytępować pzy ozuchu. Punkt pzecięcia kzywej A z oią odciętych wyznacza makymalną czętotliwość ozuchu nieobciążonego. Kzywa B wyznacza makymalną watość pędkości dla danego obciążenia, pzy któej może pacować ilnik. Aby ilnik mógł pacować w obzaze pacy wyznaczonym pzez kzywe A i B należy nim odpowiednio teować. W obzaze tym należy dotatecznie wolno i płynnie zmieniać czętotliwości impulów teujących. Silnik nadąża w nim za impulami teującymi, ale nie ealizuje ozuchu, nawotu i nie jet w tanie zatzymać ię bez wybiegu pzy pzewaniu komutacji. Punkt Ry. 6. Wykey wielu koków dla óżnej czętotliwości impulów teujących Układ jet teowany pzez odpowiednio opogamowany mikopoceo. Do zailania układu wykozytane zotały dwa oddzielnie pacujące tabilizatoy napięcia oganiczające napięcie na wyjściu do 5 V. Jeden tabilizato za zadanie ma zailić LCD i uc, a dugi (tabilizato) ilnik za pomocą układu L293D, gdyż ilnik geneuje zniekztałcenia, któe mogą wpływać na pacę poceoa. Cały układ zotał zailony z zewnętznego zailacza napięciem tałym 12 V. Do L293D podano napięcie zailania ilnika oaz zailanie logiki (wejścia Enable), łużą one załączaniu i wyłączaniu motka, dlatego podano na te wejścia 5 V, aby motek był aktywny. Sygnały wyjściowe z motka podłączono do zacików ilnika. Opogamowanie teownika umożliwiło: tyb pacy automatyczny/ęczny, egulację pędkości ilnika, wybó cyklu pacy ilnika, wykonywanie pacy eweyjnej (zmiany kieunku obotów). Steownik wypoażono w: 4 pzyciki (Góa, Dół, Pawo+, Lewo-), dzięki któym można było ię pouzać po MENU, któe jet ilutowane na wyświetlaczu LCD; włącznik/wyłącznik zailania; wyświetlacz LCD; diody LED ygnalizujące czętotliwość pacy ilnika; złącze ISP do pogamowania układu oaz wpowadzania popawek do jego działania; potencjomet do egulacji kontatu LCD; 6 wypowadzeń na złącza ilnika (4 do teowania ilnikiem bipolanym i 2 napięcia dodatnie (5 V) w celu teowania ilnikiem unipolanym); złącze USART.

5 N 10(488) PAŹDZIERNIK Ry. 7. Wyendeowana w 3D płytka PCB mikopoceoowego teownika Idea działania uządzenia wygląda natępująco: Tyb pacy<==>kieunek obotu<==>pędkość Pzejścia pomiędzy Tybem pacy, Kieunkiem obotu a Pędkością ealizowane ą za pomocą pzycików Góa i Dół. Zmiana tybu pacy: Wcikając pzycik Lewo zmienia ię teowanie (np. z półkoku na pełny kok), ponowne wciśnięcie pzyciku Lewo powoduje powót na popzednią pozycję. Analogicznie wygląda działanie z pzycikiem Pawo. Zmiana kieunku: jeśli ilnik toi i nacikamy Lewo, ilnik obaca ię w lewo jeśli ilnik toi i nacikamy Pawo, ilnik obaca ię w pawo jeśli ilnik obaca ię w lewo i nacikamy Lewo, ilnik kontynuuje pacę jeśli ilnik obaca ię w lewo i nacikamy Pawo, ilnik ię zatzymuje (kolejne naciśnięcie Pawo, powoduje uch ilnika w pawo) jeśli ilnik obaca ię w pawo i nacikamy Pawo, ilnik kontynuuje pacę jeśli ilnik obaca ię w pawo i nacikam Lewo, ilnik ię zatzymuje (kolejne naciśnięcie Lewo, powoduje uch ilnika w lewo) Zmiana pędkości: Zwiękzenie czętotliwości impulów podawanych na ilnik odbywa ię popzez wcikanie klawiza +. Zmniejzenie czętotliwości impulów podawanych na ilnik odbywa ię popzez wcikanie klawiza. Liczba w MENU Pędkość jet intepetowana jako watość opóźnienia w m pomiędzy pozczególnymi kokami w ekwencji teującej ilnikiem. Zawiea ię ona w pzedziale od 53 do 250. Steowanie obotami ilnika polega na ekwencyjnym podawaniu tanu wyokiego na kolejne wyjścia potu mikokontolea (PD4, PD5, PD6, PD7). Sygnał ten dopowadzony do wejść układu L293D powoduje zwieanie wyjść tego układu do may, a tym amym pzepływu pądu pzez kolejne uzwojenia ilnika. Im zybciej będą podawane impuly tym ilnik będzie ię zybciej obacał. Makymalny pąd, jaki można uzykać z jednego wyjścia to ok. 1 A. Silnik teowany w tybie półkokowym, tzn. zailane jet jedno uzwojenie lub dwa ąiednie, dzięki czemu uzykujemy dwa azy więcej tabilnych położeń niż pzy teowaniu pełnokokowym (a tym amym płynniejzy uch pzy małych pędkościach obotowych). Sekwencję teującą pzedtawiono w tabeli 1: Tabela 1 Sekwencja teująca Oznaczenia: + zailanie uzwojenia - bak zailania uzwojenia Sekwencja dla półkoku Sekwencja dla pełnego koku (z wykozytaniem zailania jednej cewki tabilizato mniej ię nagzewa)

6 10 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Sekwencja dla pełnego koku (z wykozytaniem zailania dwóch cewek mocniejzy ilnik) 5. ELEMENTY UKŁADU PCB. Steownik zotał wykonany tak, aby była możliwość jego ozbudowy (złącze USART, ISP) oaz aby był badziej uniwealny (popzez wypowadzenie dwóch dodatnich (+5 V) złączy na ilnik dla ilnika kokowego unipolanego. Każdy element znajdujący ię w teowniku ma wpływ na pacę teownika. Najważniejzymi elementami elektonicznymi wśód elementów teownika ą: mikokontole ATmega8 (kót ang. MCU lub μc) jet to ytem mikopoceoowy w potaci pojedynczego układu calonego, któy zawiea jednotkę centalną CPU, pamięć RAM oaz na ogół pamięć pogamu i układy wejścia wyjścia, pogamato uządzenie, któe umożliwia komunikację kompute MCU i jet wykozytywane do pogamowania układu, motek typu H (L293D) układ elektoniczny umożliwiający zmianę kieunku obotu oi ilnika (DC) popzez zmianę polayzacji (odwócenie) zailania ilnika, tabilizato napięcia (LM7805) poiada wbudowane oganiczenia: pądowe, temiczne oaz zabezpieczenie pzed opuzczeniem obzau bezpiecznej pacy, LCD alfanumeyczny wyświetlacz wypoażony w teownik HD44780 o liczbie wyświetlanych znaków Liteatua 1. Potocki L.: Silniki kokowe od podtaw. Elektonika dla Wzytkich 2002, n 8, Potocki L.: Silniki kokowe od podtaw. Elektonika dla Wzytkich 2002, n 9, Sochocki R.: Mikomazyny Elektyczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wazawkiej. Wazawa Recenzent: d inż. Antoni Zdojewki 6. PODSUMOWANIE Zapojektowano i wykonano teownik ilnika napędu dykowego (ilnika kokowego bipolanego). Podcza ealizacji pojektu napotykano liczne poblemy oaz niepawidłowości, któe topniowo i ukceywnie były eliminowane. Aby minimalizować napotykane poblemy teownik powtawał pzez tawianie małych koków. Mianowicie, piany był pogam i montowany układ uc teujący diodami LED, kolejno pawdzano eakcje jednotki centalnej na pzyciki, teowanie L293D typu pawo-lewo. Końcowym etapem było uuchomienie wyświetlacza LCD i zbudowanie Menu. Wymagało to zdobycia wiedzy z dziedziny pogamowania w języku C, obługi mikokontolea ATmega8, teowania wyświetlaczem LCD, zaad teowania ilnikami kokowymi, yowania chematów elektycznych oaz lutowania i poceu wykonania płytki