Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Кафедра СМ-9 «Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы»

Отчёт

по лабораторной работе №3

по курсу «Управление техническими системами»

по теме: «Изучение принципов работы шагового двигателя и принципа программного управления для систем автоматического управления»

Вариант №3

Выполнил:

Студент группы СМ9-71______________________ (Новиков А.Д.)

Принял: ____________________________________ (Бузунов Н. В.)

Содержание

Введение 3

2 Теоретическая часть 4

2.1 Устройство и принцип работы шагового двигателя 4

2.2 Управление шаговыми двигателями 5

3 Практическая часть 7

3.1 Вычисление параметров вращения шагового двигателя 7

3.2 Создание управляющей программы для микроконтроллера 8

3.3 Обработка результатов 10

Заключение 14

Введение

В современных автомобилях в качестве исполнительных устройств для различных систем управления часто используются электродвигатели постоянного тока и шаговые электродвигатели. В данной лабораторной работе изучается устройство и принцип работы шаговых двигателей. В качестве примера использования шагового электродвигателя (ШД) в системах управления автомобилем можно рассмотреть электродвигатель, применяемый в электронной системе управления двигателем автомобиля ВАЗ-2110 (рисунок 1).

Рисунок 1 – ШД регулирования оборотов ХХ двигателя ВАЗ – 2110

2 Теоретическая часть

2.1 Устройство и принцип работы шагового двигателя

Шаговый электродвигатель – синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими расположенными в статоре обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток ШД вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. Принципы управления ШД рассмотрим на примере ШД с постоянными магнитами MOTOTECH S35H2, используемом в данной лабораторной работе. Данный ШД является биполярным и имеет четыре вывода от двух обмоток (рисунок 2). Шаг этого ШД составляет т.е. для совершения полного оборота он должен сделать 48 шагов. Для вращения вала ШД на его обмотки необходимо подавать напряжение в последовательности, указанной на рисунке 3. Следует отметить, что при этом всегда остаются возбуждены обе обмотки – это, так называемое, двухфазное возбуждение. Ротор ШД при смене полярности на обмотках поворачивается на полшага.

Рисунок 2 – Управляющая последовательность для биполярного шагового двигателя: а) схема подсоединения обмоток; б) таблица управляющей последовательности.

Непосредственно для коммутации обмоток ШД используются электронные схемы под названием H-мост. Не вдаваясь в схемотехнические подробности, схему H- моста можно представить в виде четырех электронных ключей, соединенных, как показано на рисунке 3 и управляемых микроконтроллером. Включая и выключая попарно ключи S1, S4 и S2, S3 можно управлять направлением тока в нагрузке. Очевидно, что для управления биполярным ШД необходимо два H-моста.

Рисунок 3 – Принцип работы Н – моста

2.2 Управление шаговыми двигателями

В данной лабораторной работе для коммутации обмоток ШД используется драйвер на основе микросхемы L298, представляющий собой два H-моста, управляемых внешними логическими сигналами ENABLE и IN.

Управляющая последовательность для ШД формируется с помощью микроконтроллера. В нашем случае это плата Arduino Uno. Написание программ для Arduino осуществляется в среде разработки IDE Arduino.

В лабораторной работе используется САУ, построенная на принципе программного управления, где в качестве ОУ выступает каретка, приводимая в движение шаговым электродвигателем (рисунок 4). Целью эксперимента является синтез такого закона управления ШД, что бы каретка перемещалась на заданное расстояние за заданное время.

Рисунок 4 – Схема лабораторной установки: 1 – электронная часть установки, 2 – ШД, 3 –редуктор, 4 – приводная звездочка зубчатого ремня, 5 – зубчатый ремень, 6 – каретка.

3 Практическая часть

3.1 Вычисление параметров вращения шагового двигателя

Для того, чтобы каретка перемещалась на заданное расстояние за заданное время необходим синтез закона управления ШД. Такой закон управления, а также исходные параметры представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 – Требуемый закон управления кареткой

На рисунке 6 изображены вычисления необходимых параметров в пакете ‹‹MathCAD›› для варианта №3.

Рисунок 6 – Вычисление параметров вращения ШД в Mathcad

3.2 Создание управляющей программы для микроконтроллера

Для простоты работы с ШД разработана функция GoSteps, позволяющая выполнять заданное число шагов с заданной скоростью. В ней в цикле вырабатывается управляющая последовательность для ШД. Написание программ для платформы Arduino и их загрузка в микроконтроллер осуществляется в среде разработки IDE Arduino.

Текст управляющей программы для микроконтроллера в ПО Arduino IDE приведен на рисунках 7, 8:

Рисунок 7 – Часть управляющей программы в Arduino

Рисунок 8 – Часть управляющей программы в Arduino

После проведения всех подготовительных мероприятий может быть проведен эксперимент. Загрузка программы в микроконтроллер осуществляется при помощи платы Arduino, которая подключена к компьютеру через USB-порт.

Работа ШД начинается при нажатии кнопки запуска. На рисунке 8 изображен общий вид лабораторной установки.

Рисунок 8 – Общий вид установки: 1 – блок питания; 2 – плата Arduino; 3 –механический редуктор; 4 – ШД; 5 – зубчатый ремень 6 – каретка; 7 – кнопка запуска.

После проведения эксперимента данные записываются в программу LGraph и сохраняются в текстовом формате для дальнейшего экспорта в программный пакет ‹‹MATLAB››.

3.3 Обработка результатов

В ‹‹MATLAB›› с помощью программы, текст которой представлен на рисунке 9 строится график сигнала на обмотке ШД.

Рисунок 9 – Программа в ‹‹MATLAB››

На рисунке 10 изображен график, построенный в результате выполнения этого скрипта.

Рисунок 10 – Сигнал на обмотке ШД

Рисунок 11 – Сигнал на обмотке ШД (увеличенный фрагмент)

Далее графическим методом определяются следующие параметры: время и число импульсов прямого и обратного ходов. На рисунке 12 приведен скрипт программы для расчета параметров, а на рисунке 13 – получившиеся значения.

Рисунок 12 – Программа в MATLAB для получения данных с графика

Рисунок 13 – Результаты работы программы

В таблице 1 приводится сравнение рассчитанных значений в ‹‹MathCAD›› и полученных по результатам эксперимента.

Таблица 1 – Сравнение заданных и экспериментально полученных параметров

Название параметра	Задано	Получено
Число импульсов прямого хода	2152	2152
Число импульсов на обратном ходу	2152	2157
Время прямого хода	8,5	8,61
Время простоя	0,5	0,503
Время обратного хода	7,5	7,53

Погрешности количества импульсов для прямого и обратного ходов:

Как видно из выражений, полученные значения несильно отличаются от заданных (погрешность менее 2%), следовательно, последовательность управляющих команд задана верно.

Заключение

В данной лабораторной работе были изучены устройство и принципы работы шагового двигателя, а также его применение в автомобилях. Был проведён расчет параметров в программе MathCAD. Была написана управляющая программа в среде IDE Arduino. Также был проведён эксперимент для проверки работоспособности написанной программы. Результаты, полученные в ходе эксперимента, за исключением количества шагов, совпали с расчетами, с небольшой погрешностью.

Москва 2023г.