LR3_YTS / Новиков_ЛР3

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.)

Москва 2023г.

Содержание

2

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

3

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 7,5°,

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

4

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

2.2Управление шаговыми двигателями

Вданной 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.

5

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

6

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

7

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

8

Рисунок 8 – Часть управляющей программы в Arduino

После проведения всех подготовительных мероприятий может бытьпроведен 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.

9

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››.

3.3Обработка результатов

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

Рисунок 9 – Программа в ‹‹MATLAB››

10