Исполнительные органы ряда рабочих машин должны совершать строго дозированные перемещения с фиксацией своего положения в конце движения. В электроприводах таких машин и механизмов успешно применяются шаговые двигатели (ШД) различных типов, образующие основу дискретного электропривода.
Широкое распространение дискретного электропривода определяется еще и тем обстоятельством, что он естественным образом сочетается с цифровыми управляющими машинами и программными устройствами, которые все шире применяются во многих отраслях техники. Например, дискретный электропривод широко используется для металлообрабатывающих станков с числовым программным управлением (ЧПУ), а также для роботов и манипуляторов.
Шаговый двигатель по принципу своего действия является синхронным двигателем. Однако в отличие от последнего магнитное поле ШД перемещается (вращается) в воздушном зазоре не непрерывно, а дискретно, шагами. Это достигается за счет импульсного возбуждения обмоток ШД с помощью электронного коммутатора, который преобразует одноканальную последовательность управляющих импульсов в многофазную систему напряжений, прикладываемых к обмоткам (фазам) ШД.
Ступенчатому характеру изменения напряжения на фазах ШД соответствует дискретное вращение (перемещение) электромагнитного поля в его воздушном зазоре, вследствие чего движение ротора состоит из последовательных элементарных поворотов или шагов, совершаемых по апериодическому или колебательному закону.
а)ПринципдействияиосновныесвойстваШД
Принцип получения дискретного перемещения ротора рассмотрим на примере простейшей схемы двухфазного ШД, изображенной на рис. 6.3.
Шаговый двигатель имеет на статоре две пары явно выраженных полюсов, на которых находятся обмотки возбуждения (управления): обмотка Iс выводами1Н–1K. и вторая обмоткаIIс выводами2Н–2K. Каждая из обмоток состоит из двух частей, находящихся на противоположных полюсах ШД.
Питание обмоток ШД осуществляется, как правило, импульсами напряжения прямоугольной формы, поступающими с электронного коммутатора, входящего в состав схемы управления ШД Коммутатор и ШД образуют основную силовую часть шагового привода. Ротор ШД в рассматриваемой схеме представляет собой двухполюсный постоянный магнит, расположенный на валу двигателя внутри статора.
Рассмотрим работу ШД, предположив, что в начальный момент напряжение подано на обмотку I. Прохождение тока по этой обмотке вызовет появление магнитного поля статора с вертикально расположенными полюсамиN–S. В результате взаимодействия поля с постоянным магнитом ротора последний займет указанное на рис. 6.3,аравновесное положение, в котором оси магнитных полей статора и ротора совпадают. Положение будет устойчивым, поскольку при отклонении от него на ротор будет действовать вращающий момент (обычно называемый синхронизирующим), который стремится вернуть ротор в. положение равновесия. Этот момент определяется по формуле
(6.2)
где – угол между осями магнитных полей статора и ротора;Mmax– максимальный момент.
Допустим, что с помощью схемы управления напряжение снимается с обмотки Iи подается на обмоткуII. В этом случае образуется магнитное поле статора с горизонтальными полюсами (рис. 6.3,б), т. е. магнитное поле статора дискретно совершило поворот на четверть окружности статора. При этом между осями статора и ротора появится угол рассогласования=90° и на ротор будет действовать в соответствии с формулой (6.2) максимальный вращающий моментМ=Мтах. Под его действием ротор повернется на четверть окружности статора и займет новое устойчивое равновесное положение, показанное сплошной линией на рис. 6.3,б. Таким образом, вслед за шаговым перемещением поля статора совершит такое же шаговое перемещение и ротор двигателя.
Предположим, что отключилась обмотка IIи вновь подано питание на обмоткуI, но с противоположной по сравнению с рис. 6.3,аполярностью напряжения. Магнитное поле статора опять будет иметь вертикально расположенные полюсы, но другой по сравнению с рис. 6.3,аполярности. Это означает, что поле совершит еще один шаг на четверть окружности. Снова на ротор будет действовать синхронизирующий момент, который повернет его в положение, показанное на рис. 6.3,в. Следующий шаг в том же направлении ротор может совершить, если будет отключена обмоткаIи подключена обмоткаIIс обратной полярностью напряжения. И, наконец, ротор завершит полный оборот при снятии напряжения с обмоткиIIи подаче напряжения на обмоткуI.
Кроме рассмотренного способа коммутации обмоток двигателя, обеспечивающего шаговое перемещение ротора на 90°, существует другой способ, позволяющий при той же конструкции ШД уменьшить размер шага ротора вдвое.
Допустим, что исходное положение ШД соответствует схеме, показанной на рис. 6.3, а. Подключим обмотку IIс полярностью, соответствующей магнитному полю рис. 6.3,б, не отключая обмоткуI. При этом образуется вторая, горизонтальная система полюсов и магнитное поле будет складываться из магнитных полей горизонтальных и вертикальных полюсов. Ось такого результирующего поля будет располагаться между полюсами с одинаковой полярностью, как это показано на рис. 6.3,г, т. е. ось магнитного поля совершит поворот на 45°. Поэтому ротор при таком порядке возбуждения обмоток ШД повернется токе на 45, а не на 90°, как было ранее.
Для совершения следующего шага достаточно снять напряжение с обмотки I, в результате чего магнитное поле будет соответствовать схеме рис. 6.3,б. Следующее перемещение магнитного ноля и ротора на 45° совершится при возбуждении обмоткиIбез отключения обмоткиIIи т. д. Схема коммутации, при которой подключаются поочередно одна или две обмотки, называется несимметричной в отличие от рассмотренной вначале симметричной схемы.
Угловое перемещение ШД в общем случае определяется выражением
(6.3)
где р– число пар полюсов ротора ШД;п – число переключений (тактов) в цикле, равное числу фаз ШД при симметричной и удвоенному числу фаз при несимметричной коммутации.
Шаговое перемещение ротора осуществляется с помощью последовательности управляющих импульсов, при этом каждому импульсу соответствуют одно переключение обмоток ШД (один такт коммутации) и один шаг ротора. Суммарный угол поворота ШД пропорционален числу импульсов, а его скорость – частоте импульсов. Амплитуда и форма импульсов могут изменяться в определенных пределах, не нарушая нормальной работы шагового привода.
Шаговый двигатель может легко изменять направление своего движения (реверсироваться). Для реверса ШД, например, при симметричной схеме коммутации необходимо включить на обратную полярность напряжения обмотку, которая была отключена на данном такте коммутации. Тогда ротор ШД совершит шаг в противоположном направлении.
Основным режимом работы шагового привода является динамический. В отличие от СД ШД рассчитаны на вхождение в синхронизм из состояния покоя и принудительное электрическое торможение. Благодаря этому в шаговом электроприводе обеспечиваются пуск, торможение, реверс и переход с одной частоты управляющих импульсов на другую. Пуск ШД осуществляется скачкообразным или постепенным увеличением частоты входного сигнала от нуля до рабочей, торможение – снижением ее до нудя, а реверс – изменением последовательности коммутации обмоток ШД.
На рис. 6.4 показаны примеры переходных процессов в шаговом электроприводе при отработке им серии импульсов управления, где (– полный угол поворота вала ШД, а– единичный угол поворота (единичный шаг).
Переходные режимы для ШД сложны и ответственны, так как вследствие электромагнитной инерции обмоток ШД, механической инерции его ротора и момента нагрузки на валу при резких изменениях частоты следования импульсов управления ротор ШД может не успеть отработать полностью все импульсы, поступившие на вход шагового привода. Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск ШД из неподвижного состояния без выпадения из синхронизма (пропуска шагов), называется частотой приемистости. Чем выше электромагнитная и механическая инерция ШД и больше момент его нагрузки, тем меньше частота приемистости.
Современные ШД различны по конструктивному исполнению. В зависимости от числа фаз ШД и устройства магнитной системы ШД бывают однофазными, двухфазными и многофазными с активным или пассивным ротором.
Активный ротор у ШД выполняется из постоянных магнитов или снабжается обмоткой возбуждения, как у обычных СД. Вследствие высокой экономичности и надежности в работе, технологичности изготовления, небольших габаритов и массы широкое распространение получили ШД с ротором из постоянных магнитов, называемые магнитоэлектрическими шаговыми двигателями (см. рис. 6.3). Обычно ШД с активным ротором имеют крупный шаг ротора – от 90 до 15° в связи с трудностями изготовления активного ротора с малыми полюсными делениями. Для уменьшения шага в таких ШД увеличивают число фаз и тактов коммутации, а также используют двухстаторную или двухроторную конструкцию.
Максимальная скорость ШД с активным ротором составляет 208 – 314 рад/с, частота приемистости от 70 до 500 Гц, номинальные вращающие моменты от 10Ю-6до 1010-3Нм.
Промышленность выпускает несколько серий шаговых магнитоэлектрических двигателей четырехфазные ШДА, двух- и четырехфазные ШД и ДШ-А, четырехфазные ШДА-3 и др.
При необходимости получения небольших единичных перемещений ротора и в то же время больших частот приемистости используются ШД с пассивным ротором, которые делятся на реактивные и индукторные. Работа таких ШД основана на взаимодействии магнитного поля и ферромагнитного тела. Статор и ротор реактивного ШД имеют явно выраженные полюсы, называемые обычно зубцами. На зубцах статора размещаются обмотки возбуждения, питаемые от электронного коммутатора. Ротор ШД выполнен из ферромагнитного материала и не имеет обмоток возбуждения, вследствие чего и назван пассивным.
Отличительная особенность реактивного ШД заключается в неравенстве числа зубцов статора zcи ротораzр, причем обычноzc>zр. Вследствие такой конструкции при каждом переключении обмоток статора ротор совершает поворот (шаг), равный разности полюсных делений статораси роторар, а именно:
(6.4)
Уменьшив разность чисел зубцов zpиzс, можно снизить шаг ротора. Практически эту разность выбирают четной, что улучшает использование ШД. Для уменьшения шага полюсы статора выполняют с несколькими зубцами.
Реактивные ШД при простоте и технологичности конструкции, малых размерах шагов и скорости ротора имеют существенный недостаток – незначительные мощность и синхронизирующий момент, что ограничивает их применение. Этот недостаток отсутствует в индукторных ШД, в которых для увеличения синхронизирующего момента ротор подмагничивается со стороны статора с помощью постоянных магнитов или дополнительной обмотки возбуждения.
Электропромышленностью выпускается несколько серий ШД с пассивным ротором (Ш, ШДР, ШД, РШД), имеющих шаг от 1,5 до 9°, вращающие моменты от 2,510-6до 1010-3Нм и частоту приемистости от 250 до 1200 Гц.
Развитие дискретного электропривода привело к созданию специальных видов ШД – линейных, волновых, с малоинерционным и катящимся роторами.
На базе цилиндрических линейных ШД созданы двухкоординатные линейно-поворотные ШД, суммирующие на своем валу два независимых движения – вращательное и поступательное. Линейно-поворотные ШД типов ДШЛ-8 и ДШЛ-9 обеспечивают шаг поворота в 1° и шаг поступательного перемещения от 0,011 до 1,2510-3 м,полные перемещения до 5010-3м, моменты до 0,16 Нм и усилия до 36 Н.
Важным достижением в области дискретного электропривода является создание так называемых многокоординатных ШД, осуществляющих перемещение исполнительных органов по всем трем координатам пространства. Двигатели такого рода, отличаясь высокой точностью и скоростью позиционирования, используются в приводах манипуляторов, роботов и автоматических линиях станков. Современный дискретный электропривод способен (в пределах небольших мощностей) обеспечить разнообразные виды движения исполнительных органов рабочих машин и механизмов.
б)Схемыуправлениядискретнымэлектроприводом
Управление движением ШД осуществляется подачей на обмотки возбуждения статора определенной последовательности импульсов напряжения. Средняя скорость ШД определяется выражением
(6.5)
где – шаг двигателя, рад;fк– частота коммутации обмоток, 1/с.
Управление ШД обеспечивается силовым электронным коммутатором, частота выходного напряжения которого (частота коммутации фаз ШД), задаваемая частотой входного управляющего сигнала, меняется в широких пределах. По существу своей работы такой коммутатор является ПЧ, а сам дискретный электропривод представляет собой систему с частотным управлением СД.
Современные схемы управления ШД состоят из нескольких функциональных блоков, выполняемых по различным схемам и с использованием разнообразных элементов и устройств, главным образом полупроводниковых. Стремление расширить области применения дискретного привода, повысить качество и точность его движения, надежность, удобство и простоту в наладке и эксплуатации отразилось в унификации схем управления ШД.
Функциональная схема дискретного привода показана на рис. 6.5. Основная ее часть, обычно называемая разомкнутой схемой дискретного электропривода, на рисунке выделена штриховой линией, содержит формирователь импульсов ФИ, распределитель импульсов РИ, промежуточный усилительПУ, коммутатор K(ПЧ) и блок питания элементов приводаБП. Рассмотрим кратко назначение элементов и принцип действия этой схемы применительно к четырехфазному ШД, который в настоящее время получил наибольшее распространение среди других типовШД.
Сигнал управления fув виде импульсов напряжения поступает на входФИот программного или другого внешнего командного устройства. БлокФИвидоизменяет входные импульсы, формируя их по длительности и амплитуде, как необходимо для нормальной работы последующего блока схемы управленияРИ. Распределитель импульсовРИпреобразует последовательность сформированныхФИимпульсов в четырехфазную систему однополярных импульсов напряжения, соответствующую числу фаз (обмоток) двигателя.
Импульсы с выхода РИусиливаются с помощью промежуточного усилителяПУи поступают на коммутатор, питающий обмотки ШД. В коммутатореKони обеспечивают управление силовыми элементами усилителя (транзисторами), работающими в режиме ключа (для ШД небольшой мощности), или тиристорами (для силовых ШД). ОбычноKпитается от источника постоянного тока (выпрямителей) и обеспечивает в обмотках ШД пульсирующий ток одного направления.
Рассмотрим схему (рис. 6.6) тиристорного коммутатора K, управляющего обмотками управления ШДОУ1–ОУ4. Основная часть схемы образована тиристорамиVS1–VS4, обеспечивающими парную коммутацию обмоток ШД, при которой в каждый момент времени включены две фазы (обмотки) из четырех. ТиристорыVS1иVS3,VS2 иVS4образуют схемы двух триггеров, в которых переключение тиристоров производится с помощью колебательных контуровLк–Ски диодовVD1иVD2. Принцип действия схемы поясним на примере работы триггера на тиристорахVS1–VS3.
Допустим, что в исходном положении тиристор VS1открыт и по обмоткеОУ1проходит ток, а тиристорVS3закрыт. КонденсаторСкпри этом заряжается с «+» на правой обкладке, как это показано на рисунке сплошными линиями. Если подать импульс управления наVS3, он откроется и по обмоткеОУ3начнет проходить ток. Одновременно по цепиVS3–VD3–VD1начнется быстрый перезаряд конденсатораСк, в процессе которого потенциал катодаVS1становится более положительным, чем потенциал его анода, ток через него будет уменьшаться и тиристорVS1закроется. К концу перезаряда конденсатора плюсовой станет его левая обкладка (пунктир на рисунке) и триггер готов к новому переключению, которое произойдет при снятии импульса управления сVS3и его подаче вновь наVS1. Таким образом, тиристоры в схеме триггера работают попеременно.
Аналогично работает триггер на тиристорах VS2иVS4. Для обеспечения вращения ШД одного направления тиристоры переключают в последовательностиVS1иVS2VS2иVS3VS3иVS4VS4и VSI-VS1иVS2, а для противоположного направления вращения – в последовательностиVS1иVS2VS1иVS4VS4иVS3VS3иVS2VS2иVS1и т. д.
Для снятия перенапряжений с обмоток ШД в период их коммутации параллельно этим обмоткам включены цепочки из последовательно включенных резистораRи диодаVD3.
Рассмотренная разомкнутая схема управления ШД не всегда обеспечивает высокие динамические свойства, точность и энергетические показатели дискретного привода. Поэтому современные схемы управления ШД содержат дополнительные блоки и устройства, с помощью которых характеристики электропривода улучшаются. К таким блокам (см. рис. 6.5) относятся частотно импульсный регулятор напряжения ЧИРН, усилитель обратной связи по токуУОС, блок электронного дробления шагаБЭДШ, блок плавного разгона и торможенияБПРТ(задатчик интенсивности), датчик положения и скоростиДПи цифровой регуляторЦР.
Блок ЧИРНсовместно с УОС служит для автоматической стабилизации тока в обмотках ШД и поддержания момента ШД, что существенно улучшает энергетические показатели его работы. Стабилизация тока осуществляется введением отрицательной обратной связи по току, сигнал которой снимается с резистораRо,с(см рис. 6.6), включенного в общую шину питания обмоток ШД. Разность сигналовUо,си задающегоUз, образует сигнал управления, который поступает на входУОС. С помощью этого сигнала за счет изменения частоты переключенияЧИРН(частотно-импульсная модуляция) изменяется среднее значение напряжения питания и тем самым регулируется ток в обмотках ШД.
Для улучшения качества движения ШД при низких частотах и повышения точности отработки входных импульсов управления с помощью БЭДШуменьшается единичный шаг ШД.
Расширение динамических свойств дискретного электропривода, в частности увеличение диапазона рабочих частот входного сигнала, значительно превышающих частоту приемистости ШД, может быть достигнуто введением в схему блока БПРТ, обеспечивающего разгон и торможение ШД с заданным темпом, при котором еще не происходит пропуска управляющих импульсов. При использованииБПРТобласть рабочих частот шагового электропривода может быть расширена в 2–3 раза.
Возможности дискретного электропривода расширяются при создании замкнутых структур схем управления, выполняемых с помощью показанных блоков ДПиЦР(см. рис. 6.5). В таком дискретном приводе информация о действительном положении вала и скорости ШД поступает на вход цифрового регулятораЦР, который обеспечивает заданные движения привода.
Область применения дискретного привода очень широкая. Его используют в механизмах подачи станков, газорезательных и сварочных автоматах, приборах времени, нажимных устройствах прокатных станов, лентопротяжных и регистрирующих устройствах, а также для роботов и манипуляторов, в медицинской технике, для производства элементов микроэлектроники и т. д.
studfiles.net
Исполнительные органы некоторых рабочих машин и механизмов должны совершать строго дозированные перемещения с фиксацией своего положения в конце движения. В ЭП таких машин и механизмов успешно применяются шаговые двигатели (ШД) разных типов, образующие основу дискретного ЭП.
Широкое распространение дискретного ЭП определяется еще и тем обстоятельством, что он естественным образом сочетается с цифровыми управляющими машинами, программными устройствами и микропроцессорами, которые все шире применяются во всех отраслях техники. Например, дискретный ЭП используется для металлообрабатывающих станков с числовым программным управлением (ЧПУ), роботов и манипуляторов, в гибком автоматизированном производстве, в электронной и часовой промышленности и др.
ЭП с ШД в настоящее время используются на мощности от долей ватта до нескольких киловатт, что определяется мощностью серийно выпускаемых двигателей. Расширение шкалы мощности дискретных ЭП можно достигнуть используя серийные АД, которые за счет соответствующего управления могут работать в шаговом режиме.
Шаговый двигатель по принципу своего действия аналогично синхронному, но в отличие от последнего магнитное поле ШД перемещается (вращается) не непрерывно, а дискретно, шагами. Достигается за счет импульсного возбуждения обмоток ШД с мощью электронного коммутатора, который преобразует одноканальную последовательность управляющих импульсов в многоканальную систему напряжений, прикладываемых к его обмоткам (фазам).
Дискретному характеру напряжения на фазах ШД соответствует дискретное вращение (перемещение) электромагнитного поля в воздушном зазоре, вследствие чего движение ротора состоит из последовательных элементарных поворотов или шагов.
Принцип действия и основные свойства шагового двигателя.
Принцип получения дискретного перемещения ротора рассмотрим на примере простейшей схемы двухфазного ШД (рис. 6.12, а).
ШД имеет на статоре две пары явно выраженных полюсов, на которых находятся обмотки возбуждения (управления) : обмотка 4 с выводами 1Н — 1К и обмотка 3 с выводами 2Н — 2К. Каждая из обмоток состоит из двух частей, находящихся на противоположных полюсах статора 2. Ротором в рассматриваемой схеме является двухполюсны постоянный магнит 5.
Питание обмоток осуществляется импульсами напряжения, поступающими с устройства управления, которое преобразует одно из последовательных входных импульсов управления с частотой в многоканальную по числу фаз ШД. Рассмотрим работу ШД, предположив, что в начальный момент времени напряжение подается на обмотку 4. Прохождение тока по этой обмотке вызывает появление магнитного поля статора 2 с вертикально расположенными полюсамиN—S. В результате взаимодействия этого поля с постоянным магнитом (ротором) последний займет равновесное положение, в котором оси магнитных полей статора и ротора совпадают. Положение будет устойчивым, поскольку при отклонении от него на ротор будет действовать момент (синхронизирующий), стремящийся вернуть его в положение равновесия:
М = Мmaxsinα,
где α– угол между осями магнитных полей статора и ротора; Мmax— максимальный момент.
Допустим, что с помощью блока управления 1 напряжение снимается с обмотки 4 и подается на обмотку 3. В этом случае образуется магнитное поле статора с горизонтальными полюсами, т.е. магнитное поле дискретно совершило поворот на четверть окружности статора. При этом между осями статора и ротора появляется угол рассогласования α= 90˚ и на ротор будет действовать в соответствии с формулой вращающий момент М = Мmax, под действием которого он повернется на четверть окружности статора и займет новое устойчивое равновесное положение, показанное сплошной линией. Таким образом, вслед за шаговым перемещением поля статора совершит такое же шаговое перемещение и ротор двигателя.
Предположим, что отключилась обмотка 3 и питание вновь подается на обмотку 4, но с противоположной, а полярностью напряжения. Магнитное поле статора опять будет иметь вертикально расположенные полюсы, а полярностью. Это означает, что магнитное поле совершило еще один шаг на четверть окружности и снова на ротор будет действовать синхронизирующий момент, который повернет его в положение, показанное на рис. Следующий шаг в том же направлении ротор совершит, если отключить обмотку 4 и подключить об мотку 3 с обратной полярностью напряжения. И наконец, ротор завершит полный оборот при снятии напряжения с обмотки 3 и подаче напряжения на обмотку 4.
Кроме рассмотренного способа симметричной коммутации обмоток двигателя, обеспечивающего шаговое перемещение ротора на 90°, существует способ коммутации, позволяющий при той конструкции двигателя уменьшить шаг ротора вдвое.
Допустим, что исходное положение ШД соответствует схеме показанной на рис. Подключим обмотку 3 с полярностью соответствующей положению магнитного поля, не включая обмотку 4. При этом образуется вторая, горизонтальная система полюсов и действующее магнитное поле будет складывать из магнитных полей горизонтальных и вертикальных полюсов. О такого результирующего поля будет располагаться между полюсами с одинаковой полярностью, т.е. ось магнитного поля совершит поворот на 45°. Ротор при таком порядке возбуждения обмоток ШД повернется тоже на 45°, а не 90°, как было ранее.
Если теперь снять напряжение с обмотки 4, положение магнитного поля будет соответствовать. Следующее перемещение магнитного поля и ротора на 45° совершится при возбуждающей обмотки 4 без отключения обмотки 3 и т.д. Схема коммутации, при которой подключаются поочередно одна или две обмотки, называется несимметричной.
Угловое перемещение ШД в общем случае определяется выражением
α= 2π/(pn),
где р — число пар полюсов ротора; n — число переключений (тактов) в цикле, равное числу фаз ШД при симметричной коммутации удвоенному числу фаз при несимметричной.
Шаговое перемещение ротора соответствует последовательности управляющих импульсов, при этом каждому импульсу соответствует одно переключение обмотки ШД (один такт коммутации) и один шаг ротора. Суммарный угол поворота ШД пропорционален числу импульсов, а его скорость — частоте коммутации обмоток :
ω = α.
для реверса ШД, например при симметричной схеме коммутации необходимо изменить полярность напряжения обмотки, которая была отключена на данном такте коммутации. Тогда ротор ШД совершит шаг в противоположном направлении.
Основным режимом работы шагового привода является динамический. В отличие от СД ШД рассчитаны на вхождение в синхронизм из состояния покоя и принудительное электрическое торможение. Благодаря этому в шаговом ЭП проще обеспечиваются:
пуск, торможение, реверс и переход с одной частоты управляющих импульсов на другую. Пуск ШД осуществляется скачкообразным или постепенным увеличением частоты входного сигнала от нуля до рабочей, торможение – снижением ее до нуля, а реверс — изменением последовательности коммутации обмоток ШД. Переходного процесса φ(t) в шаговом ЭП при отработке им трех импульсов управления, где φ — полный угол поворота вала ШД, а α — единичный (единичный шаг). Из рисунка видно, что переходный процесс отработки заданного перемещения имеет колебательный характер.
Обеспечение заданного характера переходных процессов в ЭП с ШД является основной и наиболее сложной задачей, так как вследствие электромагнитной инерции обмоток двигателя, механической инерции его ротора и наличия момента нагрузки на валу при резких изменениях частоты следования импульсов управления ротора может не успеть отработать полностью все импульсы. Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск ШД из неподвижного состояния без выпадания из синхронизма (пропуска шагов), называется частотой приемистости. Чем выше электромагнитная и механическая инерция ШД и больше момент его нагрузки, тем меньше частота приёмистости.
Современные ШД различны по конструктивному исполнению. В зависимости от числа фаз и устройства магнитной системы они бывают однофазными, двухфазными и многофазными с активным или пассивным ротором.
Активный ротор у ШД выполняется из постоянных магнитов или снабжается обмоткой возбуждения, как у обычных СД. Вследствие высокой экономичности и надежности в работе, технологичности изготовления, небольших габаритных размеров и массы широкое распространение получили ШД с ротором из постоянных магнитов, называемые магнитоэлектрическими. Обычно ШД с активным ротором из-за сложности его изготовления с малыми полюсными делениями имеют шаг от 15 до 90°. Для уменьшения шага в таких ШД увеличивают число фаз и тактов коммутации, а также используют двух статорную или двухроторную конструкцию.
Скорости ШД с активным ротором составляют от 208 до 314 рад/с, частота приемистости от 70 до 500 Гц, номинальные вращающие моменты от 10*10-6до 10*10-3Н*м.
Выпускается несколько серий шаговых магнитоэлектрических двигателей: четырехфазные ШДА, двух- и четырехфазные ШД и ДШ-А, четырехфазные ШДА-3 и др.
При необходимости получения небольших единичных перемещений используются двигатели с пассивным ротором, которые делятся на реактивные и индукторные. Работа таких ШД основана на взаимодействии магнитного поля и ферромагнитного тела. Статор и ротор реактивного ШД имеют явно выраженные полюсы, называемые обычно зубцами. На зубцах статора размещаются обмотки возбуждения, питаемые от электронного коммутатора. Ротор выполняется из ферромагнитного материала и не имеет обмотки возбуждения, вследствие чего и называется пассивным.
Отличительная особенность реактивного ШД заключается в неравенстве числа зубцов статора и роторапричем>. В следствие такой конструкции при каждом переключении обмоток ротор совершает поворот (шаг), равный разности полюсных делений статора и ротора:
α =
Уменьшая разность числа зубцов иможно снизить шаг ротора. На практике эту разность выбирают чётной, что улучшает использование ШД. Для уменьшения шага полюсы статора выполняют с несколькими зубцами.
Реактивные ШД при своей простоте и технологичности имеют существенный недостаток — незначительные мощность и синхронизирующий момент, что ограничивает их применение. Этот недостаток отсутствует в индукторных ШД в которых для увеличения синхронизирующего момента ротор подмагничивается со сторон статора, с помощью постоянных магнитов или дополнительной о мотки возбуждения.
Выпускается несколько серий ШД с пассивным ротором (Ш, ШДР, ШД, РШД), имеющих шаг от 1,5 до 9°, вращающие моменты от 2,5*10-5до 10*10-3Н*м и частоту приемистости от 250 до 1200 Гц.
Развитие дискретного электропривода привело к созданию специальных видов ШД — линейных, волновых, с малоинерционными катящимся роторами.
На базе цилиндрических линейных ШД созданы двухкоординатные линейно - поворотные ШД, суммирующие на своем валу два независимых движения — вращательное и поступательное.
Важным достижением в области дискретного электропривода, является создание так называемых многокоординатных ШД, осуществляющих перемещение исполнительных органов по трем координатам в пространстве. Двигатели такого рода, отличаясь высокими точностью позиционирования и скоростью, используются в приводах манипуляторов, роботов и автоматических линий станков.
Схемы управления. Управление ШД, как уже отмечалось, обеспечивается электронным блоком.
Современные блоки управления ШД состоят из нескольких функциональных узлов, выполняемых по различным схемам и с использованием разнообразных элементов. Стремление расширить область применения дискретного привода, повысить качество и точность его движения, а также надежность, упростить наладку и эксплуатацию отразилось в унификации схем управления ШД.
Рассмотрим обобщенную функциональную схему ЭП с ШД. Основная ее часть, обычно называемая разомкнутой схемой, выделена штриховой линией.
Сигнал управления в виде импульсов напряжения поступает, а вход блока 2 от программного или другого внешнего командного устройства. Блок 2 видоизменяет эти импульсы, формируя их по длительности и амплитуде, как необходимо для нормальной работа последующих блоков схемы управления. Распределитель импульсов 3 преобразует последовательность сформированных импульсов, например в четырехфазную систему однополярных импульсов напряжения, соответствующую числу фаз (обмоток) двигателя.
Импульсы с выхода распределителя 3 усиливаются с помощью промежуточного усилителя 4 и поступают на коммутатор 5, питающий обмотки ШД 8. Обычно коммутатор питается от источника постоянного тока (выпрямителя) 12 и обеспечивает в обмотках ШД пульсирующий ток одного направления.
Рассмотренная разомкнутая схема управления ШД не всегда обеспечивает высокие динамические свойства, точность и энергетические показатели ЭП. Поэтому современные схемы управления ШД содержат дополнительные узлы, с помощью которых характеристики ЭП улучшаются. К таким узлам относятся частотно - импульсный регулятор напряжения 11, усилитель обратной связи тока, блок электронного дробления шага 13, блок плавного разгона и торможения (задатчик интенсивности) 1, датчик положения ротора и скорости 7, и цифровой регулятор б.
Регулятор 11 и усилитель 10, связанные с узлом сравнения 9, служат для автоматической стабилизации тока в обмотках ШД и подержания его момента, что существенно улучшает энергетические показатели работы двигателя. Стабилизация тока осуществляется введением отрицательной обратной связи по току, с помощью которой за счет регулирования частоты переключения регулятора (частотно-импульсная модуляция) изменяется среднее значение напряжения питания и тем самым регулируется ток в обмотках ШД.
Задача формирования тока в обмотках ШД решается также при использовании коммутатора 5, обладающего свойствами источника тока. В этом случае отпадает надобность в обратной связи току и блоках 11 и 10.
Для улучшения качества движения ШД при низких частотах повышения точности отработки входных импульсов управления помощью блока 13 уменьшается единичный шаг ШД.
Улучшение динамических свойств дискретного ШД, в частности увеличение диапазона рабочих частот входного сигнала, значительно превышающих частоту приёмистости двигателя, может быть достигнуто введением в схему блока 1, обеспечивающего разгон и торможение двигателя с заданным темпом, при котором еще не происходит пропускание управляющих импульсов. При использовании блока 1 область рабочих частот шагового электропривода может бы увеличена в 2... 3 раза.
Возможности дискретного ЭП расширяются при использовании замкнутых схем управления на основе датчика 7 и регулятора 6. В таком дискретном приводе информация о действительном положении вала и скорости ШД поступает на вход цифрового регулятора б, который обеспечивает заданный характер движения привода. Перспективы дальнейшего развития ЭП с ШД связаны с использованием микропроцессорных средств управления. В этом случае функции всех показанных на рисунке блоков управления, за исключением силового коммутатора, датчиков скорости и положения, выполняет микропроцессор по соответствующей программе. Как говорят в таких случаях, аппаратная реализация схемы управления ШД заменяется более гибкой и функционально богатой — программной.
Область применения дискретного привода постоянно расширяется. Его используют кроме указанных ранее случаев в резательных и сварочных автоматах, часах, нажимных устройств прокатных станов, лентопротяжных и регистрирующих устройствах, в медицинской технике, в производстве элементов микроэлектроники и др.
studfiles.net
Электропривод с шаговым двигателем просмотров - 257
Исполнительные органы некоторых рабочих машин и механизмов должны совершать строго дозированные перемещения с фиксацией своего положения в конце движения. В ЭП таких машин и механизмов применяются шаговые двигатели (ШД), образующие основу дискретного ЭП. Дискретный ЭП используется для металлообрабатывающих станков с числовым программным управлением (ЧПУ), роботов и манипуляторов, в гибком автоматизированном производстве, электронной и часовой промышленности, газорезательных и сварочных автоматах, приборах вре-мени, нажимных устройствах прокатных станов, лентопротяжных и регис-трирующих устройствах, в медицинской технике, в производстве элемен-тов микроэлектроники и т.д. Дискретный ЭП естественным образом соче-тается с МПСУ, которые все шире применяются во всех отраслях техники.
ЭП с ШД используется с мощностью от долей ватта до нескольких киловатт, что определяется мощностью серийно выпускаемых ШД. Расширение шкалы мощности дискретного ЭП может быть достигнуто использованием в нем серийных АД, которые за счет соответствующего управления могут работать в шаговом режиме.Шаговый двигатель по принципу своего действия является СД. При этом в отличие от последнего, магнитное поле ШД перемещается (вращается) не непрерывно, а диск-ретно, шагами.Это достигается за счет импульсного возбуждения обмо-ток ШД с помощью электронного коммутатора, который преобразует одноканальную последовательность управляющих импульсов в мно-гофазную систему напряжений, прикладываемых к обмоткам (фазам) ШД.
Дискретному характеру напряжения на фазах ШД соответствует дискретное вращение (перемещение) электромагнитного поля в воздуш-ном зазоре, вследствие чего движение ротора состоит из последователь-ных элементарных поворотов, или шагов.
Угловое перемещение α ШД в общем случае определяется выражением а = 2π (рп), где р – число пар полюсов ротора; n – число перек-лючений (тактов) в цикле, равное числу фаз ШД при симметричной и удвоенному числу фаз при несимметричной коммутации.
Шаговое перемещение ротора соответствует последовательности управляющих импульсов, при этом каждому импульсу соответствует од-но переключение обмотки ШД (один такт коммутации) и один шаг рото-ра. Суммарный угол поворота ШД пропорционален числу импульсов, а его скорость – частоте коммутации обмоток fК: ω = αfК.
Для реверса ШД при симметричной схеме коммутации крайне важно изменить полярность напряжения обмотки, которая была отключена на данном такте коммутации. Тогда ротор ШД совершит шаг в противопо-ложном направлении.
Основным режимом работы шагового привода является динамичес-кий. В отличие от обычного СД, ШД рассчитаны на вхождение в синхро-низм из состояния покоя и принудительное электрическое торможение. Благодаря этому в шаговом ЭП обеспечивается пуск, торможение, реверс и переход с одной частоты управляющих импульсов на другую. Пуск ШД осуществляется скачкообразным или постепенным увеличе-нием частоты входного сигнала от нуля до рабочей, торможение – сни-жением ее до нуля, а реверс – изменением последовательности коммута-ции обмоток ШД.
Обеспечение заданного характера переходных процессов является для ЭП с ШД основной и наиболее сложной задачей, так как вследствие электромагнитной инерции обмоток ШД, механической инерции его ротора и момента нагрузки на валу при резких изменениях частоты следования импульсов управления ротор ШД может не успеть отрабо-тать полностью все импульсы. Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск ШД из неподвижного состояния без выпадения из синхронизма (пропуска шагов), принято называть частотой приемистости. Чем выше электромагнитная и механическая инерция ШД и больше момент его нагрузки, тем меньше частота приемистости.
Современные ШД различны по конструктивному исполнению. Учитывая зависимость отчисла фаз и устройства магнитной системы ШД бывают одно-, двух- и многофазными с активным или пассивным ротором.
Развитие дискретного ЭП привело к созданию специальных видов ШД – линейных, волновых, с малоинерционным и катящимся роторами.
На базе цилиндрических линейных ШД созданы двухкоординатные линейно-поворотные ШД, суммирующие на своем валу два независимых движения: вращательное и поступательное.
Важным достижением в области дискретного ЭП является создание так называемых многокоординатных ЩД, осуществляющих перемещение исполнительных органов по трем координатам в пространстве. Двигатели такого рода, отличаясь высокой точностью позиционирования и скорос-тью, используются в приводах манипуляторов, роботов и автоматических линиях станков. Обобщенная функциональная схема регулируемого ЭП с ШД показана на рис. 12.2. Основная ее часть, обычно называемая разомк-нутой схемой, выделена штриховой линией.
Сигнал управления в виде импульсов напряжения поступает на вход блока 2 от программного или другого внешнего командного устройства. Блок 2 видоизменяет эти импульсы, формируя их по длительности и амплитуде, как крайне важно для нормальной работы последующих блоков схемы управления. Распределитель импульсов 3 преобразует последовательность сформированных импульсов, к примеру, в четы-рехфазную систему однополярных импульсов напряжения, соответст-вующую числу фаз (обмоток) двигателя.
Рис. 12.2. Схема ЭП с шаговым двигателем
Импульсы с выхода распределителя 3 усиливаются с помощью промежуточного усилителя 4 и поступают на коммутатор 5, питающий обмотки ШД 8. Обычно коммутатор питается от источника 12 постоян-ного тока (выпрямителя) и обеспечивает в обмотках ШД пульсирующий ток одного направления.
Рассмотренная разомкнутая схема управления ШД не всегда обеспечивает высокие динамические свойства, точность и энергетические показатели ЭП. По этой причине современные схемы управления ШД содержат дополнительные узлы, с помощью которых характеристики ЭП улучша-ются. К таким узлам (рис.12.2) относятся частотно-импульсный регуля-тор напряжения 11, усилитель ОС по току 10, блок электронного дробле-ния шага 13, блок плавного разгона и торможения (задатчик интенсивно-сти) 1, датчик положения ротора и скорости 7 и цифровой регулятор 6.
Регулятор 11 и усилитель 10, связанные с узлом сравнения 9, служат для автоматической стабилизации тока в обмотках ШД и поддержания момента ШД, что существенно улучшает энергетические показатели его работы. Стабилизация тока осуществляется введением ООС по току, с помощью которой за счет регулирования частоты переключения регу-лятора 11 (частотно-импульсная модуляция) изменяется среднее значе-ние напряжения питания и тем самым регулируется ток в обмотках ШД.
Та же задача формирования тока в обмотках ШД решается при ис-пользовании коммутатора 5, обладающего свойствами источника тока. В этом случае отпадает нужнобность в ОС по току и блоках 10 и 11.
Для улучшения качества движения ШД при низких частотах и повышения точности отработки входных импульсов управления с помощью блока 13 уменьшается единичный шаг ШД.
Улучшение динамических свойств дискретного ШД, в частности увеличение диапазона рабочих частот входного сигнала, значительно превышающих частоту приемистости ШД, может быть достигнуто введением в схему блока 1, обеспечивающего разгон и торможение ЩД с заданным темпом, при котором еще не происходит пропуска управ-ляющих импульсов. При использовании блока 1 область рабочих частот шагового ЭП может быть увеличена в 2–3 раза.
Возможности дискретного ЭП расширяются при создании замк-нутых схем управления, выполняемых с помощью датчика 7 и регулято-ра 6. В таком дискретном приводе информация о действительном поло-жении вала и скорости ШД поступает на вход цифрового регулятора 6, который обеспечивает заданный характер движения привода.
Перспективы дальнейшего развития ЭП с ШД связаны с использо-ванием микропроцессорных средств управления. В этом случае функции всех показанных на рис. 12.2 блоков управления, за исключением сило-вого коммутатора, датчиков скорости и положения, выполняет микроп-роцессор по соответствующей программе.
Схема вентильно-индукторного ЭП
Простота͵ технологичность и дешевизна индукторных электро-двигателей определили разработку и применение для ряда рабочих машин и механизмов так называемого вентильно-индукторного ЭП (ВИП). Такой ЭП характеризуется широкими регулировочными возмож-ностями и может иметь мощности от единиц до нескольких сотен кило-ватт и более.
Структурная схема силовой части ВИП в случае питания его от трехфазной сети переменного тока представлена на рис. 12.3,а. В ее состав входят индукторный двигатель ИД, электронный коммутатор К свыпрямителем В, датчик положения ДП ротора двигателя и система управления СУВИП. Особенность ВИП состоит в применении индук-торного двигателя с неодинаковым количеством полюсов статора и зуб-цов ротора, лежащим обычно в пределах 4 – 12. На рис. 12.3 в качестве примера показан трехфазный двигатель, имеющий 6 полюсов статора и 4 зубца на роторе. На полюсах статора ИД расположены четыре обмотки А-а, В-b, С-с, подключенные к электронному коммутатору, выпол-няемому обычно на силовых транзисторах того или иного типа. В схеме рис.12.3,а в качестве управляемых ключей коммутатора используются силовые биполярные транзисторы Т1–Т6 сизолированным затвором типа IGBT. Управление ключами осуществляет СУ, обеспечивающая подачу на них импульсов управления с необходимыми последовательностью и частотой, которые определяются сигналами задания скорости Uз.с и датчика положения Uд.п.
Рис.12.3. Схема (а) и характеристики (б)вентильно-индукторного ЭП
Принцип действия ВИП состоит в следующем. При подаче импульсов управления на пару транзисторов (ключей) одной фазы коммутатор подключает обмотку этой фазы двигателя к выходу выпря-мителя В. По обмотке начинает протекать ток, создающий в двигателе магнитное поле. Это магнитное поле вызовет появление электромаг-нитных сил притяжения между полюсами статора и ближайшими к ним зубцами ротора, которые создадут вращающий момент на валу двига-теля. Под его действием ротор переместится в согласованное положение, в котором оси возбужденных полюсов статора и ближайших к ним зубцов ротора будут совпадать.
Так как число полюсов статора и зубцов ротора различно, то в согласованном положении ротора для работающей фазы следующая фаза оказывается в рассогласованном положении и подготовлена к очередному подключению к источнику питания. Требуемая последова-тельность подключения фаз двигателя к источнику питания, при которой на его валу обеспечивается постоянное направление вращающего мо-мента͵ осуществляется с помощью находящегося на валу датчика поло-жения.
Скорость вращения ротора определяется следующей формулой:
где fk – частота коммутации обмоток; m – число фаз двигателя; n – число зубцов ротора.
Эта формула показывает возможности выполнения ВИП на различ-ные скорости. При высокой частоте коммутации обмоток бывают ре-ализованы ИД на большие скорости вращения, а выполнение их с большим числом полюсов статора и зубцов ротора позволяет получить низкие скорости ВИП. При низких скоростях ИД из кинематической схемы ВИП бывают исключены редукторы.
Механические характеристики в разомкнутой структуре ВИП при различных напряжениях питания U показаны на рис.12.3,б. При помощи различных обратных связей бывают сформированы характеристики, обеспечивающие регулирование координат ЭП с требуемым качеством. В ВИП может быть реализован и тормозной режим работы, осущест-вляемый за счет выбора моментов включения и отключения обмоток двигателя.
Показанные на схеме рис. 12.3,а диоды D1 – D6 служат для обеспе-чения возможности циркуляции электромагнитной мощности в ЭП при отключении силовых транзисторов, а конденсатор С играет роль фильт-ра на выходе выпрямителя.
В современных схемах ВИП широко используются микропроцес-сорные средства управления. При их использовании в ряде случаев ока-зывается возможным отказаться от применения в ЭП датчика положения, а необходимую для его работы информацию о положении ротора полу-чить косвенным путем. Это позволяет упростить кинематическую схему ВИП и сделать его тем самым более простым и надежным.
Схема автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя.
Синхронные двигатели (СД) за счет регулирования своего тока возбуждения могут изменять уровень циркулирующей между ним и сетью реактивной мощности, работая, в частности, как компенсаторы реактивной мощности. Кроме этого, с помощью регулирования тока возбуждения можно снижать потери энергии в двигателе и элементах системы электроснабжения, поддерживать напряжение питающей сети или коэффициент мощности СД. Такие схемы получили название схем автоматического регулирования возбуждения (АРВ).
На рис. 12.4 в качестве примера приведена схема АРВ СД. Она построена по принципу подчиненного регулирования координат и обес-печивает регулирование трех переменных: тока возбуждения, напряже-ния двигателя и реактивной составляющей тока статора СД.
Первый и второй контуры обеспечивают регулирование тока воз-буждения с помощью регулятора возбуждения РТВ. Сигнал на входе РТВ формируется из сигналов задания тока возбуждения, поступающего с регулятора задания тока возбуждения РЗТВ, текущего значения тока возбуждения Iв, поступающего с датчика тока возбуждения ДТВ, и уставки минимального тока Iв min. Выходной сигнал РТВ с помощью СИФУ воздействует на тиристорный возбудитель ТВ, который и обеспе-чивает требуемое регулирование Iв.
На вход РЗТВ (второй контур регулирования) поступают сигналы, пропорциональные квадрату активной составляющей тока статора Iа (канал: квадратичный преобразователь ПК – формирующий усилитель УФ), производной активного тока (канал: датчик активного тока ДАТ –дифференциальный преобразователь ДП) и реактивной составляющей тока с регулятора реактивного тока РРТ. Регулятор РРТ входит в третий контур – регулирования реактивной составляющей тока Iр. На его входе суммируются сигналы ОС по реактивной составляющей тока (датчик реактивного тока ДРТ) и два сигнала задания – от регулятора напряжения РH и сигнала задания уровня реактивного тока Iз.р.
На входе РН (четвертый контур регулирования) суммируются сигна-лы ОС по напряжению U1, (датчик напряжения ДН) и два задающих сигнала – номинального Uз.ном и минимального Uз.min напряжений. Кон-тур регулирования напряжения обеспечивает также форсировку возбуж-дения СД при снижении напряжения в питающей сети до 0,8 – 0,85 номинального за счет наличия в схеме специального узла форсировки возбуждения.
Рис.12.4. Замкнутая схема автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя
Исполнительные органы некоторых рабочих машин и механизмов должны совершать строго дозированные перемещения с фиксацией своего положения в конце движения. В ЭП таких машин и механизмов применяются шаговые двигатели (ШД), образующие основу дискретного ЭП.... [читать подробенее]
oplib.ru
Система управления с шаговыми двигателями
Контроллер шагового двигателя
Шaговые двигатели уже давно и успешно применяются в самых разнообразных устройствах. Их можно встретить в дисководах, принтерах, плоттерах, сканерах, факсах, а также в разнообразном промышленном и специальном оборудовании. В настоящее время выпускается множество различных типов шаговых двигателей на все случаи жизни. Однако правильно выбрать тип двигателя – это еще полдела. Не менее важно правильно выбрать схему драйвера и алгоритм его работы, который зачастую определяется программой микроконтроллера. Цель этой статьи – систематизировать сведения об устройстве шаговых двигателей, способах управления ими, схемах драйверов и алгоритмах. В качестве примера приведена практическая реализация простого и дешевого драйвера шагового двигателя на основе микроконтроллера семейства AVR
Что такое шаговый двигатель, и зачем он нужен?
Шаговый двигатель – это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Так, пожалуй, можно дать строгое определение. Наверное, каждый видел, как выглядит шаговый двигатель внешне: он практически ничем не отличается от двигателей других типов. Чаще всего это круглый корпус, вал, несколько выводов (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид шаговых двигателей семейства ДШИ-200.
Однако шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает порой их исключительно удобными для применения или даже незаменимыми.
Чем же хорош шаговый двигатель?
Угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны) прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу возможность быстрого старта/остановки/реверсирования высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов. Но не все так хорошо...
· шаговым двигателем присуще явление резонанса
· возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи
· потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки
· затруднена работа на высоких скоростях
· невысокая удельная мощность
· относительно сложная схема управления
Что выбрать?
Шаговые двигатели относятся к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Как и любые бесколлекторные двигатели, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в критичных, например, индустриальных применениях. По сравнению с обычными двигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют значительно более сложных схем управления, которые должны выполнять все коммутации обмоток при работе двигателя. Кроме того, сам шаговый двигатель – дорогостоящее устройство, поэтому там, где точное позиционирование не требуется, обычные коллекторные двигатели имеют заметное преимущество. Справедливости ради следует отметить, что в последнее время для управления коллекторными двигателями все чаще применяют контроллеры, которые по сложности практически не уступают контроллерам шаговых двигателей.
Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, так как такие датчики могут стоить намного больше самого двигателя. Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация о положении ротора теряется и система требует базирования с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика. Системы с обратной связью не имеют подобного недостатка.
При проектировании конкретных систем приходится делать выбор между сервомотором и шаговым двигателем. Когда требуется прецизионное позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый двигатель является наиболее экономичным решением. Как и для обычных двигателей, для повышения момента может быть использован понижающий редуктор. Однако для шаговых двигателей редуктор не всегда подходит. В отличие от коллекторных двигателей, у которых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигатель имеет больший момент на низких скоростях. К тому же, шаговые двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными двигателями, что ограничивает максимальное передаточное число и, соответственно, увеличение момента с помощью редуктора. Готовые шаговые двигатели с редукторами хотя и существуют, однако являются экзотикой. Еще одним фактом, ограничивающим применение редуктора, является присущий ему люфт. Возможность получения низкой частоты вращения часто является причиной того, что разработчики, будучи не в состоянии спроектировать редуктор, применяют шаговые двигатели неоправданно часто. В то же время коллекторный двигатель имеет более высокую удельную мощность, низкую стоимость, простую схему управления, и вместе с одноступенчатым червячным редуктором он способен обеспечить тот же диапазон скоростей, что и шаговый двигатель. К тому же, при этом обеспечивается значительно больший момент. Приводы на основе коллекторных двигателей очень часто применяются в технике военного назначения, а это косвенно говорит о хороших параметрах и высокой надежности таких приводов. Да и в современной бытовой технике, автомобилях, промышленном оборудовании коллекторные двигатели распространены достаточно сильно. Тем не менее, для шаговых двигателей имеется своя, хотя и довольно узкая, сфера применения, где они незаменимы.
Виды шаговых двигателей
Существуют три основных типа шаговых двигателей:
· двигатели с переменным магнитным сопротивлением
· двигатели с постоянными магнитами
· гибридные двигатели
Определить тип двигателя можно даже на ощупь: при вращении вала обесточенного двигателя с постоянными магнитами (или гибридного) чувствуется переменное сопротивление вращению, двигатель вращается как бы щелчками. В то же время вал обесточенного двигателя с переменным магнитным сопротивлением вращается свободно. Гибридные двигатели являются дальнейшим усовершенствованием двигателей с постоянными магнитами и по способу управления ничем от них не отличаются. Определить тип двигателя можно также по конфигурации обмоток. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют три (реже четыре) обмотки с одним общим выводом. Двигатели с постоянными магнитами чаще всего имеют две независимые обмотки. Эти обмотки могут иметь отводы от середины. Иногда двигатели с постоянными магнитами имеют 4 раздельных обмотки.
В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс можно определить как некоторую область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент зависит от параметров обмоток. Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Он будет находится в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.
Двигатели с переменным магнитным сопротивлением
Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют несколько полюсов на статоре и ротор зубчатой формы из магнитомягкого материала (рис. 2). Намагниченность ротора отсутствует. Для простоты на рисунке ротор имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель имет шаг 30 град.
Рис. 2. Двигатель с переменным магнитным сопротивлением.
При включени тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которых находится запитанная обмотка. Если затем выключить эту обмотку и включить следующую, то ротор поменяет положение, снова замкнув своими зубцами магнитный поток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение, нужно включать фазы попеременно. Двигатель не чувствителен к направлению тока в обмотках. Реальный двигатель может иметь большее количество полюсов статора и большее количество зубцов ротора, что соответствует большему количеству шагов на оборот. Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой, что вместе с соответствующими зубцами ротора обеспечивает очень маленькое значения угла шага, порядка нескольких градусов. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением довольно редко используют в индустриальных применениях.
mirznanii.com
Двигатели с постоянными магнитами
Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты (рис. 3). Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.
Рис. 3. Двигатель с постоянными магнитами.
Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Двигатель имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель, как и рассмотренный ранее двигатель с переменным магнитным сопротивлением, имеет величину шага 30 град. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48 – 24 шага на оборот (угол шага 7.5 – 15 град).
Разрез реального шагового двигателя с постоянными магнитами показан на рис. 4.
Рис. 4. Разрез шагового двигателя с постоянными магнитами.
Для удешевления конструкции двигателя магнитопровод статора выполнен в виде штампованного стакана. Внутри находятся полюсные наконечники в виде ламелей. Обмотки фаз размещены на двух разных магнитопроводах, которые установлены друг на друге. Ротор представляет собой цилиндрический многополюсный постоянный магнит.
Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, котрая ограничивает максимальную скорость. Для работы на высоких скоростях используются двигатели с переменным магнитным сопротивлением.
Гибридные двигатели
Гибридные двигатели являются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3.6 – 0.9 град.). Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении (рис. 5).
Рис. 5. Гибридный двигатель.
Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3.6 град. двигателей и 8 основных полюсов для 1.8- и 0.9 град. двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними. Зависимость между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора и числом фаз определяет угол шага S двигателя:
S = 360/(Nph*Ph) = 360/N,
где Nph – чило эквивалентных полюсов на фазу = число полюсов ротора, Ph – число фаз, N - полное количество полюсов для всех фаз вместе.
Ротор показанного на рисунке двигателя имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель имеет 2 фазы, поэтому полное количество полюсов – 200, а шаг, соответственно, 1.8 град.
Продольное сечение гибридного шагового двигателя показано на рис. 6. Стрелками показано направление магнитного потока постоянного магнита ротора. Часть потока (на рисунке показана черной линией) проходит через полюсные наконечники ротора, воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании момента.
Рис. 6. Продольный разрез гибридного шагового двигателя.
Как видно на рисунке, воздушные зазоры у верхнего и нижнего полюсного наконечника ротора разные. Это достигается благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубъев. Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальные воздушные зазоры и, как следствие, обладает минимальным магнитным сопротивлением. По этой цепи замыкается другая часть потока (на рисунке показана штриховой белой линией), которая и создает момент. Часть цепи лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку, поэтому не показана. В этой же плоскости создают магнитный поток катушки статора. В гибридном двигателе этот поток частично замыкается полюсными наконечниками ротора, и постоянный магнит его «видит» слабо. Поэтому в отличие от двигателей постоянного тока, магнит гибридного двигателя невозможно размагнитить ни при какой величине тока обмоток. Величина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая – типично 0.1 мм. Это требует высокой точности при сборке, поэтому шаговый двигатель не стоит разбирать ради удовлетворения любопытства, иначе на этом его срок службы может закончиться. Чтобы магнитный поток не замыкался через вал, который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных марок стали. Они обычно обладают повышенной хрупкостью, поэтому с валом, особенно малого диаметра, следует обращаться с осторожностью. Для получения больших моментов необходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и поле постоянного магнита. При этом требуется больший диаметр ротора, что ухудшает отношение крутящего момента к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногда конструктивно выполняют из нескольких секций в виде этажерки. Крутящий момент и момент инерции увеличиваются пропорционально количеству секций, а их отношение не ухудшается. Существуют и другие конструкции шаговых двигателей. Например, двигатели с дисковым намагниченным ротором. Такие двигатели имеют малый момент инерции ротора, что в ряде случаев важно. Большинство современных шаговых двигателей являются гибридными. По сути гибридный двигатель является двигателем с постоянными магнитами, но с большим числом полюсов. По способу управления такие двигатели одинаковы, дальше будут рассматриваться только такие двигатели. Чаще всего на практике двигатели имеют 100 или 200 шагов на оборот, соответственно шаг равен 3.6 грд или 1.8 грд. Большинство контроллеров позволяют работать в полушаговом режиме, где этот угол вдвое меньше, а некоторые контроллеры обеспечивают микрошаговый режим.
Биполярные и униполярные шаговые двигатели
В зависимости от конфигурации обмоток двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовывается драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода (рис. 7а).
Рис. 7. Биполярный двигатель (а), униполярный (б) и четырехобмоточный (в).
Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов (рис. 7б). Иногда униполярные двигатели имеют раздельные 4 обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8 (рис. 7в). При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярный двигатель с двумя обмоткими и отводами тоже можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными. В любом случае ток обмоток следует выбирать так, чтобы не превысить максимальной рассеиваемой мощности.
Биполярный или униполярный?
Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность. При одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент.
Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путь для повышения магнитного поля – это увеличение тока или числа витков обмоток. Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника. Однако на практике это ограничение действует редко. Гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя вследствие омических потерь в обмотках. Как раз этот факт и демонстрирует одно из преимуществ биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток. Другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки, т.е. их использование оптимально. В таком двигателе сечение отдельных обмоток вдвое больше, а омическое сопротивление – соответственно вдвое меньше. Это позволяет увеличить ток в корень из двух раз при тех же потерях, что дает выигрыш в моменте примерно 40%. Если же повышенного момента не требуется, униполярный двигатель позволяет уменьшить габариты или просто работать с меньшими потерями. На практике все же часто применяют униполярные двигатели, так как они требуют значительно более простых схем управления обмотками. Это важно, если драйверы выполнены на дискретных компонентах. В настоящее время существуют специализированные микросхемы драйверов для биполярных двигателей, с использованием которых драйвер получается не сложнее, чем для униполярного двигателя. Например, это микросхемы L293E, L298N или L6202 фирмы SGS-Thomson, PBL3770, PBL3774 фирмы Ericsson, NJM3717, NJM3770, NJM3774 фирмы JRC, A3957 фирмы Allegro, LMD18T245 фирмы National Semiconductor.
mirznanii.com
Квалификационная работа на соискание степени бакалавра
"Модернизация электропривода шагового двигателя Шд5"
Введение.
Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники [1].
В данной работе рассматривается электропривод для шагового двигателя ШД-5Д1МУЗ (в дальнейшем именуемые просто, как ШД5). К сожалению, сейчас разработками электроприводов для шаговых двигателей, занимаются, в основном, за рубежом. Широкое применение двигателей ШД5¹ на установках в Институте ядерной физики (в ИЯФе около 200 экземпляров) и в промышленности для числового программного управления (ЧПУ) послужило основанием для разработки нового электропривода, взамен старому ПШД5/80, разработанному в ИЯФе.
Основным недостатком ПШД5/80 является морально – устаревшая элементная база. Так логическое управление существующего привода выполнено на ТТЛ – логике. А силовая часть выполнена из шести каналов. В каждом канале имеется четыре биполярных транзистора. При этом работа привода сопровождается значительным выделением тепла. Поэтому, в существующим приводе использовались громоздкие радиаторы. Более того, привод требовал принудительного воздушного охлаждения при интенсивной работе блока. ТТЛ – логика позволяла выполнить управление двигателем по простейшей схеме релейного управления токами в фазах. Из – за этого присутствовали пульсации момента двигателя на низких скоростях вращения, а также при старте и торможении. Важный параметр для устройств ЧПУ – отсутствие пульсаций момента независимо от скорости вращения и нагрузки на двигатель. Также важна возможность управлять ускорением при разгоне и торможении, когда влияние на работу двигателя оказывают силы инерции.
Добиваясь должного управления на ТТЛ – логике, приходилось бы использовать громоздкие платы с множеством микросхем, что в свою очередь могло привести к снижению надёжности работы привода, и появлению специальных программных обеспечений по управлению приводом. Такой привод мог не найти применения в промышленности. Поэтому в старой разработке привода ограничились простейшей схемой управления двигателем. Но современное развитие производства электронных компонентов послужило толчком для модернизации имеющегося привода. Так, например, сейчас фирмой Altera выпускаются программируемые логические матрицы, позволяющие запрограммировать логику порядка 1000 триггеров. Также в последнее время появились полевые транзисторы средних мощностей и драйверы к ним, фирмы International Rectifier, которые позволяют выполнить силовую часть привода наиболее простой. Таким образом, появились тенденции для разработки нового привода. Его конструктивные особенности будут изложены далее. А для начала я остановлюсь на особенностях самого шагового двигателя, для которого разрабатывается новый привод. Ведь выбрать оптимальный режим управления привода, можно только изучив подробно работу самого шагового двигателя, которому и посвящается следующий раздел.
1.1 Устройство
Двигатель ШД5, по числу обмоток управления (числу фаз), относится к многофазным (имеет шесть фаз) шаговым двигателям, с электромагнитной связью ротора и статора. Такие двигатели получили наибольшее распространение по сравнению с двигателями, имеющими механическую¹ связь ротора и статора, ввиду лучших динамических характеристик. По своей природе они являются синхронными двигателями, сохраняющими синхронизм не только при движении ротора, но и при пуске, торможении, реверсе, а также допускают длительную фиксированную остановку ротора, когда по обмоткам ротора проходит постоянный ток.
По типу магнитной системы ШД5 относится к параметрическим двигателям. Он имеет зубчатый ферромагнитный ротор, выполняющий роль модулятора магнитной проводимости воздушного зазора между статором и ротором.
По способу возбуждения ШД5 относится к классу реактивных двигателей, так как ротор не имеет возбуждения, и независимо от направления тока, одинаково ориентируется относительно возбужденного полюса.
По моменту, развиваемому на валу, ШД5 относится к серводвигателям (его момент составляет 0.14 Н/м), а по характеру перемещения к поворотному типу [2]. Таким образом, при подаче на двигатель импульсов управления, он совершает вращательное движение. Как это происходит, становится понятно при рассмотрении устройства шагового двигателя.
Статор шагового двигателя (рис. 1) с реактивным ротором имеет выступающие полюса, вокруг которых укладываются обмотки, соединяемые в фазы. Ротор представляет собой многополюсную зубчатую конструкцию. Обмотки двух противоположных полюсов статора соединяются последовательно и при протекании по ним тока образуют полюса противоположной полярности. При этом ротор занимает фиксированное положение, соответствующее наибольшей магнитной проводимости пути замыкания магнитного потока статора для данной возбуждённой фазы. При подаче импульса управления в следующую фазу ротор занимает новое фиксированное положение, совершая при этом шаг
α = 2π/(zp m) (1)
где zp – число зубцов ротора; m – число обмоток управления на статоре, пространственно сдвинутых относительно друг друга или число тактов коммутации схемы управления.
Если отклонить ротор, находящийся в некотором фиксированном положении на некоторый угол, то магнитная проводимость уменьшается и возникает синхронизующий момент, который будет стремиться возвратить ротор в прежнее положение. Количественно электромагнитный момент шагового двигателя можно представить как степень изменения сосредоточенной в воздушном зазоре электромагнитной энергии и угла отклонения ротора от равновесного состояния:
Mm = dEm /dα [5]
Электромагнитная энергия в воздушном зазоре шагового двигателя является периодической функцией угла рассогласования ротора Em = f(αe ), а связь между углом рассогласования и геометрическим углом определяется выражением
αe = (zp α)/2 (2)
где αe – угол рассогласования, α – геометрический угол. Электромагнитную энергию в воздушном зазоре Em можно вычислить через полную магнитную проводимость воздушного зазора λ. Для этого представим обмотку статора в виде тора, имеющего разрыв в виде воздушного зазора [6]. Таким образом, выражение электромагнитного момента двигателя принимает вид:
zp dEm (αe ) Lm I² Фw F
Mm = – –, где Em = – Lm = – Ф = – = Fλ,
2 dαe 2 I rm
где I – ток в обмотке двигателя, Ф – магнитный поток через воздушный зазор, w – число витков в обмотке статора, F – магнитодвижущая сила управляющей обмотки статора на пару полюсов (F = wI), rm – полное магнитное сопротивление воздушного зазора, Lm – эквивалентная индуктивность воздушного зазора [7]. Таким образом, окончательно, выражение электромагнитного момента двигателя примет вид:
zp dλ
Mm = – wI² – (3)
4 dαe
Если пренебречь насыщением магнитной системы двигателя и пространственными высшими гармониками в кривой магнитного поля в воздушном зазоре, то выражение магнитной проводимости зазора будет:
1 1
λ = – (λd + λq) + – (λd – λq) Cos(2αe) [2]
2 2
где λd и λq – полные магнитные проводимости воздушного зазора шагового двигателя по продольной и поперечной осям.
Уравнение статического синхронизующего момента шагового двигателя, полученное путём подстановки [2] в (3):
Mm = 0.25zp wI²(λd – λq ) Sin(2αe ) (4)
Переходя, непосредственно к конструктивным особенностям ШД5 начнём с того, что этот шаговый двигатель является многостаторным (он имеет два статора). Рис. 2. Поперечная геометрия ШД5 и схемы соединения обмоток.
У многостаторного двигателя обмотки управления, находящиеся в разных статорах, не имеют между собой магнитной связи, располагаясь в двух отдельных пакетах, смещенных относительно друг друга на 2π/(zp m), рад. Размещение фазных обмоток на отдельных пакетах статора усложняет конструкцию двигателя и увеличивает его габариты. Но зато при такой конструкции многофазного двигателя удается избежать нагромождения множества обмоток в одном статоре.
Шестифазный редукторный шаговый двигатель ШД5 с симметричной магнитной системой [2] состоит из двух шихтованных статоров, которые последовательно расположены вокруг одного ротора.
Статоры сдвинуты друг относительно друга (по оси ротора) на угол 2π/(mzp ) рад. В каждом статоре имеется шесть пазов, в которые уложены 12 сосредоточенных обмоток управления, соединяемых в двигателе, в шесть электрически не связанных фаз (рис. 3). На полюсах статора расположены мелкие зубцы. Ротор представляет собой цилиндр с мелкими зубцами, причем ширина зубцов по наружному диаметру ротора равна ширине зубцов статора по расточке. Работа двигателя осуществляется следующим образом. Положим, что питание одновременно подается в две соседние фазы, например, 1 и 3. При этом магнитный поток Ф замыкается по кротчайшему пути через соседние полюса. Ось результирующего магнитного поля ориентируется между полюсами 1 и 3, а ротор занимает положение, соответствующее максимальной проводимости воздушного зазора, причем, относительно пары полюсов 2 – 4 положение максимальной проводимости между зубцами статора и ротора будет сдвинуто на 1 /6 зубцового деления. При снятии питания с фаз 1 и 3, и подаче его в фазы 2 и 4 ось результирующего магнитного потока смещается на π /6 рад., а ротор поворачивается на угол, соответствующий новому положению максимальной магнитной проводимости – отрабатывает шаг. Для равномерной отработки шагов необходимо, чтобы между зубцами ротора и статора под очередным полюсом был угловой сдвиг, равный 2π/(mzp ) рад. При этом движение ротора осуществляется последовательным переключением фаз таким образом, чтобы ротор при каждом переключении перемещался на один и тот же угол.
mirznanii.com
Электропривод с шаговым двигателем
Система управления с шаговыми двигателями
Контроллер шагового двигателя
Шaговые двигатели уже давно и успешно применяются в самых разнообразных устройствах. Их можно встретить в дисководах, принтерах, плоттерах, сканерах, факсах, а также в разнообразном промышленном и специальном оборудовании. В настоящее время выпускается множество различных типов шаговых двигателей на все случаи жизни. Однако правильно выбрать тип двигателя это еще полдела. Не менее важно правильно выбрать схему драйвера и алгоритм его работы, который зачастую определяется программой микроконтроллера. Цель этой статьи систематизировать сведения об устройстве шаговых двигателей, способах управления ими, схемах драйверов и алгоритмах. В качестве примера приведена практическая реализация простого и дешевого драйвера шагового двигателя на основе микроконтроллера семейства AVR
Что такое шаговый двигатель, и зачем он нужен?
Шаговый двигатель это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Так, пожалуй, можно дать строгое определение. Наверное, каждый видел, как выглядит шаговый двигатель внешне: он практически ничем не отличается от двигателей других типов. Чаще всего это круглый корпус, вал, несколько выводов (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид шаговых двигателей семейства ДШИ-200.
Однако шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает порой их исключительно удобными для применения или даже незаменимыми.
Чем же хорош шаговый двигатель?
Угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны) прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу возможность быстрого старта/остановки/реверсирования высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов. Но не все так хорошо...
Что выбрать?
Шаговые двигатели относятся к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Как и любые бесколлекторные двигатели, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в критичных, например, индустриальных применениях. По сравнению с обычными двигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют значительно более сложных схем управления, которые должны выполнять все коммутации обмоток при работе двигателя. Кроме того, сам шаговый двигатель дорогостоящее устройство, поэтому там, где точное позиционирование не требуется, обычные коллекторные двигатели имеют заметное преимущество. Справедливости ради следует отметить, что в последнее время для управления коллекторными двигателями все чаще применяют контроллеры, которые по сложности практически не уступают контроллерам шаговых двигателей.
Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, так как такие датчики могут стоить намного больше самого двигателя. Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация о положении ротора теряется и система требует базирования с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика. Системы с обратной связью не имеют подобного недостатка.
При проектировании конкретных систем приходится делать выбор между сервомотором и шаговым двигателем. Когда требуется прецизионное позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый двигатель является наиболее экономичным решением. Как и для обычных двигателей, для повышения момента может быть использован понижающий редуктор. Однако для шаговых двигателей редуктор не всегда подходит. В отличие от коллекторных двигателей, у которых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигатель имеет больший момент на низких скоростях. К тому же, шаговые двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными двигателями, что ограничивает максимальное передаточное число и, соответственно, увеличение момента с помощью редуктора. Готовые шаговые двигатели с редукторами хотя и существуют, однако являются экзотикой. Еще одним фактом, ограничивающим применение редуктора, является присущий
geum.ru
