Шаговый двигатель является исполнительным звеном в системах шагового привода, преобразует электрическую энергию в механическую. Двигатель называют шаговым потому, что при изменении тока в обмотках двигателя соответствующим образом - ротор двигателя совершает дискретный поворот вокруг своей оси на определенный угол (угловой шаг). Помимо поворота, шаговый двигатель позволяет удерживать ротор в определенном положении, путем поддержания уровня тока в обмотках. Таким образом, становится возможным построение системы с точным позиционированием, или следящей системы без эффекта "рыскания".
Для осуществления полезного перемещения шаговый двигатель присоединяется через муфту к ходовому винту, шарико-винтовой передаче или напрямую, к ведущей шестерне зубчатой передачи.
Скачать каталог шаговых двигателей в формате pdf(4.58 MB)
При выборе шагового двигателя, наиболее важно обратить внимание на крутящий момент. Максимальный крутящий момент напрямую связан с размерами двигателя: чем больше двигатель - тем больше крутящий момент. В каталогах обычно указывается максимальный квазистатический крутящий момент - этот параметр является оценочным, т.к. крутящий момент шагового двигателя заметно снижается с увеличением скорости вращения (вернее, частоты коммутации обмоток). Как правило наиболее эффективным оказывается использование шагового двигателя в диапазоне до 1500..2000 шагов в секунду в полушаговом или микрошаговом режимах, выбираемых с помощью драйвера управления ШД.
Далее следует подобрать шаг двигателя (угол поворота вала), чтобы, с учетом последующей механической передачи, система обеспечила требуемую точность. Наиболее распространенными являются угол 1,8 и 0,9 градуса. При необходимости уменьшения шага можно использовать функцию дробления шага на драйвере двигателя от 1/2 до 1/256. Также дробление шага позволит сгладить вращение - сделает его более плавным.
| Серия ШД | Диаметр (сторона квадрата), мм | Крутящий момент, кгс*см | Угловой шаг, град | Рекомендуемое управление |
| FL20STH | 20.2 | 0.18 - 0.3 | 1.8 | OMD-15 + OSM 17R |
| FL28STH | 28 | 0.43 - 1.2 | 1.8 | OMD-15 + OSM 17R |
| FL35ST | 35.2 | 0.5 - 1.4 | 1.8 | OMD-15 + OSM 17R |
| FL39ST | 39.3 | 0.65 - 2.8 | 1.8 | OMD-15 + OSM 17R |
| FL42STH | 42.3 | 1.6 - 4.5 | 1.8 | OMD-40 + OSM 40R |
| FL42STHM | 42.3 | 1.58 - 4.4 | 0.9 | OMD-40 + OSM 40R |
| FL57ST | 56.4 | 2.88 - 12.5 | 1.8 | OMD-40 + OSM 40R |
| FL57STHM | 56.4 | 3.9 - 18 | 0.9 | OMD-40 + OSM 40R |
| FL57STH | 56.4 | 3.9 - 18.9 | 1.8 | OMD-40 + OSM 40R |
| FL60STH | 60 | 7/8 - 31 | 1.8 | OMD-40 + OSM 40R |
| FL86ST | 82.5 | 13 - 50 | 1.8 | OMD-88 + OSM 88R |
| FL86STH | 82.85 | 26 - 153 | 1.8 | OMD-88 + OSM 88R |
| FL110STH | 109.86 | 112 - 280 | 1.8 | OMD-88 + OSM 88R |
| FL130BYG | 132 | 275 - 509 | 1.8 | OMD-88 + OSM 88R |
Шаговые двигатели не требуют специального обслуживания, т.к. в них применяются подшипники закрытого типа, с закладной смазкой на весь срок службы. Крайне не рекомендуется производить самостоятельный ремонт шаговых двигателей, в связи с тем, что зазор между ротором и статором очень небольшой. Правильно выставить и отбалансировать ротор можно только на специальном оборудовании на заводе-изготовителе, под контролем специалистов.
Скачать каталог шаговых двигателей в формате pdf(4.58 MB)
linear-tech.ru
Изобретение относится к атомной технике и представляет собой линейный шаговый двигатель исполнительного механизма системы управления и защиты ядерного реактора, содержащий цилиндрический корпус, закрепленный в нем статор с кольцевыми индукционными обмотками и расположенный внутри статора якорь, передвигающийся под действием продольного магнитного поля. Каждая обмотка статора имеет кольцевую цилиндрическую форму и расположена между внутренней и наружной магнитопроводящими трубами и торцевыми магнитопроводящими дисками. При этом пространство между обмоткой и наружной трубой заполнено пластичным теплопроводящим материалом, а наружная труба состоит из продольных полос, установленных с зазорами между собой. Кроме того, напротив полос в корпусе выполнены отверстия, герметизированные по периметру. Технический результат - снижение температурных перепадов, обеспечивающее надежность и повышенные сроки эксплуатации двигателя в условиях пассивного охлаждения при естественной конвекции. 2 ил.
Изобретение относится к исполнительным механизмам системы управления и защиты ядерных реакторов, а именно к конструкциям линейных шаговых двигателей (ЛШД), которые используются в качестве приводов рабочих органов управления.
К устройствам рассматриваемого типа предъявляются высокие критерии по безопасности, надежности и продолжительности работы. В ряде случаев их эксплуатация происходит в условиях значительных термических нагрузок и высокой химической и радиационной агрессивности, требующих специальных мер по охлаждению и изолированию от окружающей среды элементов конструкции ЛШД, в частности электрических обмоток.
Наиболее близким аналогом изобретения является ЛШД универсального исполнительного механизма системы управления и защиты исследовательского реактора, содержащий цилиндрический корпус, закрепленный в нем статор с индукционными обмотками и стержневой якорь, передвигающийся внутри статора под действием продольного магнитного поля. Каждая обмотка статора имеет кольцевую цилиндрическую форму и расположена внутри магнитопровода, образованного внутренней и наружной трубами и торцевыми дисками. При этом наружная труба и диски выполнены из магнитопроводящего материала, а внутренняя труба состоит из чередующихся магнито- и немагнитопроводящих участков («Основы конструирования исполнительных механизмов управления ядерных реакторов», И.Я. Емельянов, В.В. Воскобойников, Б.А. Масленок, 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1987, стр. 69-70).
Известное устройство имеет ряд недостатков. Размещение обмоток с магнитопроводами в корпусе обеспечивает герметичность ЛШД, но в то же время существенно ухудшает передачу тепла, выделяемого в обмотках, в окружающую среду. При этом значительный температурный перепад образуется как в зазоре между наружной трубой магнитопровода и внутренней поверхностью корпуса, так и внутри наружной трубы на границе с обмоткой, где также имеется зазор из-за неровной укладки обмоточного провода.
Высокая вероятность перегрева обмоток ЛШД существенно ограничивает возможности применения данного устройства. В частности, как показывают расчеты, при использовании этого устройства без принудительного охлаждения в ядерном реакторе с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем не удовлетворяются требования по надежности и срокам эксплуатации.
Задачей настоящего изобретения является расширение области применения, повышение надежности и улучшение технико-экономических показателей ЛШД.
Достигаемый в изобретении технический результат состоит в том, что в предложенном устройстве существенно улучшен отвод тепла от обмоток в окружающую среду за счет комбинации двух факторов - уменьшения теплового сопротивления зазора между обмоткой и ее наружной трубой и исключением теплового сопротивления корпуса и зазора между корпусом и наружной трубой. Такое снижение перепадов температуры по сечению ЛШД улучшает его рабочие характеристики, так как появляется дополнительный запас до пороговых значений, при которых наступает перегрев и межвитковое замыкание в обмотках. При этом конструкция ЛШД остается герметичной, поэтому его можно надежно и безопасно эксплуатировать в режимах, недостижимых для известного устройства.
Дополнительным преимуществом изобретения является то, что заявленный ЛШД отличается уменьшенным весом.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что линейный шаговый двигатель исполнительного механизма системы управления и защиты ядерного реактора содержит цилиндрический корпус, закрепленный в нем статор с кольцевыми обмотками, каждая из которых размещена между внутренней и наружной магнитопроводящими трубами и торцевыми магнитопроводящими дисками, и расположенный внутри статора якорь, а пространство между обмоткой и наружной трубой заполнено пластичным теплопроводящим материалом. При этом наружная труба состоит из продольных полос, установленных с зазорами между собой, а напротив полос в корпусе выполнены отверстия, герметизированные по периметру.
На фиг. 1 показан частичный продольный разрез ЛШД в соответствии с изобретением, а на фиг. 2 - его поперечный разрез.
ЛШД содержит цилиндрический корпус 1, вставленный в него статор с индукционными обмотками 2 и стержневой якорь 3, передвигающийся внутри статора под действием продольного магнитного поля. Обмотка статора имеет кольцевую цилиндрическую форму и размещена между внутренней трубой 4, наружной трубой 5 и двумя торцевыми дисками 6, которые в совокупности образуют магнитопровод обмотки. При этом наружная труба 5 и диски 6 выполнены из магнитопроводящего материала, а внутренняя труба 4 состоит из чередующихся магнито- и немагнитопроводящих участков.
В соответствии с изобретением наружная труба 5 выполнена продольно-разрезной. При изготовлении ЛШД каждую продольную полосу 7, из которых собирают наружную трубу 5, по отдельности устанавливают между кольцевыми дисками 6, накладывая на наружную поверхность обмотки таким образом, чтобы между соседними полосами оставался продольный зазор 8.
Поскольку наружная труба состоит из продольных полос, зазоры 8 между полосами практически не препятствуют прохождению магнитного поля и не ухудшают характеристики магнитопровода, но при этом позволяют компенсировать отклонения наружного диаметра обмотки и обеспечить максимально плотное прилегание полос к обмотке.
Перед установкой полос их внутренняя поверхность предварительно покрывается теплопроводящим пластичным материалом 9, поэтому при наложении полосы на обмотку 2 обеспечивается гарантированное заполнение этим материалом пространства между ними, образованного неровностями намотки. Излишки материала удаляются при этом через продольные зазоры 8.
В соответствии с изобретением в корпусе 1 напротив полос 7 выполнены сквозные отверстия 10, например, в виде прямоугольных окон, как показано на фиг 1. Отверстия 10 имеют несколько меньший, чем у полос, размер, чтобы по периметру их кромок могла быть выполнена герметизация стыка, например, с помощью клея. Зазоры 8 остаются скрытыми под корпусом 1 между отверстиями 10 и достаточными для компенсации неравномерностей намотки обмоточного провода и укладки в них выводов обмоток и измерительных датчиков.
Герметизация отверстий 10 по всему периметру изолирует внутреннюю полость ЛШД от окружающей среды, а в пределах отверстия обеспечивается непосредственный контакт наружной трубы 5 с окружающей средой. В результате происходит прямая теплоотдача с поверхности трубы, что существенно понижает температуру в обмотках. Возможное отклонение от соосности корпуса 1 и полос 7 из-за наложения полос на неровности намотки при сборке статора в данном случае не влияет на теплопередачу. Напротив, при отсутствии отверстий 10 зазор между трубой 5 и корпусом 1 привел бы к значительному нагреву обмоток, а отсутствие соосности его локально еще более бы усилило.
Надежность работы заявленного устройства и его промышленная применимость экспериментально апробировались в испытаниях макета исполнительного механизма системы управления и защиты ядерного реактора с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. Условия эксплуатации в этом случае предполагают пассивное охлаждение установленного вертикально ЛШД за счет естественной конвекции воздушной среды и отсутствие систем принудительной вентиляции обмоток или их водяного охлаждения.
В данном примере в немагнитопроводящем корпусе ЛШД, имеющем отверстия в виде прямоугольных окон, размещался статор, снабженный четырьмя одинаковыми обмотками, намотанными на внутреннюю трубу, сваренную из одинаковых магнитопроводящих колец, чередующихся с немагнитными кольцами с постоянным шагом в пределах обмотки и с широкими немагнитными кольцами между обмотками.
К торцам обмотки примыкали магнитопроводящие кольцевые диски-полюсы, посаженные на крайние магнитопроводящие кольца внутренней трубы. Снаружи обмотку окружала разрезная наружная труба магнитопровода, приваренная торцами к дискам-полюсам. Она состояла из 6 продольных полос с зазорами порядка 3 мм между полосами. Зазор между обмоткой и наружной трубой был заполнен теплопроводящим гелем-герметиком.
Во время работы данного устройства усилие перемещения якоря создается импульсами постоянного тока, проходящими через обмотки в заданном напряжением порядке. Для ускорения выхода на заданную напряжением величину тока в начале импульса подается короткий форсирующий импульс повышенного напряжения. Ток, протекающий в обмотке, создает вокруг обмотки магнитный поток в замкнутом контуре «наружная труба магнитопровода - полюс - магнитопроводящие кольца статора и якоря - полюс - наружная труба» и приводит якорь на каждом шаге в положение равновесия с вертикальной нагрузкой. Широкие немагнитные кольца статора между обмотками отделяют магнитные потоки соседних обмоток и задают сдвиг положений равновесия, равный четверти шага колец якоря.
Проведенные расчеты и испытания показали, что применительно к конструкциям исполнительных механизмов системы управления и защиты ядерных реакторов с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем использование заявленного изобретения обеспечивает выполнение существующих требований по надежности и срокам эксплуатации ЛШД.
Линейный шаговый двигатель исполнительного механизма системы управления и защиты ядерного реактора, содержащий цилиндрический корпус, закрепленный в нем статор с кольцевыми обмотками, каждая из которых размещена между внутренней и наружной магнитопроводящими трубами и торцевыми магнитопроводящими дисками, и расположенный внутри статора якорь, отличающийся тем, что пространство между обмоткой и наружной трубой заполнено пластичным теплопроводящим материалом, наружная труба состоит из продольных полос, установленных с зазорами между собой, а напротив полос в корпусе выполнены отверстия, герметизированные по периметру.
www.findpatent.ru
Двигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами Lenze начинают работать сразу, как только к якорной обмотке будет приложено постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором — коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре.
Шаговый двигатель (ШД) может быть рассмотрен как ДПТ без коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.
Принято различать шаговые двигатели (Autonics, Motionking, Fulling motor) и серводвигатели (Lenze). Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом (дискретном) режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора) и плавности вращения синхронного двигателя. Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению, в качестве которого обычно используется резольвер или sin/cos энкодер. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении. В то время как синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.
Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис. 1).
Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рис. 2).
За это упрощение приходится платить более сложным реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.
Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ-модуляции.
Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.
Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.
Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных применений.
Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.
На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.
На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.
Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.
В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя.
Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро%аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.
Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.
Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота. Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.
Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.
В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.
Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.
При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления.
При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления.
Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки».
Число тактов KT системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления KT=4, а для несимметричной KT=8.
В общем случае число тактов KT зависит от числа обмоток управления (фаз статора) mу и может быть посчитано по формуле:
KT = mуn1n2,
где: n1=1 — при симметричной системе коммутации;
n1=2 — при несимметричной системе коммутации;
n2=1 — при однополярной коммутации;
n2=2 — при двуполярной коммутации.
При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении, а при двуполярной — в обеих. Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают. Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1). Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.
Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:
αш=360/Ктр
Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р=4…6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.
У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.
Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.
Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора.
При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.
Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:
αш=360/КтZр
В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, т.к. изменение направления поля не влияет на положение ротора.
Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.
Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.
Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, можно достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, т.е. оси их полюсов полностью совпадают. Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.
Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.
В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.
По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики
При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.
Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов.
Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.
Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнито-провода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.
Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя. Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.
ΔXш=tz/Кt
где Kt — число тактов схемы управления.
Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.
В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.
Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.
Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода xследующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.
При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.
В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.
Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.
Предельная механическая характеристика — это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.
Приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления.
Приемлемость падает с увеличением нагрузки.
Автор: В. П. Колодийчик.
Журнал «Электротехнический рынок» №12 (18) декабрь 2007
vt-tech.eu
Ключевые моменты:
- Контроль ускорения, замедления, максимальной скорости и числа шагов перемещения.
1. Введение
В рекомендациях по применению описывается построение точного линейного контроллера шагового двигателя. Шаговый двигатель – это электромагнитное устройство, которое преобразует дискретные импульсы в механическое вращение вала. Благодаря применению данного типа двигателя достигается множество преимуществ, к числу которых относятся большая простота, т.к. отсутствуют щетки и контакты, низкая стоимость, высокая надежность, высокий крутящий момент на низких скоростях, и высокая точность перемещения. Многие системы с шаговыми двигателями при изменении скорости требуют контроля над ускорением/замедлением. Рекомендации по применению представляют драйвер с демонстрационной программой, способные контролировать как ускорение, так и положение и скорость.
Работа предлагаемого линейного контроллера скорости основана на алгоритме, описанном в статье Дэвида Остина (D. Oustin) “Generate stepper-motor speed profiles in real time”, которая была опубликована в журнале “Embedded Systems Programming” в январе 2005 года. Этот алгоритм допускает параметризацию и расчет в реальном времени, используя только простые арифметические операции над числами с фиксированной точкой, без применения таблиц данных.
Рисунок 1-1. Шаговые двигатели
2. Теория
2.1 Шаговый двигатель
Данные рекомендации по применению охватывают теорию, касающуюся линейного управления изменением скорости шагового двигателя, а также реализации самого контроллера. Подразумевается, что читатель знаком с принципом работы шагового двигателя, тем не менее, будет дано краткое изложение основных моментов. Более подробная информация о шаговых двигателях может быть найдена в книге Джонса (D. W. Jones) “Control of Stepper Motors”.
2.1.1 Сравнение однополярных и биполярных шаговых двигателей
Два широко распространенных типа шаговых двигателей – это биполярные и однополярные двигатели. Они аналогичны друг другу за исключением того, что каждая обмотка однополярного двигателя имеет центральный отвод, показанный на рис. 2-1.
Рисунок 2-1. Биполярный и однополярный шаговый двигатели.
Для биполярного двигателя необходимо чтобы ток через обмотки протекал в обоих направлениях, а для этого, как показано на рис. 2-2, требуется полномостовой драйвер. Центральный вывод однополярного двигателя позволяет применять более простую схему управления, также показанную на рис. 2-2, ограничивая протекание тока только одним направлением. Основным недостатком однополярного двигателя является ограниченная возможность подавать питание на все обмотки одновременно, что приводит к более низкому крутящему моменту по сравнению с биполярным двигателем. При отключении центрального вывода однополярный двигатель может использоваться как биполярный.
Рисунок 2-2. Драйверы биполярного и однополярного двигателей на MOS транзисторах.
2.1.2 Сравнение полношагового и полушагового режимов работы
В шаговых двигателях, используемых в полношаговом режиме, напряжение единовременно подается на одну обмотку. При этом возможны четыре состояния (позиции), показанные в строке “Full-stepping” таблицы 2-1. Путем подачи напряжения на обе обмотки одновременно шаговый двигатель может быть «заперт» между двумя положениями, полученными в полношаговом режиме. Такой режим известен как полушаговый. Как показано в строке “Half-stepping” таблицы 2-1 он дает восемь положений. При запитывании обеих обмоток одновременно вращающий момент примерно в 1.4 раза выше, чем при запитывании только одной обмотки, правда, ценой двойного увеличения потребляемой мощности. Сегменты электрического цикла в таблице 2-1 представляют собой части одного электрического цикла. Один механический цикл (оборот) обычно состоит из нескольких электрических циклов.
Таблица 2-1. Полношаговый и полушаговый режимы.
| Полярность | Обмотка А | + | + |
| - | - | - |
| + |
| Обмотка B |
| + | + | + |
| - | - | - | |
| Часть электрического цикла | Full-stepping | 1 |
| 2 |
| 3 |
| 4 |
|
| Half-stepping | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
2.1.3 Скоростные характеристики
Недостатком шагового двигателя является ограниченный вращающий момент на высоких скоростях, так как его величина будет уменьшаться с увеличением скорости вращения. Как показано на рис. 2-3 вращающий момент падает и на резонансной скорости. Резонансная скорость будет зависеть от управляющей схемы и нагрузки.
Рисунок 2-3. Зависимость вращающего момента от скорости
Максимальный вращающий момент достигается на низких скоростях, и это во многих применениях считается преимуществом.
2.2 Основные уравнения шагового двигателя
Для создания вращательного движения в шаговом двигателе должен соблюдаться правильный порядок изменения тока в обмотках. Это достигается использованием драйвера, который при подаче на него импульсного сигнала (‘импульс шагового двигателя) и сигнала направления создает корректную выходную последовательность.
Для вращения шагового двигателя с постоянной скоростью импульсы должны генерироваться с установившейся частотой, как показано на рис. 2-4.
Рисунок 2-4. Импульсы шагового двигателя
Счетчик генерирует эти импульсы, работая на частоте ft [Гц].
Задержка δt , программируемая счетчиком c :
Шаговый угол двигателя α, положение θ и скорость ω задаются уравнениями
где spr – число шагов на один оборот, n – число шагов, а 1 rad/sec = 9,55 оборотов в минуту.
2.3 Линейное изменение скорости
Для мягкого старта и остановки двигателя необходим контроль ускорения и замедления. На рисунке 2-5 показана взаимосвязь между ускорением, скоростью и положением. Использование постоянного ускорения/замедления дает линейный профиль скорости.
Рисунок 2-5. Ускорение (ώ), скорость (ω) и положение (θ)
Временная задержка δt между импульсами шагового двигателя контролирует скорость. Эта задержка должна рассчитываться с целью обеспечить насколько это возможно более близкое следование скорости шагового двигателя заданному линейному изменению скорости.
Дискретные шаги контролируют движение шагового двигателя, а разрешение временной задержки между этими шагами задается частотой таймера.
Рисунок 2-6. Зависимость «Профиль скорости – импульсы шагового двигателя/скорость»
2.3.1 Точный расчет задержки между шагами
Первая задержка счетчика c0, а также последующие задержки cn определяются уравнениями (подробную информацию смотрите в приложении):
Вычислительная мощность микроконтроллера ограничена, а расчет двух квадратных корней – трудоемкий процесс. Поэтому рассматривается аппроксимация с меньшей вычислительной сложностью.
Значение счетчика в момент времени n для интервала времени между шагами рассчитывается с использованием аппроксимации рядами Тейлора по формуле:
Это вычисление осуществляется намного быстрее, чем вычисление двух квадратных корней, но при n=1 вносит ошибку величиной 0.44. Способом компенсации этой ошибки является умножение c0 на 0.676.
2.3.2 Изменение (рампа) ускорения
Как показано в приложении ускорение задается значениями c0 и n. Если выполняется изменение в ускорении (или замедлении), должен быть выполнен расчет нового значения n .
Время tn и n как функции от ускорения двигателя, скорости и шагового угла задаются уравнениями
Объединение этих уравнений дает соотношение
Из него видно, что число шагов, необходимое для достижения заданной скорости, обратно пропорционально ускорению: n1ώ1=n2ώ2.
Это означает, что изменение ускорения от ώ1 до ώ2 осуществляется изменением n. Что и показано на рис. 2-7.
Рисунок 2-7. Изменение скорости вверх/вниз
При перемещении на заданное число шагов для достижения нулевой скорости, замедление необходимо начать на правильном шаге. Следующее уравнение используется для нахождения n1:
3 Реализация
К рекомендациям по применению приложена работающая программа, написанная на C. Полную документацию по исходному коду и информации по компиляции можно найти, открыв файл ‘readme.html’, находящийся вместе с исходным кодом.
Демо приложение демонстрирует линейное управление скоростью шагового двигателя. Пользователь может контролировать профиль скорости шагового двигателя, подавая через последовательный порт различные команды, а микроконтроллер AVR в соответствии с этими командами будет управлять подключенным к нему шаговым двигателем.
Демонстрационная программа поделена на три основных блока, как показано на блок-схеме, изображенной на рис.3-1. Каждому блоку соответствует один файл. Кроме того, имеется файл подпрограмм UART, используемый основной программой.
Рисунок 3-1. Блок-схема демонстрационной программы
В main.c имеется меню и командный интерфейс, дающие пользователю возможность контролировать шаговый двигатель с помощью терминала, подключенного к последовательной линии связи.
speed_cntr.c вычисляет необходимые данные и генерирует шаговые импульсы для того, чтобы шаговый двигатель повторял заданный профиль скорости.
sm_driver.c подсчитывает шаги и выводит соответствующие сигналы для управления шаговым двигателем.
Для управления шаговым двигателем необходимы четыре параметра, описывающие профиль скорости. Профиль скорости начинается на нулевом значении скорости и ускоряется до заданного значения. Эта скорость поддерживается постоянной до тех пор, пока не начнется замедление. И, наконец, двигатель замедляется до нулевой скорости за заданное число шагов. Профиль скорости показан на рис. 3-2.
Рисунок 3-2. Профиль скорости
Параметры, описывающие профиль скорости:
step – Число шагов для перемещения
accel – Необходимое ускорение
decal – Необходимое замедление
speed – (Максимальная) требуемая скорость.
3.1 Меню и командный интерфейс
Для использования демонстрационной программы пользователь должен подключить к последовательному порту AVR терминал. Настройки последовательного порта должны соответствовать следующим: 19200 бод, 8 бит данных, отсутствие контроля четности, 1 стоповый бит. Должен работать любой программный эмулятор терминала. Используя терминал, пользователь может задавать различные команды управления двигателем и получать ответную информацию от демонстрационной программы.
Подпрограмма обработки прерывания UART RX (находится в uart.c) сохраняет принятые символы в буфере приемника и обрабатывает код возврата на одну позицию (backspace). При получении команды <inter> (ASCII код 13) основная программа читает буфер приемника и выполняет заданную команду.
При старте программы и при задании команды ‘?’ отображается этот экран помощи:
После отображения меню или выполнения команды выводится информационная строка:
Демонстрационная программа выдает текущее положение двигателя, ускорение, замедление, и настройки скорости. А также число шагов, требуемое для перемещения.
Существует три различных способа заставить шаговый двигатель перемещаться:
Шаговый двигатель работает в соответствии с настройками, заданными в приложении.
Шаговый двигатель перемещается на [data] шагов с заданными настройками.
Двигатель перемещается на [steps] шагов, используя указанные значения[accel][decal][speed].
Когда шаговый двигатель начнет движение, будет отображено ‘Running…’. До тех пор пока двигатель вращается, новые команды блокируются. После его остановки выдается сообщение ‘Ok’ и принимаются новые команды.
3.2 Контроллер скорости
Контроллер скорости рассчитывает и генерирует профиль скорости. Блок-диаграмма контроллера скорости приведена на рис. 3-3. Для запуска шагового двигателя контроллер скорости настраивается путем вызова функции Move().
Рисунок 3-3. Блок-диаграмма контроллера скорости
Функция Move() сначала рассчитывает все необходимые параметры и сохраняет их в структуру данных рампы (изменения) скорости, затем она разрешает прерывания от таймера. Таймер генерирует прерывания в соответствии с необходимым изменением скорости, и по каждому прерыванию вызывает функцию Step_Counter() для перемещения шагового двигателя.
3.2.1 Установочные расчеты
В демонстрационной программе параметры профиля скорости рассчитываются для каждой команды. При этом между вызовом команды и началом движения шагового двигателя возникает небольшая задержка. В реальном применении при ограниченном изменении профиля скорости такие расчеты могут быть не нужны. В таком случае параметры можно рассчитать заблаговременно, а установочные расчеты пропустить.
Для создания быстрого кода в программе избегают применения арифметики с плавающей запятой. Поэтому для поддержания точности важно масштабирование переменных. Для упрощения арифметики также используются предварительно рассчитанные константы компилятора, находящиеся в заголовочном файле smdriver.h.
Нахождение скорости:
Нахождение ускорения:
Для расчета профиля скорости существует два различных сценария:
Сценарий зависит от всех четырех переменных, описывающих профиль скорости.
3.2.2.1 Ускорение продолжается до достижения необходимой скорости
На рис. 3-4 показана рампа скорости, в которой требуемая скорость достигается до начала замедления.
Рисунок 3-4. Изменение скорости ограничено заданным значением скорости.
Если max_s_lim < accel_lim , то ускорение ограничено достижением требуемой скорости. Замедление зависит от этого, и, в данном случае, decel_val находится по формуле:
3.2.1.2 Замедление начинается до того как будет достигнута требуемая скорость
На рис.3-5 показана рампа скорости, где замедление должно начаться до достижения требуемой скорости.
Рисунок 3-5. Рампа скорости с замедлением, начинающимся до достижения требуемой скорости.
Если max_s_lim > accel_lim , то ускорение ограничено началом замедления, а decel_val тогда рассчитывается по формуле:
3.2.2 Прерывание от таймера
Прерывание от таймера генерирует ‘шаговые импульсы’(вызывает функцию StepCounter()) и работает только при движении шагового двигателя. В соответствии с профилем скорости, показанном на рис.3-6, прерывание от таймера будет работать в четырех различных состояниях.
Рисунок 3-6. Рабочие состояния для различных участков профиля скорости
Такое протекание процесса реализуется конечным автоматом в прерывании от таймера, показанном на рис. 3-7.
Рисунок 3-7. Конечный автомат для прерывания от таймера
Во время запуска программы или при остановленном шаговом двигателе конечный автомат остается в состоянии STOP. При выполнении установочных расчетов задается новое состояние, и разрешаются прерывания от таймера. При перемещении шагового двигателя более чем на один шаг конечный автомат переходит в состояние ACCEL. Если выполняется только один шаг, состояние изменяется на DECEL.
После изменения состояния на ACCEL программа ускоряет шаговый двигатель пока:
либо не будет достигнута требуемая скорость и состояние изменится на RUN, либо
должно стартовать замедление, изменяя состояние на DECEL.
При состоянии установленном в RUN шаговый двигатель будет работать на постоянной скорости, пока не стартует замедление. После этого состояние изменится на DECEL.
Оно будет оставаться в DECEL и замедлять двигатель до тех пор, пока скорость за требуемое число шагов не достигнет нулевого значения. Затем состояние изменится на STOP.
3.2.2.1 Вычисления и счетчики
Во время ускорения и замедления для каждого шага должно вычисляться новое время задержки. Вычисление включает в себя деление с остатком. Для улучшения точности этот остаток сохраняется и участвует в следующем вычислении.
Для отслеживания положения и при изменении состояния необходимы некоторые переменные-счетчики. Рис. 3-8 иллюстрирует их использование.
Рисунок 3-8. Расчетные величины во временной задержке
3.3 Драйвер шагового двигателя
Драйвер шагового двигателя генерирует соответствующую последовательность сигналов для перемещения двигателя в заданном командой направлении. Блок-схема драйвера шагового двигателя показана на рис.3-9.
Рисунок 3-9. Блок-схема драйвера шагового двигателя
Счетчик шагов инкрементируется или декрементируется при каждом вызове функции Step_Counter(). При использовании полношагового режима значение счетчика изменяется от 0 до 3, в полушаговом режиме работы двигателя счетчик принимает значения от 0 до 7. Это значение соответствует различным положениям шагового двигателя в одном электрическом цикле. Значение счетчика шагов используется в качестве индекса для таблицы шагов. Благодаря этому на драйвер шагового двигателя подаются корректные сигналы.
3.3 Скорость и размер кода
Полный демо код занимает 4к памяти программ, из которых 1.5к используют контроллер скорости и драйвер шагового двигателя. Исключение установочных расчетов и применение предварительно рассчитанных параметров еще больше сократит размер кода.
Во время вызова Move() перед стартом прерываний от таймера выполняются установочные расчеты. Это вносит задержку между вызовом функции и запуском шагового двигателя, составляющую приблизительно 1.5 mS. По прерыванию от таймера осуществляются расчеты во время ускорения и замедления. Обработка каждого прерывания требует примерно 200 uS. При работе с постоянной скоростью для обработки прерывания оказывается достаточным около 35 uS. Из сказанного выше видно, что максимальная выходная скорость ограничивается вычислениями для ускорения/замедления. Для шагового двигателя с 400 шагами на один оборот максимальная выходная скорость:
При реализации данного кода в других применениях необходимо учитывать существование других прерываний. Если прерывание от таймера для шагового двигателя блокируется подпрограммой обработки другого прерывания, это приведет к колебаниям скорости (переменное ускорение). В данном применении это может быть не критично, однако создание насколько это возможно надежного и детерминированного кода – всегда неплохая вещь.
4 Литературные ссылки
D.Austin, Generate stepper-motor speed profiles in real time, статья в ‘Embedded Systems Programming’, январь 2005
http://www.embedded.com//showArticle.jhtml?articleID=56800129
D.W.Jones, Control of Stepper Motors, sections 5.2.10, 10.8, 10.9 and 10.10 книги
Handbook of Small Electric Motors под редакцией W.H.Yeadon и A.W.Yeadon
McGraw-Hill, 2001. http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/
5 Приложение
5.1 Задержка счетчика
Скорость в данный момент времени:
Положение задается:
n-й шаговый импульс при угле поворота вала θ = nα :
а временная задержка между двумя шагами:
И наконец, выражение для задержки счетчика:
Это ведет к выражениям для первой и n-й задержкам счетчика:
5.2 Задержка между шагами
Использование аппроксимации рядами Тейлора
ведет к
В итоге, выражение для задержки счетчика может быть аппроксимировано как:
Исходный код демонстрационной программы находится в AVR446.zip
avrdoc.narod.ru
Использование: в качестве электропривода в автоматизированных технологических и других промышленных установках. Сущность изобретения: в предложенном шаговом электродвигателе вместо системы обмоток возбуждения на полюсах и системы их коммутации введены пьезоэлементы 1, размещенные между группами полюсов 3 с одинаковым сдвигом по нарезке зубцов и крышкой 2. Группы полюсов 3 укреплены в днище 5 корпуса якоря с возможностью вертикального перемещения корпуса якоря. Это упрощает конструкцию и повышает быстродействие. 1 з.п. ф- лы, 6 ил.
Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в автоматизированных технологических и других промышленных установках.
Целью изобретения является повышение быстродействия при одновременном упрощении конструкции. На фиг. 1 и 2 изображены варианты выполнения элементарных узлов с закреплением зубчатых полюсов с одинаковым сдвигом с пьезоэлементом в корпусе якоря: на фиг. 1 - при промежуточном положении постоянного магнита, на фиг. 2 - при верхнем положении постоянного магнита; на фиг. 3 и 4 - однокоординатный линейный шаговый электродвигатель; на фиг. 5 и 6 - двухкоординатный линейный шаговый электродвигатель. В линейном шаговом электродвигателе каждый пьезоэлемент 1 укреплен в крышке 2 корпуса якоря и неподвижно соединен с группой зубчатых полюсов 3, имеющих одинаковый сдвиг (фиг. 1), либо с постоянным магнитом 4 (фиг. 2), который в свою очередь неподвижно соединен с группой зубчатых полюсов 3, т. е. каждый пьезоэлемент 1 размещен между крышкой 2 и группой зубчатых полюсов 3. Группы зубчатых полюсов 3 укреплены в днище 5 корпуса якоря с возможностью вертикального перемещения. Якорь с помощью опор, обычно магнитовоздушных, отделен от магнитомягкого зубчатого индуктора 6 (с величиной зубцового деления
, равным зубцовому делению полюсов якоря) с рабочим воздушным зазором 
. Каждая группа полюсов 3 имеет сдвиг по нарезке 
X = 0; /2 ; /4 и 3/4 (последняя группа на фиг. 1 и 2 не показана). Однокоординатный линейный шаговый электродвигатель (см. фиг. 3 и 4) в якоре содержит несколько элементарных узлов 7, число которых равно или кратно числу фаз двигателя. Элементарные узлы с группой полюсов одноименного значения сдвига X = 0 ; /2; /4 и 3/4 (что соответствует сдвигам в электрических радианах X = 0, 
; /2; 3 /2) размещены симметрично относительно центра О1 масс якоря. Двухкоординатный линейный шаговый электродвигатель (см. фиг. 5 и 6) содержит две системы элементарных узлов, ориентированных вдоль оси X (I и III квадранты) и вдоль оси Y (II и IV) квадранты), причем элементарные узлы, имеющие одинаковые направленность и сдвиг зубчатых полюсов и принадлежащие разным квадрантам, размещены симметрично относительно геометрического центра О2 якоря. Линейный шаговый электродвигатель работает следующим образом. Исходное фиксированное состояние определяется взаимодействием групп полюсов с одинаковым сдвигом, на пьезоэлементы которых подано максимальное напряжение Umax (на фиг. 1 и 2 - это группа полюсов с X = 0). Полюса этих групп максимально опущены до оптимального зазора min. На остальные пьезоэлементы напряжение либо не подается (Uо = 0), либо подается максимальное напряжение отрицательной полярности (Uo =-Umax). При этом их группы полюсов максимально подняты до максимального зазора o. Взаимодействие полюсов поднятых групп с индуктором минимально, так как тангенциальное усилие, развиваемое ими, определено таким соотношением /, которое стремится к О. Известно, что при таком соотношении / развиваемое тангенциальное (рабочее) усилие также стремится к нулю. На практике, когда линейный шаговый двигатель работает на аэростатической опоре с номинальным зазором min = 1, мкм. Подъем полюсов до зазора o = 80 мкм уменьшает рабочее усилие в 5 раз. Таким образом, при исходном статическом состоянии, определенном взаимодействием опущенных групп полюсов с X = 0, якорь занимает положение в соответствии с продольным (согласным) расположением зубцов этих полюсов и зубцов индуктора. Для реализации шагового перемещения в простейшем случае коммутации следует поднять группу полюсов с X = 0 и одновременно опустить группу полюсов с X = /4 или X = 3 /4 (в зависимости от выбранного направления движения). Для этого напряжение на пьезоэлементе группы с X = 0 изменяется с Umax на Uо, а напряжение на пьезоэлементе с полюсной группой или 3 /4 изменяется с Uо на Umax. Вновь опущенная группа полюсов в силу имеющегося сдвига по нарезке X заставит якорь переместиться на величину единичного шага 
=/4. Последовательно производя такие операции со всеми группами зубчатых полюсов, получают шаговое движение двигателя. По способам коммутации двигатель приспособлен к любому, используемому в настоящее время, т. е. к парной, поочередной коммутации, к коммутации с дробнением шага и т.д. Двигатель может выполняться с любым числом фаз m от m = 3 и выше. При этом взаимные сдвиги полюсных групп подчиняются тем же соотношением, что и в обычном шаговом двигателе (ШД) X = /m. Двухкоординатный вариант двигателя построен аналогично однокоординатному, но на индукторе осуществлена взаимно пересеченная нарезка зубцов. Симметрирование полюсных групп с одинаковым сдвигом выполняется для поддержания равномерности рабочего зазора в случае применения аэростатических опор. Действительно, при опускании групп полюсов с определенным значением сдвига увеличивается не только тангенциальная, но и нормальная сила взаимодействия этой группы с магнитомягким индуктором. Для избежания возможных перекосов, могущих привести к потере работоспособности двигателя (например, если в какой-либо точке MIN достигнет нуля), группы полюсов с одинаковым сдвигом по нарезке зубцов (синхронного опускаемых и поднимаемых) располагаются симметрично относительно центра масс якоря. Изобретение позволяет существенно упростить конструкцию электродвигателя, исключив систему обмоток возбуждения на полюсах и систему их коммутации и снизив тем самым инерционность двигателя, повысить быстродействие электропривода, что в свою очередь приводит к росту производительности автоматизированных устройств. Кроме того, сокращается число трудоемких намоточных операций при изготовлении двигателя.Формула изобретения
1. ЛИНЕЙНЫЙ ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий плоский зубчатый магнитомягкий индуктор и якорь с системой установленных в днище его корпуса возбуждаемых постоянными магнитами зубчатых полюсов, сдвинутых относительно друг друга по нарезке зубцов, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия при одновременном упрощении конструкции, он снабжен пьезоэлементами, размещенными между группами полюсов с одинаковым сдвигом по нарезке зубцов и крышкой корпуса якоря, а зубчатые полюса установлены на днище корпуса якоря с возможностью их перемещения в направлении, перпендикулярном плоскости индуктора. 2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что группы полюсов с одинаковым сдвигом по нарезке попарно расположены симметрично относительно геометрического центра якоря.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6www.findpatent.ru
Координатные системы, реализующие перемещения объекта обработки по нескольким координатам одновременно без кинематических элементов, преобразования вращательного движения в поступательное, строятся на основе линейных шаговых двигателей (ЛШД).
ЛШД представляют собой ШД с развернутыми подвижной и неподвижной частями. Один из вариантов ЛШД (рисунок 4.25) содержит якорь, состоящий из двух жестко закрепленных электромагнитных модулей А и В, и безобмоточный зубчатый пассивный статор, выполненный из магнитомягкого материала.
Рисунок - 4.25 Схема конструкции ЛШД
Каждый из модулей А и В состоит из двух П–образных магнитопроводов, объединенных постоянным магнитом. Зубцовые зоны полюсов каждого магнитопровода ориентированы относительно зубцов статора со взаимным линейным сдвигом в половину зубцового деления τz.. Обмотки управления охватывают соседние полюсы А2, А3 и соответственно В2, В3 модулей А и В. Электромагнитные модули якоря ЛШД расположены со взаимным линейным сдвигом, равным 
, где k=0,1,2….выбирается из конструктивных соображений.
Рисунок - 4.26 Координатные столы с ЛШД
Якорь расположен над статором с зазором δ. Движение якоря с шагом 
осуществляется разнополярной коммутацией обмоток А и В аналогично активному ШД вращательного типа. Порядок коммутации определяет направление движения.
ЛШД обеспечивает линейные перемещения по одной координате перпендикулярно линиям нарезки зубцов статора. Для обеспечения перемещения координатного стола в плоскости конструктивно объединяются по меньшей мере три ЛШД: один – по одной координатной оси, два – по другой. Схематически одна из конструкций такого координатного стола показа на рисунке 4.26.
Подвижная каретка 1, имеющая в качестве основания пару модулей ЛШД 2, предназначенных для движения по оси Х, и две пары модулей 3 для перемещения по оси Y, скользит по статору 4 на воздушной подушке, образуемой сжатым воздухом, подаваемым в зазор между статором и кареткой через жиклеры 5, расположенные по периметру якорей ЛШД.
Литература
1. Иванов Ю. В., Лакота Н. А. «Гибкая автоматизация производства РЭА с применением микропроцессоров и роботов» - Радио и связь, 1987. – 464 с.
2. Иванов А. А. «Гибкие производственные системы в приборостроении», Машиностроение, 1988. – 346 с.
3. «Гибкое автоматическое производство», под ред. С. А. Майорова и Г. В. Орловского, Машиностроение, 1985 – 428 с.
4. «Справочник по промышленной робототехнике», под ред. Ш. Шона, ч. 1, Машиностроение, 1989 – 480 с.
5. «Промышленная робототехника», под ред. Л.С. Шифрина, Машиностроение, 1982 – 415 с.
6. Ермаков Е.С. «ГТК электронной техники», Машиностроение, 1985 – 216с.
7. Валиев Е.М. «Контроль в ГАП», Машиностроение, 1986 - 231с.
8. «Теория автоматического управления», под ред. А.А. Воронова, Высшая школа, 1986 – 367 с.
9. Грушецкий С, В., Тишкевич А. В., Федорчук П. Л. Методическое пособие по курсовому проектированию по дисциплине «Гибкие автоматизированные производства МЭА», МРТИ, 1992 - 47 с.
10. «Автоматизация технологического оборудования микроэлектроники» / Под ред. А.А. Сазонова. — Высшая школа, 1991. — 332 с.
11. Дорф Р., Бишоп Р. «Современные системы управления». — ЛБЗ, 2002. — 831 с.
12. Сазонов А.А. и др. «Микроэлектронные устройства автоматики».— М.: Высшая школа, 1991. — 320 с.
13. Пузырев В.А. «Управление технологическими процессами производства микроэлектронных приборов». — Радио и связь, 1984. — 160 с.
14. "Управление робототехническими системами и гибким автомат автоматизированным производством" / Под ред. И. М. Макарова. Сер. Робототехника и ГАПы N 3. -М.: Высш. Шк. 1989.
15. Василенко Н. В., Никитин К. Д., Пономарев В. Б., Смолин А. Ю. Основы робототехники. - М.: Раско, 1993. — 472 с.
16. Гибкая производственная система, промышленные роботы, робототехнические комплексы.: В 14 кн. Кн. 5. В. П. Царенко. Промышленные роботы: Практическое пособие / Под ред. Б. И. Черпакова.-М.: Высш. шк. 1990.-94с.
17. Гибкие производственные системы изготовления РЭЛ / Л. И. Артемьев, В.П. Ковешников, И.С. Лапин и др. -М.: Радио и связь, 1990. - 340с.
18. Армейский Е.В. и др. Электромашинные устройства автоматики. - М.: Высшая школа. 1986- 247 с.
19. Волков Н.И., Миловзов Б.П. Электромашинные устройства автоматики. - М.: Высшая школа,1986 - 335с.
Дата добавления: 2017-12-05; просмотров: 71;
znatock.org
Использование: в электромеханических приводах возвратно-поступательного движения и как исполнительный двигатель промышленного робота. Технический результат заключается в увеличении плавности хода, регулировке и предупреждении вибраций, обеспечении возможности удержания фиксаторов при отключенном питании, повышение надежности устройства. Линейный шаговый двигатель содержит гидроцилиндр с вязкой жидкостью, полости которого соединены посредством трубки с переменным сечением, регулируемым с помощью винта. Первый и второй фиксаторы состоят соответственно из первого и второго постоянных магнитов и первой и второй катушек, намотанных вокруг них. Электромагнитный механизм перемещения содержит третий постоянный магнит и электромагнит, размещенные один против другого на немагнитном основании. Третий постоянный магнит жестко соединен с первым фиксатором и корпусом гидроцилиндра. Электромагнит соединен с вторым фиксатором и поршнем гидроцилиндра. 1 ил.
Устройство относится к области электромеханических приводов возвратно-поступательного движения и может быть использовано как исполнительный двигатель промышленного робота.
Известен линейный шаговый электродвигатель, содержащий ферромагнитную направляющую, проходящую внутри цилиндрического немагнитного корпуса, заполненного ферромагнитной жидкостью, внутрь которого помещены соединенные между собой два подвижных электромагнита, содержащих магнитопроводы и катушки, жестко связанные замкнутым немагнитным корпусом, внутрь которого помещен первый электромагнитный фиксатор, а второй жестко закреплен к корпусу снаружи. [Авторское свидетельство СССР N 1188832, М.кл. H 02 K 41/03, 1985]. Недостатком устройства является невозможность удержания фиксаторов при отключенном питании, невозможность работы на плоской поверхности. Известен линейный шаговый электродвигатель, содержащий ферромагнитную направляющую, проходящую внутри немагнитного корпуса, заполненного ферромагнитной жидкостью, внутри которого по направляющей независимо перемещаются два электромагнита с жестко закрепленными фиксаторами. [Авторское свидетельство СССР N 1363395, М.кл. H 02 К 41/03,1986]. Недостатком изобретения является невозможность удержания фиксаторов при отключенном питании, невозможность работы на плоской поверхности. Известен линейный шаговый электродвигатель, состоящий из трех фиксаторов - постоянных магнитов, двух тяговых элементов, например пьезокерамических, размещенных между магнитами, опорного элемента - ферромагнитной пластины. [Авторское свидетельство СССР N 1617556, М.кл. H 02 К 41/03,1987]. Недостатком устройства является низкий КПД, трехтактный режим работы. Известен линейный шаговый электродвигатель, содержащий ферромагнитную направляющую, сердечник цилиндрического тягового электромагнита с обмоткой управления, жестко соединенной с электромагнитным фиксатором, якорь, представляющий собой ряд магнитопроводов в виде концентрично расположенных цилиндров, входящих один в другой, и конусных пружин, обеспечивающих выдвинутое положение якоря. [Авторское свидетельство N 1192060, М.кл. H 02 К 41/03, 1985]. Недостатками известного устройства является отсутствие фиксации при отключенном питании, невысокая плавность хода, возможность возникновения резонансных явлений, невозможность работы на плоской поверхности. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является устройство, у которого электромагнитный механизм перемещения выполнен из двух тяговых электромагнитов, состоящих из сердечников, размещенных один против другого, и якорей в виде пластин, установленных на немагнитном основании, помещенном в воздушный зазор между сердечниками и жестко соединенном с одним из фиксаторов, при этом другой фиксатор жестко соединен с сердечниками. [Авторское свидетельство N 703883, М.кл. H 02 К 41/02, 1979]. Недостатками данного устройства является отсутствие фиксации при отключенном питании, невысокая плавность хода, возможность возникновения вибраций. Задача изобретения - увеличение плавности хода, регулировка ее и предупреждение вибраций за счет введения регулируемой гидравлической обратной связи по скорости, повышение надежности устройства за счет применения простого механизма перемещения, обеспечения возможности удержания фиксаторов при отключенном питании. Поставленная задача достигается тем, что линейный шаговый двигатель, содержащий два фиксатора, обращенных рабочими поверхностями к ферромагнитной направляющей и установленных с возможностью перемещения вдоль одной оси, электромагнитный механизм перемещения, с возможностью регулировки шага перемещения, в отличие от прототипа снабжен гидроцилиндром с вязкой жидкостью, полости которого соединены посредством трубки, с переменным сечением, регулируемым с помощью винта, первым и вторым фиксаторами, состоящими соответственно из первого и второго постоянных магнитов и первой и второй катушек, намотанных вокруг них, электромагнитным механизмом перемещения, содержащим третий постоянный магнит и электромагнит, размещенные один против другого на немагнитном основании, третий постоянный магнит жестко соединен с первым фиксатором и корпусом гидроцилиндра, электромагнит соединен со вторым фиксатором и поршнем гидроцилиндра. На чертеже схематично изображен предлагаемый двигатель, общий вид. Двигатель состоит из фиксаторов первого, включающего в себя первый постоянный магнит 1 и первую катушку 2, намотанную вокруг него, и второго, включающего в себя второй постоянный магнит 3 и вторую катушку 4, намотанную вокруг него, обращенных рабочими поверхностями к ферромагнитной направляющей 5, электромагнитного механизма перемещения, состоящего из третьего постоянного магнита 6 и электромагнита 7, размещенных один против другого на немагнитном основании, расстояние между которыми можно регулировать, гидроцилиндра 8 с вязкой жидкостью, внутри которого расположен с возможностью перемещения поршень 9, корпус гидроцилиндра 8 жестко соединен с первым фиксатором и третьим постоянным магнитом 6, а поршень 9 - соединен со вторым фиксатором и электромагнитом 7. Полости гидроцилиндра 8 соединены между собой посредством трубки 10, сечение которой можно регулировать с помощью винта 11. Для регулирования величины шага третий постоянный магнит 6 установлен с возможностью перемещения, что может осуществляться путем закрепления его на специальных направляющих или с помощью кинематических передач, например гайки-винта, эксцентрика и т.п. Электродвигатель работает следующим образом. При необходимости движения устройства справа налево на первую катушку 2 первого фиксатора подается напряжение таким образом, чтобы магнитный поток, создаваемый ей, был направлен встречно магнитному потоку первого постоянного магнита 1. При этом сила, с которой первый постоянный магнит 1 притягивался к ферромагнитной направляющей 5, уменьшится до значений, при которых первый фиксатор можно будет свободно сместить. Затем напряжение подается на обмотку электромагнита 7 таким образом, чтобы магнитный поток, создаваемый им, был направлен встречно магнитному потоку третьего постоянного магнита 6, при этом третий постоянный магнит 6 будет отталкиваться, перемещая первый фиксатор и корпус гидроцилиндра 8. Гидроцилиндр 8, перемещаясь, вытесняет вязкую жидкость из одной своей полости в другую, жидкость, проходя через трубку 10, препятствует резкому перемещению механизма. По окончании этого перемещения снимается напряжение с первой катушки 2 первого фиксатора, при этом он закрепляется на ферромагнитной направляющей 5, и подается на вторую катушку 4 второго фиксатора, таким образом, чтобы магнитный поток, создаваемый ей, был направлен встречно магнитному потоку второго постоянного магнита 3, ослабляя его взаимодействие с ферромагнитной направляющей 5. Затем подается напряжение на электромагнит 7 таким образом, чтобы магнитные потоки, создаваемые им и третьим постоянным магнитом 6, были направлены согласно, при этом электромагнит 7 будет притягиваться к третьему постоянному магниту 6, увлекая за собой второй фиксатор и перемещая поршень 9 гидроцилиндра 8. Поршень 9, перемещаясь, вытесняет вязкую жидкость из одной полости гидроцилиндра 8 в другую через трубку 10, что препятствует резкому перемещению механизма. Указанный цикл может повторяться многократно. Реверсирование направления движения осуществляется изменением очередности подачи напряжений на обмотки фиксаторов и тягового электромагнита 7. Регулировка плавности хода осуществляется посредством винта 11, который меняет сечение трубки 10, что влияет на скорость перетекания вязкой жидкости из одной полости гидроцилиндра 8 в другую. Итак, предлагаемое устройство обладает возможностью регулировки плавности хода, надежной фиксацией при отключенном питании, высокой надежностью и КПД, лишено возможности возникновения вибраций.Формула изобретения
Линейный шаговый двигатель, содержащий два фиксатора, обращенных рабочими поверхностями к ферромагнитной направляющей и установленных с возможностью перемещения вдоль одной оси, электромагнитный механизм перемещения с возможностью регулировки шага перемещения, отличающийся тем, что он снабжен гидроцилиндром с вязкой жидкостью, полости которого соединены посредством трубки с переменным сечением, регулируемым с помощью винта, при этом первый и второй фиксаторы выполнены соответственно из первого и второго постоянных магнитов и первой и второй катушек, намотанных вокруг них, а электромагнитный механизм перемещения состоит из третьего постоянного магнита и электромагнита, размещенных один против другого на немагнитном основании, причем третий постоянный магнит жестко соединен с первым фиксатором и корпусом гидроцилиндра, электромагнит же соединен со вторым фиксатором и поршнем гидроцилиндра.РИСУНКИ
Рисунок 1www.findpatent.ru
