Синхронными называются электрические машины переменного тока, у которых в рабочем режиме угловая скорость ротора равна угловой скорости магнитного поля статора и не зависит от нагрузки. В отдельных случаях скорость ротора кратна скорости поля статора.
В связи с развитием цифровой вычислительной техники разрабатывают и совершенствуют исполнительные элементы дискретного действия и, в частности, электрические шаговые двигатели. Шаговыми называют синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота вала или фиксированное перемещение без датчиков обратной связи. Шаговые двигатели выпускаются мощностью от единиц микроватт до киловатта, т.е. в основном, это микродвигатели и двигатели малой мощности.
Шаговые микродвигатели (ШД) работают в комплекте с полупроводниковыми коммутаторами. Роль коммутатора состоит в переключении обмоток управления ШД с последовательностью и частотой, соответствующими заданной команде. При этом результирующий угол поворота ШД строго соответствует числу переключений обмоток управления, направление поворота - порядку переключений, а угловая скорость - частоте переключений.
Классификация основных типов шаговых двигателей приведена на рис.4.1.
Шаговые двигатели являются многополюсными машинами. Их можно подразделить на три основные конструктивные группы: с постоянными магнитами (активного типа), реактивные и индукторные. Они могут иметь различное число фаз, но наибольшее распространение получили двух-, трех- и четырехфазные ШД. Напряжение питания обмотки управления шагового
двигателя представляет собой последовательность однополярных или разнополярных прямоугольных импульсов, поступающих от коммутатора.
Двигатели активного типа. Статор шаговых двигателей имеет явновыраженные полюсы, на которых располагают обмотки управления. Число пар полюсов каждой из обмоток управления рм равно числу пар полюсов ротора. Ротор обычно представляет собой многополюсный постоянный магнит с радиальной намагниченностью.
Принцип действия ШД можно рассмотреть на примере двухполюсного двигателя.
На рис. 4.2,а показана схема подключения обмоток управления 1 и 2 двухфазного ШД к коммутатору К. Точками обозначены начала обмоток, U -напряжение питания, Uy - импульсный сигнал управления. На рис. 4.2,6 изображена временная диаграмма силовых импульсов напряжения на обмотках управления двигателя при восьмитактной (I-УШ), разнополярной системе коммутации. Переход от одного такта к другому соответствует поступлению на коммутатор очередного импульсного сигнала управления. При этом, как видно, скачкообразно изменяется значение или полярность напряжения на обмотках управления.
Рассмотрим более подробно, что происходит в эти моменты времени в двигателе. Во время такта I положительный импульс тока возбуждает обмотку управления 1 (рис. 4.2,а). Магнитный поток статора Фс направлен по оси этой обмотки (рис.4.2,в). Ротор (постоянный магнит NS) притягивается к полюсам обмотки I и занимает положение вдоль ее оси. При переходе к такту II дополнительно возбуждаются полюсы обмотки управления 2. Результирующий поток статора Фс, создаваемый теперь двумя обмотками, скачком поворачивается на 45° (рис. 4.2,в). Возникает синхронизирующий момент синхронного двигателя, и ротор поворачивается на тот же угол. При переходе к такту III остается возбужденной только обмотка 2. Поток статора и ротор поворачиваются еще на один шаг, равный 45°. Положение потока статора на всех восьми тактах показано на рис.4.2, в.
Показанная на рис. 4.2 раздельно-совместная последовательность включения обмоток управления является несимметричной системой коммутации, так как нечетным и четным тактам соответствует возбуждение различного числа обмоток. Результирующий поток статора меняется от такта к такту, что вызывает пульсацию синхронизирующего момента и является недостатком схемы.
Систему коммутации называют симметричной, если на всех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления (раздельно, парами и т. д.). При симметричной коммутации шаг увеличивается вдвое, а результирующий поток статора на всех тактах одинаков.
Величина шага в значительной мере определяет разрешающую способность привода с ШД по отработке углового перемещения во всех режимах работы привода. В общем случае шагом ШД называют угол поворота ротора при воздействии одного сигнала управления и установленной схеме коммутации. В режиме отработки единичных шагов - работе с низкой частотой управляющих импульсов f- положение ротора фиксируется с нулевой скоростью на каждом шаге.
В реальном многополюсном двигателе шаг меньше показанного на рис.4.2 в рм раз и определяется выражением
Число тактов коммутации Ктк зависит от числа обмоток управления ту и схемы управления:
где К1 - коэффициент, равный 1 при симметричной и 2 - при несимметричной коммутации; К2 - коэффициент, равный 1 при однополярной и 2 - при разнополярной коммутации .
Увеличение числа пар полюсов при неизменном диаметре ротора ограничено технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния между полюсами, обычно рм=4¸6. Увеличение числа обмоток управления связано с усложнением коммутатора, обычно my=2¸4. Поэтому у активных ШД aш составляет порядка десяти градусов. Дальнейшее уменьшение шага достигается либо механическим редуцированием с помощью специальных кинематических механизмов, либо специальными схемами электрического дробления шага.
Меньшая величина шага - порядка одного градуса- может быть получена у ШД реактивного и индукторного типа. У этих двигателей ротор изготавливается из обычной электротехнической стали, имеет на поверхности зубцы, число которых zp может быть достаточно большим, и
Однако у этих двигателей меньше вращающий момент. Важной характеристикой установившегося режима (f=const) является предельная механическая характеристика - зависимость предельного вращающего момента шагового двигателя Мпред От частоты управляющих импульсов f (рис.4.3). Она определяет тот предел, до которого при данной частоте управляющих импульсов можно плавно нагружать вал ШД, сохраняя при этом синхронный режим. Предельную механическую характеристику рассматривают обычно при f > f0 ,где f0-частота главного резонанса. С увеличением частоты происходит уменьшение вращающего момента ШД, т.к. токи и потоки в обмотках управления все сильнее не успевают достигать установившихся значений за время такта.
Важным показателем переходных режимов (f=var - пуск, реверсирование, торможение) является приемистость ШД. Приемистость пуска - это наибольшая частота управляющих импульсов, отрабатываемых шаговым электродвигателем без потери шагов при пуске из состояния фиксированной стоянки под током.
Скачкообразное увеличение частоты управляющих импульсов при пуске от нуля до рабочей частоты приводит к тому, что в начале ротор отстает от МДС статора под действием момента инерции вращающихся частей. По мере ускорения он достигает угловой скорости МДС статора и за счет запасенной кинетической энергии может опередить МДС. Постепенно колебания затухают, и двигатель переходит в установившийся режим. Таким образом, в процессе пуска может возникнуть расхождение между числом шагов ротора и МДС статора. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага и момента инерции вращающихся частей; момент трения отрицательно влияет на приемистость.
По аналогии могут быть введены понятия приемистости торможения и реверсирования, их значения несколько отличаются от приемистости пуска.
Если пренебречь моментом трения Мт и рассматривать уравнение равновесия моментов на валу ШД при малых углах рассогласования осей ротора и МДС статора, то получим дифференциальное уравнение движения ротора:
В выражении (4.4) Мс mах - максимальный синхронизирующий момент J -момент инерции ротора, Q1- угол поворота МДС статора, Q2 -угол поворота
ротора. Коэффициент при Q2 есть квадрат угловой частоты собственных
колебаний ротора (рад/с): w0=ÖMс maxpM/J. Частота управляющих
импульсов, соответствующая главному резонансу, f0=w0/2p .Коэффициент демпфирования колебаний D зависит от магнитного потока ротора. Наибольший коэффициент демпфирования у ШД активного типа, у реактивных двигателей он близок к нулю.
cyberpedia.su
Шаговые двигатели представляют собой электромеханические устройства, задача которых состоит в преобразовании сигналов управления в линейное или угловое перемещение ротора, при этом фиксируя ротор в требуемом положении без использования специальных устройств обратной связи. По большому счету шаговый двигатель - это синхронный двигатель, но его отличительной чертой является подход управления. Ниже будет приведено описание самых распространенных шаговых двигателей.
Одним из типов шаговых двигателей являются шаговые двигатели с постоянными магнитами. В их состав входят: статор, который обладает обмотками, и ротор, который и содержит постоянные магниты. Полюса ротора чередуются и обладают прямолинейной формой. Полюсы располагаются относительно оси двигателя параллельно. В связи с присутствующей намагниченностью ротора в шаговых двигателях рассматриваемого типа становится возможным обеспечить больший магнитный поток. А, соответственно, и больший момент, если проводить сравнение с двигателями с переменным магнитным сопротивлением. Двигатель шагового типа с постоянными магнитами обладает шагом, величина которого составляет 30°. Когда происходит включение тока в какой-либо одной из катушек, тогда ротор начинает пытаться занять определенное такое положение, при котором бы разноименные полюса статора и ротора стали бы находиться напротив друг друга. Для того, чтобы осуществить постоянное непрерывное вращение, требуется включать фазы попеременно. На практике рассматриваемые двигатели, как правило, имеют от 24 до 48 шагов на один оборот, при этом угол шага составляет от 7,5° до 15°. Максимальная скорость ограничивается обратной электродвижущей силй со стороны ротора, влиянию которой подвержены шаговые двигатели с постоянными магнитами.
Гибридный тип двигателей является более дорогим, нежели двигатели с постоянными магнитами. Но они способны обеспечить большую скорость, больший момент и меньший размер шага. Характерное число шагов для гибридных двигателей на один оборот составляет 100-400 шагов, при этом угол шага равен от 0,9° до 3,6°. У гибридных же двигателей ротор имеет зубцы, которые расположены в осевом направлении. Ротор подразделяется на две части таким образом, что между этими частями располагается цилиндрический постоянный магнит. Иными словами, получается, что зубцы верхней половинки ротора выступают как северный полюс, зубцы же нижней половинки - как южный. Наряду с этим, нижняя и верхняя половинки ротора повернуты таким образом, что поворот друг относительно друга равен половине от угла шага зубцов. Количество пар полюсов ротора такое же, как и число зубцов на одной из его половинок. Полюсные зубчатые наконечники ротора, впрочем, как и статор, состоят из отдельных пластин. Такая конструкция способствует уменьшению потерь на вихревые токи. Статор у гибридного двигателя тоже имеет зубцы. Благодаря этому обеспечивается достаточно большое число эквивалентных полюсов, что нельзя сказать об основных полюсах, на которых расположены обмотки. Как правило, на практике используются 4 основных полюса для 3,6° двигателей и 8 основных полюсов для 0,9°-1,8° двигателей. В некоторых определенных положениях ротора его зубцы обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи. Это ведет к улучшению динамического и статического момента. Это свойство удалось обеспечить за счет особо соответствующего расположения зубцов. А именно за счет положения, при котором одна часть зубцов ротора располагается строго напротив зубцов статора, а другая часть между ними.
Сервоприводом обобщенно называют привод, асинхронного, синхронного либо какого-либо другого типа, который имеет отрицательную обратную связь по моменту, положению и другим параметрам. Благодаря такому приводу можно осуществлять точное управление всеми параметрами движения. Итак, сервопривод представляет собой целый комплекс специальных технических средств. Ниже приведен состав сервопривода в виде списка. В него входит:
Мощностная характеристика двигателей составляет от 0,05 кВт до 15 кВт.
Часто применяется такое понятие, как «вентильный двигатель». Следует понимать, что под этим названием понимается всего-навсего двигатель, который управляется посредством «вентилей» – специальных переключателей, ключей и разнообразные аналогичные коммутационные элементы. В роли современных «вентилей» могут также выступать и IGBT-транзисторы, которые применяются в блоках управления приводами. При этом никакого конструктивного отличия не наблюдается.
К главному достоинству сервоприводов относится наличие обратной связи. С ее помощью такая система вполне может поддерживать высокую точность позиционирования на достаточно больших скоростях и больших моментах. Кроме этого система имеет такие отличительные особенности, как низкоинерционность и высокие динамические характеристики. К примеру, время, которое необходимо для переключения от скорости -3000 об/мин до того момента, когда скорость достигнет значения в 3000 об/мин, будет равняться всего-навсего 0,1 с. Блоки управления, которые используются на сегодняшний день, можно назвать высокотехнологическими изделиями с достаточно сложной системой управления. Эти блоки способны обеспечивать выполнение практически любой задачи.
Сервопривод обеспечивает линейное поддержание момента на всем диапазоне изменения скоростей. Это свойство получилась достигнуть благодаря применению двигателя синхронного типа в высококачественном исполнении. Разрешающая способность датчика обратной связи, энкодера, а так же блок управления определяют величину шага перемещения. Традиционные стандартные сервоприводы вполне способны обеспечивать шаг в 0,036°, то есть 1/10000 часть от одного оборота, и это на скоростях до 5000 об/мин. Наиболее современные на сегодняшний момент сервоприводы отрабатывают шаг в 1/2500000 от одного оборота.
Итак, подытожим. Шаговый привод и сервопривод нельзя рассматривать как конкурентов, так как каждый из них занимает свою конкретную нишу на современном рынке. Выполним сравнение сервопривода и шагового привода, основываясь на рынке станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Использование шаговых двигателей полностью целесообразно для применения в относительно недорогих станках с ЧПУ, которые предназначены для обработки легких металлов, дерева, древесно-стружечных плит (ДСП), пластиков, древесноволокнистых плит (МДФ) и других различных материалов средней скорости.
Использование высококачественных сервоприводов целесообразно в высокопроизводительном оборудовании, в котором основным критерием выступает уровень производительности. Единственным «недостатком» хорошего сервопривода является его достаточно высокая стоимость. Однако, сервоприводы обладаю рядом превосходных характеристик, которые достаточно часто играют решающую роль при выборе сервоприводов. К таким характеристикам можно отнести следующие:
Если добиться одинаковых качественных характеристик от шагового привода и сервопривода, то их стоимости начнут быть соизмеримыми, но при этом, безусловно, лидером окажется сервопривод.
ruaut.ru
№ 134772
Класс 21g 3
2 1 с|, 1 9
ССС1.
ОПИСАНИЕ ИЗОбРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Подписная группа № 97
Б А. Ивоботенко
РЕДУКТОРНЪ|Й CHHXPOHHblA ИЛИ ШАГОВЪ|й
ЭЛEКТРОДВИГАТЕЛ Ь
Заявлено 2 декабря 1959 r. за № 645984/24 в Комитет по делам изобретений н открытий при Совезе Министров СССР
Опубликовано в «Бюллетене изобретений» № 1 за 1961 г.
Настоящее изобретение относится к редукторным синхронным или шаговым электродвигателям с шестью обмотками, реактивным зубчатым ротором и явно выраженными полюсами на статоре. Зубцы в смен;ных полюсах смещены на /3 зубцового шага.
Предлагаемый электродвигатель отличается от известных тем, что его обмотки выполнены в виде сосредоточенных катушек, расположенных на спинке магнитопровода статора.
Такое выполнение обмоток позволяет улучшить использование электродвигателя по меди и уменьшить реактанс обмоток.
На чертеже изображена принципиальная схема электромагнитной системы предлагаемого двигателя, Электродвигатель имеет реактивный ротор 1, выполненный из листовой стали. На цилиндрической поверхности ротора посредством штамповки, фрезерования или накатки вырезаются зубцы, количество которых зависит от требуемого числа шагов на один оборот ротора.
На статоре расположены в общем случае 6 р полюсных выступов 2 (где р — число пар полюсов обмотки управления), разделенных пазами
3, в которых размещаются обмотки управления 4. На полюсных выступах 2 имеются такие же зубцы, как HB роторе, причем зубцы смежных полюсных выступов статора сдвинуты относительно зубцов ротора íà /з зубцового шага. Обмотки 4 выполнены в виде сосредоточенных катушек, охватывающих спинку о магнитопровода статора, и образуют в совокупности 2р-полюсную систему. При поочередном изменении полярности подключения обмоток 4 к источнику постоянного тока ось создаваемой ими рсзультирующей намагничивающей силы (н. с.) смещается вдоль окружности воздушного зазора и занимает последовательно ряд положении, совпадающих с полюсными выступами статора. При смешении оси результирующей н. с. на одно полюсное деление статора, т, е. на 60* электрических, ротор смещается на /3 зубцового шага. Направление вращения определяется очередностью переключения обмоток управления. № 134772
Вместо системы прямоугольных импульсов на обмотки управления может быть подано трехфазное синусоидальное напряжение. В этом случае двигатель вращается с постоянной скоростью и работает как синхронный редукторный двигатель.
Предмет изобретения
Редактор В. М. Г(арнес Техред А. Л. Соснна Корр l
Подп. к пея. 21.1Ъг-61 г
Зак. 4108
Формат бум. 70Х!08 /,„
Тираж 1150
ЦБТИ при Комитете по делам изобретений и открытии при Совете Министров СССР
Москва, Центр, М. Черкасский пер. д. 2/6
Типография ЦБТИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР, Москва, Петровка, 14. г)бт с i 0.17 yc >. n. a.
Цена 3 коп.
Редукторный синхронный илп шаговый электродвигатель с шестью обмотками, реактивным зубчатым ротором и явно выраженными полюсами па статоре, причем зубцы смещены в смежных полюсах на /3 зубцового шага, о тл ич а ющи Йся тем, что, с целью улучшения использования электродвигателя llo меди и уменьшения реактанса обмоток, последние выполнены в виде сосредоточенных катушек, расположенных на спинке магнитопровола статора.
www.findpatent.ru
