Устройство и принцып действия шаговых двигателей

УСТРОЙСТВО  И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

   Применяемые шаговые двигатели обычно являются многофазными и многополюсными синхронными электрическими машинами. В отличие от обычных синхронных двигателей их роторы не имеют пусковой короткозамкнутой обмотки, что объясняется частотным (а не асинхронным) пуском шаговых двигателей.

  Рис. 1. Принцип действия m-фазного шагового двигателя,                                  питаемого однополярными импульсами

  Роторы  двигателей могут быть возбужденными (активными) или невозбужденными (пассивными). На рис. 1 -  схема m-фазного шагового двигателя. Для упрощения анализа физических процессов рассмотрена работа этого двигателя с простейшим невозбужденным ротором, имеющим два полюса.

     Питание обмоток статора может быть либо о д н о п о л я р н ы м, либо двухполярным. При однополярном питании напряжение изменяется от 0 до +U, при двухполярном – от + U до - U.

  Современные электронные коммутаторы могут  обеспечивать питание обмоток статора либо порознь, либо группами в различных сочетаниях. Каждому состоянию - такту коммутации, число которых зависит от способов включения обмоток, соответствуют вполне определенные величина и направление вектора результирующей н. с. двигателя F, а следовательно, и вполне определенное положение ротора в пространстве.

  Если обмотки двигателя (рис. 1), питать поочередно (1 – 2 – 3 – ... – π) однополярными импульсами, то ротор двигателя будет иметь т устойчивых положений, которые совпадают с осями обмоток (рис. 1, а).

  Для увеличения результирующей н. с. статора, а, следовательно, магнитного потока и синхронизирующего момента, одновременно питается две, три и большее количество обмоток. При этом ротор двигателя при холостом ходе занимает положения, в которых ось ротора совпадает с результирующим вектором н. с.

  В случае, когда питается четное число  обмоток, положение результирующего вектора н. с. и ненагруженного ротора совпадает с линией, проходящей между двумя средними обмотками (рис. 1, б). В случае, когда питается нечетное число обмоток, устойчивые положения ротора совпадают с осью средней обмотки (рис. 1, в). Таким образом, в обоих случаях (при четном и нечетном числе питаемых обмоток) ротор двигателя будет иметь т устойчивых положений. Однако соседние положения в этих случаях будут смещены на угол 2π/2т = π/т.

  Если  поочередно включать то четное, то нечетное число обмоток, например 12 – 2 – 23 – 3 - ... - m1, то число устойчивых положений ротора п увеличится вдвое: п = 2т.

  Управление двигателя, при котором обмотки включаются поочередно равными группами по два, по три и т. д., называют симметричным. Поочередное включение неравных групп обмоток называется несимметричным управлением.    

     Кроме однополярного и двухполярного, симметричного и несимметричного способов управления шаговыми двигателями, различают еще потенциальное и импульсное.

    При потенциальном управлении напряжения на обмотках изменяются только в момент поступления управляющего сигнала - команды. При отсутствии последующего сигнала управления одна обмотка или группа обмоток, возбужденных предшествующим сигналом, остаются под напряжением, и ротор занимает вполне определенное фиксированное положение.

      При импульсном управлении любая обмотка или группа обмоток, возбужденных сигналом - импульсом управления, по в истечении некоторого времени, определяемого длительностью импульса, автоматически обесточиваются.

     Ранее была рассмотрена схема шагового двигателя с числом полюсов 2р = 2. На практике широко используются многополюсные шаговые двигатели. При 2р > 2 ротор ненагруженного моментом сопротивления шагового двигателя при одном и том же питании обмоток может находиться в одном из р устойчивых положений. Таким образом, в m-фазном двигателе может быть либо рт устойчивых положений (при симметричном управлении), либо 2pm положений (при несимметричном управлении).

   Современные электронные коммутаторы  позволяют переходить от симметричного к несимметричному способам управления, от питания одной обмотки к питанию нескольких обмоток и т. п. 

Рис. 2. Схема обмоток (а) и порядок коммутации (б)                                      шагового двигателя типа ШД-2-1

   Все это позволяет довольно в широких пределах менять величину шага двигателя, производить его реверс, торможение и др. На рис. 2 представлены в качестве примера схема обмотки и порядок коммутации токов двухфазного шагового двигателя типа ШД-2-1. Обмотки двигателя имеют выводы средних точек, что приводит к их расщеплению на две полуфазы и превращает двигатель из двухфазного в четырехфазный. В отличие от двигателей с обычной двухфазной обмоткой, управление которыми должно осуществляться разнополярными импульсами, управление рассматриваемого двигателя осуществляется однополярными импульсами, что значительно упрощает коммутатор, хотя и приводит к несколько худшему использованию двигателя. 

Режимы  работы шаговых двигателей

   Характер  движения ротора шагового двигателя  определяется частотой и характером изменения управляющих импульсов. В зависимости от этого различают следующие режимы работы шаговых двигателей:

   1) статический; 2) квазистатический; 3) установившийся; 4) переходный.

    1. Статическим режимом шагового двигателя называется режим, при котором по обмоткам статора протекает постоянный ток, создающий неподвижное в пространстве магнитное поле, и ротор двигателя не вращается. Под действием момента нагрузки ротор может лишь отклоняться от положения устойчивого равновесия ненагруженного ротора (при Мн = 0) на некоторый угол θ. Основной характеристикой двигателя в статическом режиме является зависимость статического синхронизирующего момента М от угла рассогласования θ - угловая характеристика двигателя (рис. 3).

   Рис. 3. 

  2. Квазиетатический режим работы - режим отработки единичных шагов, при котором переходные процессы, сопровождающие отработку шага, к началу следующего шага полностью заканчиваются и скорость ротора в начале каждого шага равна 0.

  Предельная  частота импульсов, при которой  еще обеспечивается квазистатический режим, определяется временем протекания электромагнитных и особенно механических переходных процессов, т. е. временем колебаний (качаний) ротора. Для уменьшения или полного устранения качаний ротора в конце шага применяют различные демпфирующие устройства. Наиболее радикальным методом устранения качаний ротора, а, следовательно, увеличения предельной частоты квазистатического режима, является гашение кинетической энергии, запасенной ротором при отработке шага, которое достигается за счет принудительного или естественного торможения ротора (старт - стопное управление).

  При принудительном торможении после перевода управляющего импульса с первой обмотки (или группы обмоток) на вторую через некоторый промежуток времени, за который ротор отрабатывает часть шага и запасает определенное количество кинетической энергии, управляющий импульс переводится на первую обмотку. На ротор начинает действовать тормозящий его движение момент. При правильном выборе времени и величины тормозящего момента ротор останавливается в конце шага. После этого управляющий импульс вновь переводится на вторую обмотку и ротор, отработав шаг, фиксируется практически без колебаний.

  При естественном торможении отработка  шага происходит в два этапа: на первом этапе движение ротора осуществляется за счет положительного синхронизирующего момента, возникающего за счет сдвига н. с. статора на часть полного шага; на втором этапе - за счет кинетической энергии, запасенной ротором при отрицательном (тормозном) моменте. При перемещении ротора на величину полного шага н. с. сдвигается на оставшуюся часть шага и фиксирует ротор в этом положении. Естественное торможение применимо лишь в тех двигателях, у которых полный шаг делится на несколько элементарных шагов.

  3. Установившийся режим работы шаговых двигателей - режим, соответствующий постоянной частоте управляющих импульсов. Ротор двигателя в установившемся режиме, имея постоянную среднюю скорость, может совершать как периодические, так и апериодические колебания.

  При частоте управляющих импульсов  fу, меньшей частоты собственных колебаний f0 ротора, движение ротора, как и в квазистатическом режиме, сопровождается свободными колебаниями. Частота собственных колебаний определяется следующим выражением: , где Мт - максимальный статический синхронизирующий момент, Н-м; р - число пар полюсов; J - момент инерции ротора, кГ٠м². При частоте управляющих импульсов fу, равной или в целое число раз меньшей частоты собственных колебаний f₀, возникают явления электромеханического резонанса, которые могут привести к нарушению нормального движения ротора и к выпадению его из синхронизма.

  При частоте управляющих импульсов, большей частоты собственных колебаний (fy > f₀), движение ротора сопровождается вынужденными колебаниями с частотой управляющих импульсов. В этом же диапазоне частот при неблагоприятных параметрах двигателя, а также при наличии магнитной асимметрии из-за некачественного изготовления могут возникнуть колебания с частотой, близкой к частоте собственных колебаний f₀ .

  4. Переходные режимы работы шаговых двигателей - пуск, ускорение, замедление, реверс - являются основными эксплуатационными режимами работы большинства шаговых двигателей. Физические процессы в переходных режимах определяются как параметрами двигателя и его нагрузки, так и начальными условиями, при которых начинается переходный процесс.

  Основным  требованием, которое предъявляется  к шаговым двигателям в переходных режимах, является требование отсутствия потери шага, т. е. сохранение синхронизма при любом характере изменения частоты управляющих импульсов.

  Пуск  шагового двигателя обычно осуществляется из положения фиксированной стоянки ротора путем скачкообразного увеличения частоты управляющих импульсов от 0 до рабочей. Пусковые свойства двигателя, как уже говорилось ранее, характеризуются частотой приемистости, т. е. максимальной частотой импульсов, при которой возможен пуск без выпадения ротора из синхронизма (без потери шагов). Частота приемистости возрастает с увеличением максимального синхронизирующего момента, с уменьшением шага, со снижением постоянной времени обмоток, величины нагрузки и момента инерции ротора и приводимых во вращение механизмов.

  Торможение  ротора - скачкообразным уменьшением частоты управляющих импульсов от рабочей до 0. Предельная частота торможения, при которой ротор останавливается без потери шагов, как правило, выше частоты приемистости, что объясняется внутренним демпфированием - электромагнитным тормозным (генераторным) моментом, моментом сопротивления нагрузки и трением в опорах.

  Реверс  шагового двигателя производится путем  изменения последовательности коммутации токов в обмотках, приводящего  к изменению направления вращения магнитного поля. Предельная частота  управляющих импульсов, при которой  реверс осуществляется без потери шагов, всегда меньше частоты приемистости.