Режимы работы и характеристики

В зависимости от частоты подачи импульсов управления различают следующие режимы работы ШД: статический, квазистатический, установившийся и переходные.

Статический режим соответствует протеканию по одной из фазных обмоток постоянного тока, создающего неподвижное магнитное поле и характеризуется статическим синхронизирующим моментом, который в первом приближении можно считать синусоидальным.

Квазистатический режим (режим отработки единичных шагов) характеризуется тем, что переходный процесс (обычно колебательный), к началу следующего шага заканчивается, т. е. угловая скорость ротора в начале каждого следующего шага равна нулю. Он используется в различных стартстопных, лентопротяжных и других механизмах, где требуется фиксация ротора после каждого шага.

Установившийся режим работы ШД соответствует постоянной частоте управляющих импульсов.

Переходные режимы имеют место при пуске, торможении и реверсе ШД.

Обычно пуску ШД соответствует скачкообразное изменение частоты импульсов от нуля до рабочей. Переходный процесс, как правило, идет с перерегулированием по скорости. Максимальную частоту управляющих импульсов, при которой возможен пуск ШД без потери шага, называют частотой приемистости . Частота растет с увеличением синхронизирующего момента, уменьшением углового шага, снижением постоянной времени обмоток и нагрузки.

Торможение ротора осуществляют скачкоообразным снижением частоты управляющих импульсов до нуля. Предельная частота управляющих импульсов, при которой торможение осуществляется без выбега, как правило, выше .

Реверс ШД производят путем изменения последовательности коммутации токов в фазах, т.е. изменением направления вращения поля статора. Предельная частота следования импульсов, при которой возможен реверс без потери синхронизма всегда ниже .

Силовые схемы шагового электропривода

На рисунке приведена силовая схема питания фаз ШД при однополярном управлении и параллельном включении фаз с транзисторными ключами.

Другая схема представляет тиристорный коммутатор с искусственной коммутацией. Здесь тиристоры Т1-Т4 обеспечивают парную коммутацию обмоток ШД ОУ1-ОУ4 при которой в каждый момент включены 2 фазы из 4. Тиристоры Т1-Т3, а также Т2-Т4 образуют схемы двух триггеров, в которых переключение тиристоров происходит с помощью колебательных контуров . Пусть тиристор Т1 открыт и запитана обмотка ОУ1. Конденсатор заряжен до напряжения питания с плюсом на правой обкладке. Когда поступит управляющий импульс на Т3, он откроется и по обмотке ОУ3 потечет ток. В то же время по цепи происходит быстрый перезаряд конденсатора и при смене знака тока через тиристор Т1 последний закроется.

Особенности динамики работы ШД.

Отработка единичного шага

Рассмотрим процесс отработки ШД единичного шага. Пусть в исходном положении ротор ШД находится в положении, показанном на рис. 1.

Снимаем напряжение управления с фазы 1 и подаем напряжение на фазу 2. Возникает вращающий момент (момент синхронизации) под действием которого ротор начинает вращаться по направлению к фазе 2. Величина момента определяется углом рассогласования между продольной осью ротора и осью поля (осью фазного выступа 2). Угол , отсчитываемый от оси фазного выступа 1, начинает расти. Появляется динамический момент

По мере приближения к оси 2 момент вращения уменьшается и в момент совпадения осей становится нулевым.

Однако в этот момент динамический момент достигает максимума и под его действием ротор проходит равновесное состояние и угол становится больше . Появляется тормозной момент. Ротор тормозится, динамический момент падает до нуля в момент достижения ротором угла поворота . Ротор начинает движение назад и, если бы не было сил трения, он вернулся бы в исходное положение. На самом деле происходит рассеивание энергии, так как изменение магнитного сопротивления при движении ротора приводит к появлению переменной составляющей потока возбуждения, что вызывает появление ЭДС вращения в обмотках статора и, соответственно, появление демпфирующего момента.

Уравнение движения ротора можно записать

.

Здесь D – коэффициент внутреннего демпфирования. Если рассматривать движение относительно нового положения, т.е заменить на , то проведя линеаризацию можно представить ШД на единичном шаге как звено второго порядка

.

Колебания ротора – основной недостаток шагового привода, ограничивающий его применение или удорожающий его. Если качания ротора недопустимы, применяют старт-стопное управление.

Старт-стопное управление ШД.

С тарт-стопным управление ШД называется такое управление, при котором обеспечивается минимальная динамическая ошибка. Необходимо, чтобы энергия, запасенная ротором при разгоне, была полностью израсходована в процессе торможения. Торможение может быть естественным или принудительным. В первом случае, при движении ротора от базы 1 к фазе 2 происходит отключение обмотки 2 в момент , который выбирается так, чтобы накопленной энергии было достаточно для перехода ротора в положение, соответствующее фазе 2 в момент . После этого на фазу 2 вновь может быть подано напряжение для удержания ротора в новом положении.

Если естественного момента торможения недостаточно, можно применять принудительное торможение со стороны фазы 1. Фактически, здесь используется принцип оптимального, точнее, максимального по быстродействию управления – разгон с максимальным ускорением и торможение с максимальным замедлением.