7.4. Крокові двигуни
У приводах подачі прецизійних шліфувальних верстатів, приладів точної механіки й оптики часто потрібна відпрацьовування переміщень, що становлять кілька мікрометрів, а іноді й десяті частки мікрометра. При використанні для цієї мети крокових двигунів, що як володіють малим кутовим кроком все-таки необхідна механічна передача з більшим передатним відношенням, якої властиві істотні погрішності. Тому що в перерахованих установках дуже високі вимоги до точності, то застосування крокових двигунів практично виключається. Частковим розв'язком завдання може бути використання крокових двигунів з електричним дробленням кроку, коли за допомогою спеціальної електронної схеми при подачі чергового імпульсу забезпечується переміщення не на повний крок, а тільки на його частину. У цьому випадку керування переходить від дискретного до безперервного. Однак і тут не обійтися без механічної передачі.
У зв'язку із цим для мікропереміщень необхідні двигуни, виконані на іншій фізичній основі. Принципово можлива побудова двигунів на основі теплового розширення тіла, електромагнітної взаємодії, магнітострикцій, зворотного п'єзоефекту.
Двигуни для мікропереміщень, побудовані на тепловому розширенні тіла, не використовуються через велику інерційність і негативного впливу температурних полів на навколишні прилади й вузли.
Двигуни, виконані для втягування або поворотні електромагнітні пристрої, іноді знаходять застосування, однак дуже важко в них забезпечити тягове зусилля, що слабко залежить від переміщення. Крім того, такий двигун є інерційним через велику індуктивність тягової котушки. Смуга пропущення керуючого сигналу в ньому становить 10...20 Гц. Позитивна якість двигуна - забезпечення достатньо великих переміщень, обумовлених ходом електромагніту (хід може становити кілька міліметрів). У більшості випадків в установках поряд з мікропереміщеннями необхідні й відносно більші фіксовані подачі.
7.4.1. Принцип дії крокових двигунів
У схемах автоматики, телемеханіки й обчислювальної техніки поряд з автоматичними системами безперервної дії, які виконуються за допомогою розглянутих вище звичайних двигунів, широко застосовуються системи дискретного (імпульсного) дії. У таких системах використовуються спеціальні виконавчі двигуни - крокові.
Крокові двигуни (КД) - це електромеханічні пристрої, які перетворять електричні імпульси напруги керування в дискретні (стрибкоподібні) кутові й лінійні переміщення ротора з можливою його фіксацією в потрібних положеннях. На відміну від звичайних двигунів, крокові двигуни мають неповторні відмінності, які визначають їхні виняткові властивості при використанні в деяких областях застосування.
Головна перевага КД - це можливість здійснення точного позиціонування й регулювання швидкості без застосування датчиків у ланцюзі зворотного зв'язку. У випадку застосування крокових двигунів у системах зі змінним навантаженням і більшими прискореннями без зворотного зв'язку все-таки не обійтися. Це пояснюється тим, що якщо момент навантаження прикладеної до крокового двигуна зрівняється або перебільшить максимальний крутний момент крокового двигуна на даній частоті обертання, те кроковий двигун випадає із синхронізації й інформація про положення ротора втрачається. У випадках, коли відбувається випадання крокового двигуна із синхронізації й відбувається втрата інформації про положення ротора потрібно вводити в систему зворотний зв'язок із застосуванням тих або інших типів датчиків.
Перші крокові двигуни виготовлялися у вигляді електромагніту, що приводить в обертання храпове колесо (рис. 7.25), яке за одне включення електромагніту під напругу ( за один такт) переміщалося на цілком певний кут - крок, величина якого визначається величиною зубцевого кроку храпового колеса.
Рис. 7.25. КД з електромагнітом та храповіком.
Для забезпечення реверсу на валу двигуна встановлювалося два храпові колеса, повернених на 180° друг щодо друга, і двигун забезпечувався двома електромагнітами. Незважаючи на наявність ряду недоліків храпових крокових двигунів, вони й у цей час знаходять досить широке застосування в схемах автоматики.
Крокові електродвигуни може бути розглянутий як ДПС без колекторного вузла. Обмотки КД є частиною статора. На роторі розташований постійний магніт або, для випадків зі змінним магнітним опором, зубчастий блок з магнітом’якого матеріалу. Усі комутації проводяться зовнішніми схемами. Якщо порівнювати крокові двигуни зі звичайними двигунами постійного струму, то кроковий двигун вимагає більш серйозних схем керування, що забезпечують виконання належних комутацій обмоток під час роботи двигуна.
Проектування тих або інших систем вимагає вибору типу привода. Кроковий привод звичайно вибирається у випадку, якщо необхідно точне позиціонування й точне керування швидкістю. Для підвищення крутного моменту, при використанні крокового привода, можливе застосування понижувальних редукторів. Однак потрібно враховувати, що для КД редуктор підходить не завжди. Це пов'язане з тим, що в крокових двигунів, на відміну від колекторних двигунів, момент має найбільше значення на низьких швидкостях і поступово зменшується в міру збільшення швидкості обертання ротора. Крім цього КД, при стандартних схемах підключення, досягають значно менших обертів обертання вихідного вала, що також накладає обмеження на передаточне число редуктора. І ще одним важливим фактором, що обмежують використання редукторів разом зі КД, є наявність люфту в редукторів. Не дивлячись на усе вище перераховані недоліки, КД мають свою, незамінну, область застосування. КД характерні такі позитивні особливості:
кут повороту ротора залежить від числа поданих на двигун пускових імпульсів;
кроковий двигун розбудовує максимальний момент у режимі зупинки, у випадку якщо обмотки двигуна отримують живлення;
висока точність позиціонування й повторюваності, так якісні крокові двигуни мають точність 2,5% від величини кроку, при цьому дана помилка не накопичується при наступних кроках;
КД може швидко стартувати, зупинятися й виконувати реверс;
гарна надійність двигуна, обумовлена відсутністю щіток, при цьому термін служби двигуна обмежується тільки лише терміном служби підшипників;
чіткий взаємозв'язок кута повороту ротора від кількості вхідних імпульсів (у штатних режимах) дозволяє виконувати позиціонування без застосування зворотного зв'язку;
забезпечує одержання наднизьких швидкостей обертання вала двигуна, для навантаження підведеної безпосередньо до вала двигуна без використання редуктора;
робота в широкому діапазоні швидкостей, тому що швидкість прямо залежить від кількості вхідних імпульсів.
Характерні недоліки КД:
кроковий двигун має явище резонансу;
можливий варіант випадання двигуна із синхронізації з наступною втратою інформації про положення, при роботі кола зворотному зв'язка;
при стандартних схемах підключення кількість споживаної енергії не зменшується при відсутності навантаження;
складне керування при роботі на високих швидкостях;
низька питома потужність крокового привода;
для забезпечення ефективного керування КД потрібно складна схема керування.
Основні типи КД:
с постійними магнітами;
с змінним магнітним опором;
гібридні.
По числу фаз (обмоток керування) крокові двигуни можна розділити на однофазні, двофазні й багатофазні.
По типу роторів - на активні (збуджені) і пасивні (незбуджені). Активні крокові двигуни можна у свою чергу розділити на двигуни з постійними магнітами (магнітоелектричні) і двигуни з обмотками збудження (електромагнітні), а пасивні - на індукторні й реактивні.
По кількості пакетів сталі магнітопроводу двигуни діляться на однопакетні, двопакетні й багатопакетні.
По способу фіксації ротора при знеструмлених обмотках керування розрізняють двигуни із внутрішньою й зовнішньою фіксацією.
КД можна розділити на групи також по типу магнітної системи й іншим ознакам.
Опис усіх конструкцій крокових двигунів, застосовуваних у цей час на практиці, достатньо важко, тому далі розглядаємо лише деякі найбільш типові та розповсюджені.
У КД обертаючий момент створюється магнітними потоками статора й ротора, при цьому статор і ротор мають задану орієнтацію друг щодо друга. Статор виготовляється з матеріалів з високою магнітною проникністю й має деяка кількість полюсів. Полюсом є ділянка намагніченого тіла, на якому сконцентровано магнітне поле. І статор, і ротор крокового двигуна мають полюса. Магнітопроводи збираються з декількох окремих пластин, для зменшення втрат на вихрові струми. Обертаючий момент крокового двигуна залежить від величини магнітного поля, яке пропорційно кількості витків і току в обмотці. Отримання живлення хоча б однієї з обмоток КД надає ротору двигуна певне положення, у якому він буде перебувати доти, поки прикладений до двигуна зовнішній момент не перевищить моменту втримання даного крокового двигуна.
Прийнято розрізняти крокові електродвигуни (Autonics, Motionking, Fulling motor) і серводвигуни (Lenze). Принцип їх дії багато в чому схожий, і багато контролерів можуть працювати з обома типами. Основна відмінність полягає в кроковому (дискретному) режимі роботи крокового двигуна (n кроків на один оберт ротора) і плавності обертання синхронного двигуна. Серводвигуни вимагають наявності в системі керування датчика зворотному зв'язка по швидкості й/або положенню, у якості якого звичайно використовується резольвер або sin/cos енкодер. КД переважно використовуються в системах без зворотних зв'язків, що вимагають невеликих прискорень при русі. У той час як синхронний сервомотори звичайно використовуються у швидкісних вискодинамічних системах.