Общие сведения о шаговых двигателях

В современных системах управления широко используются устройства, оперирующие с цифровой формой сигнала. Цифровая форма представления сигнала привела к созданию нового типа двигателей – шаговых двигателей (ШД).

Шаговые двигатели – это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи. Современные ШД являются, по сути, синхронными двигателями без пусковой обмотки на роторе, что объясняется не асинхронным, а частотным пуском ШД. Роторы могут быть возбужденными (активными) и невозбужденными (пассивными).

Рассмотрим принцип действия простейшего однофазного шагового двигателя.

Д вухполюсный ротор из магнитомягкой стали с клювообразными выступами помещен в четырехполюсный статор (рис.1). Одна пара полюсов выполнена из постоянных магнитов, на другой – находится обмотка управления.

Пока тока в обмотках управления нет, ротор ориентируется вдоль постоянных магнитов и удерживается около них с определенным усилием, которое определяется магнитным потоком полюсов Ф_пм.

При подаче постоянного напряжения на обмотку управления возникает магнитный поток Ф_у примерно вдвое больший, чем поток постоянных магнитов. Под действием электромагнитного усилия, создаваемого этим потоком, ротор поворачивается, преодолевая нагрузочный момент и момент, развиваемый постоянными магнитами, стремясь занять положение соосное с полюсами управляющей обмотки. Поворот происходит в сторону клювообразных выступов, т.к. магнитное сопротивление между статором и ротором в этом направлении меньше, чем в обратном.

Следующий управляющий импульс отключает напряжение с обмотки управления и ротор поворачивается под действием потока постоянных магнитов в сторону клювообразных выступов.

Достоинством однофазных ШД с постоянными магнитами является простота конструкции и схемы управления. Для фиксации ротора при обесточенной обмотке управления не требуется потребление энергии, угол поворота сохраняет свое значение и при перерывах в питании. Двигатели этого типа отрабатывают импульсы с частотой до 200-300 Гц. Их недостатки – низкий КПД и невозможность реверса.

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.

Вопрос №9. Цифровые системы управления электроприводами. Структурная схема цифровой системы управления. Частотные преобразователи.

Особенность цифровых систем управления является наличие: микроконтроллера; квантователя сигналов по уровню в цепях обратных связей, в цепях параллельной коррекции и в ряде случаев в устройстве задающего сиг­нала; квантователя по времени (такт Т_о=0,001-0,01 с ).

Погрешность цифровых устройств не превышает величины еди­ничного значения младшего разряда кода, с которым эти устройства оперируют. Кроме квантования по уровню цифровым системам прису­ще квантование по времени. Период (такт) временного квантования То для большинства систем лежит в пределах 0,001-0,01 с. Очевидно, что если поставлена задача обеспечения высокого качества управления, такт квантования следует выбирать как можно меньшим. При выборе такта квантования следует учитывать следующие факторы: требуемое качество управления; динамику объекта управления; спектры возмущений; тип электропривода; измерительные устройства. Как правило, требования оказываются противоречивыми и такт квантования выбирают из компромиссного решения.

Преимущество цифровых регуляторов заключается в реализации любой требуемой передаточной функции, возможности введения адап­тации, нелинейной коррекции.

Обобщенная функциональная схема цифровой системы регули­рования представлена на рис. 28.1. На рис. 28.1 обозначено: 1 - задающий квантователь; 2 - квантователь обрат­ной связи; 3 - дискретная передаточная функция цифрового регулято­ра; 4 - звено с чистым запаздыванием, отражающее конечное время вычислений в регуляторе; 5 - непрерывная передаточная функция объекта управления; 6 - квантователь цепи параллельной коррекции.

Передаточная функция корректирующего дискретного регулято­ра в общем виде записывается следующим образом

Значения коэффициентов находят из выражения

где W_o (z) - дискретная передаточная функция объекта управления, полученная с помощью таблиц z - преобразования, Ф(z) - желаемая дискретная передаточная функция системы в замкнутом состоянии.

Функция Ф(z) должна быть реализуема. Для этого она должна представлять собой отношение двух полиномов относительно z^-1 с дей­ствительными коэффициентами, причем свободный член в знаменате­ле должен быть отличным от нуля, а модуль степени полинома числи­теля должен быть больше, чем у знаменателя. При применении микропроцессоров стоимости цифровых и аналоговых систем управления практически не отличаются.

Частотный преобразователь

Частотный преобразователь служит для плавного регулирования скорости асинхронного электродвигателя за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты. В простейших случаях регулирование частоты и напряжения происходит в соответствии с заданной характеристикой V/f, в наиболее совершенных преобразователях реализовано так называемое векторное управление. Частотный преобразователь – это устройство, состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или транзисторы (IGBT) обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для улучшения формы выходного напряжения между преобразователем и двигателем иногда ставят дроссель, а для уменьшения электромагнитных помех – EMC-фильтр.

Устройство и принцип его действия

Преобразователь частоты состоит из электрического привода и управляющей части. Электрический привод частотного преобразователя состоит из схем, в состав которых входит тиристор или транзистор, которые работают в режиме электронных ключей. В основе управляющей части находится микропроцессор, который обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

В зависимости от структуры и принципа работы электрического привода выделяют два класса преобразователей частоты: с непосредственной связью; с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока. Каждый из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

В преобразователях с непосредственной связью электрический привод представляет собой управляемый выпрямитель. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети. Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. Частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие - малый диапазон управления частотой вращения двигателя (не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Использование незапираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя. «Резаная» синусоида на выходе преобразователя с непосредственной связью является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению КПД системы в целом.

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе, фильтруется фильтром, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторому ухудшению массо-габаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжения используют автономный инвертор, который формирует электрическое напряжение заданной формы на обмотках электродвигателя (как правило, методом широтно-импульсной модуляции). В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Они имеют более высокий КПД (до 98 %) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах.

Преобразователи частоты являются нелинейной нагрузкой, создающей токи высших гармоник в питающей сети, что приводит к ухудшению качества электроэнергии.