74.Шаговые (импульсные) двигатели

Шаговые (импульсные) двигатели представляют собой синхронные микродвигатели, у которых питание фаз обмотки якоря осуществляется путем подачи импульсов напряжения от какого-либо (например, электронного) ком­мутатора.

Принцип действия. Под воздействием каждого импульса ротор двигателя совершает определенное угловое перемеще­ние, называемое шагом. Коммутатор преобразует заданную последовательность управляющих; импульсов в m-фазную систему одно и двухполярных прямоугольных импульсов напряжения.

На рис. 9,15 изображена схема m-фазного шагового двигателя без обмотки возбуждения па роторе. Если фазы 1. 2. .1..... m обмотки якоря рассматриваемого двигателя питаются поочередно однополярными импульсами напряже­ния, то ротор двигателя скачкообразно перемещается в по­ложения, при которых его ось совпадает с осями фаз1, 2, 3 и т. п. Следовательно, ротор имеет т устойчивых состояний, соответствующих направлению вектора МДС , рис 9.15,а) обмотки якоря в данный момент времени; при этом шаг ротора равен .

Для увеличения результирующей МДС якоря, а следовательно магнитного потока и синхронизирующего момента обычно одновременно подают питание на две, три и большее

Рис.9.19. Рабочие характеристики шагового двигателя (а,б)

Рис. 9.15 Схемы работы двигателя при питании

различных фаз обмотки якоря(а-в)

количество фаз. Так например, если одновременно подают питание на две фазы, то положение результирующего вектора МДС , и оси ротора совпадает с линией, проходящей между осями двух соседних фаз (рис. 9.15.6). При подаче питания одновременно на три соседние фаты ротор перемешается в положение, совпадающее с осью средней фазы (рис. 9.15.в). Если поочередно включают то четное (две), то нечетное (одна, три) число фаз, то ротор двигателя имеет 2т устойчивых состояния и шаг равен . Управление двигателем, при котором фазы обмотки якоря включают поочередно равными группами по две, три и т. п., называют симметричным; поочередное включение неравных групп фаз — несимметричным.

В качестве шаговых обычно применяют синхронные двигатели бетз обмотки возбуждения на роторе: с постоян­ными магнитами, реактивные и индуктивные (с подмагничиванием). Для получения требуемых статических характе­ристик и динамических свойств их выполняют бет пусковой обмотки, с ротором минимального диаметра и рассчитывают на большие электромагнитные нагрузки.

Применение шагового двигателя целесообразно для при­вода механизмов, имеющих старт-стопное движение, или механизмов, с непрерывным движением, если управляющий сигнал задан в виде последовательности импульсов (лентопротяжных устройств для ввода и вывода информации, счетчиков, приводов станков с программным управлением и т.п.).

Двигатели с постоянными магнитами. Ротор двигателя (рис.9.16) выполняют в виде постоянного магнита (звездочки) литой или составной конструкции без полюсных наконечников. Статор имеет явно выраженные полюсы, вокруг которых в полузакрытых пазах размещаются катушки обмотки якоря (двух-, трех-, или четырехфазной). В многополюсных машинах число пазов на полюс и фазу q=1,

Реактивные двигатели. Ротор реактивного шагового двигателя выполняют из магнитомягкого материала. На статор обычно располагают трехфазную сосредоточенную обмотку якоря, фазы которой получают питание от электронного коммутатора. Шаговые двигатели этого типа называют также параметрическими.

Шаг двигателя можно уменьшить, увеличив число высту­пов на роторе. Например, применяя шаговый двигатель с крестообразным ротором (рис. 9.18), при той же последо­вательности подачи импульсов, что и для двигателя, пока­занного на рис. 9.17, получают шаг, равный 15 , Дальнейшее уменьшение шага, т. е. Повышение точности работы двигателя, можно обеспечить увеличив число выступов на статоре и роторе , т. е. Перейдя к схеме редукторного двигателя ( см. рис. 9.11)

Двигатели с подмагничиванием (индукторные). По конст­руктивному исполнению и принципу работы рассматрива­емые двигатели сходны с редукторными двигателями, имею­щими радиальное возбуждение. Возбуждение может созда­ваться обмоткой постоянного тока или постоянным магни­том, находящимся на статоре, как и в редукторных двига­телях. Однако в шаговых индукторных двигателях постоянная составляющая магнитного поля обычно образуется за счет особого способа включения обмоток якоря. Например, если питать фазы обмотки якоря однополярными импульсами, то за счет постоянной составляющей тока в машине возникает неподвижное в пространстве магнитное поле, намагничива­ющее ротор. Следовательно, при соответствующей схеме питания обмоток возбуждения реактивный шаговый двига­тель может работать как двигатель с подмагничиванием. Индукторные шаговые двигатели с подмагничиванием имеют несколько лучшие характеристики, чем реактивные: больший электромагнитный момент, лучшую устойчивость и т. п. Однако для них требуется более сложный электронный коммутатор, который загружается постоянной составляющей тока возбуждения. Наличие постоянной составляющей тока в обмотке якоря приводит к возрастанию электрических потерь мощности. Максимальная частота подачи

Управляющих импульсов тока у двигателей с подмагничиванием меньшая, чем у реактивных.

Режимы работы шаговых двигателей. Для работы шагового двигателя характерным является регулирование частоты вращения в широком диапазоне путем изменения частоты подачи управляющих импульсов тока. Таким же способом осуществляют его фиксированный останов, пуск и изменение направления вращения. В зависимости от частоты управ­ляющих импульсов различают следующие режимы работы шаговых двигателей: статический, квазистационарный, уста­новившийся и переходные.

Статический режим—это режим прохождения по обмоткам возбуждения постоянного тока, создающего не­подвижное поле. При питании одной фазы зависимость электромагнитного момента М от угла рассогласования Θ близка к синусоидальной (рис. 9.19, а).

Поскольку при Θ = 0 синхронизирующий момент равен нулю, возникает статическая ошибка в положении ротора; она тем боль­ше, чем больше нагрузка и меньше максимальный момент. В двигателях с гребенчатыми выступами на статоре и шагом, равным 1,5°, статическая ошибка составляет не более 0,5°.

Квазистационарный режим—это режим отработки единичных шагов, например в приводах различных старт-стопных, лентопротяжных и других подобных механизмов. Предельная частота квазистационарного режима ограничена временем затухания колебаний ротора, которые могут возникнуть при переходе ротора из одного устойчивого положения в другое (точки О и О' на рис. 9.19, а), аналогично тому, как это происходит в обычной синхронной машине при резком изменении угла Θ. Для устранения колебаний ротора в конце шага применяют различные демпфирующие устройства и обгонные муфты. Предельную частоту ква­зистационарного режима повышают, увеличивая число фаз обмотки якоря или число тактов коммутации (восьмитактная коммутация при четырехфазной обмотке, шеститактная — при трехфазной). Во всех этих случаях при отработке шага уменьшается угол перемещения и кинетическая энергия ротора, что снижает его склонность к колебаниям.

Установившейся режим-это режим, соответствует постоянной чатоте управляющих импульсов. Ротор двигателя в установившемся режиме имеет постоянную частоту вращения , но при переходе из устойчивого одного состояния в другое возникают периодические и апериодичские колебания относительно мгновенной точки устойчивого равновесия. При частоте управляющих импульсов f₁, меньшей частоты свободных колебаний двигателя f₀, угловое перемещение ротора при каждом шаге, как и в квазистационарном режиме, соповождается свободными колебаниями , которые существенно увеличивают динамическую ошибку при отработке ротором заданного перемещения. Частота свободных колебаний ротора

где M_max -максимальный электромагнитиый момент при неподвижном роторе;J_p иJ_H.-моменты инерции ротора и нагрузки, приведенной к валу ротора.

При частоте управляющих импульсов, равной или в целое число раз меньшей частоты f₀. возникает явление электро­механического резонанса, которое при слабом демпфирова­нии колебаний может вызвать нарушение периодичности движения ротора и привести к выпадению его из синхро­низма. При частоте f₁>f₀ возникают вынужденные колеба­ния с частотой, равной частоте управляющих импульсов; амплитуда их монотонно уменьшается с увеличением часто­ты. Для устойчивой работы шагового двигателя необходимо, чтобы , и имелось внутреннее или внешнее демпфирование.

Электромагнитный момент шагового двигателя в общем случае состоит из двух частей: синхронизирующего момента, зависящего от угла 0 между осями МДС обмотки якоря и ротора, и асинхронного тормозного момента, пропорцио­нального частоте вращения, т. е. :

(9.18)

Параметр D называют коэффициентом внутреннего демпфирования. Физически внутреннее демпфирование, т. е. тор­мозной момент М_Т в двигателях с постоянными магнитами или обмоткой возбуждения на роторе, возникает в результате взаимодействия вращающегося потока ротора с током в обмотке якоря. У реактивных двигателей этот момент зависит от разности индуктивных сопротивлений (X_d-X_q) обмотки якоря и ее активного сопротивления Rа Достаточно большом значении коэффициента D проис­ходит эффективное затухание колебаний ротора двигателя. Этому способствует также наличие трения и внешних демпфирующих устройств.

Переходные режимы основные - эксплуатационные режимы шаговых двигателей, включающие в себя пуск, торможение, реверс, переход с одной частоты на другую. Основное требование, предъявляемое к шаговым двигателям в переходных режимах - сохранение синхронизма при изме­нении частоты управляющих импульсов, т.е. отсутствие потери шага.

Для каждого шагового двигателя существует некоторая предельная частота подачи управляющих импульсов f_пр, при которой ротор еще следует за скачкообразно изменя­ющимся полем статора. Эту частоту называют частотой приемистости. Частота приемистости характеризует пусковые свойства шагового двигателя-максимальную частоту управляющих импульсов, при которой возможен пуск без выпадения из синхронизма. Она возрастает с увеличением синхронизирующего момента, уменьшением углового шага. нагрузки и момента инерции.

Для современных шаговых двигателей при номинальной нагрузке частота приемистости f_пр=100...1000 Гц. Предельная частота, при которой осуществляется торможение шагового двигателя без потери шага (с сохранением синхронизма), как правило, выше частоты приемистости: это объясняется влиянием внутреннею демпфирования, момента нагрузки и момента трения. Предельная частота реверса, при которой реализуется реверс без выпадения из синхронизма (без потери шага), составляет (0,2...0,5)f_пр. Только в двигателях с большим демпфированием и электромагнитными постоян­ными времени обмоток якоря предельные частоты реверса и приемистости примерно равны.

Рабочие характеристики шаговых двигателей. Они опре­деляются параметрами двигателя, нагрузки (нагрузочный момент и момент инерции) и особенностями электронного коммутатора (числом тактов коммутации, формой его выходного напряжения и пр.). Основные характеристики следующие: статическая, предельная механическая и предель­ная динамическая приемистости.

Статическая характеристика - зависимость элект­ромагнитного момента М от угла Θ (рис. 9.19, а), а также зависимость тока двигателя от нагрузки в квазистационар­ном режиме.

Предельная механическая характеристика - зависимость частоты управляющих импульсов от макси­мального момента на валу ротора, при котором происходит выпадение двигателя из синхронизма (рис. 9.19,б), кривая 1). Ее снимают при плавном увеличении частоты f₁.

Предельная динамическая характеристика приемистости - зависимость частоты приемистости f_пр в динамическом режиме (например, при пуске) от момента нагрузки М (рис.9,19,б, кривая 2). Рабочие характеристики снимают при различных сочетаниях включаемых обмоток, моментах инерции двигателя и нагрузки и пр.

Области применения. При высоких частотах вращения (2000…3000об/мин) применяют шаговые двигатели с постоянными магнитами на роторе. Наличие активного ротора позволяет получить относительно большие моменты и обеспечить фиксацию ротора при обесточенных обмотках. У этих двигателей номинальный вращающий момент М_ном =0,1,,10 Н*см, угловой шаг α_ш =15^О. При низких частотах вращения (до 1000об/мин) и малом шаге применяют индукторные и реактивные двигатели с гребенчатыми выступами на полюсах статора. Их номинальный момент М_ном =1,,25 Н*см, а угловой шаг α_ш =1,5…3^О.