flyer |
- ~ r n ~ |
• |
Этому требованию удовлетворяют |
активные ШД минимум с |
двумя обмотками управления и реактивные ШД минимум с четырься обмотками управления.
Частота приемистости. Статическая и динамическая ошибки ШД. С устойчивостью тесно связано понятие о частоте приемистости ШД, под которой понимается максимальная часто та следования управляющих импульсов, при которой ротор ШД втягивается в синхронизм с места без потери шага.
Частота приемистости тем больше, чем выше динамичес кая добротность ШД J / и чем меньше цена шага. При одной и той же динамической добротности и цене шага часто та приемистости растет с увеличением зоны динамической ус тойчивости, т .е . с увеличением числа обмоток управления. Это обстоятельство связано с тем, что при пуске, как пока зали исследования, ротор за первые тактовые импульсы может отрабатывать не полные шаги, а идти с некоторым запаздыва нием по отношению к оси результирующей н .с ., оставаясь в пределах зоны устойчивости при каждом очередном переключе нии обмоток управления ШД. Очевидно, что запаздывание рото ра может быть тем больше, чем шире зона устойчивости. Сле дует иметь в виду, что увеличение частоты приемистости за счет большого числа обмоток неизбежно связано с увеличени ем динамической и статической ошибок ШД. Статической ошиб кой называют угол рассогласования оси ротора нагруженного
ШД в режиме фиксированного |
останова под током по отношению |
к оси результирующей н .с ., |
который в пределе может быть ра |
вен отрицательной части зоны статической устойчивости. Ди намической онибкой называют мгновенное значение угла рас согласования движущихся осей результирующей н .с . и ротора, обусловленного наличием нагрузки, а также свободными коле баниями ротора и равного в пределе отрицательной части зо ны динамической устойчивости ШД.
3LQ
, |
На рис.172 |
в |
качестве |
примера изображены кривые 6(пТ) |
и 6(nZ) пуска |
ШД |
из состояния покоя с частотой |
150 |
гц /п е |
риод |
следования |
импульсов |
Т = 0,0067 сек /, где |
п |
-число |
импульсов.На рис.172,б видно,что динамическая ошибка ШД для данного режима не превышает 50% величины шага двигателя. Вообще в преобразователях с ШД, в которых устранены люфты
в |
передаче и отсутствуют сбои, динамическая ошибка не пре |
вышает величины шага. |
|
|
|
После |
того, как |
отработано |
некоторое |
кол,г;ество шагов, |
в |
системе |
наступает |
/р и с .172,в / |
период- ' |
лй режим. |
|
Демпфирование. |
Свободные |
колебания |
ротора в процессе |
отработки шагов являются крайне нежелательными и могут при определенных условиях привести к сбоям в работе ШД. Демпфи рование свободных колебаний ротора может осуществляться на
грузкой типа сухого или вязкого |
трения, |
электромагнитными |
тормозами или за |
счет внутренних свойств |
самого ШД. |
В |
двигателях |
с реактивным ротором э .д .с . самоиндукции |
велика, |
а э .д .с . |
вращения мала. |
Эти ШД практически не име |
ют внутреннего демпфирования. Наоборот, ШД с активным рото ром обладают внутренним демпфированием.
Шаговые двигатели с двумя обмотками управления
По количеству управляющих обмоток все шаговые двигате ли можно разделить на двигатели с одной, двумя, тремя и большим числом обмоток.
Однофазным ШД присущ пульсирующий характер поля и, следовательно, вращающего момента. В связи с этим для соз дания пускового момента и задания определенного направле ния вращения предусматриваются следующие конструктивные ис полнения:
а / |
несимметричное выполнение магнитной системы /клюво- |
образные полюсы на статоре или роторе/} |
б / |
создание |
пусковых полюсов} |
в / |
создание |
одностороннего тормозного механизма /о б - |
тонная муфта/ или механического фиксатора?
в / наличие короткозамкнутого витка на части полюса. Реверс двигателя при несимметричной магнитной системе
и короткозамкнутом пусковом витке невозможен. В остальных случаях он осуществляется предварительной настройкой фикси
рующего механизма. |
Однообмоточные ПЩ имеют низкий к .п .д . |
и низкое значение |
статической добротности. |
Для обеспечения реверса необходимо иметь два электро магнита, каждый из которых обеспечивает одно из направле ний вращения. В качестве примера такой конструкции рассмот рим двухобмоточный реверсивный ШД, работающий на принципе взаимодействия постоянного магнитного потока с импульсным магнитным потоком, возникающим в движущей обмотке статора при прохождении импульса.
Магнитная цепь мотора /р и с .173/ состоит из ярма с сер дечником, статора и полого ротора, имеющего 12 зубцов, рас положенных между собой под углом 30°.
На сердечнике располагается обмотка возбуждения, соз дающая магнитный поток, который, замыкаясь через сердечник, ротор, статор и ярмо, создает на зубцах статора полярность одного знака, а на зубцах ротора - другого.
Статор имеет 9 зубцов, расположенных под углом 40° друг к другу, на которых размещены статорная и движущая обмотки /р и с .174/. Статорная обмотка размещена на трех зуб цах, расположенных между собой под углом 120°. Обмотка воз буждения и стопорная обмотка включаются так, чтобы их маг нитные потоки были одинаково направленными. Обе движущих обмотки размещены на шести зубцах статора.
Для осуществления вращения ротора в ту или другую сто рону необходимо обеспечить временной сдвиг нарастания маг нитного потока в части движущей обмотки. С этой целью дви жущая обмотка разделена на четыре секции и выполнена из от дельных катушек, попарно размещенных на полюсах. Временной сдвиг тока в одной из секций обмотки осуществляется шунти рованием этой секции емкостью.
|
Рассмотрим работу мотора при |
подаче импульсов в линию |
К # |
В этом случае зашунтированной |
емкостью оказывается сек |
ция движущей оомотки, |
расположенная на полюсах 3, б и 9, |
и, |
следовательно, на |
этих полюсах |
в начале импульса нара |
стание магнитного потока будет отставать по времени от маг нитного потока на полюсах 2, 5, 8. При этом ротор повернет
ся в сторону полюсов 2, 5, |
8 и близлежащими зубцами зафик |
|
сируется под ними, так как |
в начальный момент |
прохождения |
|
импульса угол между близлежащими зубцами ротора и полюсами |
• О |
статора 2, 5, 8 составляет |
минимальную величину, равную 10 |
Когда конденсатор полностью зарядится, магнитные по |
|
токи на полюсах 2, 5, 8 и 3, б, 9 уравняются |
и ротор ус |
|
тановится своими зубцами симметрично относительно этих по |
|
люсов. |
|
|
|
|
После прекращения импульса магнитный поток на полюсах |
|
3, б , 9 будет поддерживаться за счет разрядного тока емко |
|
сти и ротор станет своими |
зубцами под полюса 3, б, 9оВслед |
|
за разрядом емкости и исчезновением потока на полюсах |
3, |
|
б, 9 ротор станет своими зубцами под статорные |
полюса |
I , |
|
4, 7 . Таким образом, за время прохождения одного импульса |
|
ротор поворачивается на один зубцовый шаг, соответствующий |
|
30°. |
|
|
|
|
При подаче импульсов в линию М емкостью будет шунти роваться секция движущей обмотки, размещенная на полюсах 2, 5, 8, и вращение ротора будет происходить в противопо ложную сторону.
Двигатель рассчитан на работу при напряжениях возбужде ния и в импульсах, равных 27 в. Один оборот ротора обеспе чивается за 12 импульсов. Для уменьшения цены шага в кожухе двигателя смонтирован редуктор, который обеспечивает один оборот выходного вала за 245 импульсов.
Шаговые двигатели с тремя обмотками управления
Все ШД с тремя раздельно коммутируемыми обмотками уп равления, радиально или аксиально смещенными одна относи
тельно другой, являются реверсивными и не нуждаются в соз дании дополнительной несимметрии полюсов статора или рото ра. Это еще более справедливо для ШД с большим числом об моток управления: четыре, шесть и т .д .
В настоящее время наиболее распространены трехфазные ШД, так как это наименьшее число обмоток управления, при котором реактивные двигатели обладают гарантированной зо ной устойчивости и обеспечивают реверс направления враще ния.
Простейшей конструкцией реверсивного ШД является дви гатель с зубчатым ротором и тремя электромагнитами. Сердеч ники электромагнитов расположены таким образом, что когда один из них соосен с зубцом ротора, то два других сдвину ты последовательно на 1/3 зубцового деления. При поочеред ном возбуждении электромагнитов ротор отрабатывает шаговые перемещения, равные 1/3 зубцового деления. Направление вра щения зависит от очередности коммутации обмоток электромаг нитов. Быстродействие такого ШД измеряется лишь десятками шагов в секунду.
Более совершенными являются трехстаторные ЩД, магнит ная система которых состоит из трех статоров и трех роторов, укрепленных на одном валу. Пакеты статоров либо роторов раз вернуты один относительно другого на 1/3 полюсного деления, так что одновременно соосны полюсы одного статора и ротора, а полюсы двух других статоров и роторов смещены на 1/3 по люсного деления соответственно по и против часовой стрелки.
Общий недостаток, свойственный всем трехстаторным дви гателям, состоит в отсутствии электромагнитной связи между обмотками управления. Этот недостаток устраняется в кон струкциях ШД редукторного типа.
Шаговые двигатели редукторного типа имеют реактивный зубчатый ротор и статор, полюсные выступы которого также снабжены зубцами. На рис.175 показана принципиальная схема обмоток редукторного двигателя. Поскольку магнитопровод статора общий, обмотки управления могут быть размещены на
полюсных выступах статора таким образом, чтобы коэффициент связи между ними был высоким. Каждая обмотка управления состоит из катушек, расположенных на четырех полюсных вы ступах статора. Между собой обмотки управления сдвинуты на один полюсный выступ, так что каждый полюсный выступ стато ра охватывается катушками смежных обмоток управления. Бла годаря этому при отключении одной из обмоток энергии сцеп ленного с ней магнитного поля трансформируется во включае мую обмотку. Коэффициент полезного действия ШД улучшается, а ток быстрее достигает установившегося значения.
Зона динамической устойчивости всех трехфазных реак тивных двигателей как трехстаторных, так и редуктивных рав на половине шага. Поэтому на определенных частотах при хо лостом ходе возможны резонансные колебания ротора, приводя щие к потере шагов. С целью устранения резонансных явлений используют шеститактную схему управления, которая будет рассмотрена несколько ниже.
Электронные коммутаторы для управления трех- и много фазными ШД применяются двух типов: тиратронные и триггер ные. Тиратронные схемы нашли применение в основном для си ловых ШД, когда мощность полупроводниковых усилителей яв
ляется |
недостаточной. |
Трехтактные триггерные схемы позво |
ляют просто получить |
парное включение фаз Д , 2 / - /2 , 3 / - |
/3 ,1 / . |
Недостатком одновременного включения нескольких |
обмоток является возможность возникновения статической ошиб ки при отклонении тока в одной из обмоток от установленной величины /различный нагрев обмоток, изменение параметров усилителя и т . д . / .
Наиболее совершенной схемой управления ШД является шеститактная, которая обеспечивает одновременное включение то одной, то двух обмоток. При этом шаг двигателя уменыает ся вдвое, а приемистость увеличивается в два раза. Блок-схе на и временная диаграмма работы нестнтактного коммутатора
показана на рис.176.
Коммутирующий триггер 7^ запускается от клапана
или |
И в зависимости от |
того, по какому из |
входов / I или |
2 / |
поступают управляющие |
импульсы, На выходе |
клапана полу |
чается сигнал через три импульса программы. Коммутирующий триггер включает одну из фаз двигателя. Две другие фазы так ие остаются включенными в течение трех импульсов управле ния, но сдвинуты друг относительно друга на два периода. Таким образом, скваяность импульсов на выходе коммутатора равна двум, а период - шести периодам управляющей частоты.
Принципиальная схема шеститактного коммутатора и уси лителей на полупроводниковых триодах приведена на рис.177. Предположим, что к моменту рассмотрения на выходах тригге
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ров |
были следующие потенциалы: |
oi f~) |
; а&(+) ; |
а&(+ ) • |
ПеР~ |
вый |
импульс, |
поступивший на вход I , |
запускает |
триггер |
Т , |
и потенциал на |
выходе |
этого триггера возрастает. Триг |
гер |
Т г срабатывает, и на |
его |
входе |
аг |
потенциал понижает |
ся. |
Это понижение потенциала передается через дифференци |
рующую цепочку |
на клапан |
И{,Последний выдает сигнал на за |
пуск |
триггера |
7^ .Положительный импульс |
на входе коммутато |
ра должен иметь длительность более 6 мксек, чтобы обеспе чить поддержание потенциала на клапане на время срабаты
вания |
триггеров |
Т{ и 7^,Фронт этого сигнала должен быть не |
более |
2 мксек, |
так |
как при пологом фронте триггеры 7] и Т£ |
могут |
сработать |
до |
того, как на входе клапана |
потенциал |
возрастет до величины, достаточной для отпирания клапана. На выходе а триггера Т3 потенциал понизится. Насту
пит новое состояние триггеров 100.
При поступлении следующего импульса он таким же обра зом запускает триггер , однако при понижении потенциала на его выходе ai триггеры Тг и Тэ останутся в прежнем со
|
|
|
|
|
стоянии. Новым состоянием триггеров |
будет ООО. При поступ |
лении следующего |
импульса на вход триггера |
положитель |
ный сигнал с его |
выхода а { запустит |
триггер7^,который че |
рез |
ценочку обратной связи возвращает триггер Т£ в исход |
ное |
состояние, кейс указано на временной диаграмме. |
Положительный сигнал не откроет клапан И и, таким об разом, триггер Тъ будет запускаться лишь каждым третьим им пульсом программы. Новым состоянием триггеров будет 010.
При поступлении последующих импульсов выходы <7, , о, , а , будут принимать соответственно следующие состояния: 101, 001, 100. Таким образом, через каждые три импульса тригге ры возвращаются в исходное состояние.
Сигнал с выхода триггера 7” поступает непосредственно на эмиттерный повторитель, управляющий силовыми усилителя ми третьей секции ШД. Первая и вторая секции ШД управляют ся от логических схем "несовпадения". Эти схемы имеют два выхода - один от триггера 7 ^ ,а второй от триггера 7^ или Тг .
Схема "несовпадения" выдает |
отрицательный сигнал при раз |
личной полярности входных сигналов. На выходах I , |
П и Ш |
/р и с .176/ при управлении по |
входу I получаются последова |
тельно состояния: 101, 001, |
ОН, 010, НО, 100. |
С выхода |
коммутатора сигнал поступает на эмиттерные повторители, уп равляющие силовыми усилителями.
§ 39. Синхронная передача с шаговыми двигателями
Использование шаговых двигателей дает возможность соз дать импульсные синхронные передачи, обладающие высоким ка чеством при сравнительно небольших габаритах элементов, вхо дящих в эти системы. Принцип действия импульсной синхронной передачи можно пояснить на блок-схеме рис.178.
Поворотом входного вала через механический дифференци ал заводится многооборотное контактное приспособление КП. Через замкнутые контакты КП проходят импульсы одновремен но на несколько ШД. Находящийся в цепи обратной связи ШД отрабатывает КП до размыкания его контактов. Таким обра зом, через КП на шаговые двигатели приходит серия импуль сов, число которых, а следовательно, и угол поворота ро тора каждого ШД пропорциональны углу поворота входного ва ла.
Импульсная синхронная передача может работать в двух различных режимах - осуществлять отработку приращений /р е жим слежения/ и отрабатывать заданное рассогласование.
В первом случае отработка протекает со скоростью, пре восходящей скорость ввода, это означает, что отрабатывают ся малые приращения текущей входной величины. В режиме со гласования входная величина либо полностью вводится до на чала отработки, либо вводится со скоростью, большей скоро сти отработки. На рис.179 представлена блок-схема импульс ной системы, которая может работать в режимах слежения и согласования.
Принцип работы схемы состоит в следующем. Поворотом входного вала через дифференциал заводится КП. Через его замкнутые контакты с генератора импульсов ГИ импульсы по ступают на один из формирователей импульсов в зависимости от стороны поворота входного вала. С выхода формирователя импульсы поступают на усилители УИ, управляющие шаговыми двигателями. Двигатель ШДА отрабатывает КП на ноль и остагнавливается ввиду прекращения поступления импульсов на фор
мирователь. Синхронно с ШД 1 |
работают |
и остальные |
двигатели |
системы. |
Рассмотрим кратко |
генератор |
импульсов |
и блок ус*- |
ления. |
|
|
|
|
|
|
Генератор импульсов состоит из самовозбужданцегося |
мультивибратора, усилителя |
напряжения |
и усилителя мощности |
/р и с .1 8 0 /. Мультивибратор |
собран на триодах Т] яТ^.В пер |
вый момент в симметричной схеме мультивибратора в обоих |
триодах |
текут |
одинаковые |
токи. Однако за счет флуктуации |
в такой |
схеме |
неизбежно появится несимметрия. Пусть 1к по |
лучил приращение. В результате напряжение на коллекторе Те несколько понизится. Так как напряжение на емкости Сг мгно венно измениться не может, то понизится отрицательное на^- пряжение на базе ^.Напряжение на коллекторе?] повысится, что приведет к увеличению отрицательного напряжения на ба не Та и, следовательно, к дальнейнему росту его коллектор ного тока.
Таким образом, возникающие в мультивибраторе процессы стремятся увеличить случайно появившуюся несимметрию. Это происходит очень быстро и за время, измеряемое долями мик росекунды, один из триодов / Т / окажется запертым, а дру гой триод / Т / полностью отпертым. Схема остается в таком состоянии в течение определенного промежутка времени, пока происходит разряд емкости Сг на сопротивление R5 через про водящий триод Тг . На базе Tt поддерживается положительное напряжение. По мере разряда Сг это напряжение уменьшается почти до нуля. Вслед за этим в триоде Т£ появляется коллек торный ток. Процесс протекает лавинообразно и схема пере ходит в другое состояние. Частота повторения зависит от ве личины емкостей С£ и Сг .
Полученные импульсы дифференцируются на цепочке C3 RQ и поступают на базу триода Г3.С коллекторной нагрузки сни маются усиленные по напряжению импульсы и подаются через разделительный конденсатор на базу триода п - р - п / 7 ^ / .
В исходном состоянии триод закрыт. Поступающие на базу по ложительные импульсы открывают триод, в результате чего эмиттерный повторитель усиливает положительные импульсы по мощности.
Следует отметить, что при непрерывном вращении входно го вала контакты КП периодически замыкаются и размыкаются. Если импульс на шаговые двигатели подать непосредственно с контактов КП, то в момент коммутации он разорвется и на ШД
поступит импульс меньшей длительности. В результате |
этого |
некоторые ШД не сработают, и появится накапливающая |
ошибка. |
Поэтому в системе, работающей в режиме слежения, импульсы необходимо формировать после прохождения ими КП. Обычно формирователь входит в блок усиления импульсов, который предназначен для формирования прямоугольных импульсов за данной длительности и усиления их мощности до величины, не обходимой для срабатывания шагового двигателя. Блок усиле ния импульсов состоит из формирователя, эмиттерных повто рителей и мощного выходного каскада.
