6.3. Электропривод с шаговыми двигателями

Исполнительные органы ряда рабочих машин должны совершать строго дозированные перемещения с фиксацией своего положения в конце движения. В электроприводах таких машин и механизмов успешно применяются шаговые двигатели (ШД) различных типов, образующие основу дискретного электропривода.

Широкое распространение дискретного электропривода определяется еще и тем обстоятельством, что он естественным образом сочетается с цифровыми управляющими машинами и программными устройствами, которые все шире применяются во многих отраслях техники. Например, дискретный электропривод широко используется для металлообрабатывающих станков с числовым программным управлением (ЧПУ), а также для роботов и манипуляторов.

Шаговый двигатель по принципу своего действия является синхронным двигателем. Однако в отличие от последнего магнитное поле ШД перемещается (вращается) в воздушном зазоре не непрерывно, а дискретно, шагами. Это достигается за счет импульсного возбуждения обмоток ШД с помощью электронного коммутатора, который преобразует одноканальную последовательность управляющих импульсов в многофазную систему напряжений, прикладываемых к обмоткам (фазам) ШД.

Ступенчатому характеру изменения напряжения на фазах ШД соответствует дискретное вращение (перемещение) электромагнитного поля в его воздушном зазоре, вследствие чего движение ротора состоит из последовательных элементарных поворотов или шагов, совершаемых по апериодическому или колебательному закону.

а)ПринципдействияиосновныесвойстваШД

Принцип получения дискретного перемещения ротора рассмотрим на примере простейшей схемы двухфазного ШД, изображенной на рис. 6.3.

Шаговый двигатель имеет на статоре две пары явно выраженных полюсов, на которых находятся обмотки возбуждения (управления): обмотка Iс выводами1Н–1K. и вторая обмоткаIIс выводами2Н–2K. Каждая из обмоток состоит из двух частей, находящихся на противоположных полюсах ШД.

Питание обмоток ШД осуществляется, как правило, импульсами напряжения прямоугольной формы, поступающими с электронного коммутатора, входящего в состав схемы управления ШД Коммутатор и ШД образуют основную силовую часть шагового привода. Ротор ШД в рассматриваемой схеме представляет собой двухполюсный постоянный магнит, расположенный на валу двигателя внутри статора.

Рассмотрим работу ШД, предположив, что в начальный момент напряжение подано на обмотку I. Прохождение тока по этой обмотке вызовет появление магнитного поля статора с вертикально расположенными полюсамиN–S. В результате взаимодействия поля с постоянным магнитом ротора последний займет указанное на рис. 6.3,аравновесное положение, в котором оси магнитных полей статора и ротора совпадают. Положение будет устойчивым, поскольку при отклонении от него на ротор будет действовать вращающий момент (обычно называемый синхронизирующим), который стремится вернуть ротор в. положение равновесия. Этот момент определяется по формуле

(6.2)

где – угол между осями магнитных полей статора и ротора;M_max– максимальный момент.

Допустим, что с помощью схемы управления напряжение снимается с обмотки Iи подается на обмоткуII. В этом случае образуется магнитное поле статора с горизонтальными полюсами (рис. 6.3,б), т. е. магнитное поле статора дискретно совершило поворот на четверть окружности статора. При этом между осями статора и ротора появится угол рассогласования=90° и на ротор будет действовать в соответствии с формулой (6.2) максимальный вращающий моментМ=М_тах. Под его действием ротор повернется на четверть окружности статора и займет новое устойчивое равновесное положение, показанное сплошной линией на рис. 6.3,б. Таким образом, вслед за шаговым перемещением поля статора совершит такое же шаговое перемещение и ротор двигателя.

Предположим, что отключилась обмотка IIи вновь подано питание на обмоткуI, но с противоположной по сравнению с рис. 6.3,аполярностью напряжения. Магнитное поле статора опять будет иметь вертикально расположенные полюсы, но другой по сравнению с рис. 6.3,аполярности. Это означает, что поле совершит еще один шаг на четверть окружности. Снова на ротор будет действовать синхронизирующий момент, который повернет его в положение, показанное на рис. 6.3,в. Следующий шаг в том же направлении ротор может совершить, если будет отключена обмоткаIи подключена обмоткаIIс обратной полярностью напряжения. И, наконец, ротор завершит полный оборот при снятии напряжения с обмоткиIIи подаче напряжения на обмоткуI.

Кроме рассмотренного способа коммутации обмоток двигателя, обеспечивающего шаговое перемещение ротора на 90°, существует другой способ, позволяющий при той же конструкции ШД уменьшить размер шага ротора вдвое.

Допустим, что исходное положение ШД соответствует схеме, показанной на рис. 6.3, а. Подключим обмотку IIс полярностью, соответствующей магнитному полю рис. 6.3,б, не отключая обмоткуI. При этом образуется вторая, горизонтальная система полюсов и магнитное поле будет складываться из магнитных полей горизонтальных и вертикальных полюсов. Ось такого результирующего поля будет располагаться между полюсами с одинаковой полярностью, как это показано на рис. 6.3,г, т. е. ось магнитного поля совершит поворот на 45°. Поэтому ротор при таком порядке возбуждения обмоток ШД повернется токе на 45, а не на 90°, как было ранее.

Для совершения следующего шага достаточно снять напряжение с обмотки I, в результате чего магнитное поле будет соответствовать схеме рис. 6.3,б. Следующее перемещение магнитного ноля и ротора на 45° совершится при возбуждении обмоткиIбез отключения обмоткиIIи т. д. Схема коммутации, при которой подключаются поочередно одна или две обмотки, называется несимметричной в отличие от рассмотренной вначале симметричной схемы.

Угловое перемещение ШД в общем случае определяется выражением

(6.3)

где р– число пар полюсов ротора ШД;п – число переключений (тактов) в цикле, равное числу фаз ШД при симметричной и удвоенному числу фаз при несимметричной коммутации.

Шаговое перемещение ротора осуществляется с помощью последовательности управляющих импульсов, при этом каждому импульсу соответствуют одно переключение обмоток ШД (один такт коммутации) и один шаг ротора. Суммарный угол поворота ШД пропорционален числу импульсов, а его скорость – частоте импульсов. Амплитуда и форма импульсов могут изменяться в определенных пределах, не нарушая нормальной работы шагового привода.

Шаговый двигатель может легко изменять направление своего движения (реверсироваться). Для реверса ШД, например, при симметричной схеме коммутации необходимо включить на обратную полярность напряжения обмотку, которая была отключена на данном такте коммутации. Тогда ротор ШД совершит шаг в противоположном направлении.

Основным режимом работы шагового привода является динамический. В отличие от СД ШД рассчитаны на вхождение в синхронизм из состояния покоя и принудительное электрическое торможение. Благодаря этому в шаговом электроприводе обеспечиваются пуск, торможение, реверс и переход с одной частоты управляющих импульсов на другую. Пуск ШД осуществляется скачкообразным или постепенным увеличением частоты входного сигнала от нуля до рабочей, торможение – снижением ее до нудя, а реверс – изменением последовательности коммутации обмоток ШД.

На рис. 6.4 показаны примеры переходных процессов в шаговом электроприводе при отработке им серии импульсов управления, где (– полный угол поворота вала ШД, а– единичный угол поворота (единичный шаг).

Переходные режимы для ШД сложны и ответственны, так как вследствие электромагнитной инерции обмоток ШД, механической инерции его ротора и момента нагрузки на валу при резких изменениях частоты следования импульсов управления ротор ШД может не успеть отработать полностью все импульсы, поступившие на вход шагового привода. Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск ШД из неподвижного состояния без выпадения из синхронизма (пропуска шагов), называется частотой приемистости. Чем выше электромагнитная и механическая инерция ШД и больше момент его нагрузки, тем меньше частота приемистости.

Современные ШД различны по конструктивному исполнению. В зависимости от числа фаз ШД и устройства магнитной системы ШД бывают однофазными, двухфазными и многофазными с активным или пассивным ротором.

Активный ротор у ШД выполняется из постоянных магнитов или снабжается обмоткой возбуждения, как у обычных СД. Вследствие высокой экономичности и надежности в работе, технологичности изготовления, небольших габаритов и массы широкое распространение получили ШД с ротором из постоянных магнитов, называемые магнитоэлектрическими шаговыми двигателями (см. рис. 6.3). Обычно ШД с активным ротором имеют крупный шаг ротора – от 90 до 15° в связи с трудностями изготовления активного ротора с малыми полюсными делениями. Для уменьшения шага в таких ШД увеличивают число фаз и тактов коммутации, а также используют двухстаторную или двухроторную конструкцию.

Максимальная скорость ШД с активным ротором составляет 208 – 314 рад/с, частота приемистости от 70 до 500 Гц, номинальные вращающие моменты от 10Ю^-6до 1010^-3Нм.

Промышленность выпускает несколько серий шаговых магнитоэлектрических двигателей четырехфазные ШДА, двух- и четырехфазные ШД и ДШ-А, четырехфазные ШДА-3 и др.

При необходимости получения небольших единичных перемещений ротора и в то же время больших частот приемистости используются ШД с пассивным ротором, которые делятся на реактивные и индукторные. Работа таких ШД основана на взаимодействии магнитного поля и ферромагнитного тела. Статор и ротор реактивного ШД имеют явно выраженные полюсы, называемые обычно зубцами. На зубцах статора размещаются обмотки возбуждения, питаемые от электронного коммутатора. Ротор ШД выполнен из ферромагнитного материала и не имеет обмоток возбуждения, вследствие чего и назван пассивным.

Отличительная особенность реактивного ШД заключается в неравенстве числа зубцов статора z_cи ротораz_р, причем обычноz_c>z_р. Вследствие такой конструкции при каждом переключении обмоток статора ротор совершает поворот (шаг), равный разности полюсных делений статора_си ротора_р, а именно:

(6.4)

Уменьшив разность чисел зубцов z_pиz_с, можно снизить шаг ротора. Практически эту разность выбирают четной, что улучшает использование ШД. Для уменьшения шага полюсы статора выполняют с несколькими зубцами.

Реактивные ШД при простоте и технологичности конструкции, малых размерах шагов и скорости ротора имеют существенный недостаток – незначительные мощность и синхронизирующий момент, что ограничивает их применение. Этот недостаток отсутствует в индукторных ШД, в которых для увеличения синхронизирующего момента ротор подмагничивается со стороны статора с помощью постоянных магнитов или дополнительной обмотки возбуждения.

Электропромышленностью выпускается несколько серий ШД с пассивным ротором (Ш, ШДР, ШД, РШД), имеющих шаг от 1,5 до 9°, вращающие моменты от 2,510^-6до 1010^-3Нм и частоту приемистости от 250 до 1200 Гц.

Развитие дискретного электропривода привело к созданию специальных видов ШД – линейных, волновых, с малоинерционным и катящимся роторами.

На базе цилиндрических линейных ШД созданы двухкоординатные линейно-поворотные ШД, суммирующие на своем валу два независимых движения – вращательное и поступательное. Линейно-поворотные ШД типов ДШЛ-8 и ДШЛ-9 обеспечивают шаг поворота в 1° и шаг поступательного перемещения от 0,011 до 1,2510^-3 м,полные перемещения до 5010^-3м, моменты до 0,16 Нм и усилия до 36 Н.

Важным достижением в области дискретного электропривода является создание так называемых многокоординатных ШД, осуществляющих перемещение исполнительных органов по всем трем координатам пространства. Двигатели такого рода, отличаясь высокой точностью и скоростью позиционирования, используются в приводах манипуляторов, роботов и автоматических линиях станков. Современный дискретный электропривод способен (в пределах небольших мощностей) обеспечить разнообразные виды движения исполнительных органов рабочих машин и механизмов.

б)Схемыуправлениядискретнымэлектроприводом

Управление движением ШД осуществляется подачей на обмотки возбуждения статора определенной последовательности импульсов напряжения. Средняя скорость ШД определяется выражением

(6.5)

где – шаг двигателя, рад;f_к– частота коммутации обмоток, 1/с.

Управление ШД обеспечивается силовым электронным коммутатором, частота выходного напряжения которого (частота коммутации фаз ШД), задаваемая частотой входного управляющего сигнала, меняется в широких пределах. По существу своей работы такой коммутатор является ПЧ, а сам дискретный электропривод представляет собой систему с частотным управлением СД.

Современные схемы управления ШД состоят из нескольких функциональных блоков, выполняемых по различным схемам и с использованием разнообразных элементов и устройств, главным образом полупроводниковых. Стремление расширить области применения дискретного привода, повысить качество и точность его движения, надежность, удобство и простоту в наладке и эксплуатации отразилось в унификации схем управления ШД.

Функциональная схема дискретного привода показана на рис. 6.5. Основная ее часть, обычно называемая разомкнутой схемой дискретного электропривода, на рисунке выделена штриховой линией, содержит формирователь импульсов ФИ, распределитель импульсов РИ, промежуточный усилительПУ, коммутатор K(ПЧ) и блок питания элементов приводаБП. Рассмотрим кратко назначение элементов и принцип действия этой схемы применительно к четырехфазному ШД, который в настоящее время получил наибольшее распространение среди других типовШД.

Сигнал управления f_ув виде импульсов напряжения поступает на входФИот программного или другого внешнего командного устройства. БлокФИвидоизменяет входные импульсы, формируя их по длительности и амплитуде, как необходимо для нормальной работы последующего блока схемы управленияРИ. Распределитель импульсовРИпреобразует последовательность сформированныхФИимпульсов в четырехфазную систему однополярных импульсов напряжения, соответствующую числу фаз (обмоток) двигателя.

Импульсы с выхода РИусиливаются с помощью промежуточного усилителяПУи поступают на коммутатор, питающий обмотки ШД. В коммутатореKони обеспечивают управление силовыми элементами усилителя (транзисторами), работающими в режиме ключа (для ШД небольшой мощности), или тиристорами (для силовых ШД). ОбычноKпитается от источника постоянного тока (выпрямителей) и обеспечивает в обмотках ШД пульсирующий ток одного направления.

Рассмотрим схему (рис. 6.6) тиристорного коммутатора K, управляющего обмотками управления ШДОУ1–ОУ4. Основная часть схемы образована тиристорамиVS1–VS4, обеспечивающими парную коммутацию обмоток ШД, при которой в каждый момент времени включены две фазы (обмотки) из четырех. ТиристорыVS1иVS3,VS2 иVS4образуют схемы двух триггеров, в которых переключение тиристоров производится с помощью колебательных контуровL_к–С_ки диодовVD1иVD2. Принцип действия схемы поясним на примере работы триггера на тиристорахVS1–VS3.

Допустим, что в исходном положении тиристор VS1открыт и по обмоткеОУ1проходит ток, а тиристорVS3закрыт. КонденсаторС_кпри этом заряжается с «+» на правой обкладке, как это показано на рисунке сплошными линиями. Если подать импульс управления наVS3, он откроется и по обмоткеОУ3начнет проходить ток. Одновременно по цепиVS3–VD3–VD1начнется быстрый перезаряд конденсатораС_к, в процессе которого потенциал катодаVS1становится более положительным, чем потенциал его анода, ток через него будет уменьшаться и тиристорVS1закроется. К концу перезаряда конденсатора плюсовой станет его левая обкладка (пунктир на рисунке) и триггер готов к новому переключению, которое произойдет при снятии импульса управления сVS3и его подаче вновь наVS1. Таким образом, тиристоры в схеме триггера работают попеременно.

Аналогично работает триггер на тиристорах VS2иVS4. Для обеспечения вращения ШД одного направления тиристоры переключают в последовательностиVS1иVS2VS2иVS3VS3иVS4VS4и VSI-VS1иVS2, а для противоположного направления вращения – в последовательностиVS1иVS2VS1иVS4VS4иVS3VS3иVS2VS2иVS1и т. д.

Для снятия перенапряжений с обмоток ШД в период их коммутации параллельно этим обмоткам включены цепочки из последовательно включенных резистораRи диодаVD3.

Рассмотренная разомкнутая схема управления ШД не всегда обеспечивает высокие динамические свойства, точность и энергетические показатели дискретного привода. Поэтому современные схемы управления ШД содержат дополнительные блоки и устройства, с помощью которых характеристики электропривода улучшаются. К таким блокам (см. рис. 6.5) относятся частотно импульсный регулятор напряжения ЧИРН, усилитель обратной связи по токуУОС, блок электронного дробления шагаБЭДШ, блок плавного разгона и торможенияБПРТ(задатчик интенсивности), датчик положения и скоростиДПи цифровой регуляторЦР.

Блок ЧИРНсовместно с УОС служит для автоматической стабилизации тока в обмотках ШД и поддержания момента ШД, что существенно улучшает энергетические показатели его работы. Стабилизация тока осуществляется введением отрицательной обратной связи по току, сигнал которой снимается с резистораR_о,с(см рис. 6.6), включенного в общую шину питания обмоток ШД. Разность сигналовU_о,си задающегоU_з, образует сигнал управления, который поступает на входУОС. С помощью этого сигнала за счет изменения частоты переключенияЧИРН(частотно-импульсная модуляция) изменяется среднее значение напряжения питания и тем самым регулируется ток в обмотках ШД.

Для улучшения качества движения ШД при низких частотах и повышения точности отработки входных импульсов управления с помощью БЭДШуменьшается единичный шаг ШД.

Расширение динамических свойств дискретного электропривода, в частности увеличение диапазона рабочих частот входного сигнала, значительно превышающих частоту приемистости ШД, может быть достигнуто введением в схему блока БПРТ, обеспечивающего разгон и торможение ШД с заданным темпом, при котором еще не происходит пропуска управляющих импульсов. При использованииБПРТобласть рабочих частот шагового электропривода может быть расширена в 2–3 раза.

Возможности дискретного электропривода расширяются при создании замкнутых структур схем управления, выполняемых с помощью показанных блоков ДПиЦР(см. рис. 6.5). В таком дискретном приводе информация о действительном положении вала и скорости ШД поступает на вход цифрового регулятораЦР, который обеспечивает заданные движения привода.

Область применения дискретного привода очень широкая. Его используют в механизмах подачи станков, газорезательных и сварочных автоматах, приборах времени, нажимных устройствах прокатных станов, лентопротяжных и регистрирующих устройствах, а также для роботов и манипуляторов, в медицинской технике, для производства элементов микроэлектроники и т. д.