4.2.5. Шаговые двигатели

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

В СУИМ применяются реверсивные ШД. Для осуществления реверса зубцы статора и ротора шагового двигателя должны быть симметричными (без клювообразных выступов, свойственных нереверсивным ШД).

Рассмотрим работу двухфазного двухполюсного шагового двигателя с активным ротором в виде постоянного магнита. Будем считать, что намагничивающие силы фаз (НС) распределены по синусоидальному закону. При включении фазы под постоянное напряжение (условно положительной полярности) вектор НС статора совпадет с осью фазы А. В результате взаимодействия намагничивающей силы (НС) статора с полем постоянного магнита ротора возникнет синхронизирующий момент М_с = M_maxsinq, где q - угол между осью ротора и вектором НС.

Рисунок 4.13. Реверсивный шаговый двигатель (1-4 такты работы)

При отсутствии тормозного момента ротор займет положение, при котором его ось совпадет с осью фазы А (см. рис. 4.13, первый такт). Если теперь отключить фазу А и включить фазу В, вектор НС и ротор повернутся на 90° (второй такт на рис. 2). При включении фазы А на напряжение обратной полярности (третий такт на рис. 4.13) НС и ротор повернутся еще на 90° и т.д. Если к ротору ШД приложен момент нагрузки, то при переключении фаз ротор будет отставать от вектора НС на некоторый угол q_н = arcsin(M_н/M_max).

В зависимости от типа электронного коммутатора управление шаговым двигателем может быть однополярным или разнополярным, симметричным или несимметричным, потенциальным или импульсным [11,12].

Характер движения ротора шагового двигателя определяется частотой и характером изменения управляющих импульсов. Реверс шагового двигателя производится путем изменения последовательности коммутации токов в обмотках, приводящего к изменению направления вращения магнитного поля на обратное направление.

Применительно к СУИМ ШД может в большинстве случаев рассматриваться как безынерционное или апериодическое звено, аналогичное (4.23) с постоянной времени, не превышающей нескольких миллисекунд.

4.3. Силовые преобразователи энергии

Силовые преобразователи энергии (СПЭ) служат для преобразования электрической энергии промышленной питающей сети стандартного переменного напряжения (220, 380, 660, 3000, 6000, 10000 В) и стандартной частоты 50–60 Гц в электрическую энергию с параметрами, отличающимися от стандартных параметров. Преобразованная энергия отличается видом напряжения, уровнем, частотой и др. параметрами. В результате СПЭ выполняет функции своеобразного силового адаптера, обеспечивающего, в общем случае, возможность регулирования этих величин для управления ЭИМ.

Применительно к ПИМ и ГИМ эти же СПЭ в сочетании с ЭИМ обеспечивают необходимое давление и расход сжатого газа (жидкости) с помощью компрессоров и насосов.

В СУИМ применяют следующие силовые преобразователи энергии для питания приводов ИМ:

– электромагнитные усилители (в настоящее время не выпускаются вследствие низких энергетических и регулировочных показателей);

– электромашинные усилители-преобразователи (электромашинные усилители, электромашинные генераторы и др.) – для питания ЭИМ передвижных, подъемно-транспортных установок, мощных ЭИМ в бумагоделательной, металлургической промышленности и т.п.;

– полупроводниковые (тиристорные, транзисторные, симисторные) – для питания ЭИМ самого широкого назначения;

– электрические, пневматические, гидравлические СПЭ и их сочетания – для питания ЭПИМ, ПИМ, ГИМ.