8.5. Шаговые сервоприводы

Шаговый сервопривод был разработан для автоматических систем программного управления, в которых программа перемещений записывается в виде импульсов, дискретных во времени. При этом число импульсов соответствует требуемому числу единичных перемещений, а частота их следования — скорости перемещения.

Для шагового электропривода каждый такой импульс — это управляющий сигнал; он отрабатывает его, поворачивая ротор на определенный (единичный) угол (шаг). Значение единичного угла поворота определяется только конструкцией двигателя и не зависит ни от амплитуды управляющего сигнала, ни от его продолжительности.

На рис. 8.12 показана конструкция шагового двигателя, цилиндрический вытянутый статор 1 которого имеет четное число полюсов 2, равномерно расположенных по окружности. По длине статора полюсы разделены на три секции — А, Б, В, имеющие независимое друг от друга питание обмоток. Каждая смежная пара полюсов в одной секции имеет разную полярность. В роторе двигателя столько же секций и полюсов, сколько их в статоре, но полюса его секций сдвинуты на одну треть шага относительно соседней секции. Например, когда полюса секции А ротора расположены напротив полюсов статора, то полюса секции Б сдвинуты относительно них на 1/3 шага по часовой стрелке, а полюса секции В — на 2/3 шага в ту же сторону или, что то же самое, на 1/3 шага против часовой стрелки (рис. 8.13).

Если при таком положении ротора подать питание к полюсам статора секции А, то ротор останется на месте, так как его положение соответствует минимальному магнитному сопротивлению магнитопровода.

Рис. 8.12. Конструкция шагового двигателя:

1 — статор; 2 — полюс статора; 3 —

вал двигателя; 4 — полюс ротора;

А, Б, В — секции статора

I I I

Секция А Секция Б Секция В

Рис. 8.13. Схемы расположения полюсов ротора и статора в секциях Д Б, В

шагового двигателя

Если подать питание на обмотки полюсов статора секции Б, то ротор повернется против часовой стрелки на 1/3 межполюсного угла и остановится в таком положении. Когда полюсы секции Б ротора будут под полюсами статора, сопротивление магнитопровода будет минимальным. Выполненный ротором поворот на 1/3 межполюсного угла — это один шаг двигателя.

Если после подачи управляющего импульса в секцию Б статора следующий импульс подать в секцию В статора, то ротор сделает еще один шаг против часовой стрелки; если же после секции Б возбудить секцию А, то шаг ротором будет сделан в противоположном направлении.

Таким образом, подача импульсов в секции статора в порядке А, Б, В соответствует шагам ротора против часовой стрелки, а в порядке А, В, Б — шагам ротора в противоположном направлении (рис. 8.14).

Импульсы питания обмоток статора формируются специальными кольцевыми схемами с использованием реле, тиратронов или полупроводниковых элементов. Скорость шаговых двигателей может достигать 10⁴ шагов в секунду при плавном ее повышении и обычно порядка 10² шагов в секунду при реверсировании (или так называемой приемистости).

Динамические свойства лучше у шаговых двигателей малых мощностей, поэтому в быстродействующих системах программного управления их используют в качестве первичного сервоприводного устройства, преобразующего импульсный ход в перемещение, а затем включают усилитель перемещения (обычно гидравлический), выполняющий перемещение нагрузки.