18.9 Электропривод с шаговым двигателем

Исполнительные механизмы некоторых технических машин и устройств должны совершать строго дозированные перемещения с фиксацией своего положения в конце движения. В электроприводе (ЭП) таких машин и механизмов успешно применяются шаговые двигатели (ШД) различных типов, образующие основу дискретного ЭП.

Широкое распространение дискретного ЭП объясняется естественным сочетанием этого привода с цифровой вычислительной техникой. Например, дискретный электропривод используется в металлообрабатывающих станках с числовым программным управлением (ЧПУ), роботах и манипуляторах, в гибком автоматизированном производстве, в электронной и часовой промышленности и т. п.

ЭП с ШД в настоящее время используются на мощности от долей ватта до нескольких киловатт. Расширение шкалы мощности дискретного ЭП можно достигнуть, используя серийные АД, которые за счёт соответствующего управления могут работать в шаговом режиме.

Шаговый двигатель по принципу своего действия аналогичен синхронному, но в отличие от последнего магнитное поле ШД вращается не непрерывно, а дискретно, шагами. Это достигается за счёт импульсного возбуждения обмоток ШД с помощью электронного коммутатора, который преобразует одноканальную последовательность управляющих импульсов в многофазную систему напряжений, прикладываемых к его обмоткам (фазам).

Дискретному характеру появления напряжения в фазах ШД соответствует дискретное вращение (перемещение) электромагнитного поля статора, вследствие чего движение ротора состоит из последовательных элементарных поворотов (шагов).

18.9.1 Принцип действия и основные свойства шагового двигателя

Принцип получения дискретного перемещения ротора рассмотрим на примере простейшей схемы двухфазного ШД (рисунок 18.20,а). ШД имеет на статоре две пары явно выраженных полюсов, на которых находятся обмотки возбуждения (управления): обмотка 4 с выводами 1Н – 1К и обмотка 3 с выводами 2Н – 2К. Каждая из обмоток состоит из двух частей, находящихся на противоположных полюсах статора 2. Ротором в рассматриваемой схеме является двухполюсный постоянный магнит 5.

Электрическое питание обмоток статора осуществляется импульсами напряжения поступающими от устройства управления, которое преобразует одноканальную последовательность входных импульсов управления с частотой f_у в многоканальную по числу фаз ШД с частотой коммутации обмоток f_к. Предположим, что в начальный момент времени напряжение подаётся на обмотку 4. Ток в этой обмотке вызывает появление магнитного поля статора 2 с вертикально расположенными полюсами N – S. В результате взаимодействия этого поля с постоянным магнитом (ротором) он занимает равновесное положение, в котором оси магнитных полей статора и ротора совпадают. Положение будет устойчивым, поскольку при отклонении от него на ротор будет действовать синхронизирующий момент, стремящийся вернуть его в положение равновесия:

где угол между осями магнитных полей статора и ротора; M_max – максимальное значение момента.

Если напряжение снимается с обмотки 4 и подаётся на обмотку 3, то в этом случае образуется магнитное поле статора с горизонтальными полюсами (рисунок 18.20,б), т.е. магнитное поле совершит поворот на 90 ⁰. Между магнитными осями статора и ротора возникает угол ά = 90 ⁰ и ротор под действием максимального момента вращения повернётся на четверть окружности статора и займёт новое устойчивое положение. Таким образом, вслед за магнитным полем статора ротор совершит такое же шаговое перемещение.

Предположим, что отключили напряжение в обмотке 3 и вновь подали питание в обмотку 4, но с противоположной полярностью по отношению к полярности на рисунок

18.20,а. Магнитное поле статора вновь будет иметь вертикально расположенные полюсы, но другой полярности. И снова ротор повернётся на 90 ⁰. Если затем ту же процедуру повторить для обмотки 3, то ротор завершит полный оборот вдоль оси.

Кроме рассмотренного метода симметричной коммутации обмоток ШД, обеспечивающего шаговое перемещение ротора на 90 ⁰, есть способ коммутации, который позволяет при той же конструкции двигателя уменьшить шаг ротора вдвое.

Допустим, что исходное положение ШД соответствует схеме, показанной на рисунке 18.20,а. Подключим обмотку 3 к напряжению с полярностью, соответствующей положению магнитного поля на рисунке 18.20,б, не отключая обмотку 4. При этом образуется вторая горизонтальная система полюсов и действующее магнитное поле будет складываться из суммы магнитных полей горизонтальных и вертикальных полюсов. Ось результирующего поля расположится между полюсами с одинаковой полярностью, как это показано на рисунке 18.20,г; т.е. ось магнитного поля совершит поворот на 45 ⁰. Ротор при таком порядке возбуждения обмоток ШД тоже повернётся на 45 ⁰.

Если теперь снять напряжение с обмотки 4, то положение магнитного поля будет соответствовать рисунке 18.20,б. Следующее перемещение ротора на 45 ⁰ произойдёт при возбуждении обмотки 4 без отключения обмотки 3 и т.д. Схема коммутации, при которой поочерёдно подключаются одна или две обмотки, называется несимметричной. Угловое перемещение ШД в общем случае определяется выражением

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

Рисунок 18.20 - Простейшая схема, иллюстрирующая принцип действия

двухфазного магнитоэлектрического шагового двигателя

Шаговое перемещение ротора соответствует последовательности управляющих импульсов. При этом каждому импульсу соответствует одно переключение обмотки ШД (один такт коммутации) и один шаг ротора. Суммарный угол поворота ШД пропорционален числу импульсов, а его скорость – частоте коммутации обмоток f_к :

Для реверса ШД при симметричной схеме коммутации, необходимо изменить полярность напряжения обмотки, которая была отключена на данном такте коммутации. Тогда ротор ШД совершит шаг в противоположном направлении.

Основным режимом работы шагового привода является динамический режим. В отличие от синхронного двигателя ШД рассчитывается на вхождение в синхронизм из состояния покоя и принудительное электрическое торможение. Пуск ШД осуществляется скачкообразным или постепенным увеличением частоты управляющего напряжения статора от нуля до рабочей частоты; торможение – снижением частоты до нуля; а реверс – изменением последовательности коммутации обмоток ШД.

Вследствие электромагнитной инерции обмоток двигателя, механической инерции его ротора и наличия момента нагрузки на валу при резких изменениях частоты следования импульсов управления ротор ШД может не успеть отработать полностью все импульсы. По этой причине обеспечение требуемого характера переходных процессов в электроприводе с ШД является основной и наиболее сложной задачей. Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск ШД из неподвижного состояния без «выпадения» из синхронизма (пропуска шагов), называется частотой приёмистости.

Современные шаговые двигатели различны по конструктивному исполнению. В зависимости от числа фаз и устройства магнитной системы они классифицируются как однофазные, двухфазные и многофазные с активным или пассивным ротором.

Активный ротор у ШД выполняется из постоянных магнитов или снабжается обмоткой возбуждения, как у обычных СД. Благодаря экономичности и надёжности в работе, технологичности в изготовлении, небольшим габаритным размерам и массе широкое распространение получили ШД с ротором из постоянных магнитов, называемые магнитоэлектрическими. Обычно ШД с активным ротором из-за сложности его изготовления с малыми полюсными делениями имеют шаг ль 15⁰ до 90⁰. Для уменьшения шага в таких ШД увеличивают число фаз и тактов коммутации, а также используют двух статорную или двух роторную конструкции двигателя.

Скорости ШД с активным ротором составляют от 208 до 314 рад/с; частоты приёмистости от 70 до 500 Гц, номинальные вращающие моменты от 10·10^-6 до 10·10^-3 Н·м. Выпускаются несколько серий шаговых магнитоэлектрических двигателей: четырёхфазные ШДА, двух- и четырёхфазные ШД и ДШ-А; четырёхфазные ШДА-3 и др.

При необходимости получения небольших единичных перемещений используются двигатели с пассивным ротором (реактивные и индукторные). Принцип действия этих ШД заключается во взаимодействии магнитного поля статора и ферромагнитного ротора. Статор и ротор реактивного ШД двигателя имеют явно выраженные полюсы, которые называются «зубцами». На зубцах статора размещаются обмотки возбуждения, питаемые от электронного коммутатора. Ротор не имеет обмоток возбуждения и поэтому называется пассивным.

Особенностью реактивного ШД является неравенство числа зубцов статора z_с и ротора z_р , причём z_р > z_с . Для такой конструкции ротора при каждом переключении его обмоток совершается поворот (шаг), равный разности полюсных делений статора и ротора:

где угловая ширина полюсов статора и ротора.

Уменьшая разность , можно уменьшить шаг ротора. В практике эту разность выбирают чётной, что улучшает использование ШД. Для большего дробления шага полюсы статора выполняют с несколькими зубцами.

Реактивные ШД при своей простоте и технологичности имеют существенный недостаток: незначительная мощность и синхронизирующий момент, - что ограничивает их применение. Указанный недостаток отсутствует у индукторных ШД, где для увеличения синхронизирующего момента ротор намагничивается со стороны статора с помощью постоянных магнитов или дополнительной обмотки возбуждения.

Выпускается несколько серий ШД с пассивным ротором (Ш, ШДР, ШД, РШД), имеющих шаг от 1,5 до 9,0⁰, вращающий момент от 2,5·10^-6 до 10·10^-3 Н·м и частоту приёмистости 250 ÷1200 Гц.

Развитие дискретного электропривода привело к созданию специальных видов ШД: линейных, волновых, с малоинерционным и катящимся ротором. На базе цилиндрических линейных ШД разработаны двух координатные линейно-поворотные ШД, суммирующие на своём валу два независимых движения (вращательное и поступательное). Дальнейшее развитие дискретного электропривода привело к созданию многокоординатных ШД, которые осуществляют перемещение регулирующих органов по трём пространственным координатам. Двигатели такого типа отличаются высокой точностью позиционирования, скоростью перемещения и используются в приводах манипуляторов, робототехнических устройств и автоматических линий.