Электропривод с шаговым двигателем

Шаговыми называют специальные синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота вала (или в фиксированное перемещение) без датчика обратной связи. В соответствии с назначением они получили широкое применение в станках с программированным управлением. Это двигатели небольшой мощности (до 1кВт).

По конструктивным признакам шаговые двигатели делятся на 4 основные группы:

1) активного типа (с явно выраженными полюсами из постоянных магнитов) рисунок 6.24, а;

2) реактивные (без постоянных магнитов, с зубчатым ротором и зубцами на … полюсе статора), рисунок 6.24, б;

3) индукторные (с подмагничиванием ротора);

4) линейные (перемещающиеся линейно).

Поворот ротора оценивается шагом, т.е. углом поворота при воздействии сигнала управления:

(6.28)

где – число тактов схемы управления;

– число зубцов ротора.

Активные шаговые двигатели имеют шаг в десятки градусов, реактивные с зубцами на полюсах статора – в долях градуса.

Шаговые двигатели характеризуются тремя характеристиками:

1) угловой (подобно синхронным двигателям). Она показывает синусоидальную зависимость статического синхронизирующего момента М_с от угла поворота ротора при фиксированном положении потока статора;

2) предельной механической. Она показывает, что зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов имеет вид обратнозависимой характеристики;

3) приемистости. Эта характеристика показывает, что частота управляющих импульсов, обрабатываемая шаговым двигателем, с ростом момента статического трения уменьшается.

Шаговые двигатели управляются с помощью специальной схемы, которая содержит распределитель импульсов, на выходе которого находятся усилители по числу фаз (обычно 3 или 4) обмотки статора. В качестве примера рассмотрим управление шаговым двигателем с тремя фазами на статоре (рисунок 6.25).

Рисунок 6.24. Конструкция шагового двигателя активного типа (а) и реактивного типа (б).

Рисунок 6.25. Упрощенная электрическая схема системы управления шаговым двигателем (а) и временные диаграммы напряжений (б): РИ – распределитель импульсов; У1 – У3 – усилители.

На вход распределителя импульсов РИ поступает требуемая последовательность импульсов U_вх. При спаде первого импульса происходит открытие первого усилителя, который посылает ток в обмотку «а». Этот ток проходит через обмотку «а» до окончания второго импульса. Одновременно включается второй усилитель U₂, который посылает ток в обмотку «в». Этот ток продолжается до окончания 3 – го импульса. Одновременно открывается третий усилитель U₃ и пропускает ток в обмотку «с» и т.д. Каждый импульс вызывает шаговый поворот ротора. Посылая определенное число импульсов, можно повернуть ротор на определенный угол. В этом состоит назначение шагового двигателя.

Однако он может вращаться с определенной скоростью при непрерывно подаваемом сигнале управления U_вх. Изменяя частоту этого сигнала можно изменять скорость вращения. Поскольку шаговый двигатель есть по сути синхронный двигатель, то при стабильной частоте импульсов входных он вращается стабильно, независимо от нагрузки на валу (в разумных пределах). Поэтому шаговые двигатели получили широкое применение также в бытовой технике. Например, в магнитофонах для привода притягивающих механизмов и в других подобных случаях где требуется постоянство скорости вращения.

Электропривод с шаговым двигателем – это идеальный позиционный электропривод, перемещение которого строго пропорциональна числу импульсов управления.

6.10. Система электропривода «Источник тока – ДПТ»

Ранее рассмотренные электроприводы получили питания от источника напряжения, который характеризуется постоянством ЭДС (рисунок 6.26, а).

Известны источники тока, которые характеризуются постоянством тока (рисунок 6.26, б).

Рисунок 6.26. Источник ЭДС (а) и источник тока (б) и их характеристики U=f(I) в идеальном случае (1) и реальная (2).

Профессор МЭИ Н.Ф.Ильинский разработал электропривод ДПТ с источником тока, получил оригинальные механические характеристики и показал новые возможности электропривода.

Использовался индуктивно – емкостной источник тока. В каждой фазе (сеть 50Гц) включалось резонансная схема с индуктивным и емкостным сопротивлением X_C=X_L. Эти резонансные цепочки включались треугольником (рисунок 6.27). Среднее токи этих цепочек выводились … и включались на трехфазный двухполупериодный выпрямитель, а выход его – на якорь ДПТ.

Покажем, что ток I₂, текущий от преобразователя к выпрямителю, а следовательно, и ток якоря, постоянный, не зависит от нагрузки на валу двигателя и частоты вращения.

Магнитное напряжение равно:

(6.29)

Ток в узле 1: (6.30)

Отсюда: (6.31)

(6.32)

Но

Тогда (6.33)

Уравнение (6.26) показывает, что I₂=const, если U_1л=const.

Рисунок 6.27. Принципиальная электрическая схема электропривода по системе «Источник тока – ДПТ» (а) и его механические характеристики без обратных связей (б) и с отрицательной обратной связью по скорости с отсечкой (в).

Поскольку момент ДПТ определяется выражением М=k·I_яФ, то при постоянстве коэффициентов k и тока I_я момент зависит только от потока Ф. Поток зависит от I_в. Ток I_в изменяют реостатам в цепи обмотки возбуждения.

Жесткость механических характеристик такого привода нулевая. Электродвигатель с такими характеристиками может работать с рабочими машинами, механические характеристики которых возрастают и пересекаются с ними, но не может работать с рабочими машинами, для которых М_с=const или с обратно – зависящими от момента характеристиками. Такими являются транспортеры шнековые и другие подъемные механизмы.

Наилучшим образом такая характеристика подходит для торможения противовключением в натяжных механизмах намотки провода или подобных устройств.

Применяя обратную связь по скорости с отсечкой, можно регулировать пусковой момент (током возбуждения), а также частоту вращения, изменяя заданную скорость (ω ₂₁, ω ₃₂ и т.д.). Такой привод становится полноценным регулируемым электроприводом и может работать со всеми рабочими машинами.

Электропривод по системе источник тока – ДПТ имеет следующие достоинства:

1) может обеспечить диапазон регулирования 50: 1 и более;

2) имеет высокую стабильность, обеспечивает плавное регулирование скорости и момента;

3) имеет простой преобразователь и простое управление, обеспечивающие высокий КПД и cosφ;

4) не оказывает вредного влияния (помех) на электрическую сеть.

Недостатки:

1) невысокое быстродействие;

2) не обеспечивает … торможения.