Принцип работы шагового двигателя

Конструкция простейшего трехфазного ШД и временные диаграммы токов обмоток возбуждения представлены на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Симметричная коммутация трехфазного ШД

Рассмотрим работу трехфазного шагового двигателя с реактивным ротором. По­очередно на три фазовые обмотки двигателя 1-3 подаются последовательно импульсы тока I _yl - I _у3 (такая коммутация называется симметричной). В соответствии с формулой:

,

где p – число пар полюсов (у двигателя с реактивным ротором р=Z p);

Z p – число зубцов ротора;

m – число фаз или так называемых тактов управления в одном цикле.

Можно определить шаг такого ШД:

.

Погрешность отработки одного шага определяется конструкцией и не может быть больше величины, характерной для данного шагового двигателя. Точность отработки большой серии импульсов не за­висит от числа импульсов и находится в пре­делах точности отработки еди­ничного угла поворота. Это позволяет создавать системы автоматического регулирова­ния дискретного типа без обратных связей, что уменьшает количество элементов и обеспечивает надежность, удешев­ляет систему. Функциональная схема электропривода (ЭП) с шаговым двигателем показана на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Функциональная схема ЭП с шаговым двигателем

При изменении последовательности подачи импульсов на обмотки возбуждения можно реверсировать вал двигателя, т.е. заставить вращаться его в обратном направлении. Если выполнить ротор такого ШД активным, то при обесточенных фазных обмотках ротор будет фиксироваться силами магнитного притяжения в положении последнего шага, т.е. в таких двигателях реализуется так называемая нулевая защита – обеспечивается наличие тормозного момента (5÷10% от максимального момента двигателя) при обесточенных обмотках. Коммутацию обмоток при симметричном управлении можно выполнить и парной, тогда одновременно оказываются включенными по две обмотки возбуждения.

Для двукратного уменьшения шага двигателя, можно реализовать несимметричную коммутацию обмоток возбуждения – с поочередным включением одной из двух обмоток возбуждения (1-2) в соответствии с временной диаграммой, представленной на рис. 7.4. Несимметричную коммутацию можно организовать и другим сочетанием коммутируемых обмоток, например, включением поочередно 2 и 3 обмоток (несимметричная коммутация 2-3).

Рис. 7.4. Несимметричная (1-2) коммутация трехфазного ШД

Системы автоматического управления с шаговыми двигателями можно разделить на две группы:

· Системы, в которых двигатель выполняет функцию преобразования унитарного кода в фазомодулированный сигнал или другой вид информации. К этим системам относятся устройства, в которых двигатель вращает задающий сельсин, поворотный или дифференциальный трансформатор; применение шаговых двигателей в качестве фильтра высших гармоник и др.

· Системы, в которых двигатель использован для привода исполнительного механизма непосредственно или через усилитель момента. К этим системам относятся приводы подач станков, стартстопных лентопротяжных механизмов, индексирующие устройства счетчиков, управление затворами и задвижками, синхронизация вращения валов с регулируемым по программе передаточным отношением и т. д.

Необходимо отметить, что когда количество коммутируемых обмоток больше одной, увеличивается магнитодвижущая сила (МДС) полюсов и примерно в полтора раза возрастает вращающий момент на валу ШД. В двигателях, реализованных по аналогичному принципу, с помощью увеличения числа обмоток и полюсов ротора можно уменьшить единичный шаг отработки до 15°. Дальнейшее уменьшение шага сопряжено со значительными технологическими трудностями по размещению в ограниченном объеме большого количества обмоток. Поэтому двигатели с шагом от единиц до долей градуса выполняются как редукторные, т.е. с зубчатыми полюсами и ротором из ферромагнитного материала.

Такие двигатели называются параметрическими и они широко используются в настоящее время. На рис. 7.5 представлена электромагнитная система четырехфазного параметрического ШД. Как видно, из-за сдвига смежных полюсов относительно зубцов ротора на 1/4 зубцового деления ротор будет перемещаться с единичным шагом 3° (равным 1/4 зубцового деления ротора) при симметричной коммутации 1-2-3-4. Единичный шаг можно уменьшить вдвое использованием несимметричной коммутации (1-2), последовательно подключая обмотки возбуждения 1; 1-2; 2; 2-3; 3; 3-4; 4; 4-1 и т.д.

Такая последовательность коммутации обмоток называется восьмитактной и ей соответствует единичный шаг 1.5°. Существует большое количество ШД, единичный шаг которых больше 40°. Такие большие шаги, однако, часто не смущают проектировщиков, т.к. не являются препятствием для применения двигателей в случае последующей редукции скорости вращения различными типами редукторов.

Преимущества привода с шаговым двигателем по сравнению со следящей системой, выполняющей те же функции:

· Повышение надежности устройства, обусловленное уменьшением количества элементов системы, так как отсутствуют датчики обратной связи, усилитель датчика, электронные узлы индикатирования рассогласования (реверсивный счетчик), тахогенератор.

· Удешевление устройства, обусловленное уменьшением количе­ства элементов.

Рис. 7.5. Четырехфазный параметрический редуктор IL

с реактивным ротором

· Упрощение синтеза систем автоматического управления, характе­ризующееся уменьшением количества связей между узлами.

· Увеличение точности дискретного перемещения, обусловлен­ное фиксацией ротора ШД при остановке двигателя.