ГЛАВА VI. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА С ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Шаговые электродвигатели (ШД) с электронной схемой управления, называемые дискретным приводом [2], появились в 50-х годах. До этого шаговые электродвигатели применялись в исполнительных устройствах дистанционных передач с механическим (коллекторным) коммутатором [7].

Развитие электроники и полупроводниковой техники позволило создать малогабаритные и надежные схемы электронных коммутаторов для управления скоростью ШД. Это предопределило применение ШД в автоматическом приводе и системах управления.

1. ПРИНЦИП РАБОТЫ И ТИПЫ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Электрические шаговые двигатели подразделяются на две группы:

с кинематической связью между ротором и статором (храповые устройства);

с электромагнитной связью между ротором и статором (синхронные электродвигатели).

В настоящей работе рассматриваются исполнительные устройства с синхронными шаговыми электродвигателями. Машины с кинематической связью между ротором и статором имеют существенно меньшие быстродействие и срок службы. Шаговый электродвигатель совместно с коммутатором для управления следует отнести к системам частотного регулирования синхронного электродвигателя с возможностью изменения частоты до нуля.

Аналогом шагового электродвигателя является также обращенная машина постоянного тока с независимым вращением щеток коллектора. При этом в приводе с шаговым электродвигателем электронный коммутатор выполняет функцию коллектора с вращающимися щетками.

Шаговые (синхронные) электродвигатели могут обеспечить устойчивое регулирование скорости от нуля до максимальной. Шаговый электродвигатель отличается от обычного синхронного в основном формой тока в фазовых (управляющих) обмотках.

Конструктивно электродвигатель для получения высоких динамических показателей должен быть выполнен с малым значением момента инерции ротора и электромагнитных постоянных времени управляющих

(фазных) обмоток. В большинстве случаев электродвигатель выполняется с большим числом полюсов как при реактивном, так и при активном исполнении ротора. Современные быстродействующие ШД являются модифицированными синхронными электрическими машинами, обмотки которых возбуждаются несинусоидальными сигналами, — прямоугольными или ступенчатыми импульсами напряжения с изменяющейся в широких пределах частотой. Ступенчатому характеру напряжений в фазах ШД соответствует дискретное вращение электромагнитного поля в воздушном зазоре электродвигателя. Вследствие этого движение ротора слагается из последовательности элементарных угловых (или линейных) перемещений, совершаемых по апериодическому или колебательному закону.

Шаговые электродвигатели с электронным коммутатором осуществляют преобразование унитарного кода в угол поворота вала. Каждому импульсу управления соответствует поворот вала на фикстрованный угол — шаг электродвигателя, величина которого строго определена конструкцией ШД и способом переключения его обмоток. Скорость вращения и суммарный угол поворота вала пропорциональны соответственно частоте и числу импульсов управления.

В отличие от синхронных электродвигателей ШД рассчитаны на вхождение в синхронизм из состояния покоя без скольжения и торможение без выбега ротора. Благодаря этому они обеспечивают в рабочем диапазоне частот пуск, остановку и реверс без потери информации, т. е. без пропуска шагов. Наиболее легким для дискретного привода является режим плавного изменения частоты. В этом случае область частот, в которой привод устойчив, значительно расширяется. При изменении последовательности управляющих импульсов по произвольному закону ШД работает в режиме слежения, воспроизводя с точностью до одного шага сложное движение, заданное последовательностью импульсов.

При отсутствии сигнала на входе электронного коммутатора (частота командных импульсов равна нулю) ШД развивает фиксирующий момент, «запоминая» конечные координаты углового перемещения с точностью до долей шага. Таким образом, дискретный привод с ШД является синхронным следящим приводом, сочетающим в себе возможности глубокого частотного регулирования скорости вращения (до нуля) и числового задания перемещения.

На выходе ШД может устанавливаться усилитель момента, обычно представляющий собой автономную следящую систему [7]. В этом случае ШД выполняет функцию преобразования импульсного сигнала в угловое или линейное перемещение задающего элемента этой следящей системы (поворотного трансформатора, сельсина, золотника гидроусилителя и т. д.).

Привод с шаговыми электродвигателями можно подразделить на две группы:

привод с силовым ШД; динамические и статические характеристики системы в целом определяются ШД [11];

привод с шаговым серводвигателем, воздействующим на следящую систему (усилитель момента); динамические характеристики привода

определяются параметрами следящей системы, обладающей меньшим быстродействием, чем шаговый двигатель.

В промышленности нашли применение обе группы исполнительных устройств:

в электроприводе с дискретным перемещением регулирующего органа или элемента (привод стартстоповых лентопротяжных механизмов, затворы, дискретные перемещения командных аппаратов, строгальных станков и т. п.);

в электроприводе, где управляющий сигнал имеет дискретный характер, т. е. задается в виде последовательности импульсов (импульсные системы числового программного управления станками,

синхронные импульсные валы, устройства с электронной кинематикой и т. д.).

Рис. VI. 1. Структурная схема дискретного привода: 1 — электронный коммутатор; 2 — силовые усилители; 3 — шаговый двигатель; 4 — устройство управления ШД; 5 — источник постоянного тока

Требуемые быстродействие, точность, устойчивость в заданной полосе частот и степень дискретности (величина шага квантовая) обеспечиваются выбором типа шагового привода.

Схема управления ШД состоит из электронного коммутатора, который имеет выходных усилителей, равное числу фаз и силовых усилителей (рис. VI. 1). Схемы электронных коммутаторов определяются числом управляемых обмоток ШД и обычно используют кольцевой реверсивный счетчик. Электронный коммутатор имеет два входа для обеспечения реверса ШД. Сигналы на вход коммутатора поступают от программирующего устройства.

Типы шаговых электродвигателей. По принципу действия серийные ШД можно подразделить на три типа: магнитоэлектрические, индукторные и реактивные.

Магнитоэлектрические ШД имеют ротор, выполненный в виде постоянного магнита-звездочки литой или составной конструкции без полюсных наконечников. Многофазную обмотку размещают в полузакрытых пазах статора. При многополюсйом исполнении числа пазов на один полюс и фазу Для подавления гармонических составляющих синхронизирующего момента пазы статора выполняют со скосом, т. е. их направление не совпадает с образующей.

В магнитоэлектрических ШД с двухфазной обмоткой применяют разнополярную коммутацию. К обмоткам приложены соответствующие прямоугольные напряжения, сдвинутые на град. Основной принята четырехтактная коммутация с парным включением обмоток, которую символически запишем следующим образом:

Возможна четырехтактная коммутация с поочередным включением одной обмотки:

При этом вращающий момент на валу двигателя снижается в 2 раза.

Кроме того, применяется восьмитактная комбинированная система коммутации:

Эта коммутация позволяет вдвое уменьшить величину шага и вдвое увеличить частоту управляющих импульсов.

Четырехфазная обмотка является вариантом двухфазной. Обе фазы расщеплены. При подключении к электронному коммутатору фазы соединяются в четырехлучевую звезду с общей точкой. Применяется однополярная коммутация:

основная — четырехтактная парная

дополнительная — четырехтактная поочередная

дополнительная — восьмитактная комбинированная

Рис. VI.2. Магнитная система четырехфазного индукторного однопакетного ШД

Магнитоэлектрические ШД с трехфазной обмоткой требуют шеститактной разнополярной коммутации:

при соединении обмоток в треугольник —

при соединении обмоток в

Трехфазные ШД допускают также комбинированную -тактную коммутацию.

Кроме того, магнитоэлектрические ШД могут иметь фиксирующий реактивный момент при обесточенных обмотках. Обычно этот момент составляет 10% от величины максимального статического синхронизирующего момента. Электродвигатели с внутренней магнитной фиксацией положения ротора обеспечивают сохранение информации в системе при отключении источника питания в периоды пауз между циклами работы. Магнитоэлектрические ШД изготовляются также с большим числом фаз.

Индукторные ШД имеют ферромагнитный зубчатый ротор из магнитомягкой электротехнической стали. Магнитная система ШД с подмагничиванием показана на рис. VI.2 . Гребенчатые зубцовые зоны на полюсах статора предусматриваются для двигателей с малым шагом. Штриховыми линиями на рис. VI.2 показано магнитное силовое поле ШД.

Ротор четырехфазного индукторного ШД возбуждается со стороны статора постоянной составляющей тока в фазах. Возбуждение ротора может обеспечиваться также постоянными магнитами статора или отдельной обмоткой возбуждения, включенной на напряжение источника

постоянного тока. При наличии отдельного контура возбуждения на статоре индукторные ШД выполняются двухфазными с разнополярной коммутацией.

Четырехфазная обмотка соединяется в звезду с общей точкой и размещается в пазах статора. Коммутация однополярная — такая же, как и для четырехфазных ШД с активным ротором. Возможна, кроме того, восьмитактная коммутация с одновременным возбуждением двух или трех обмоток:

Эта система коммутации энергетически менее выгодна, но обеспечивает лучшее внутреннее демпфирование колебаний ротора.

Индукторные электродвигатели выполняются обычно с малой величиной шага.

Реактивные ШД по конструкции аналогичны индукторным, однако они не имеют возбуждения постоянной составляющей фазного тока со стороны статора от постоянных магнитов. Статор трехфазного реактивного ШД имеет шесть полюсных выступов с гребенчатыми зубцовыми зонами. Обмотка статора трехфазная, соединяется в звезду с выведенной общей точкой (каждая фаза может иметь также два независимых вывода).

Трехфазные реактивные ШД допускают как однополярную, так и разнополярную коммутацию. Используется однополярная шеститактная коммутация, являющаяся основной для этого типа

При увеличении числа полюсов ШД использование активной поверхности ротора ухудшается из-за увеличения межполюсных зон. Поэтому во всех типах ШД, наряду с основными конструкциями, применяются многопакетные или многостаторные, а также другие модификации. На рис. VI.3 приведена конструкция двухпакетного магнитоэлектрического ШД. Электродвигатель представляет собой двухпакетную машину с шестифазной распределенной обмоткой на каждом пакете (рис. VI.3, б). Пакеты 1 и 4 статора смещены друг относительно друга на 0,5 зубцового деления. Ротор 12 является активным с возбуждением от постоянных магнитов 11. Применение постоянных магнитов из сплава с монокристаллической структурой и высокой магнитной энергией позволяет существенно улучшить динамическую добротность, снизить колебательность, уменьшить габаритные размеры ШД.

Для демпфирования колебаний на валу ротора предусмотрен инерционный демпфер сухого трения. Характеристики привода с рассматриваемым электродвигателем приведены в работе [8].

Двухпакетную конструкцию имеют также реактивные шестифазные электродвигатели малой мощности. Каждая фаза ШД может выполняться на отдельном пакете магнитопровода (рис. VI.4). Обмотки фаз выполняют тороидальными, такую конструкцию магнитопровода ШД применяют в основном в малых шаговых двигателях. Промышленное применение нашли ШД с дисковым ротором и торцовым расположением полюсов (рис. VI.5). Двигатели этой конструкции имеют мощность до и более.

(кликните для просмотра скана)

Наряду с ШД вращающегося типа в отдельных исполнительных устройствах применяются линейные и плоскостные ШД.

Рис. VI.4. Конструктивная схема шестифазного, шестипакетного ШД: 1 — клеммная колодка; 2 — диамагнитные втулки; 3 — зубцы ротора; 4 — диски полюсов с зубцами; 5 — тороидальные фазные обмотки; 6 — ферромагнитный корпус статора

Линейные ШД позволяют существенно упростить кинематическую цепь привода, устраняя необходимость в шариковых парах типа винт-гайка, а также в промежуточных передачах.

Рис. VI.5. Конструкция пятифазного ШД с дисковым ротором: 1 — вал ротора; 2 — корпус статора; 3 — магнитопровод фазы; 4 — обмотка фазы; 5 — зубцы полюсов статора; 6 — ротор; 7 — инерционный демпфер; 8 — фрикционный элемент демпфера; 9 — пружина демпфера

Принцип действия ШД с поступательным перемещением можно пояснить с помощью рис. VI.6. Двигатель имеет пять фаз, представляющих собой обособленные магнитные системы со сдвигом зубцов на полюсного деления.

Для управления применяется десятитактная коммутация; схема коммутации обмоток:

Работу индукторного линейного ШД с постоянными магнитами можно пояснить с помощью рис. VI.7. Полуобмотки фазы, расположенные на соседних полюсных выступах, включены встречно. Полюса жестко связаны с постоянным магнитом. В исходном состоянии включена обмотка 1-й фазы. Магнитный поток полюсного выступа а направлен навстречу магнитному потоку,

постоянного магнита, а магнитный поток полюсного выступа совпадает с ним.

Рис. VI.6. Принцип действия линейного реактивного ШД: 1 — зубчатая ферромагнитная линейка; 2 — полюса статора

В результате суммарный магнитный поток под полюсным выступом а равен нулю. В полюсном выступе магнитные потоки электромагнита и постоянного магнита суммируются; в полюсном выступе магнитные потоки обусловлены только постоянным магнитом и их тяговые усилия взаимно уравновешиваются.

Рис. VI.7. Линейный ШД с постоянными магнитами. 1 — плита с зубцами-площадками; 2 — подвижная система; 3 — постоянный магнит; 4 — полюса

Под действием магнитного потока подвижный элемент занимает положение, соответствующее наибольшей магнитной проводимости зубцовой зоны (см. рис. VI.7, 1-й такт коммутации).

В следующем такте коммутации 1-я фаза обесточена, а 2-я фаза включена с полярностью, указанной на рис. VI.7 (2-й такт). Под

действием магнитного потока подвижный элемент перемещается на зубцового деления. На этом же рисунке показано положение подвижного элемента и распределение магнитных потоков в 3-м и 4-м тактах коммутации.

Рис. VI.8. Схема размещения подвижной системы плоского индукторного ШД: 1 — плита; 2 — подвижная система ШД; 3 — полюса продольного смещения; 4 — полюса поперечного смещения

Плоский ШД (рис. VI.8) позволяет осуществить перемещение по двум линейным координатам без кинематических связей. Двигатель состоит из плиты с зубцами-площадками. На плите установлена головка с двумя полюсными системами, оси которых взаимно перпендикулярны. Это позволяет реализовать перемещение в плоскости с шагом, определяемым зубцовым делением. Головка перемещается на воздушной подушке.