Схемы управления шаговым двигателем.

Управление ШД, как уже отмечалось, обеспечивается электронным блоком.

Современные блоки управления ШД состоят из нескольких функциональных узлов, выполняемых по различным схемам и с использованием разнообразных элементов. Стремление расширить область применения дискретного привода, повысить качество и точность его движения, а также надежность, упростить наладку и эксплуатацию отразилось в унификации схем управления ШД.

Рассмотрим обобщенную функциональную схему ЭП с ШД. Основная ее часть, обычно называемая разомкнутой схемой, выделена штриховой линией.

Сигнал управления  в виде импульсов напряжения поступает, а вход блока 2 от программного или другого внешнего командного устройства (рисунок 5). Блок 2 видоизменяет эти импульсы, формируя их по длительности и амплитуде, как необходимо для нормальной работа последующих блоков схемы управления. Распределитель импульсов 3 преобразует последовательность сформированных импульсов, например в четырехфазную систему однополярных импульсов напряжения, соответствующую числу фаз (обмоток) двигателя.

Рисунок 5 – Схемы управления шаговым двигателем [5]

 

Импульсы с выхода распределителя 3 усиливаются с помощью промежуточного усилителя 4 и поступают на коммутатор 5, питающий обмотки ШД 8. Обычно коммутатор питается от источника постоянного тока (выпрямителя) 12 и обеспечивает в обмотках ШД пульсирующий ток одного направления.

Рассмотренная разомкнутая схема управления ШД не всегда обеспечивает высокие динамические свойства, точность и энергетические показатели ЭП. Поэтому современные схемы управления ШД содержат дополнительные узлы, с помощью которых характеристики ЭП улучшаются. К таким узлам относятся частотно - импульсный регулятор напряжения 11, усилитель обратной связи тока, блок электронного дробления шага 13, блок плавного разгона и торможения (датчик интенсивности) 1, датчик положения ротора и скорости 7, и цифровой регулятор 6.

Регулятор 11 и усилитель 10, связанные с узлом сравнения 9, служат для автоматической стабилизации тока в обмотках ШД и подержания его момента, что существенно улучшает энергетические показатели работы двигателя. Стабилизация тока осуществляется введением отрицательной обратной связи по току, с помощью которой за счет регулирования частоты переключения регулятора (частотно-импульсная модуляция) изменяется среднее значение напряжения питания и тем самым регулируется ток в обмотках ШД.

Задача формирования тока в обмотках ШД решается также при использовании коммутатора 5, обладающего свойствами источника тока. В этом случае отпадает надобность в обратной связи току и блоках 11 и 10.

Для улучшения качества движения ШД при низких частотах повышения точности отработки входных импульсов управления помощью блока 13 уменьшается единичный шаг ШД.

Улучшение динамических свойств дискретного ШД, в частности увеличение диапазона рабочих частот входного сигнала, значительно превышающих частоту приёмистости двигателя, может быть достигнуто введением в схему блока 1, обеспечивающего разгон и торможение двигателя с заданным темпом, при котором еще не происходит пропускание управляющих импульсов. При использовании блока 1 область рабочих частот шагового электропривода может бы увеличена в 2... 3 раза.

Возможности дискретного ЭП расширяются при использовании замкнутых схем управления на основе датчика 7 и регулятора 6. В таком дискретном приводе информация о действительном положении вала и скорости ШД поступает на вход цифрового регулятора б, который обеспечивает заданный характер движения привода. Перспективы дальнейшего развития ЭП с ШД связаны с использованием микропроцессорных средств управления. В этом случае функции всех показанных на рисунке блоков управления, за исключением силового коммутатора, датчиков скорости и положения, выполняет микропроцессор по соответствующей программе. Как говорят в таких случаях, аппаратная реализация схемы управления ШД заменяется более гибкой и функционально богатой — программной.

Область применения дискретного привода постоянно расширяется. Его используют кроме указанных ранее случаев в резательных и сварочных автоматах, часах, нажимных устройств прокатных станов, лентопротяжных и регистрирующих устройствах, в медицинской технике, в производстве элементов микроэлектроники и др [7].

 

Коллекторный двигатель

Наибольшее распространение среди трех­фазных коллекторных двигателей получили трехфазные коллекторные двигатели с парал­лельным возбуждением с двойным комплектом щеток, например двигатель Шраге—Рихтера (рисунок 6). Этот двигатель был предложен в 1910 г. почти одновременно Шраге и Рих­тером.

Рисунок 6 – Двигатель Шраге-Рихтера

 

Конструкция двигателя Шраге—Рихтера сходна с конструкцией асинхронного двигате­ля с фазным ротором. Отличие состоит в том, что в пазах ротора располагается вторая многофазная обмотка, секции которой выво­дятся на коллектор. Двигатель позволяет ре­гулировать частоту вращения в широких пре­делах за счет введения в цепь вторичной об­мотки добавочной ЭДС ±ΔE.

Трехфазное напряжение сети через щетки и кольца подводится к фазной обмотке рото­ра 1. В пазах ротора располагается вторая обмотка 2 – двухслойная, многофазная, секции которой выведены на коллектор 3. На коллекторе находятся три пары щеток, к ко­торым подключены три фазы обмотки стато­ра 4. Обмотка статора — обычная двухслой­ная или однослойная обмотка, расположен­ная в пазах. Конструкция машины — обра­щенная, вторичная обмотка расположена на статоре, а напряжение подводится к ротору.

Магнитное поле, созданное обмоткой ро­тора в воздушном зазоре, вращается в сторо­ну, противоположную вращению ротора, и наводит в обмотке статора ЭДС скольжения f₁=f₂s. С обмотки ротора 2, выведенной на коллектор через щетки, также снимается ЭДС скольжения f₁=f₂s. Амплитуда этой ЭДС за­висит от того, насколько раздвинуты щетки (рисунок 5). Когда щетки занимают положение, показанное (рисунок 7а), ΔЕ вычитается из ЭДС E₁, наводимой в обмотке статора. Когда положения щеток совпадают (рисунок 7б), ΔE=0. При положении щеток, показанном на рисунке 7в, ЭДС ΔE складывается с E₁.

Рисунок 7 – Положение щёток коллекторного двигателя

 

Если ΔE вычитается, ЭДС Е₁ уменьшает­ся, что приводит к уменьшению тока I₁ и снижению частоты вращения. Когда ΔE=0, двигатель работает как асинхронный двига­тель. При положении щеток, соответствующем рисунку 7в, ΔE складывается с Е₁ и частота вращения становится выше синхронной. Пере­мещение щеток по коллектору осуществляется механизмом, который вращается вручную или с помощью приводного двигателя.

Введение добавочной ЭДС в цепь стато­ра позволяет регулировать и реактивную мощ­ность [1].