Принцип работы и конструкция шаговых двигателей

 

В настоящее время в ряде отраслей техники, в которых на электропривод возлагается задача быстрого и точного позиционирования того или иного узла или рабочего органа часто используются электродвигатели с дискретным, шаговым перемещением ротора. Такие двигатели используются, например, в пишущих машинках и в печатающих устройствах ЭВМ, в электромеханических часах. Шаговые двигатели имеют низкую стоимость и высокую надежность, поскольку не содержат скользящих контактов.

Рис. 4.1. Структурная схема устройства для управления шаговым двигателем:

1—задатчик; 2—схема управления; 3—электронный блок или микропроцессор, 4— коммутатор; 5 — силовой блок; 6 — питающая сеть, 7 — двигатель

 

Двигатель, преобразующий электрические импульсы в механические импульсы, называется шаговым двигателем. Он относится к электромеханическим преобразователям дискретного типа. В состав шагового электропривода кроме шагового двигателя входят электронный блок управления (рис. 4.1), преобразователь или коммутатор. Как и в вентильном двигателе, указанные блоки являются неотъемлемой частью шагового электродвигателя.

Из экономических соображений стараются использовать разомкнутые системы управления шаговым электроприводом. Но в этом случае ожесточаются требования к шаговому двигателю с точки зрения надежности отработки шага, поскольку каждому электрическому импульсу управления должен соответствовать механический импульс или шаг.

В настоящее время шаговые двигатели работают, в основном, по принципу синхронного двигателя, поэтому они имеют присущие последним недостатки — возможность выпадения из синхронизма и склонность ротора к колебаниям при отработке шага.

Рис 4.2 Варианты конструктивных схем шаговых двигателей с расположением обмоток

 

 

Конструкция шагового двигателя состоит как бы из нескольких двигателей (трех пакетный статор), обмотки которых имеют прямое и обратное направление намотки. При переключении обмоток ротор двигателя стремится установиться в положение, соответствующее минимальному значению энергии в магнитной системе, т. е. вдоль направления намагничивающей силы, созданной обмоткой. Поскольку обмотки равномерно, с некоторой дискретностью, распределены по окружности статора, то ротор «шагает» за последовательно переключаемыми обмотками (рис 4.2) Угловой шаг двигателя в простейшем случае соответствует полюсному делению обмотки статора. На рис 4.2, а шаг двигателя равен 60°, на рис 4.2,6 — 30° Ротор изготавливается из магнитно-твердого или магнитно-мягкого материала, а также из их комбинации В двух последних случаях на роторе имеются зубцы (зубчатый ротор).

На рис. 4.2, б каждая часть ротора имеет четыре зубца. При количестве т пакетов и 2р полюсов ротор за один оборот делает z шагов

z = 2pm,                                              (4.1)

где p – число пар полюсов, m – число фаз.

Количество шагов определяет величину шага, т. е. значение угла, на который поворачивается ротор за один импульс управления:

α = 2π / m                                            (4.2)

Конструкция на рис.4.2, б имеет m =3 и 2р = 4, что соответствует z =12 и α =30°. Такой шаг обеспечивается не только при циклическом переключении одиночных обмоток, но и при их групповом переключении с выбором соответствующей полярности импульсов напряжения для обмоток. Этот режим работы называют режимом полного шага. Можно легко убедиться в том, что при одновременном питании нескольких обмоток обеспечивается изменение углового шага двигателя. Так, например, при одновременном питании двух соседних обмоток (рис. 4.2, а) вектор намагничивающей силы располагается между полюсами, вследствие чего ротор двигателя поворачивается на половину шага. Такой режим работы называют режимом дробного шага. В связи с этим в выражение (4.1) необходимо ввести коэффициент kB, учитывающий режим работы двигателя. Для режима полного шага kB =l, для режима дробного шага kB =2.

Недостатком режима дробного шага является изменение значения намагничивающей силы обмотки от шага к шагу, вследствие чего ротор совершает попеременно «жесткий» и «мягкий» шаги. С уменьшением дискретности шага, т. е. при увеличении m и р, этот недостаток становится практически незаметным. С другой стороны, дробление шага позволяет уменьшить количество обмоток, упростить схему управления и снизить стоимость электропривода в целом.

Точность и надежность работы двигателя в режиме дробления шага можно повысить, сохраняя питание обмоток после отработки шага, поскольку в этом случае имеет место активный момент, удерживающий двигатель в новом положении. Однако этот способ является неэффективным, поскольку ведет к повышенному расходу электроэнергии. Поэтому для решения этой задачи часто используют средства конструктивного характера, позволяющие без дополнительных затрат электроэнергии обеспечить уменьшение шага и надежную фиксацию ротора.

Из выражения (4.1) видно, что кроме увеличения количества обмоток уменьшение шага может быть получено за счет увеличения числа полюсов или зубцов ротора. В этом случае предъявляются повышенные требования к точности изготовления ротора. Но при этом увеличивается погрешность отработки шага. К тому же многополюсный ротор значительно сложнее намагничивать. По вышеуказанным причинам зубчатым изготавливают не только ротор, но и статор (рис. 4.3). Статор и ротор имеют при этом незначительное отличие в количестве зубцов. Как правило, разница в количестве зубцов статора и ротора соответствует числу пар полюсов статора. «Лишние» зубцы ротора расположены между полюсами статора. В такой конструкции также можно реализовать режимы работы полного и дробного шага. Если по обмотке статора пропускать токи определенного значения, то в принципе можно обеспечить получение любого шага, однако такой микрошаговый режим работы приводит к значительному усложнению блока управления. И, наконец, для уменьшения шага можно использовать редукторы. В этом случае увеличивается момент на валу приводимого во вращение механизма и уменьшается его момент инерции, а трение в редукторе способствует демпфированию колебаний ротора шагового двигателя. Однако использование редуктора приводит к увеличению погрешности отработки шага.

Во многих случаях к шаговым двигателям предъявляется требование бестоковой фиксации положения ротора в паузе между импульсами управления или между соседними шагами. Такая возможность обеспечивается при изготовлении ротора из постоянного магнита. В этом случае двигатель способен создавать удерживающий момент или момент фиксации. Момент фиксации Ms определяется как максимальное значение вращающего момента, который можно приложить к валу отключенного двигателя, не вызывая его вращения. Двигатель с ротором из постоянного магнита называют шаговым двигателем с активным ротором (РМ - двигатель). Двигатель, ротор которого изготовлен из магнитно-мягкого материала, называют шаговым двигателем с реактивным ротором (VR - двигатель).

В этом двигателе вращающий момент при возбужденной обмотке статора создается за счет разницы значений магнитной проводимости рабочего воздушного зазора под полюсами (зубцами) и между ними. В этом двигателе должно быть не менее трех обмоток, тогда как в двигателе с активным ротором достаточно иметь две обмотки.

 

Рис. 4.3. Двигатель с зубчатыми статором и ротором

 

Кроме того, известны конструкции, сочетающие в себе конструктивные особенности двигателей с активным и реактивным ротором. В этих гибридных конструкциях на роторе из постоянного магнита имеются также и зубцы. Помимо выше рассмотренных конструктивных отличий шаговых двигателей они характеризуются различным расположением полюсов по окружности ротора и вдоль его оси.

 

Двигатель с чередующимися полюсами

В шаговом двигателе с чередующимися полюсами направление магнитного поля в рабочем воздушном зазоре меняется вдоль окружности ротора. На рис. 6.2 представлены упрощенные схемы двух вариантов конструкций таких двигателей. В обоих случаях может использоваться как активный, так и реактивный ротор. Конструкция на рис. 6.2, б будет иметь три четырехполюсных магнита, смещенных относительно друг друга на треть полюсного деления. С целью снижения стоимости двигателя статор обычно содержит не более двух пакетов. Среди шаговых двигателей с чередующимися полюсами заметное место занимает двигатель с когтеобразными полюсами

 

 

Рис 4.4 Двигатель с когтеобразными полюсами

 

Он состоит из двух синхронных машин с когтеобразными полюсами. Как можно видеть из рис. 4.4, обе части составного статора смещены относительно друг друга на половину полюсного деления, а магнитный поток имеет аксиальное направление и одинаково хорошо сцепляется с обмотками статоров обоих двигателей. Для лучшего использования двигателя напряжение питания подается одновременно на обмотки обоих статоров Для снижения стоимости двигателя с когтеобразными полюсами его корпус изготавливается из стального листа толщиной 1 или 2 мм, а ротор — из феррита. На рис 4.4 двигатель имеет 12 полюсов ротора, и его угол поворота в режиме полного шага составляет 15°.

 

Двигатель с одноименными полюсами.

В шаговом двигателе с одноименными полюсами магнитный поток в рабочем воздушном зазоре сохраняет свое направление. На рис 4.6 приведена схема конструкции двигателя с гибридным ротором, являющегося одним из основных представителей двигателей этого типа Для наглядности подшипниковые узлы на рис 4.6 не показаны. На шихтованном пакете статора расположены две системы обмоток, которые, в отличие от двигателя с когтеобразными полюсами, лежат в одной плоскости. Каждая система обмоток состоит из двух диаметральных катушек, расположенных напротив друг друга. На роторе установлены два зубчатых диска, изготовленных из магнитно- мягкого материала путем фрезерования или штамповки. Эти диски смещены относительно друг друга на половину полюсного деления. На роторе установлен также постоянный магнит, намагниченный в аксиальном направлении, который часто изготавливается из редкоземельного магнитно-твердого материала. Зубцы дисков имеют одну и ту же полярность. Количество зубцов для этой конструкции указано в табл. 4.1. Вал ротора выполнен из немагнитного материала. Если имеется такая возможность, то постоянный магнит намагничивают после сборки конструкции. Описанная конструкция, за исключением постоянного магнита, близка к конструкции реактивного двигателя, превосходя его по основным характеристикам (табл. 4.1) и несколько уступая по стоимости. Поэтому в электроприводах с малым значением углового шага двигатели с одноименными полюсами используются довольно редко.

 

 

Лекция №12

План

1. Способы управления шаговым двигателем

2. Статические и динамические характеристики