Статические и динамические характеристики шаговых двигателей

 

На рис. 4.9 представлена зависимость момента М на валу ненагруженного шагового двигателя от углового положения ф ротора. На статоре двигателя имеются три обмотки А, В, С, ротор имеет двухполюсное исполнение. Ток протекает по обмотке А—А'. Для фиксации ротора в указанном угловом положении (φ=0) необходимо, чтобы при отклонении его от этого положения в любую сторону возникал момент Мн, стремящийся вернуть ротор в исходное положение. Природа возникновения этого момента та же, что и у синхронного двигателя, причем он меняется при изменении угла в функции синуса. Максимальное значение указанного момента называется моментом фиксации Мн. Момент фиксации соот-ветствует максимальному значению статического момента нагрузки, при котором ротор двигателя не приходит во вращение. На первую гармонику фиксирующего момента накладывается гармоника движущего момента, вследствие чего суммарная характеристика Mgs (φ) отличается от синусоиды. На практике эта характеристика обычно снимается экспериментально, поскольку расчет ее связан со значительными затруднениями.

 

Рис. 4.9. Статические моментные характеристики

 

Рис. 4.10. К определению статического угла нагрузки

 

Если к валу двигателя приложен момент нагрузки МL (рис. 4.10), ротор двигателя после отработки шага занимает положение φ = β, отличающееся от положения φ = 0. Угол β называют статическим углом нагрузки. Его необходимо учитывать в том случае, если момент нагрузки меняется от шага к шагу, поскольку в этом случае меняется размер шага. Если ротор под действием момента нагрузки повернется на угол, больший ± φk то он оказывается в неустойчивом состоянии и после уменьшения момента нагрузки переходит в следующее, устойчивое положение. Если момент нагрузки на валу двигателя остается, то ротор продолжает вращаться в прежнем направлении. При возбуждении одновременно нескольких обмоток моментные кривые от отдельных обмоток накладываются друг на друга, не изменяя принципа работы двигателя.

Момент фиксации определяется только для двигателя, ротор которого находится в состоянии покоя или принудительно отклоняется на некоторый угол. В стационарном режиме работы, когда двигатель отрабатывает шаг за шагом, максимальное значение момента фиксации Mmax значительно ниже. Развиваемый двигателем момент уменьшается с увеличением частоты вращения или коммутации обмоток, поскольку ток в обмотках не успевает возрасти до максимально возможного значения. К тому же в двигателе с массивным ротором из магнитомягкого материала заметное влияние (демпфирующее) начинают оказывать вихревые токи. С помощью динамической моментной характеристики отображается связь между частотой коммутации или «шагания» и моментом на валу двигателя, который уменьшается при увеличении частоты. В связи с этим пользуются понятием «предельная частота коммутации fz», превышение которой приводит к выпадению двигателя из синхронизма, и появляется ошибка позиционирования. Такого режима работы особенно следует избегать в разомкнутых системах управления, поскольку выпадение из синхронизма приводит к накоплению ошибки. Под частотой шагания двигателя понимают количество шагов, совершаемых ротором в одну секунду при фиксированной частоте fs следования импульсов управления. Частота шагания определяется с помощью выражения

 

fz = zn,                                                     (4.3)

где n – количество оборотов в секунду.

Частота шагания fz эквивалентна частоте импульсов управления, т. е.:

fz = fs.

 

Следует выделять два режима работы шагового двигателя старта и ускорения. Шаговый двигатель, как и синхронный, при незначительном рассогласовании частот вращения ротора и магнитного поля в рабочем воздушном зазоре обладает способностью втягиваться в синхронизм. Поэтому частота коммутации обмоток шагового двигателя на старте, когда ротор неподвижен, должна быть невысокой. Она определяется моментом инерции привода и моментом нагрузки на валу шагового двигателя. Поэтому производители шаговых двигателей обычно дают зависимость предельной частоты коммутации от момента инерции двигателя привода. Такой режим называется режимом старта.

 

 

Лекция №13

План

1. Моментные характеристики нагрузки

2. Законы движения объекта регулирования

3. Приведение моментов и сил