Шаговые двигатели

Шаговые (импульсные) двигатели (ШД) используют обычно в качестве исполнительных двигателей, преобразующих электрические сигналы (импульсы напряжения) в угловые или линейные дискретные (скачкообразные) перемещения (шаги). Наибольшее применение ШД получили в электроприводах с программным управлением.

Различают шаговые двигатели с активным (возбужденным) и реактивным ротором. Шаговые двигатели с активным рото­ром имеют обмотку возбуждения или выполнены с постоянными магнитами на роторе; шаговые двигатели с реактивным ротором не имеют обмотки возбуждения, а их ротор выполняют из магнитно-мягкого материала. Обмотку управления ШД обычно располагают на статоре и делают одно- или многофазной (чаще трех- или четырехфазной).

Рассмотрим принцип действия шагового двигателя на примере реактивного трехфазною ШД, статор которого имеет шесть явно выраженных полюсов (по два полюса на фазу), а ротор — два по­люса (рис. 23.9).

Рис 23.9. Принцип действия реактивного шагового двигателя

При прохождении импульса тока в фазе 1 обмотки управления ротор занимает положение, соответствующее действию электро­магнитных сил, т. е. по оси полюсов 1—1. В момент времени появится импульс тока в фазе 2. При этом на ротор будут действо­вать силы, обусловленные одновременным воздействием двух МДС (полюсов 1— 1 и 2—2). В результате ротор повернется по часовой стрелке и займет положение, промежуточное между по­люсами 1—1 к 2—2, т. е. повернется на шаг = 30°. В момент импульс тока в фазе 1 прекратится и ротор, сделав шаг = 30°, займет положение по оси полюсов 2—2. В момент появится им­пульс тока в фазе 3 и ротор, повернувшись еще на 30°, займет по­ложение между полюсами статора 2—2 и 3—3. В моменты време­ни и ротор также будет совершать шаги по 30° и в конце цикла (момент ) займет положение по оси полюсов статора 1—1, совершив за этот цикл поворот на 180°.

В последующие циклы процессы в ШД будут повторяться. Таким образом, рассматриваемый реактивный трехфазный ШД работает по шеститактной схеме коммутации с раздельно-совместным включением фазных обмоток управления: .

Работают реактивные ШД от однополярных импульсов напряже­ния, так как изменение полярности этих импульсов не изменяет на­правления реактивного момента. Для изменения направления враще­ния ротора рассматриваемого ШД необходимо изменить схему коммутации обмоток, например ...

Если в этом двигателе применить раздельное включение об­моток, т. е. принять схему коммутации 1 2 3 ..., то шаг двигателя = 60°.

Шаг двигателя (град)

, (23.7)

где — число полюсных выступов на роторе; т_у — число фаз­ных обмоток управления, пространственно смещенных относи­тельно друг друга; - коэффициент, определяемый способом включения фазных обмоток управления (при раздельном включе­нии = 1 , при раздельно-совместном — = 2).

Уменьшение шага способствует повышению устойчивости и точности работы ШД Для уменьшения шага увеличивают число полюсных выступов на роторе . Так, если в рассматриваемом двигателе применить ротор крестообразного сечения ( =4), то при шеститактной коммутации шаг = 15°.

Шаговые двигатели с активным ротором (с обмоткой возбуждения или постоянными магнитами на роторе) позволяют получить, большие значения вращающего момента, а также обеспечивают фиксацию ротора при отсутствии управляющего сигнала.

Один из важных параметров ШД — частота приемистости - максимальная частота следования управляющих импульсов, при которой ротор втягивается в синхронизм с места без потери шага. У шаговых двигателей реактивного типа частота приемистости при номинальной нагрузке достигает 1000 — 1300 Гц. С увеличе­нием шага частота приемистости уменьшается. Шаговый двигатель работает в комплекте с коммутатором — устройством, преобразующим заданную последовательность управляющих импульсов в -фазную систему прямоугольных импульсов напряжения.

При рассматривании принципа работы шагового двигателя влияние нагрузочного момента на валу двигателя не учитывалось. Если же на вал шагового двигателя действует нагрузочный момент , то при переключении управляющего импульса с одной фазы на другую МДС статора повернется на угол , а ротор двигателя, поворачиваясь за вектором МДС, будет отставать от него на угол называемый углом статической ошибки шагового двигателя, эл. град:

где — максимальный статический момент, соответствующий углу смещения ротора относительно вектора МДС статора = 90 эл. град.

Быстродействие шаговых двигателей определяется скоростью протекания электромагнитных процессов при переключении управляющих импульсов напряжения с одной фазы статора на другую. Скорость протекания этих процессов оценивается элек­тромагнитной постоянной времени, с

,

где — индуктивность обмотки одной фазы статора, Гн; - активное сопротивление обмотки одной фазы статора, Ом.

Для повышения быстродействия шагового двигателя в обмот­ки фаз статора последовательно включают резисторы , тогда

Энергетическим показателем шагового двигателя является значение потребляемой мощности . Частота вращения шагового двигателя регулируется изменением частоты подачи управляющих импульсов напряжения на фазы обмотки статора.