Электроприводы с шаговыми двигателями

Относятся к классу дискретного электропривода, совершают дозированные перемещения с фиксацией положения в конце движения. Хорошо сочетаются с цифровыми управляющими машинами и программными устройствами. Широко применяются в станках с ЧПУ, для роботов и манипуляторов.

Рис. 5.65

Шаговый двигатель (ШД) – синхронный двигатель, однако, магнитное поле вращается в воздушном зазоре дискретно (шагами) за счет импульсного возбуждения обмоток с помощью электронного коммутатора. Ротор, как правило, постоянный магнит (двухполюсный) называется активным. На рис. 5.65 представлена схема шагового двигателя с активным ротором.

При подаче импульса напряжения на обмотку 1Н–1К. ротор занимает вертикальное, при питании обмотки 2Н–2К – горизонтальное положение, обеспечивая шаг, равный 90°. Положение будет устойчивым, так как при отклонении от него на ротор действует синхронизирующий вращательный момент ', где в – угол между осями магнитных полей статора и ротора. Если подавать импульсы напряжения на обе обмотки одновременно, то ось магнитного поля статора будет расположена под 45°.

Ротор при этом повернется на 45°, чтобы максимальное поле его пересекало. Если снять напряжение с обмотки 1Н–1 К, ротор станет горизонтально (следующий шаг), затем, поменяв полярность напряжения, ось магнитного поля переместится еще на 45° и т. д. (эта схема называется несимметричной).

Угловое перемещение шагового двигателя определяется

(5.31)

где – число пар полюсов ротора; п – число переключений (тактов) в цикле, равное числу фаз ШД при симметричной коммутации и удвоенному числу фаз при несимметричной коммутации.

Шаговое перемещение ротора осуществляется с помощью подачи импульсов с переключением обмоток (один такт коммутации – один шаг ротора). Суммарный угол поворота ШД пропорционален числу импульсов, а его скорость – частоте импульсов, амплитуда и форма импульсов могут быть различными. Для реверса ШД нужно включить на обратную полярность обмотку, которая в данный момент отключена, тогда ротор сделает шаг в другую сторону.

Основной режим работы ШД – динамический. ШД входит в синхронизм из состояния покоя и самотормозится. Поэтому в ШД обеспечивается пуск, торможение, реверс и переход с одной частоты управляющих импульсов на другую. Пуск ШД осуществляется скачкообразным или постепенным увеличением частоты входного сигнала до рабочей, торможение – снижением ее до нуля, реверс – изменением последовательности коммутации обмоток ШД.

По конструкции ШД могут быть однофазными, двухфазными, многофазными, с активным или пассивным ротором. Активный ротор выполнен в виде постоянных магнитов или с обмоткой возбуждения, как у СД (магнитоэлектрические шаговые двигатели). Такие ШД имеют крупный шаг ротора от 90 до 15°. Для уменьшения шага увеличивают число фаз и такгов коммутации, а также используют двухстаторную или двухроторную конструкцию.

Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск ШД из неподвижного состояния без выпадения из синхронизма (пропуска шагов) называется частотой приемистости. Чем выше электромагнитная и механическая инерция ШД и больше момент нагрузки, тем меньше частота приемистости.

Максимальная скорость ШД с активным ротором составляет 208–314 р/с, частота приемистости от 70 до 500 Гц, номинальный вращающий момент от 1010 6 до 1010 ' Н м. Для больших частот приемистости используются ШД с пассивным ротором, которые делятся на реактивные и индукторные. Ротор выполнен из ферромагнитного материала, не имеет обмоток (пассивный). На статоре зубцы (явновыра- женные полюсы) с обмотками, на роторе зубцы без обмоток.

Если , то при каждом переключении обмоток статора ротор совершает поворот (шаг) а, равный

(5.32)

Уменьшив разность , можно снизить шаг ротора. ШД с пассивным ротором (Ш, ШДР, ШР, РШД) имеют шаг от 1,5 до 9°, момент Н м, частоту приемистости от 250 до 1200 Гц.

Рассмотрим схемы управления дискретным электроприводом.

На обмотки статора ШД подается определенная последовательность импульсов напряжения. Средняя скорость ШД зависит от частоты коммутации обмоток :

(5.33)

которая выдается электронным коммутатором и изменяется в широких пределах. Коммутатор является преобразователем частоты (ПЧ), а дискретный электропривод – системой с частотным управлением ШД.

На рис. 5.66 представлена структурная схема электропривода с ШД, где БЭДШ – блок электронного дробления шага; БПРТ – блок плавного разгона и торможения; БП – блок питания; ЧИРН – частотно-импульсный регулятор напряжения; ФИ – формирователь импульсов; РИ – распределитель импульсов; ПУ – промежуточный усилитель; К – коммутатор (ПЧ); УОС – усилитель обратной связи; ДП – датчик положения и скорости; ЦР – цифровой регулятор.

Рис. 5.66

Сигнал управления в виде импульсов напряжения поступает на вход ФИ, который формирует импульсы по длительности и амплитуде, РИ – преобразует сформированные импульсы в четырехфазную систему однополярных импульсов напряжения, соответствующую числу фаз обмоток двигателя.

Усиленные с помощью ПУ импульсы поступают на коммутатор для питания обмоток ШД. Обычно коммутатор питается от источника постоянного тока. На рис. 5.67 представлена схема тиристорного коммутатора.

Рис. 5.67

Тиристоры VSI–VS4 обеспечивают парную коммутацию обмоток ШД, в каждый момент включены две обмотки из 4-х, (четырехфазная схема); VSI и KS3; VS2 и VS4 образуют схемы двух триггеров, в которых переключение тиристоров осуществляется колебательными контурами

Допустим, в исходном положении тиристор KS1 открыт и по обмотке ОУ протекает ток, а тиристор KS3 закрыт. Если подать импульс управления на KS3, то он откроется, по обмотке ОУ5 начнет проходить ток. Одновременно начнется перезаряд конденсатора и тиристор VS закроется, так как потенциал катода станет более положительным, чем потенциал анода. Тиристоры VS и KS3 работают в схеме триггера попеременно.

Колебательный контур и диоды VD1, VD2 производят переключение тиристоров в схемах триггеров.

Аналогично работает триггер на тиристорах VS2 и KS4. Для снятия перенапряжений используется цепь, R–VD3.

Замкнутая схема (рис. 5.66) с отрицательной обратной связью по току осуществляет автоматическую стабилизацию тока в обмотках, сигнал снимается с резистора . Разность сигналов и задающего U, образует сигнал управления, который подается на вход усилителя обратной связи УОС.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >