Тема 2.5. Дискретные эп с шаговыми двигателями.

2.5.1. Принцип действия и конструктивные особенности ШД.

К числу бесконтактных машин относятся и шаговые двигатели, наиболее приспособленные к прямому цифровому управлению. ШД выполняются с вращательным движением выходного вала или поступательным движением подвижного элемента. Характерной особенностью дискретного привода с ШД является преобразование импульсов команд в дискретный поворот выходного вала или дискретное перемещение подвижного элемента. ШД относится к классу синхронных машин.

ШД вращательного движения конструктивно не отличаются от двигателей переменного тока других типов. Особенностью управления является переключение с помощью коммутатора фаз двигателя, вызывающее скачкообразное перемещение поля статора на фиксированное значение – шаг , определяемый числом тактов коммутации n (число импульсов в одном периоде коммутации фаз) и числом пар полюсов p_п ротора. Электрический шаг двигателя

2n,

а геометрический (механический)

_м360/(p_пn).

Особенностью ШД является большое число пар полюсов (p_п=4-60), что обеспечивает малое значение шага _м=0.6-22.5 и возможность получения низких скоростей при сравнительно высоких частотах управления.

Существует три типа ШД, отличающихся конструкцией ротора:

• с пассивным зубчатым безобмоточным ротором,

• индукторный с двумя пассивными зубчатыми роторами,

• с активным ротором из постоянных магнитов.

Статор ШД с пассивным ротором выполняется с явно выраженными полюсами, на которых размещены катушки. Обычно число полюсов статора принимают равным удвоенному числу фаз. Катушки диаметрально противоположных полюсов, соединенные между собой последовательно или параллельно, образуют фазу ШД. Полюсы статора снабжены зубцами, аналогичными зубцам ротора. Двигатели с пассивным ротором выполняются трех-, четырех-, пяти- и шестифазными.

Из ШД с активным ротором практическое применение получили двухфазные двигатели, у которых каждая фаза разделяется на две, т.е. практически четырехфазные двигатели. Магнитоэлектрический ШД является классической синхронной машиной. Его принцип действия основан на взаимодействии потока возбуждения от многополюсного постоянного магнита с потоком управления, создаваемым многофазной обмоткой статора. Скачкообразное перемещение поля статора обеспечивается изменением направления тока поочередно в каждой фазе, что приводит к смещению результирующего поля статора на шаг . Такая же картина перемещения поля статора на шаг будет иметь место при расщеплении каждой фазы и питании каждой секции однополярными импульсами тока. В ШД с переменно-полюсным активным ротором трудно выполнить большое число полюсов, поэтому их шаг лежит в пределах 15-90.

Применение линейных двигателей упрощает привод при поступательном движении координаты, при этом совмещается магнитная система двигателя с подвижным элементом и исключаются все кинематические преобразователи движения. Линейный двигатель принципиально любого типа может быть образован из вращательного путем разрезания вдоль оси и развертки его на плоскость движения. ЛШД могут выполняться как плоскими, так и цилиндрическими. Последние конструктивно повторяют двигатели вращательного движения, но подвижный элемент совершает возвратно-поступательное движение.

2.5.2. Динамические характеристики шагового ЭП. Распределители импульсов и коммутаторы.

Основным режимом работы для шагового привода является динамический. В отличие от СД ШД рассчитаны на вхождение в синхронизм из состояния покоя и принудительное электрическое торможение. Благодаря этому в шаговом ЭП проще обеспечиваются пуск, торможение, реверс и переход с одной частоты управляющих импульсов на другую. Пуск ШД осуществляется скачкообразным или постепенным увеличением частоты входного сигнала от нуля до рабочей, торможение – снижением ее до нуля, а реверс – изменением последовательности коммутации обмоток ШД.

На рис.2.35 показана функциональная схема блока управления ШД. Управляющий унитарный код вырабатывается генератором импульсов ГИ с регулируемой частотой или специальным задающим устройством ЗУ, в качестве которого могут быть использованы различного рода программные устройства или ЭВМ. Сигнал с выхода ГИ при необходимости калибруется по амплитуде и длительности формирования импульсов ФИ для согласования параметров управляющих импульсов с входными параметрами распределителя импульсов РИ. Ключ К осуществляет управление поступлением импульсов на вход РИ. Изменение направления движения ШД (реверс) осуществляется РИ, который в зависимости от сигналов, поступающих на входы выбора направления движения вперед В и назад Н, изменяет последовательность переключения фаз с прямой на обратную. Регулирование частоты и числа импульсов, поступающих на вход РИ, может осуществляться как вручную блоком РУ, так и автоматически по сигналам ЗУ, связи которого с РИ показаны штриховыми линиями.

РИ в общем случае вырабатывает произвольную n-фазную систему прямоугольных напряжений, не совпадающих с требуемым законом коммутации фаз ШД, который характеризуется числом одновременно включенных фаз и продолжительностью включения каждой фазы. Для согласования законов коммутации РИ и усилителя мощности УМ (инвертора), коммутирующего фазы ШД, вводится дешифратор Д. Регулятор напряжения РН осуществляет импульсное регулирование напряжения на ШД при изменении частоты. При поступлении на РИ каждого импульса управления РН подает на фазы ШД импульс повышенного напряжения, длительность которого устанавливается постоянной или изменяется в функции частоты или тока.

РИ относится к счетным многотактным устройствам и может быть построен на любых счетных элементах любых серий и исполнения. Основное требование к нему – это высокая помехозащищенность.

2.5.3. Способы управления ШД. Методы дробления шага.

Параметры ШД – точность, устойчивость движения и нагрузочная

способность – зависят от способа коммутации фаз – способа

управления. Простейшим и наиболее распространенным является

способ последовательного переключения одной или группы

возбужденных фаз, получивший название естественной коммутации.

При естественной коммутации ток в фазах ШД принимает только два установившихся значения: 0, когда фаза отключена и I_н, когда фаза возбуждена. Возможности такого способа управления ШД ограничены. Шаг  двигателя определяется числом тактов коммутации n, которое зависит от числа фаз m. При симметричной коммутации n=m. Нессиметричная коммутация позволяет увеличить число тактов коммутации до n=2m, уменьшив шаг двигателя в 2 раза в сравнении с симметричной коммутацией.

Дискретное перемещение магнитного поля статора ШД, вызванное дискретным характером изменением токов в фазах, определяет специфику его работы на низких и средних частотах управления, выраженную в колебательном движении подвижного элемента. Это явление вредно, поэтому и нашел применение способ управления, получивший название электрического дробления шага. Он основан на введение дополнительной модуляции фазных токов внутри основного периода коммутации.

При построении схем управления с дроблением шага получили применение два основных принципа: двухчастотное управление, при котором в качестве импульсного модулятора используется распределитель импульсов, и управление с промежуточным преобразованием кода, вырабатываемого распределителем импульсов, в аналоговый управляющий сигнал, подаваемый на вход регуляторов напряжения.

При двухчастотном управлении сохраняются неизменными РИ и УМ, а схема дополняется делителями частоты Д1, Д2 (рис.2.36) с переменными коэффициентами деления. На управляющие входы делителей Вх1 и Вх2 подаются команды в виде цифровых кодов, изменяющие их коэффициенты деления, при неизменной частоте f задающего генератора импульсов G с парафазным выходом.

В схеме скорость ШД  можно регулировать, изменяя коэффициенты деления делителей Д1 и Д2, а также частоту генератора G. Рассмотренный принцип электрического дробления шага обеспечивает импульсную модуляцию фазных напряжений ШД при неизменном уровне питающего напряжения, которая соответствует изменению их средних значений по линейному закону. Линейный закон изменения фазных напряжений не обеспечивает равномерного деления основного шага. Для достижения равномерного деления шага токи в фазах ШД должны изменяться по закону, близкому к синусоидальному, и при этом надо учитывать реальную картину распределения магнитного поля в зазоре ШД и насыщение магнитной системы.

Импульсное регулирование напряжения, осуществляемое при двухчастотном управлении ключевыми элементами УМ, сопровождается потерями энергии на переключение ключей К с высокой частотой и в разрядной цепи (стабилитрон VD). Такой способ электрического дробления шага характеризуется низким КПД, что ограничивает его применение только маломощными ШД при невысоких точностях деления шага. Поэтому для мощных (так называемых силовых) ШД с различным числом фаз и тактов коммутации применяется второй способ дробления шага. (можно рассмотреть и эту схему).

2.5.4. Схема управления ШД.

Рассмотрим обобщенную структурную схему ЭП с ШД (рис.2.37). Основная ее часть, обычно называемая разомкнутой схемой, выделена штриховой линией.

Сигнал управления f_у в виде импульсов напряжения поступает на блок 2 от программного или другого внешнего командного устройства. Блок 2 видоизменяет эти импульсы, формируя их по длительности и амплитуде. Распределитель импульсов 3 преобразует последовательность сформированных импульсов, например в четырехфазную систему однополярных импульсов напряжения, соответствующую числу фаз (обмоток) двигателя.

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 по току 10, блок электронного дробления шага 13, блок плавного разгона и торможения (задатчик 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 поддержания 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 11 (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 по току и блоках 11 и 10.

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

Улучшение динамических свойств ШД может быть достигнуто введением в схему блока 1, обеспечивающего разгон и торможение двигателя с заданным темпом, при котором еще не происходит пропуска управляющих импульсов.

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 6, который обеспечивает заданный характер движения привода.