Глава №13: Шаговые исполнительные двигатели
Вопрос №1: Какие двигатели называются шаговыми?
Исполнительные шаговые двигатели (ШД) – это электрические машины преобразующие импульсные электрические сигналы в пропорциональное числу этих сигналов дискретное механическое перемещение ротора с последующей фиксацией его положения. Принцип действия ШД основан на дискретном изменении магнитного поля в рабочем зазоре за счет поочередного питания фаз статора. Под воздействием каждого импульса ротор ШД совершает определенное угловое перемещение, называемое шагом.
Вопрос №2: Назовите способы питания и управления ШД.
Питание ШД производится с помощью специальных схем, наиболее распространенная приводится на рисунке 13.1. Входное напряжение проходя сквозь блок управления преобразуется в систему прямоугольных импульсов. Блок управления состоит из формирователя импульсов, который преобразует входной сигнал в прямоугольные импульсы определенной длительности. Далее идет распределитель импульсов, который преобразует импульс в много фазную систему напряжений. А усилитель мощности усиливает сигнал.
Управление ШД:
Однополярное – напряжение меняется от 0 до +U;
двухполярное – напряжение меняется от –U до +U;
симметричное – когда включается постоянно одинаковое число фаз;
несимметричное – когда число фаз при включении меняется;
импульсное – напряжение на фазу (группу фаз) подается только во время появления сигнала, по истечении которого фаза обесточивается, а положение ротора фиксируется;
потенциальное – напряжение на фазе (группе фаз) изменяется только в моменты поступления управляющего импульса. До его прихода фаза под напряжением и положение ротора фиксируется.
Вопрос №3: Опишите конструктивные исполнения ШД.
В настоящее время существует большое количество конструктивных форм ШД, различающихся числом фаз, типом ротора, способом фиксации ротора и т.п.
Шаговый двигатель с активным ротором – синхронный двигатель с постоянными магнитами, многофазный и многополюсный без пусковой обмотке на роторе.
Сердечник набран из листов электротехнической стали, на котором размещена обмотка. На роторе расположены постоянные магниты в виде звездочки без полюсных башмаков.
Индукторные ШД – сердечники статора и ротора изготавливаются из листов электротехнической стали. Пассивный ротор выполняется с равномерно расположенными открытыми пазами. Статор имеет два вида пазов: большие полузакрытые, в которых размещается обмотка, и малые открытые, образующие гребенчатые зубцовые зоны статора.
Р
еактивные
ШД – используется любой трехфазный
синхронный двигатель с симметричными
фазными обмотками и явнополюсным
невозбужденным ротором. Для уменьшения
шага зубцовые зоны статора делают
гребенчатыми.
Однофазные ШД – их отличительной особенностью является то, что при чрезвычайно большом разнообразии конструктивных исполнений все они обладают свойством однонаправленного вращения ротора.
Вопрос №4: Изобразите статическую угловую характеристику синхронизирующего момента ШД с активным ротором.
У
гловая
характеристика ШД в статическом режиме,
когда частота управляющих импульсов
равна 0 и постоянный ток создают
неподвижное поле статора, показана на
рис. 13.9. точка 1 соответствует устойчивому
режиму, точка 2 – неустойчивому. Вид
этой характеристики зависит от конструкции
магнитной системы ШД и взаимного
расположения обмоток возбуждения на
статоре и роторе.
Вопрос №5: Как определяется угловая частота свободных колебаний ротора?
где p – количество пар полюсов;
Mcm – амплитуда статического момента;
JR – момент инерции ротора.
Вопрос №6: В каких режимах работают шаговые двигатели?
ШД работают в следующих режимах:
статический – частота поступления управляющих импульсов равна 0, по обмоткам статора протекают постоянный токи, ротор не вращается. Ротор лишь слегка отклоняется от устойчивого положения, соответствующего Mc=0, на некоторый угол
;квазистатический – при очень низких частотах, ШД работают в режиме отработки единичных шагов. Угловая скорость ротора в начале каждого шага равна 0, так переходные процессы заканчиваются за время шага, для этого используют различные демпфирующие устройства;
резонансный – наиболее тяжелый режим, при котором частота поступления управляющих импульсов совпадает с собственной частотой колебания ротора. Наблюдается явление электромеханического резонанса, которые нарушают периодичность движения ротора (выход из синхронизма). Поэтому в этом случае используют старт-стопное управление, при котором за счет дополнительной встречной коммутации фаз в конце отработки шага обеспечивается активное торможение ротора;
установившийся – при постоянной частоте управляющих импульсов больше чем собственная частота колебаний ротора наступает установившийся периодический режим работы. Ротор имеет постоянную среднюю частоту вращения, но при переходе из одного устойчивого состояния в другое возникают вынужденные колебания относительно мгновенной точки устойчивого равновесия.
Вопрос №7: Сформулируйте энергетическое условие, выполнение которого необходимо для вхождения ШД в синхронизм.
Для вхождения двигателя в синхронизм, необходимо выполнить следующее условие: разность работ синхронизирующего момента и момента внешних сил должна быть больше кинетической энергии ротора.
Вопрос №8: Что называют частотой приемистости и от чего зависят её значения?
Для каждого ШД существует некоторая предельная частота подачи управляющих импульсов, при которой ротор из состояния покоя ещё втягивается в синхронизм, эту частоту называют частотой приемистости.
Из формулы видно, что частота зависит от частоты собственных колебаний ротора и от коэффициента внешней нагрузки, и не зависит от числа устойчивых состояний. Также на рис 13.11 изображена зависимость частоты приемистости ШД от коэффициента нагрузки.