1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Шаговый двигатель принцип работы применение

Принцип работы шагового двигателя

Конструкция простейшего трехфазного ШД и временные диаграммы токов обмоток возбуждения представлены на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Симметричная коммутация трехфазного ШД

Рассмотрим работу трехфазного шагового двигателя с реактивным ротором. По­очередно на три фазовые обмотки двигателя 1-3 подаются последовательно импульсы тока Iyl — Iу3 (такая коммутация называется симметричной). В соответствии с формулой:

,

где p – число пар полюсов (у двигателя с реактивным ротором р=Zp);

Zp – число зубцов ротора;

m – число фаз или так называемых тактов управления в одном цикле.

Можно определить шаг такого ШД:

.

Погрешность отработки одного шага определяется конструкцией и не может быть больше величины, характерной для данного шагового двигателя. Точность отработки большой серии импульсов не за­висит от числа импульсов и находится в пре­делах точности отработки еди­ничного угла поворота. Это позволяет создавать системы автоматического регулирова­ния дискретного типа без обратных связей, что уменьшает количество элементов и обеспечивает надежность, удешев­ляет систему. Функциональная схема электропривода (ЭП) с шаговым двигателем показана на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Функциональная схема ЭП с шаговым двигателем

При изменении последовательности подачи импульсов на обмотки возбуждения можно реверсировать вал двигателя, т.е. заставить вращаться его в обратном направлении. Если выполнить ротор такого ШД активным, то при обесточенных фазных обмотках ротор будет фиксироваться силами магнитного притяжения в положении последнего шага, т.е. в таких двигателях реализуется так называемая нулевая защита – обеспечивается наличие тормозного момента (5÷10% от максимального момента двигателя) при обесточенных обмотках. Коммутацию обмоток при симметричном управлении можно выполнить и парной, тогда одновременно оказываются включенными по две обмотки возбуждения.

Для двукратного уменьшения шага двигателя, можно реализовать несимметричную коммутацию обмоток возбуждения – с поочередным включением одной из двух обмоток возбуждения (1-2) в соответствии с временной диаграммой, представленной на рис. 7.4. Несимметричную коммутацию можно организовать и другим сочетанием коммутируемых обмоток, например, включением поочередно 2 и 3 обмоток (несимметричная коммутация 2-3).

Рис. 7.4. Несимметричная (1-2) коммутация трехфазного ШД

Системы автоматического управления с шаговыми двигателями можно разделить на две группы:

· Системы, в которых двигатель выполняет функцию преобразования унитарного кода в фазомодулированный сигнал или другой вид информации. К этим системам относятся устройства, в которых двигатель вращает задающий сельсин, поворотный или дифференциальный трансформатор; применение шаговых двигателей в качестве фильтра высших гармоник и др.

· Системы, в которых двигатель использован для привода исполнительного механизма непосредственно или через усилитель момента. К этим системам относятся приводы подач станков, стартстопных лентопротяжных механизмов, индексирующие устройства счетчиков, управление затворами и задвижками, синхронизация вращения валов с регулируемым по программе передаточным отношением и т. д.

Необходимо отметить, что когда количество коммутируемых обмоток больше одной, увеличивается магнитодвижущая сила (МДС) полюсов и примерно в полтора раза возрастает вращающий момент на валу ШД. В двигателях, реализованных по аналогичному принципу, с помощью увеличения числа обмоток и полюсов ротора можно уменьшить единичный шаг отработки до 15°. Дальнейшее уменьшение шага сопряжено со значительными технологическими трудностями по размещению в ограниченном объеме большого количества обмоток. Поэтому двигатели с шагом от единиц до долей градуса выполняются как редукторные, т.е. с зубчатыми полюсами и ротором из ферромагнитного материала.

Такие двигатели называются параметрическими и они широко используются в настоящее время. На рис. 7.5 представлена электромагнитная система четырехфазного параметрического ШД. Как видно, из-за сдвига смежных полюсов относительно зубцов ротора на 1/4 зубцового деления ротор будет перемещаться с единичным шагом 3° (равным 1/4 зубцового деления ротора) при симметричной коммутации 1-2-3-4. Единичный шаг можно уменьшить вдвое использованием несимметричной коммутации (1-2), последовательно подключая обмотки возбуждения 1; 1-2; 2; 2-3; 3; 3-4; 4; 4-1 и т.д.

Такая последовательность коммутации обмоток называется восьмитактной и ей соответствует единичный шаг 1.5°. Существует большое количество ШД, единичный шаг которых больше 40°. Такие большие шаги, однако, часто не смущают проектировщиков, т.к. не являются препятствием для применения двигателей в случае последующей редукции скорости вращения различными типами редукторов.

Преимущества привода с шаговым двигателем по сравнению со следящей системой, выполняющей те же функции:

· Повышение надежности устройства, обусловленное уменьшением количества элементов системы, так как отсутствуют датчики обратной связи, усилитель датчика, электронные узлы индикатирования рассогласования (реверсивный счетчик), тахогенератор.

· Удешевление устройства, обусловленное уменьшением количе­ства элементов.

Рис. 7.5. Четырехфазный параметрический редуктор IL

с реактивным ротором

· Упрощение синтеза систем автоматического управления, характе­ризующееся уменьшением количества связей между узлами.

· Увеличение точности дискретного перемещения, обусловлен­ное фиксацией ротора ШД при остановке двигателя.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

Режимы работы шаговых двигателей.

Характер движения ротора шагового двигателя определяется частотой и характером изменения управляющих импульсов. В зависимости от этого различают следующие режимы работы шаговых двигателей: статический; квазистатический; установившейся; переходный.

Статический режим – это режим, при котором по обмоткам статора протекает постоянный ток, создающий неподвижное в пространстве магнитное поле, а ротор не вращается. Под действием нагрузки ротор лишь отклоняется от положения М = 0 на некоторый угол q. Основной характеристикой этого режима является зависимость статического синхронизирующего момента от угла рассогласования M = f(q).

Читать еще:  Что такое линзованный двигатель

Квазистатический режим – это режим отработки единичных шагов, при котором переходные процессы от предыдущего такта коммутации полностью затухли и скорость ротора в начале следующего шага равна нулю. Он используется в стартстопных, лентопротяжных и других механизмах, в которых требуется фиксация ротора после каждого шага. Предельная частота управляющих импульсов, при которой еще соблюдается квазистатический режим, определяется временем протекания электромагнитных и особенно электромеханических переходных процессов, т.е. временем колебаний ротора.

Для уменьшения или полного устранения качаний ротора в конце шага применяют различные приемы. При принудительном торможении после перевода управляющего импульса с первой обмотки или группы обмоток на вторую через некоторый промежуток времени, в течении которого ротор отработает часть шага и запасет определенное количество кинетической энергии, управляющий импульс вновь переводится на первую обмотку. На ротор начинает действовать тормозной момент. При правильном выборе времени и величины тормозящего момента ротор остановится в конце шага, после чего управляющий импульс переводится на вторую обмотку и ротор, отработав шаг, фиксируется в заданном положении практически без колебаний. При естественном торможении отработка шага происходит в два этапа: на первом этапе движение ротора осуществляется за счет положительного приращения момента; на втором этапе – за счет кинетической энергии, запасенной ротором при отрицательном (тормозном) моменте. При достижении ротором заданного положения ротор фиксируется в этом положении. Естественное торможение возможно лишь в тех шаговых двигателях, у которых полный шаг можно поделить на несколько элементарных шагов.

Установившийся режим – это режим, соответствующий постоянной частоте следования управляющих импульсов.

Переходный режим — это основной эксплуатационный режим работы шагового двигателя. Он включает в себя пуск, реверс, торможение, переход с одной управляющей частоты на другую. Физические процессы в переходных режимах определяются как параметрами двигателя и его нагрузки, так и начальными условиями, при которых начинается переходный процесс. Основное требование к шаговому двигателю в переходных режимах заключается в отсутствии потери шага, т.е. сохранение синхронизма при любом характере изменения управляющих импульсов. Пуск шагового двигателя осуществляется из неподвижного положения ротора, которое он занимает при установившихся значениях токов в обмотках, путем скачкообразного увеличения частоты управляющих импульсов от нуля до рабочей. При этом ротор вначале отстает от поля, затем, ускоряясь, достигает частоты вращения поля, опережает его и вследствие отрицательного синхронизирующего момента снова замедляет свое движение. Вследствие демпфирования колебания скорости вращения быстро затухают, наступает установившийся режим.

Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск без потери шага, называется частотой приемистости fпр. Частота приемистости растет с увеличением максимального синхронизирующего момента, уменьшением шага, снижением постоянной времени обмоток, нагрузки и момента инерции. Для современных шаговых двигателей fпр = 100 − 1000 Гц. Торможение шагового двигателя осуществляется скачкообразным снижение частоты управляющих импульсов от рабочего значения до нуля. Предельная частота, при которой ротор останавливается без потери шага, как правило, выше частоты приемистости, что объясняется внутренним демпфированием – электромагнитным тормозным моментом, моментом сопротивления нагрузки и трением в опорах. Реверс шагового двигателя производится путем изменения последовательности коммутации токов в обмотках, приводящего к изменению направления вращения магнитного поля на обратное. Предельная частота управляющих импульсов, при которой реализуется реверс без потери шага, всегда меньше частоты приемистости и составляет (0,2-0,5)fпр.

Вопросы для самопроверки

1. Какие электрические машины называются синхронными?

2. Применение синхронных машин.

3. Какой обмоткой создается возбуждение в синхронной машине?

4. Принцип работы синхронного двигателя.

5. Определение и применение шаговых двигателей (ШД).

6. Принцип работы шагового двигателя.

7. Перечислите основные параметры шагового двигателя и дайте их определение.

8. Перечислите режимы работы шаговых двигателей.

9. Дайте определение статического режима работы ШД.

10. Дайте определение квазистатического режима работы ШД.

11. Дайте определение установившегося режима работы ШД.

12. Дайте определение переходного режима работа ШД.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Касаткин, А. С. Общая электротехника. / А. С. Касаткин А, А. В. Немцов. – М.: Энергоатомиздат, 1983. -480с.

2. Электротехника /Под ред. В.Г.Герасимова, 3-е изд. – М.: Высшая школа, 1985. -480с.

3. Штелтинг , Г. Электрические микромашины: Пер. с нем. /Г. Штелтинг, А. Байссе. –М.: Энергоатомиздат, 1991. –229с.

4. Токарев, В.С. Электрические машины./В. С. Токарев – М.: Высшая школа. 1990. -624с.

5. Вольдек, А. И. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы. /А. И. Вольдек, В. В. Попов. –С-Пб.: Изд. дом «Питер», 2008. –320с.

6. Копылов, И. П.Электрические машины. /И. П. Копылов. –М.: Высш. шк., 2009. –607с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

В.1. Принцип действия электрических генераторов и двигателей ………. 3

В.2. Электромеханическое преобразование энергии………………………. 5

В.3. Классификация электрических машин…………………………………..7

1.1. Основные понятия и определения………………………………………..9

1.2. Принцип работы трансформатора…………………………………..…..11

1.3. Режимы работы трансформатора………………………………………..13

1.3.1. Режим холостого хода…………………………….. ……………14

Читать еще:  Автобусы паз технические характеристики двигателей

1.3.2. Режим короткого замыкания……………………………………16

1.4. Схема замещения и уравнения электромеханического

состояния трансформатора…………………………………………. ………20

1.5. Внешняя характеристика трансформатора……………………………..22

1.6. Потери мощности и КПД трансформатора……………………………..26

1.7. Особенности работы трехфазных трансформаторов…………………..28

1.8. Трансформаторы специального назначения……………………………30

1.8.2. Трансформаторы для дуговой сварки………………………….32

1.8.3. Измерительные трансформаторы………………………………33

2. Машины постоянного тока (МПТ). ……………………………………. 40

2.1. Назначение и устройство машин постоянного тока…………. ………40

2.3. Преобразование энергии в МПТ……………………………………. …47

2.4. Потери мощности и КПД машины постоянного тока…………………50

2.5. Способы возбуждения и классификация МПТ…………………………52

2.6. Реакция якоря и коммутация в МПТ……………………………………53

2.7. ЭДС якоря и электромагнитный момент МПТ…………………………54

2.8. Работа двигателя постоянного тока (ДПТ)……………………………..56

2.8.1. Механическая характеристика ДПТ……………………………57

2.9. Регулирование скорости вращения ДПТ……………………………….60

3.1. Определение и назначение АД………………………………………….68

3.3. Вращающееся магнитное поле…………………………………………..71

3.4. Принцип действия асинхронного двигателя……………………………73

3.5. Режим идеального холостого хода ……………………………………..74

3.7. Скорость вращения поля ротора…………………………………. ……75

3.8. Вращающий момент асинхронного двигателя…………………………77

3.9. Механическая характеристика асинхронного двигателя………. ……80

3.10. Пуск асинхронного двигателя…………………………………….……82

3.10.1. Пуск двигателя с короткозамкнутым ротором……………….82

3.10.2. Пуск двигателя с фазным ротором……………………………83

3.11. Однофазные и двухфазные АД…………………………………. ……85

3.11.1. Однофазные асинхронные двигатели…………………………85

3.11.2. Двухфазный асинхронный двигатель…………………………88

3.12. Асинхронный тахогенератор…………………………………………. 89

4.1. Назначение и устройство синхронных машин…………………………96

4.2. Принцип работы синхронного генератора……………………………..97

4.3. Принцип работы синхронного двигателя………………………………98

4.4. Пуск синхронного двигателя……………………………………………99

4.5. Шаговый синхронный двигатель………………………………………100

4.5.1. Принцип действия однофазного шагового двигателя……….101

4.5.2. Реверсивные шаговые двигатели……………………………. 102

4.5.3. Индукторные шаговые двигатели……………………………..103

4.5.4. Основные параметры и характеристики

4.5.5. Режимы работы шаговых двигателей…………………………106

Список рекомендуемой литературы………………………………………..109

Светлана Ивановна Николаева

Устройство, принцип работы и применение шаговых электродвигателей

Подписка на рассылку

  • ВКонтакте
  • Facebook
  • ok
  • Twitter
  • YouTube
  • Instagram
  • Яндекс.Дзен
  • TikTok

Шаговый тип электродвигателей представляет собой синхронное бесщеточное устройство с парой обмоток, через которые, собственно, и подается ток. Принцип действия электродвигателя подобного типа заключается в том, что ток, передаваемый на одну из обмоток статора, провоцирует фиксацию ротора. Как следствие, попеременная активация обмоток устройства вызывает шаги ротора, иначе говоря, его дискретные угловые перемещения.

Устройство шагового электродвигателя состоит из основы: статора, на котором размещены обмотки, и ротора. Для создания ротора в большинстве случаев используются твердые или мягкие магнитные материалы. При производстве ротора выгоднее использовать магнитный материал, потому как именно шаговый электродвигатель, принцип работы которого основан на магнитном роторе, способен обеспечить больший крутящий момент. К тому же устройство из магнитного материала позволяет добиваться наилучшей фиксации ротора даже при обесточенных обмотках.

Особого внимания заслуживает гибридный вариант шаговых двигателей, который вобрал в себя все лучшие качества электродвигателей с постоянным и переменным магнитным сопротивлением. Ниже мы рассмотрим устройство, принцип работы и применение шаговых электродвигателей-гибридов.

Принцип действия электродвигателя-гибрида основан на использовании основных полюсов, на которых закреплены обмотки. Кстати, благодаря тому что роторные зубцы у смешанной модели расположены в осевом направлении, они способны обеспечивать не только большее количество эквивалентных полюсов, но и оказывают заметно меньшее сопротивление магнитной цепи, что, в свою очередь, улучшает динамический и статический момент. К тому же ротор гибридного электродвигателя имеет постоянный магнит, расположенный между двумя его частями. Таким образом, зубцы верхней роторной части исполняют роль северных полюсов, а зубцы нижней части, соответственно, южных. Количество роторных полюсных пар всегда соответствует количеству зубцов на одной из его частей. Кроме того, зубчатые полюсные наконечники ротора, также как и статора, набираются только из отдельных пластин. Подобное устройство шагового электродвигателя помогает снизить потери, возникающие из-за вихревых токов.

Шаговый электродвигатель, принцип работы которого основан на гибридном использовании постоянного и переменного тока, широко применяется в машиностроении.

Точность определения шага зависит от качества механической обработки ротора и статора электродвигателя. Большинство производителей современных шаговых двигателей готовы гарантировать точность выставления шага до 5 процентов от величины шага.

Однако в приводах большинства механизмов, работающих в старт-стопном режиме, чаще применяется другой тип — шаговый электродвигатель, управление которого связано с интегрированным контроллером. Они способны создавать высокий крутящий момент даже при весьма низких скоростях вращения. Этот тип широко используется в устройствах компьютерной памяти (НГМД, НЖМД и прочие).

Основным преимуществом всех современных шаговых электродвигателей является их точность. Более того, подобные устройства располагают к себе отличным соотношением цены и качества. В частности, шаговые приводы практически в два раза дешевле аналогичных сервоприводов. Шаговые электродвигатели также прекрасно справляются с автоматизацией отдельных систем и узлов, которые не нуждаются в высокой динамике.

Тем не менее у данного типа двигателей имеются и определенные недостатки. В частности, в шаговом двигателе существует довольно высокая вероятность так называемого проскальзывания ротора. Обычно этот недостаток проявляется при чрезмерной нагрузке на вал или при неверной настройке управляющей программы. Поскольку электрически это никоим образом не может быть зафиксировано, то во избежание ошибок при ответственных применениях обычно устанавливают специальные датчики для обратной связи, задачей которых является тщательный контроль над перемещениями и вращениями. К сожалению, подобные датчики имеют достаточно высокую стоимость.

Читать еще:  Бустер для запуска двигателя телвин

Принцип действия и конструкция шагового двигателя активного типа.

ШД относится к классу синхронных машин. Любая синхронная машина может быть использована для построения дискретного привода.

Однако с учётом специфики управления серийно выпускаются специальные ШД, отличающиеся конструкцией и способом возбуждения.

ШД работают в комплекте с электронным коммутатором, переключающим обмотки управления с последовательностью и частотой, определяемой преобразователем.

ШД имеют различное число пар полюсов ротора (4,8 и более, до 60). Чем больше пар полюсов, тем меньше шаг двигателя. Катушки диаметрально противоположных полюсов статора, соединённые между собой последовательно или параллельно образуют фазу ШД.

ШД могут иметь различное число обмоток управления( обычно 2-4). Напряжение питания обмотки управления (ОУ) представляет собой последовательность однополярных или разнополярных импульсов, поступающих от коммутатора.

В настоящее время применяются в основном 3 типа ШД; отличающихся конструкцией ротора: ШД активного типа, ШД реактивный и индукторный ШД.

ШД активного типа и его конструкция.

Рис.2. Схема конструкции ШД активного типа

с постоянным магнитом на роторе.

Схема одной из конструкций ШД активного типа (рис.2) имеет на статоре явно выраженные полюсы, на которых расположены 2-е катушки управления и три пары полюсов на роторе. Катушки, расположенные на нечётных полюсах 1,3. 11, соединены последовательно, образуя одну обмотку управления. Вторая обмотка — это катушки 2,4. 12. Ротор у ШД активного типа — это постоянный магнит с явными полюсами.

Принцип действия ШД рассмотрим на примере двухфазного двигателя (см. рис.3), где 3а- схема включения обмоток управления 1 и 2 к коммутатору К.

Рис.4. Напряжение на обмотках управления

и положение ротора.

На рис. 4а приведена временная диаграмма силовых импульсов напряжения на ОУ при восьмитактной разнополярной и несимметричной системе коммутации.

Несимметричной называется система коммутации, если нечетным и четным тактам соответствует возбуждение различного числа ОУ (в данном случае 1 или 2).

Симметричной называют систему коммутации, если на всех тактах возбуждается одинаковое число ОУ.

Переход от одного такта к другому соответствует поступлению на коммутатор очередного импульсного сигнала управления. Во время такта 1 положительный импульс возбуждает ОУ1. Магнитный поток статора направлен по оси этой обмотки. Ротор (магнит) притягивается к полюсам обмотки 1 и занимает положение вдоль оси. При переходе к такту 2 дополнительно возбуждаются полюсы ОУ2. Результирующий поток статора Фс , создаваемый двумя обмотками, скачком поворачивается на 45о. Возникает синхронизирующий момент синхронного двигателя и ротор поворачивается на тот же угол. При переходе к третьему такту остаётся возбуждённой ОУ2. Поток статора и ротор поворачивается на один шаг, равный 45о. Положение потока статора и ротора показано на рис.3в. Положение потока статора и ротора на всех восьми тактах видно на рис.4б. При данном способе коммутации величина потока Фс на нечетных и четных тактах различна. Это связано с тем, что Фс создаётся одной или двумя ОУ. В результате этого изменяется и синхронизирующий момент от такта к такту. Это является недостатком несимметричной системы коммутации.

Для симметричной разнополярной схемы коммутации диаграмма управляющих импульсов и результирующего магнитного потока статора и положение ротора показана на рис.5а.

Рис.5. Временные диаграммы импульсов и пространственные диаграммы положения потока статора при симметричных системах коммутации:

а) разнополярной б) однополярной.

Как видно из рис.5а при симметричной коммутации шаг ротора увеличивается вдвое, но результирующий поток статора на всех тактах одинаков. Из ШД с активным ротором практическое применение получили двухфазные двигатели, у которых каждая фаза разделяется на две управляемые однополярными импульсами тока, т.е. практически четырёхфазные двигатели.

Сравнение диаграмм рис.5а и б показывает, что применение разнополярной коммутации может влиять на шаг равносильно удвоению ОУ при однополярной коммутации.

В современных ШД применяются и более сложные виды коммутации.

Количество состояний коммутатора, обеспечивающих новое угловое положение результирующего магнитного потока Фс в пределах 360°, называется числом тактов KТ схемы управления и определяется по формуле

(1)

где k1 — коэффициент, равный 1 при симметричной и 2 при несимметричной коммутации; mу — число обмоток управления; k2 — коэффициент, равный 1 при однополярной и 2 при разнополярной коммутации.

Нужно помнить, что в ШД, имеющих сдвинутые на 180° ОУ, применение разнополярной коммутации не имеет смысла.

Угловое перемещение ( шаг ) ШД в общем случае определяется зависимостью

или (2)

где Р — число пар полюсов ротора.

При четырёхтактной коммутации шаг восьмиполюсного двигателя a = 22.5°. Частота вращения ротора двигателя зависит от частоты подачи импульсов

(3)

Диапазон изменения частоты для четырёхтактного двигателя составляет 0¸500 Гц.

Максимальной частоте соответствует частота вращения 2000¸3000 об/мин.

Чем меньше шаг ШД, тем точнее отрабатывается угол. Увеличение числа пар полюсов ротора при его неизменном диаметре ограничен технологическими возможностями (Р= 4¸6). Увеличение числа обмоток связано с усложнением коммутатора (ту =2¸4).Поэтому a активных ШД составляет десятки градусов.

Дальнейшее уменьшение шага выполняется с помощью редуктора.

Дата добавления: 2018-02-15 ; просмотров: 638 ; Мы поможем в написании вашей работы!

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector