Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления. Привод шаговый


Шаговый двигатель своими руками: принцип работы, управление

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое биполярный шаговый двигатель, его принцип работы, как сделать и установить устройство своими руками, а также где купить такой генератор с редуктором.

Информация о шаговом приводе

Униполярный или биполярный шаговый привод (двигатель) – это специальный бесщеточный электрический двигатель постоянного тока, который разделяет полный оборот на несколько равных шагов. Для работы этого прибора необходимы специальная деталь: контроллер шагового двигателя.

Фото — Шаговый двигатель

Поимо магнитных деталей и обмоток, также в нем есть приборная панель (блок управления), сигнализаторы, передатчики.

Фото — Контроллер шагового двигателя

В основном он используется для шлифовального и фрезерного станка, работы различных бытовых устройств, производственных механизмов и транспортных средств.

Видео: шаговые двигатели

Принцип работы

Когда напряжение прикладывается к клеммам, специальные щетки двигателя начинают непрерывно вращаться. Шаговый движок холостого хода является уникальным благодаря своему важному свойству: преобразовывать поступающие входные импульсы (обычно прямоугольной направленности) в предварительно определенное положение приложенного ведущего вала.

Каждый импульс перемещает вал под фиксированным углом. Устройства с таким редуктором максимально эффективны, если имеют несколько электромагнитов зубчатого типа, расположенных вокруг центрального зубчато-образного куска железа. Электромагниты возбуждаются от внешней цепи управления, которую чаще всего представляет микроконтроллер. Чтобы сделать поворот вала двигателя, один электромагнит, к которому прикладывается энергия, как бы притягивает к своей поверхности зубья зубчатого колеса. Когда они выровнены по отношению к ведущему электромагниту, они слегка смещаются к следующей магнитной детали.

Первый электромагнит должен выключиться, а следующий включиться, тогда шестеренка будет вращаться, чтобы выровняться с предыдущим колесом, после чего процесс повторяется необходимое количество раз. Именно эти вращения называются постоянным шагом, скорость вращения двигателя определяется при помощи подсчета количества шагов для полного оборота или (оборотов) двигателя.

Фото — Шаговый двигатель в разборном виде

Схема управления шаговым двигателем имеет следующий вид:

Фото — Управление шаговым двигателем

Фото — Схема управления шаговым двигателем

Фото — Простая схема

Также для контроля работы устройства используется драйвер шагового двигателя. Это необходимо, если Вы будете настраивать мотор для работы станка с ЧПУ, отдельный ветрогенератор или используете его для работы ветряка.

Описание типов шаговых двигателей

Всего существует четыре основных типа шаговых двигателей:

  • С постоянным магнитом
  • Гибридный синхронный шаговый
  • Переменный.

Привод с постоянным магнитом

Устройства с магнитами применяют магнитную деталь в роторе. Они работают на принципе притяжения или отталкивания ротором и статором электромагнитного мотора. Переменно-шаговый двигатель имеет простой ротор из железа и работает на основе фундаментального принципа, по которому минимально допустимое отталкивание происходит с наименьшим зазором, исходя из этого, точки ротора притягиваются к полюсам магнитного статора. Устройства гибридного типа сочетают в себе оба описанных ранее принципа, это самые дорогие приборы.

Фото — Гибридный шаговый двигатель

Шаговые двухфазные двигатели

Самым распространенным типом данных механизмов по праву считается шаговый двухфазный мотор. Этот прибор достаточно простой, чтоб его можно было установить без какого-либо опыта, и довольно сложный, чтобы стоить дороже асинхронного движка.

Пошаговый двухфазный самодельный и купленный двигатель может иметь два основных типа обмотки для электромагнитных катушек: биполярную и униполярную.

Униполярные двигатели

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель оснащен одной обмоткой с центральным магнитным краном, который влияет на каждую фазу. Каждая секция обмотки включается для того, чтобы обеспечивать определенное направление магнитного поля. Поскольку в такой конструкции магнитный полюс может работать без дополнительного переключения, то направления тока, коммутация цепи осуществляются очень просто (например, для стандартного среднемощного двигателя будет достаточно одного транзистора) для каждой обмотки. Как правило, учитывая фазовые переключения: три провода на фазу и шесть для выходного сигнала являются типичными для двухфазного двигателя.

Фото — Чертеж двухфазного электродвигателя

Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления – это очень интересный раздел электротехнических наук. Микроконтроллер двигателя может быть использован для того, чтобы активировать транзистор в нужной (определенной программой) последовательности.

В свою очередь обмотки могут быть подключены путем прикосновения соединительных проводов вместе с постоянными магнитами двигателя. Если клеммы катушки соединятся, вал будет сложно повернуть. Сопротивление между общим проводом и торцом катушки проволоки всегда равняется половине сопротивления между торцами катушек и торцами проводов. Это потому что общий провод всегда длиннее, чем половина, соединяющая катушки.

Биполярный двигатель

Биполярные двигатели оснащены одной фазовой обмоткой. Ток в неё поступает переломным образом при помощи магнитного полюса, поэтому управляющая схема должна быть сложнее, как правило, с соединяющим мостом. Есть два провода на фазу, но они не являются общими. Смешение сигнала шагового двигателя на более высокой частоте, может снижать эффект трения системы.

Фото — Шаговый двухфазный двигатель

Также бывает трехфазный двигатель, у него более узкая область деятельности, такой шаговый механизм используется для фрезерных станков с ЧПУ (которые запускаются с компьютера), автомобилей типа Опель Вектра, Ниссан, Рено, ВАЗ и прочих транспортных средств, где необходимо использование дроссельной заслонке. Также для дисковода и принтера Epson используется шаговый мотор ЕМ-234 (EM-234).

Как подключить шаговый двигатель

Подключение шагового двигателя осуществляется по определенной схеме, в зависимости от того, сколько проводов имеет привод, и как Вы хотите запустить прибор.

Шаговые двигатели могут поставляться с четырьмя, пятью, шестью или восемью проводами. Если двигатель имеет четыре провода, то он может использоваться только с биполярным устройством. Каждая из двух фазных обмоток имеет пару проводов. Используйте метр, чтобы определить пары проводов с непрерывной связью между ними, чтобы подключить драйвер пошагово.

Мощный шести-проводной мотор имеет пару проводов для каждой обмотки и центр-кран для каждой обмотки. Он может быть подключен как к однополярному, так и к биполярному устройству. Используйте измерительный прибор для разделения провода. Для подключения к однополярному устройству можно использовать все шесть проводов. Для биполярного только один конец провода и один центральный кран каждой обмотки.

Пяти-проводной мотор похож на шестипроводной прибор, но центральные клеммы соединены внутри в качестве сплошного кабеля, и выходят к одному проводу. Поэтому отделить обмотки одну от другой практически невозможно без разрывов. Лучшее решение – это определить центр провода и соединять его с прочими проводниками, такой режим не только очень безопасен, но и максимально эффективен. После подключить прибор и проверить его работоспособность.

Фото — Установка шагового двигателя

Технические характеристики

Номинальное напряжение будет производить первичная обмотка при постоянном токе.

Начальная скорость крутящего момента шагового двигателя будет изменяться прямо пропорционально с током. От схемы привода и индуктивности обмоток зависит, как быстро линейный момент понижается на последующих высоких скоростях. Часто шаговые двигатели приспособлены к суровым условиям труда, они имеют IP65 степень защиты.

Часто сравнивают серводвигатель (сервопривод) и шаровую модель, но последние работают гораздо дольше и являются более продуктивными, им реже нужен ремонт. Но привод может пропустить больше вольт. Поэтому сравнивать эти модели нецелесообразно.

Перед тем, как выбрать прибор, нужно знать характеристики самых популярных шаровых двигателей российского производства:

Марка двигателя Шаг, градус Число фаз Крутящий момент, Нт
ШД-1 15 4 40
ДШ-0,04А 22,5 4 100
ДШИ 200 1,8 4 0,25
ДШ-6 18 4 2300

Не менее активно используются ДШР-40 (четырехфазные), NEMA 23, SanyoDenkiSM28, FDD (floppy-disk – флоппи диск), SM-200-0.22, SP-57, STH-39D1112, Purelogic R&D с энкодером. Чтобы подобрать нужный электрический двигатель, Вам нужно просчитать нужные параметры мощности, напряжение и крутящего момента. Чтобы определить эти данные, Вам нужно провести расчет.

Самой явной проблемой при работе шагового двигателя является управление шаговым двигателем без контроллера. Чтобы решить эту незадачу Вам нужно использовать специальный блок логической связи, который поможет управлять устройством без микросхемы контроллера. Но мы советуем разрабатывать систему контроля шагового двигателя именно на контроллере: Attiny2313, AVR-USB-MEGA16 (подсоединяется через usb), CNC-1318, HDD, PLCM-LPT, PIC, CD ULN, Arduino (Арудино) UNO, ATmega8, драйвер l293d.

Фото — Контроллер биполярного шагового двигателя

Обзор цен

Продажа шагового двигателя осуществляется в России, Украине, Беларуси и прочих странах в любом электротехническом магазине, цена зависит от типа прибора, мощности в кВт и его предназначения.

Город Цена на шаговый однополярный двигатель, у.е.
Киев 3500
Москва 3000
Харьков 4000
СПб 3500

Похожие статьи

www.asutpp.ru

Выбор сервопривода

Шаговый электропривод – это исполнительное электромеханическое устройство, предназначенное для осуществления мерного перемещения исполнительного органа какого-либо механизма. В отдельных случаях с помощью шагового привода осуществляют регулирование скорости вращения механизма. Электрический шаговый привод – комплектное устройство, состоящее из шагового двигателя и драйвера шагового привода. Драйвер шагового привода, как правило, является связующим элементом между обмотками шагового двигателя, питающей сетью и контроллером верхнего уровня, который осуществляет управление приводом.

По сравнению с сервоприводами с обратной связью (с энкодерами на вале двигателя) шаговый привод решает ту же задачу позиционирования, однако он более дешевый

Шаговые приводы обладают некоторыми характеристиками, значение и смысл которых представлены ниже.

Шаговый двигатель характеризуется удерживающим моментом (синхронизирующий момент, holding torque). Удерживающий момент – предельный момент в остановившемся состоянии, и протекании номинального тока. При приложении к валу момента равного удерживающему шаговый двигатель перестает работать. Рабочий нагрузочный момент двигателя должен быть, по крайней мере, в 2 – 3 раза меньше значения удерживающего момента.

Уменьшение предельного вращающегося момента в зависимости от скорости. Важная характеристика, учет которой позволяет обеспечить работоспособность шагового привода во всем диапазоне рабочих скоростей. Производитель, как правило, дает зависимость момента на валу шагового двигателя от частоты полных – full (или половинных - half) его шагов. При этом следует помнить, что указывается предельный момент на валу, и что максимальный рабочий нагрузочный момент должен быть в 2 – 3 раза меньше этого предельного значения

Номинальный рабочий ток двигателя. Ток, который может протекать через обмотки шагового двигателя в длительном режиме работы. Этот ток создаёт удерживающий момент, значение которого определено в спецификациях шагового двигателя. Величина тока пропорциональна значению удерживающего момента. Температура корпуса шагового двигателя, при протекании через его обмотки тока с номинальным значением, может достигать температуры 70…80 °C. Этот факт необходимо учитывать в прецизионных системах, когда такой нагрев двигателя может привести к не желаемым температурным деформациям других элементов системы.

Рабочий ток привода в остановленном состоянии. В некоторых драйверах шагового привода имеется настройка этого тока (STOP current) отдельно от настройки рабочего тока в состоянии движения (RUN current). Это сделано для того, чтобы уменьшить тепловые нагрузки на шаговый двигатель в остановленном состоянии, когда уменьшенного тока хватает для того, чтобы обеспечить «стояние» двигателя под нагрузкой. При возобновлении движения ток снова возрастает до уровня рабочего тока.

Количество фаз шагового двигателя. Различают 2-х, 3-х и 5-ти фазные шаговые двигатели. Увеличение количества фаз двигателя улучшает плавность хода привода, и, что особенно важно, подавляет резонансные явления в приводной системе, однако увеличивает стоимость не только двигателя, но и шагового драйвера. Определить количество фаз шагового двигателя возможно по значению полного шага: 0.9° и 1.8° соответствуют 2-х фазному двигателю, 1.2° и 1.5° - трехфазному, 0.72° - пятифазному. Значение полного шага обычно приводится в паспортной табличке двигателя.

Количество выводов обмоток. Для двухфазных шаговых двигателей, как правило, различают – 4-х выводные двигатели, 6-ти выводные и 8 выводные. Наиболее универсальные – это 8-ми выводные двигатели. Если выводы такого двигателя соответствующим образом соединить, то можно получить аналог как 6-ти выводного двигателя, так и 4-х выводного. Более того, полу обмотки 8-ми выводного двигателя можно соединять как последовательно, так и параллельно, и тем самым получать шаговый двигатель либо с большим моментом, либо с большей скоростью вращения. Однако эта универсальность является и недостатком, поскольку имеется вероятность неправильного подключения полу обмоток не совсем опытным пользователем. Большинство недорогих драйверов китайского производства имеют 4-е выходные клеммы для подключения обмоток шаговых двигателей.

Трехфазные двигатели шаговые двигатели имеют либо три вывода, либо шесть. В последнем случае обмотки можно включать по схемам «звезда/треугольник (delta)» изменяя соотношение момент/скорость такого двигателя. Один из наиболее известных производителей, использующий 3-х фазный шаговый привод – Siemens. Однако с драйвером Siemens хорошо работают трехфазные шаговые двигатели китайских производителей.

Пятифазные шаговые двигатели могут иметь либо пять выводов, либо десять. В последнем случае обмотки можно включать по схемам «звезда/пентагон», изменяя соотношение момент/скорость такого двигателя. Пятифазные шаговые приводы широко представлены на российском рынке продукцией южно-корейской фирмы Autonics. Как плавило, данный тип продукции используется в приводных высокоточных системах.

Напряжение электропитания драйвера шагового привода. Различают драйверы шагового привода, которые могут питаться от сети с напряжением 220В переменного тока, так и драйверы с питанием от шин постоянного тока с различной величиной напряжения (наиболее часто используется напряжение 24В). Драйверы с напряжением питания 220В переменного тока – наиболее дорогие, однако, обеспечивают наиболее широкий диапазон скоростей вращения шагового двигателя. Существенный недостаток таких драйверов – они приводят к повышенному нагреву шагового двигателя. Это происходит из-за повышенной пульсации тока в обмотках двигателя. Питание повышенным напряжением постоянного тока (до 80 вольт и более) также приводит к широкому диапазону достигаемых скоростей в приводе, однако требует специального вторичного источника питания для этих целей.

Микрошаг. Режим микрошага (иногда этот режим называют режимом дробления шага двигателя) используют для увеличения плавности хода и уменьшения резонансных явлений приводной шаговой системы (и как следствие этого, увеличения быстродействия). Можно говорить и об увеличении точности позиционирования, но только в том случае, если шаговый двигатель сильно недогружен, практически отсутствует сухое трение, и в кинематической цепочке от вала шагового двигателя до исполнительного органа приводного механизма нет упругих инерционных элементов.

Формат управляющих импульсов. Различают следующие форматы управляющих командных импульсов, поступающих от контролера верхнего уровня на командные входы драйвера шагового привода:

- P/D (pulse/direction, puls/sign, импульс/направление, 1P) – управляющие импульсы представлены двумя последовательностями импульсов, первая из которых задаёт величину перемещения, а вторая определяет направление перемещения;

- CW / CCW (по часовой стрелке / против часовой стрелки, 2P) - управляющие импульсы представлены двумя последовательностями импульсов, первая из которых задаёт величину перемещения при вращении в одну сторону, а вторая - величину перемещения при вращении в другую сторону;

- A&B (A/B, квадратурный формат, мастер-энкодер, две сдвинутых меандры) - управляющие импульсы представлены двумя последовательностями, количество фронтов сигналов в которых задают величину перемещения (иногда количество импульсов только одной из последовательностей задаёт величину перемещения, в этом случае эффекта «учетверения импульсов» не происходит), а опережение фазы одной из последовательностей по сравнению с другой - определяет направление вращения двигателя.

Большинство драйверов шагового привода способны работать с любым из вышеперечисленных форматов командных импульсов. «Вес» каждого управляющего импульса (то есть, величина перемещения вала шагового двигателя от действия одного импульса на командных входах драйвера) определяется коэффициентом дробления шага (величиной микрошага), который устанавливается в драйвере шагового привода либо с помощью микропереключателей, либо путем программирования этого драйвера. Дискрета перемещения зависит не только от коэффициента дробления шага, но и от типа двигателя, величины его полного шага. Например, при величине полного шага 1.8° и коэффициенте дробления шага – 256, при подаче одного управляющего импульса вал двигателя должен повернуться на 25,31 угловые секунды

Максимальная частота командных импульсов. Предельная частота импульсов, до которой драйвер шагового привода способен работать не «проглатывая» их. При этом скорость вращения шагового двигателя не обязательно будет близка к предельным значениям, поскольку эта скорость связана с частотой командных импульсов через коэффициент дробления шага двигателя.

Частота приёмистости (стартовая частота) – это частота подачи управляющих импульсов, соответствующая частоте полных (или половинных) шагов, с которой двигатель может сразу начать движение. В паспортных данных приводится частота приемистости соответствующая «пустому» двигателю, то есть, без нагрузки на вале, в том числе инерционной. При увеличении нагрузки частота приёмистости падает. Определить теоретически, какую частоту можно подавать в качестве стартовой, невозможно. Значение этой частоты для конкретной нагрузки определяется методом «проб и ошибок» при настройке системы.

Режим работы. Различают режимы:

- управления положением;

- регулирования скорости.

Управление положением осуществляется шаговым приводом с помощью управляющих импульсов того или иного формата, поступающих от контроллера верхнего уровня (host controller). Однако некоторые производители шаговых проводов предлагают режим регулирования скорости вращения шагового двигателя. Сигнал задания скорости в этом случае является аналоговым сигналом. Двигатель вращается со скоростью пропорциональной величине аналогового сигнала. Перенастройка величины скорости может осуществляться как в режиме реального времени, так и априори, только до момента пуска привода в работу.

Шаговый привод в режиме регулировки скорости может быть использован, например, как простой привод, вращающий нагрузку с постоянной медленной скоростью, без каких либо дополнительных управляющих устройств верхнего уровня.

Дискретные входы. Эти входы воспринимают 2-х уровневый электрический сигнал. Сигналы позволяют управлять драйвером шагового привода. По умолчанию дискретные входы воспринимают отсутствие сигнала, как неактивный уровень сигнала. С помощью этих входов можно осуществить: пуск привода, сбросить аварийное состояние привода, блокировать действие поступающих командных импульсов, изменить направление вращения двигателя и пр.

Степень защиты корпуса. Определяет защиту корпуса от проникновения внутрь твердых предметов, пыли, а также воды. Защита обозначается двумя цифрами после латинских букв IP. Чем больше цифры, тем сильнее защита. Степень – IP20 говорит о том, что для защиты прибора требуется установка его в шкаф, оболочка последнего обеспечивает защиту приборов от пыли и влаги.

www.shop.zetek.ru

Как работают шаговые двигатели | РОБОТОША

Использование шаговых двигателей является одним из самых простых, дешевых и легких решений для реализации систем точного позиционирования. Эти двигатели очень часто используются в различных станках ЧПУ и роботах. Сегодня я расскажу о том, как устроены шаговые двигатели и как они работают.

   

Что такое шаговый двигатель?

Прежде всего, шаговый двигатель — это двигатель. Это означает, что он преобразует электрическую энергию в механическую. Основное отличие между ним и всеми остальными типами двигателей состоит в способе, благодаря которому происходит вращение. В отличие от других моторов, шаговые двигатели вращаются НЕ непрерывно! Вместо этого, они вращаются шагами (отсюда и их название). Каждый шаг представляет собой часть полного оборота. Эта часть зависит, в основном, от механического устройства мотора и от выбранного способа управления им. Шаговые двигатели также различаются способами питания. В отличие от двигателей переменного или постоянного тока, обычно они управляются импульсами. Каждый импульс преобразуется в градус, на который происходит вращение. Например, 1.8º шаговый двигатель, поворачивает свой вал на 1.8° при каждом поступающем импульсе. Часто, из-за этой характеристики, шаговые двигатели еще называют цифровыми.

 

Основы работы шагового двигателя

Как и все моторы, шаговые двигатели состоят из статора и ротора. На роторе установлены постоянные магниты, а в состав статора входят катушки (обмотки). Шаговый двигатель, в общем случае, выглядит следующим образом:

Здесь мы видим 4 обмотки, расположенные под углом 90° по-отношению друг к другу, размещенные на статоре. Различия в способах подключения обмоток в конечном счете определяют тип подключения шагового двигателя. На рисунке выше, обмотки не соединяются вместе. Мотор по такой схеме имеет шаг поворота равный 90°. Обмотки задействуются по кругу — одна за другой. Направление вращения вала определяется порядком, в котором задействуются обмотки. Ниже показана работа такого мотора. Ток через обмотки протекает с интервалом в 1 секунду. Вал двигателя поворачивается на 90° каждый раз, когда через катушку протекает ток.

 

Режимы управления

Теперь рассмотрим различные способы подачи тока на обмотки и увидим, как в результате вращается вал мотора.

Волновое управление или полношаговое управление одной обмоткой

Этот способ описан выше и называется волновым управлением одной обмоткой. Это означает, что только через одну обмотку протекает электрический ток. Этот способ используется редко. В основном, к нему прибегают в целях снижения энергопотребления. Такой метод позволяет получить менее половины вращающего момента мотора, следовательно, нагрузка мотора не может быть значительной.

 У такого мотора будет 4 шага на оборот, что является номинальным числом шагов.

Полношаговый режим управления

Вторым, и наиболее часто используемым методом, является полношаговый метод. Для реализации этого способа, напряжение на обмотки подается попарно. В зависимости от способа подключения обмоток (последовательно или параллельно), мотору потребуется двойное напряжение или двойной ток для работы по отношению к необходимым при возбуждении одной обмотки. В этом случае мотор будет выдавать 100% номинального вращающего момента.

Такой мотор имеет 4 шага на полный оборот, что и является номинальным числом шагов для него.

Полушаговый режим

Это очень интересный способ получить удвоенную точность системы позиционирования, не меняя при этом ничего в «железе»! Для реализации этого метода, все пары обмоток могут запитываться одновременно, в результате чего, ротор повернется на половину своего нормального шага. Этот метод может быть также реализован с использованием одной или двух обмоток. Ниже показано, как это работает.

Однообмоточный режим

Двухобмоточный режим

Используя этот метод, тот же самый мотор сможет дать удвоенное число шагов на оборот, что означает двойную точность для системы позиционирования. Например, этот мотор даст 8 шагов на оборот!

Режим микрошага

Микрошаговый режим наиболее часто применяемый способ управления шаговыми двигателями на сегодняшний день. Идея микрошага состоит в подаче на обмотки мотора питания не импульсами, а сигнала, по своей форме, напоминающего синусоиду. Такой способ изменения положения при переходе от одного шага к другому позволяет получить более гладкое перемещение, делая шаговые моторы широко используемыми в таких приложениях как системы позиционирования в станках с ЧПУ. Кроме этого, рывки различных деталей, подключенных к мотору, также как и толчки самого мотора значительно снижаются. В режиме микрошага, шаговый мотор может вращаться также плавно как и обычные двигатели постоянного тока.

Форма тока, протекающего через обмотку похожа на синусоиду. Также могут использоваться формы цифровых сигналов. Вот некоторые примеры:

Метод микрошага является в действительности способом питания мотора, а не методом управления обмотками. Следовательно, микрошаг можно использовать и при волновом управлении и в полношаговом режиме управления. Ниже продемонстрирована работа этого метода:

Хотя кажется, что в режиме микрошага шаги становятся больше, но, на самом деле, этого не происходит. Для повышения точности часто используются трапецевидные шестерни. Этот метод используется для обеспечения плавного движения.

 

Типы шаговых двигателей

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Ротор такого мотора несет постоянный магнит в форме диска с двумя или большим количеством полюсов. Работает точно также как описано выше. Обмотки статора будут притягивать или отталкивать постоянный магнит на роторе и создавать тем самым крутящий момент. Ниже представлена схема шагового двигателя с постоянным магнитом.

Обычно, величина шага таких двигателей лежит в диапазоне 45-90°.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

У двигателей этого типа на роторе нет постоянного магнита. Вместо этого, ротор изготавливается из магнитомягкого металла в виде зубчатого диска, типа шестеренки. Статор имеет более четырех обмоток. Обмотки запитываются в противоположных парах и притягивают ротор. Отсутствие постоянного магнита отрицательно влияет на величину крутящего момента, он значительно снижается. Но есть и большой плюс.  У этих двигателей нет стопорящего момента. Стопорящий момент — это вращающий момент, создаваемый постоянными магнитами ротора, которые притягиваются к арматуре статора при отсутствии тока в обмотках. Можно легко понять, что это за момент, если попытаться повернуть рукой отключенный шаговый двигатель с постоянным магнитом. Вы почувствуете различимые щелчки на каждом шаге двигателя. В действительности то, что вы ощутите и будет фиксирующим моментом, который притягивает магниты к арматуре статора. Ниже показана работа шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением.

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют шаг, лежащий в диапазоне 5-15°.

Гибридный шаговый двигатель

Данный тип шаговых моторов получил название «гибридный» из-за того, что сочетает в себе характеристики шаговых двигателей и с постоянными магнитами и с переменным магнитным сопротивлением. Они обладают отличными удерживающим и динамическим крутящим моментами, а также очень маленькую величину шага, лежащую в пределах 0.9-5°, обеспечивая великолепную точность. Их механические части могут вращаться с большими скоростями, чем другие типы шаговых моторов. Этот тип двигателей используется в станках ЧПУ high-end класса и в роботах. Главный их недостаток — высокая стоимость.

Обычный мотор с 200 шагами на оборот будет иметь 50 положительных и 50 отрицательных полюсов с 8-ю обмотками (4-мя парами). Из-за того, что такой магнит нельзя произвести, было найдено элегантное решение. Берется два отдельных 50-зубых диска. Также используется цилиндрический постоянный магнит. Диски привариваются один с положительному, другой к отрицательному полюсам постоянного магнита. Таким образом, один диск имеет положительный полюс на своих зубьях, другой — отрицательный.

Два 50-зубых диска помещены сверху и снизу постоянного магнита

Фокус в том, что диски размещаются таким образом, что если посмотреть на них сверху, то они выглядят как один 100-зубый диск! Возвышения на одном диске совмещаются со впадинами на другом.

Впадины на одном диске выровнены с возвышениями на другом

Ниже показана работа гибридного шагового двигателя, имеющего 75 шагов на оборот (1.5° на шаг). Стоит заметить, что 6 обмоток спарены, каждая имеет обмотку с противоположной стороны. Вы наверняка ожидали, что катушки расположены под углом в 60° следом друг за другом, но, на самом деле, это не так. Если предположить, что первая пара — это самая верхняя и самая нижняя катушки, тогда вторая пара смещена под углом 60+5° по отношению к первой, и третья смещена на 60+5° по отношению ко второй. Угловая разница и является причиной вращения мотора. Режимы управления с полным и половинным шагом могут использоваться, впрочем как и волновое управление для снижения энергопотребления. Ниже продемонстрировано полношаговое управление. В полушаговом режиме, число шагов увеличится до 150!

Не пытайтесь следовать за обмотками, чтобы понаблюдать, как это работает. Просто сфокусируйтесь на одной обмотке и ждите.  Вы заметите, что всякий раз, когда обмотка задействована, есть 3 положительных полюса (красный) в 5° позади, которые притягиваются по направлению вращения и другие 3 отрицательных полюса (синий) в 5° впереди, которые толкаются в направлении вращения. Задействованная обмотка всегда находится между положительным и отрицательным полюсами.

 

Подключение обмоток

Шаговые двигатели относятся к многофазным моторам. Больше обмоток, значит, больше фаз. Больше фаз, более гладкая работа мотора и более выокая стоимость. Крутящий момент не связан с числом фаз. Наибольшее распространение получили двухфазные двигатели. Это минимальное количество необходимых для того, чтобы шаговый мотор функционировал. Здесь необходимо понять, что число фаз не обязательно определяет число обмоток. Например, если каждая фаза имеет 2 пары обмоток и мотор является двухфазным, то количество обмоток будет равно 8. Это определяет только механические характеристики мотора. Для упрощения, я рассмотрю простейший двухфазный двигатель с одной парой обмоток на фазу.

Существует три различных типа подключения для двухфазных шаговых двигателей. Обмотки соединяются между собой, и, в зависимости от подключения, используется различное число проводов для подключения мотора к контроллеру.

Биполярный двигатель

Это наиболее простая конфигурация. Используются 4 провода для подключения мотора к контроллеру. Обмотки соединяются внутри последовательно или параллельно. Пример биполярного двигателя:

Мотор имеет 4 клеммы. Два желтых терминала (цвета не соответствуют стандартным!) питают вертикальную обмотку, два розовых — горизонтальную обмотку. Проблема такой конфигурации состоит в том, что если кто-то захочет изменить магнитную полярность, то единственным способом будет изменение направления электрического тока. Это означает, что схема драйвера усложнится, например это будет H-мост.

Униполярный двигатель

В униполярном двигателе общий провод подключен к точке, где две обмотки соединены вместе:

Используя этот общий провод, можно легко изменить магнитные полюса. Предположим, например, что мы подключили общий провод к земле. Запитав сначала один вывод обмотки, а затем другой — мы изменяем магнитные полюса. Это означает, что схема для использования биполярного двигателя очень простая, как правило, состоит только из двух транзисторов на фазу. Основным недостатком является то, что каждый раз, используется только половина доступных катушечных обмоток. Это как при волновом управлении двигателем с возбуждением одной обмотки. Таким образом, крутящий момент всегда составляет около половины крутящего момента, который мог быть получен, если бы обе катушки были задействованы. Другими словами, униполярные электродвигатели должны быть в два раза более габаритными, по сравнению с биполярным двигателем, чтобы обеспечить такой же крутящий момент. Однополярный двигатель может использоваться как биполярный двигатель. Для этого нужно оставить общий провод неподключенным.

Униполярные двигатели могут иметь 5 или 6 выводов для подключения. На рисунке выше продемонстрирован униполярный мотор с 6 выводами. Существуют двигатели, в которых два общих провода соединены внутри. В этом случае, мотор имеет 5 клемм для подключения.

8-выводной шаговый двигатель

Это наиболее гибкий шаговый мотор в плане подключения. Все обмотки имеют выводы с двух сторон:

Этот двигатель может быть подключен любым из возможных способов. Он может быть подключен как:

  • 5 или 6-выводной униполярный,
  • биполярный с последовательно соединенными обмотками,
  • биполярный с параллельно соединенными обмотками,
  • биполярный с одним подключением на фазу для приложений с малым потреблением тока

 

Еще по этой теме

Вы можете пропустить чтение записи и оставить комментарий. Размещение ссылок запрещено.

robotosha.ru

шаговый привод - это... Что такое шаговый привод?

 шаговый привод
  1. step drive

 

шаговый привод —[Я.Н.Лугинский, М.С.Фези-Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо-русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.]

Тематики

  • электротехника, основные понятия

EN

Русско-английский словарь нормативно-технической терминологии. academic.ru. 2015.

  • шаговый потенциал
  • шаговый регулятор

Смотреть что такое "шаговый привод" в других словарях:

  • шаговый привод — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN step drive …   Справочник технического переводчика

  • шаговый привод — žingsninė pavara statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. step drive vok. Schrittantrieb, m rus. шаговый привод, m pranc. commande pas à pas, f …   Automatikos terminų žodynas

  • Шаговый электродвигатель — Шаговый электродвигатель  это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные… …   Википедия

  • Шаговый двигатель — Шаговый электродвигатель это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток подаваемый в одну из обмоток статора вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые… …   Википедия

  • привод — машины; привод Система, состоящая из двигателя и связанных с ним устройств для приведения в движение одного или нескольких твердых тел, входящих в состав машины. привод робота; привод Часть исполнительного устройства робота, предназначенная для… …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • шаговый искатель — Электромеханический искатель с индивидуальным приводом, контактные щетки которого совершают вращательное движение от выхода к выходу при каждом внешнем воздействии на его электромагнитный привод. [ГОСТ 19472 88] шаговый искатель [Я.Н.Лугинский, М …   Справочник технического переводчика

  • привод робота — привод робота; привод Часть исполнительного устройства робота, предназначенная для приведения в движение его звеньев и функциональных элементов. Примечание. Приводы робота различают: по способу преобразования энергии любого вида в механическую… …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • Шаговый искатель — 129 . Шаговый искатель Step by step selector Электромеханический искатель с индивидуальным приводом, контактные щетки которого совершают вращательное движение от выхода к выходу при каждом внешнем воздействии на его электромагнитный привод… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • ШП — шаговый привод шар пилот шибер прямой штепсель прямой шумопеленгатор …   Словарь сокращений русского языка

  • Schrittantrieb — žingsninė pavara statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. step drive vok. Schrittantrieb, m rus. шаговый привод, m pranc. commande pas à pas, f …   Automatikos terminų žodynas

  • commande pas à pas — žingsninė pavara statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. step drive vok. Schrittantrieb, m rus. шаговый привод, m pranc. commande pas à pas, f …   Automatikos terminų žodynas

normative_ru_en.academic.ru

6.3. Электропривод с шаговыми двигателями

Исполнительные органы ряда рабочих машин должны совершать строго дозированные перемещения с фиксацией своего положения в конце движения. В электроприводах таких машин и механизмов успешно применяются шаговые двигатели (ШД) различных типов, образующие основу дискретного электропривода.

Широкое распространение дискретного электропривода определяется еще и тем обстоятельством, что он естественным образом сочетается с цифровыми управляющими машинами и программными устройствами, которые все шире применяются во многих отраслях техники. Например, дискретный электропривод широко используется для металлообрабатывающих станков с числовым программным управлением (ЧПУ), а также для роботов и манипуляторов.

Шаговый двигатель по принципу своего действия является синхронным двигателем. Однако в отличие от последнего магнитное поле ШД перемещается (вращается) в воздушном зазоре не непрерывно, а дискретно, шагами. Это достигается за счет импульсного возбуждения обмоток ШД с помощью электронного коммутатора, который преобразует одноканальную последовательность управляющих импульсов в многофазную систему напряжений, прикладываемых к обмоткам (фазам) ШД.

Ступенчатому характеру изменения напряжения на фазах ШД соответствует дискретное вращение (перемещение) электромагнитного поля в его воздушном зазоре, вследствие чего движение ротора состоит из последовательных элементарных поворотов или шагов, совершаемых по апериодическому или колебательному закону.

а)ПринципдействияиосновныесвойстваШД

Принцип получения дискретного перемещения ротора рассмотрим на примере простейшей схемы двухфазного ШД, изображенной на рис. 6.3.

Шаговый двигатель имеет на статоре две пары явно выраженных полюсов, на которых находятся обмотки возбуждения (управления): обмотка Iс выводами1Н–1K. и вторая обмоткаIIс выводами2Н–2K. Каждая из обмоток состоит из двух частей, находящихся на противоположных полюсах ШД.

Питание обмоток ШД осуществляется, как правило, импульсами напряжения прямоугольной формы, поступающими с электронного коммутатора, входящего в состав схемы управления ШД Коммутатор и ШД образуют основную силовую часть шагового привода. Ротор ШД в рассматриваемой схеме представляет собой двухполюсный постоянный магнит, расположенный на валу двигателя внутри статора.

Рассмотрим работу ШД, предположив, что в начальный момент напряжение подано на обмотку I. Прохождение тока по этой обмотке вызовет появление магнитного поля статора с вертикально расположенными полюсамиN–S. В результате взаимодействия поля с постоянным магнитом ротора последний займет указанное на рис. 6.3,аравновесное положение, в котором оси магнитных полей статора и ротора совпадают. Положение будет устойчивым, поскольку при отклонении от него на ротор будет действовать вращающий момент (обычно называемый синхронизирующим), который стремится вернуть ротор в. положение равновесия. Этот момент определяется по формуле

(6.2)

где – угол между осями магнитных полей статора и ротора;Mmax– максимальный момент.

Допустим, что с помощью схемы управления напряжение снимается с обмотки Iи подается на обмоткуII. В этом случае образуется магнитное поле статора с горизонтальными полюсами (рис. 6.3,б), т. е. магнитное поле статора дискретно совершило поворот на четверть окружности статора. При этом между осями статора и ротора появится угол рассогласования=90° и на ротор будет действовать в соответствии с формулой (6.2) максимальный вращающий моментМ=Мтах. Под его действием ротор повернется на четверть окружности статора и займет новое устойчивое равновесное положение, показанное сплошной линией на рис. 6.3,б. Таким образом, вслед за шаговым перемещением поля статора совершит такое же шаговое перемещение и ротор двигателя.

Предположим, что отключилась обмотка IIи вновь подано питание на обмоткуI, но с противоположной по сравнению с рис. 6.3,аполярностью напряжения. Магнитное поле статора опять будет иметь вертикально расположенные полюсы, но другой по сравнению с рис. 6.3,аполярности. Это означает, что поле совершит еще один шаг на четверть окружности. Снова на ротор будет действовать синхронизирующий момент, который повернет его в положение, показанное на рис. 6.3,в. Следующий шаг в том же направлении ротор может совершить, если будет отключена обмоткаIи подключена обмоткаIIс обратной полярностью напряжения. И, наконец, ротор завершит полный оборот при снятии напряжения с обмоткиIIи подаче напряжения на обмоткуI.

Кроме рассмотренного способа коммутации обмоток двигателя, обеспечивающего шаговое перемещение ротора на 90°, существует другой способ, позволяющий при той же конструкции ШД уменьшить размер шага ротора вдвое.

Допустим, что исходное положение ШД соответствует схеме, показанной на рис. 6.3, а. Подключим обмотку IIс полярностью, соответствующей магнитному полю рис. 6.3,б, не отключая обмоткуI. При этом образуется вторая, горизонтальная система полюсов и магнитное поле будет складываться из магнитных полей горизонтальных и вертикальных полюсов. Ось такого результирующего поля будет располагаться между полюсами с одинаковой полярностью, как это показано на рис. 6.3,г, т. е. ось магнитного поля совершит поворот на 45°. Поэтому ротор при таком порядке возбуждения обмоток ШД повернется токе на 45, а не на 90°, как было ранее.

Для совершения следующего шага достаточно снять напряжение с обмотки I, в результате чего магнитное поле будет соответствовать схеме рис. 6.3,б. Следующее перемещение магнитного ноля и ротора на 45° совершится при возбуждении обмоткиIбез отключения обмоткиIIи т. д. Схема коммутации, при которой подключаются поочередно одна или две обмотки, называется несимметричной в отличие от рассмотренной вначале симметричной схемы.

Угловое перемещение ШД в общем случае определяется выражением

(6.3)

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

Шаговое перемещение ротора осуществляется с помощью последовательности управляющих импульсов, при этом каждому импульсу соответствуют одно переключение обмоток ШД (один такт коммутации) и один шаг ротора. Суммарный угол поворота ШД пропорционален числу импульсов, а его скорость – частоте импульсов. Амплитуда и форма импульсов могут изменяться в определенных пределах, не нарушая нормальной работы шагового привода.

Шаговый двигатель может легко изменять направление своего движения (реверсироваться). Для реверса ШД, например, при симметричной схеме коммутации необходимо включить на обратную полярность напряжения обмотку, которая была отключена на данном такте коммутации. Тогда ротор ШД совершит шаг в противоположном направлении.

Основным режимом работы 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 электроприводе 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 нудя, а реверс – изменением последовательности коммутации обмоток ШД.

На рис. 6.4 показаны примеры переходных процессов в шаговом электроприводе при отработке им серии импульсов управления, где (– полный угол поворота вала ШД, а– единичный угол поворота (единичный шаг).

Переходные режимы для ШД сложны и ответственны, так как вследствие электромагнитной инерции обмоток ШД, механической инерции его ротора и момента нагрузки на валу при резких изменениях частоты следования импульсов управления ротор ШД может не успеть отработать полностью все импульсы, поступившие на вход шагового привода. 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 его нагрузки, тем меньше частота приемистости.

Современные ШД различны по конструктивному исполнению. В зависимости от числа фаз ШД и устройства магнитной системы ШД бывают однофазными, двухфазными и многофазными с активным или пассивным ротором.

Активный ротор у ШД выполняется из постоянных магнитов или снабжается обмоткой возбуждения, как у обычных СД. Вследствие высокой экономичности и надежности в работе, технологичности изготовления, небольших габаритов и массы широкое распространение получили ШД с ротором из постоянных магнитов, называемые магнитоэлектрическими шаговыми двигателями (см. рис. 6.3). Обычно ШД с активным ротором имеют крупный шаг ротора – от 90 до 15° в связи с трудностями изготовления активного ротора с малыми полюсными делениями. Для уменьшения шага в таких ШД увеличивают число фаз и тактов коммутации, а также используют двухстаторную или двухроторную конструкцию.

Максимальная скорость ШД с активным ротором составляет 208 – 314 рад/с, частота приемистости от 70 до 500 Гц, номинальные вращающие моменты от 10Ю-6до 1010-3Нм.

Промышленность выпускает несколько серий шаговых магнитоэлектрических двигателей четырехфазные ШДА, двух- и четырехфазные ШД и ДШ-А, четырехфазные ШДА-3 и др.

При необходимости получения небольших единичных перемещений ротора и в то же время больших частот приемистости используются ШД с пассивным ротором, которые делятся на реактивные и индукторные. Работа таких ШД основана на взаимодействии магнитного поля и ферромагнитного тела. Статор и ротор реактивного ШД имеют явно выраженные полюсы, называемые обычно зубцами. На зубцах статора размещаются обмотки возбуждения, питаемые от электронного коммутатора. Ротор ШД выполнен из ферромагнитного материала и не имеет обмоток возбуждения, вследствие чего и назван пассивным.

Отличительная особенность реактивного ШД заключается в неравенстве числа зубцов статора zcи ротораzр, причем обычноzc>zр. Вследствие такой конструкции при каждом переключении обмоток статора ротор совершает поворот (шаг), равный разности полюсных делений статораси роторар, а именно:

(6.4)

Уменьшив разность чисел зубцов zpиzс, можно снизить шаг ротора. Практически эту разность выбирают четной, что улучшает использование ШД. Для уменьшения шага полюсы статора выполняют с несколькими зубцами.

Реактивные ШД при простоте и технологичности конструкции, малых размерах шагов и скорости ротора имеют существенный недостаток – незначительные мощность и синхронизирующий момент, что ограничивает их применение. Этот недостаток отсутствует в индукторных ШД, в которых для увеличения синхронизирующего момента ротор подмагничивается со стороны статора с помощью постоянных магнитов или дополнительной обмотки возбуждения.

Электропромышленностью выпускается несколько серий ШД с пассивным ротором (Ш, ШДР, ШД, РШД), имеющих шаг от 1,5 до 9°, вращающие моменты от 2,510-6до 1010-3Нм и частоту приемистости от 250 до 1200 Гц.

Развитие дискретного электропривода привело к созданию специальных видов ШД – линейных, волновых, с малоинерционным и катящимся роторами.

На базе цилиндрических линейных ШД созданы двухкоординатные линейно-поворотные ШД, суммирующие на своем валу два независимых движения – вращательное и поступательное. Линейно-поворотные ШД типов ДШЛ-8 и ДШЛ-9 обеспечивают шаг поворота в 1° и шаг поступательного перемещения от 0,011 до 1,2510-3 м,полные перемещения до 5010-3м, моменты до 0,16 Нм и усилия до 36 Н.

Важным достижением в области дискретного электропривода является создание так называемых многокоординатных ШД, осуществляющих перемещение исполнительных органов по всем трем координатам пространства. Двигатели такого рода, отличаясь высокой точностью и скоростью позиционирования, используются в приводах манипуляторов, роботов и автоматических линиях станков. Современный дискретный электропривод способен (в пределах небольших мощностей) обеспечить разнообразные виды движения исполнительных органов рабочих машин и механизмов.

б)Схемыуправлениядискретнымэлектроприводом

Управление движением ШД осуществляется подачей на обмотки возбуждения статора определенной последовательности импульсов напряжения. Средняя скорость ШД определяется выражением

(6.5)

где – шаг двигателя, рад;fк– частота коммутации обмоток, 1/с.

Управление ШД обеспечивается силовым электронным коммутатором, частота выходного напряжения которого (частота коммутации фаз ШД), задаваемая частотой входного управляющего сигнала, меняется в широких пределах. По существу своей работы такой коммутатор является ПЧ, а сам дискретный электропривод представляет собой систему с частотным управлением СД.

Современные схемы управления ШД состоят из нескольких функциональных блоков, выполняемых по различным схемам и с использованием разнообразных элементов и устройств, главным образом полупроводниковых. Стремление расширить области применения дискретного привода, повысить качество и точность его движения, надежность, удобство и простоту в наладке и эксплуатации отразилось в унификации схем управления ШД.

Функциональная схема дискретного привода показана на рис. 6.5. Основная ее часть, обычно называемая разомкнутой схемой дискретного электропривода, на рисунке выделена штриховой линией, содержит формирователь импульсов ФИ, распределитель импульсов РИ, промежуточный усилительПУ, коммутатор K(ПЧ) и блок питания элементов приводаБП. Рассмотрим кратко назначение элементов и принцип действия этой схемы применительно к четырехфазному ШД, который в настоящее время получил наибольшее распространение среди других типовШД.

Сигнал управления fув виде импульсов напряжения поступает на входФИот программного или другого внешнего командного устройства. БлокФИвидоизменяет входные импульсы, формируя их по длительности и амплитуде, как необходимо для нормальной работы последующего блока схемы управленияРИ. Распределитель импульсовРИпреобразует последовательность сформированныхФИимпульсов в четырехфазную систему однополярных импульсов напряжения, соответствующую числу фаз (обмоток) двигателя.

Импульсы с выхода РИусиливаются с помощью промежуточного усилителяПУи поступают на коммутатор, питающий обмотки ШД. В коммутатореKони обеспечивают управление силовыми элементами усилителя (транзисторами), работающими в режиме ключа (для ШД небольшой мощности), или тиристорами (для силовых ШД). ОбычноKпитается от источника постоянного тока (выпрямителей) и обеспечивает в обмотках ШД пульсирующий ток одного направления.

Рассмотрим схему (рис. 6.6) тиристорного коммутатора K, управляющего обмотками управления ШДОУ1–ОУ4. Основная часть схемы образована тиристорамиVS1–VS4, обеспечивающими парную коммутацию обмоток ШД, при которой в каждый момент времени включены две фазы (обмотки) из четырех. ТиристорыVS1иVS3,VS2 иVS4образуют схемы двух триггеров, в которых переключение тиристоров производится с помощью колебательных контуровLк–Ски диодовVD1иVD2. Принцип действия схемы поясним на примере работы триггера на тиристорахVS1–VS3.

Допустим, что в исходном положении тиристор VS1открыт и по обмоткеОУ1проходит ток, а тиристорVS3закрыт. КонденсаторСкпри этом заряжается с «+» на правой обкладке, как это показано на рисунке сплошными линиями. Если подать импульс управления наVS3, он откроется и по обмоткеОУ3начнет проходить ток. Одновременно по цепиVS3–VD3–VD1начнется быстрый перезаряд конденсатораСк, в процессе которого потенциал катодаVS1становится более положительным, чем потенциал его анода, ток через него будет уменьшаться и тиристорVS1закроется. К концу перезаряда конденсатора плюсовой станет его левая обкладка (пунктир на рисунке) и триггер готов к новому переключению, которое произойдет при снятии импульса управления сVS3и его подаче вновь наVS1. Таким образом, тиристоры в схеме триггера работают попеременно.

Аналогично работает триггер на тиристорах VS2иVS4. Для обеспечения вращения ШД одного направления тиристоры переключают в последовательностиVS1иVS2VS2иVS3VS3иVS4VS4и VSI-VS1иVS2, а для противоположного направления вращения – в последовательностиVS1иVS2VS1иVS4VS4иVS3VS3иVS2VS2иVS1и т. д.

Для снятия перенапряжений с обмоток ШД в период их коммутации параллельно этим обмоткам включены цепочки из последовательно включенных резистораRи диодаVD3.

Рассмотренная разомкнутая схема управления ШД не всегда обеспечивает высокие динамические свойства, точность и энергетические показатели дискретного привода. Поэтому современные схемы управления ШД содержат дополнительные блоки и устройства, с помощью которых характеристики электропривода улучшаются. К таким блокам (см. рис. 6.5) относятся частотно импульсный регулятор напряжения ЧИРН, усилитель обратной связи по токуУОС, блок электронного дробления шагаБЭДШ, блок плавного разгона и торможенияБПРТ(задатчик интенсивности), датчик положения и скоростиДПи цифровой регуляторЦР.

Блок ЧИРНсовместно с УОС служит для автоматической стабилизации тока в обмотках ШД и поддержания момента ШД, что существенно улучшает энергетические показатели его работы. Стабилизация тока осуществляется введением отрицательной обратной связи по току, сигнал которой снимается с резистораRо,с(см рис. 6.6), включенного в общую шину питания обмоток ШД. Разность сигналовUо,си задающегоUз, образует сигнал управления, который поступает на входУОС. С помощью этого сигнала за счет изменения частоты переключенияЧИРН(частотно-импульсная модуляция) изменяется среднее значение напряжения питания и тем самым регулируется ток в обмотках ШД.

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

Расширение динамических свойств дискретного электропривода, в частности увеличение диапазона рабочих частот входного сигнала, значительно превышающих частоту приемистости ШД, может быть достигнуто введением в схему блока БПРТ, обеспечивающего разгон и торможение ШД с заданным темпом, при котором еще не происходит пропуска управляющих импульсов. При использованииБПРТобласть рабочих частот шагового электропривода может быть расширена в 2–3 раза.

Возможности дискретного электропривода расширяются при создании замкнутых структур схем управления, выполняемых с помощью показанных блоков ДПиЦР(см. рис. 6.5). В таком дискретном приводе информация о действительном положении вала и скорости ШД поступает на вход цифрового регулятораЦР, который обеспечивает заданные движения привода.

Область применения дискретного привода очень широкая. Его используют в механизмах подачи станков, газорезательных и сварочных автоматах, приборах времени, нажимных устройствах прокатных станов, лентопротяжных и регистрирующих устройствах, а также для роботов и манипуляторов, в медицинской технике, для производства элементов микроэлектроники и т. д.

studfiles.net

Шаговый привод - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Шаговый привод

Cтраница 2

При воспроизведении программы включается шаговый привод барабана. Сигнал датчика обратной связи суммируется с сигналом, поступающим с командного потенциометра, и суммарный сигнал поступает на управление приводом руки.  [17]

В тех случаях, когда шаговый привод работает в повторно-кратковременных или кратковременных режимах, может оказаться целесообразным отключать напряжение питания или уменьшать ток в обмотках ШД в режиме стоянки. Рассмотренные схемы позволяют легко осуществить эти операции.  [18]

Правка шлифовального круга производится прибором, имеющим шаговый привод перемещения пиноли ( координата U) от шагового двигателя ШДи, на валу которого закреплен червяк 22, сцепленный с червячным колесом 2 25, вращающим шариковый ходовой винт с шагом 6 мм. Поворот ШДи яа 1 5 соответствует приращению координаты U на 2 мкм.  [19]

СЧПУ для привода подач используют ступенчатый привод, шаговый привод, следящий привод и следяще-регулируемый привод.  [20]

ШД протекает непрерывный ток, R const и шаговый привод с нереверсивным усилителем можно считать подключенным к сети неограниченной мощности с несину-содиальным напряжением.  [22]

Распространенным приводом подач в токарных станках с ЧПУ является шаговый привод от специального электродвигателя с гидроусилителем или без последнего.  [23]

В качестве системы управления использована системы Контур 4МИ и шаговый привод, состоящий из шагового двигателя, насосной станции, золотника управления, гидроусилителя момента, беззазорного редуктора и шариковой пары винт-гайка. Сигналы считываются с магнитной ленты и поступают в ШД, который через гидроусилитель и редуктор вращает ходовой винт. Система ЧПУ предусматривает возможность одновременного управления по трем координатам. Возврат рабочих узлов в исходное ( нулевое) положение осуществляется от устройства с фотодатчиком.  [25]

Верхний транспортер / производит перемещение вентилей для их обработки и имеет шаговый привод с подпружиненными собачками; нижний транспортер 4 также шаговый, с подпружиненными собачками. Спутник поворачивается в промежуточной позиции линий посредством поворотного приспособления 2, которое производит опускание вниз, поворот по часовой стрелке, подъем и поворот против часовой стрелки. Столик опускается на уровень нижнего транспортера, и спутник переносится к началу рабочего транспортера по нижней транспортной ветке, в конце которой он подъемным устройством 5 поднимается на уровень верхнего рабочего транспортера.  [26]

В системе, показанной на рис. 1 - 10 а, шаговый привод выполняет общую функцию дискретного слежения за информационным процессом, а гидроусилитель момента осуществляет непрерывное слежение за механическим движением вала ШД. Дискретное слежение представляет более сложную задачу, чем непрерывное, потому что изменения направления перемещений и преобразования цифрового кода в унитарный сопровождаются мгновенными девиациями частот, поступающих на вход шагового привода. Не менее важной задачей в разомкнутой системе является и надежная передача импульсных сигналов. Выполнение этих задач достигается предельно возможным расширением диапазона рабочих частот и уменьшением дискретности шагового привода. Для этого применяют шаговые двигатели с большим числом фаз ( до пяти), блоки управления с многотактны-ми электронными коммутаторами и значительным форсированием электромагнитных переходных процессов. Снижение виутреннего демпфирования ШД за счет фор-сировки компенсируется включением внешних инерционных или масляных демпферов. Это уменьшает колебания скорости ШД и обеспечивает его устойчивую работу в зонах электромеханического резонанса.  [27]

В последние годы все большее применение в станках с ЧПУ находи шаговый привод подач, основным достоинством которого является возможность построения сис темы управления по разомкнутому циклу без внешней обратной связи.  [28]

В станках с программным управлением, в том числе в токарных, шаговый привод применяется широко. Имеются две модификации шагового привода: электрогидравлический и электрический.  [30]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

Следящий шаговый электропривод. Особенности шагового привода САУ

Глава 7. Следящий шаговый электропривод

§ 7.1. Введение. Общие положения

Шаговый электропривод широко применяется в современных автоматизированных системах как элемент, наиболее удачно сочетающийся с ЭВМ. К таким системам относятся станки с программным управлением, бортовая аппаратура летательных аппаратов авиации, ракетной и космической техники, различного рода комплексы автоматизации технологических процессов и т.д.

Системы с шаговым приводом при дискретном управлении от ЭВМ более компактны, надежны и точны. Процесс замены обычных исполнительных механизмов в цифровых системах управления шаговыми двигателями (ШД) обусловлен также устойчивой работой последних при воздействии неблагоприятных климатических факторов, механических перегрузок и других возмущающих воздействиях.

Широкое распространение в следящих системах получил шаговый электропривод (Рис. 7.1 а), в котором выходная величина определяется только частотой и числом импульсных посылок на входе. Для обеспечения устойчивого движения и сохранения полученной информации в таком приводе статическая и динамическая ошибки ограничиваются значениями, зависящими от цены шага и числа тактов коммутации двигателя.

Ошибки, возникающие в разомкнутом шаговом приводе, т.е. колебания при пуске, торможении реверсе, резонансах определены и не поддаются управлению. Поэтому, качеством движения "в малом" не интересуются, рассматривая только усредненное синхронное слежение за поступающей информацией.

При этом быстродействие привода снижается, причем частота переключений обмоток двигателя составляет 0,3¸0,4 частоты приемистости двигателя. Добротность по скорости следящего контура шагового привода при условии безинерционности входящих в него элементов может быть определена по выражению , где a0 – шаг двигателя, fп – частота приемистости ШД, Da – динамическая ошибка, q – коэффициент связи между fп и его частотой реверса.

Общая тенденция повышения требований к точности и скорости следящих систем привела к разработке как новых методов управления шаговыми двигателями, так и структур, реализующих эти методы.

Шаговый привод с малым потреблением энергии в варианте с разомкнутой структурой (двигатель и коммутатор) обеспечивает достаточную скорость отработки в следящем режиме и приемлемую дискретность в режиме позиционирования. Однако, поиски разрешения противоречия между повышенной дискретностью и большой скоростью исполнительного вала привели к разработке метода электрического дробления шага ШД. Электрическая редукция шага ШД позволяет повысить точность позиционирования системы. Повышение добротности следящего контура шагового привода, которое достигается увеличением предельной скорости вращения двигателя или уменьшением его динамической ошибки, осуществляется применением так называемого локально-замкнутого электропривода с датчиком шагов (ДШ) на валу, выход которого подключается на вход коммутатора двигателя. При наличии внешнего сигнала двигатель начинает вращаться под действием продвигающих импульсов с датчика, ускоряясь как машина постоянного тока. В этом режиме устраняются ограничения по динамической ошибке, что позволяет формировать траекторию движения по оптимальному закону, так как положение ротора в поле статора постоянно контролируется, и поле статора переключается таким образом, что энергия, воздействующая на ротор, все время максимальна.

Повышения добротности следящего контура можно достичь и с помощью программного частотного разгона двигателя до рабочих частот, превышающих частоту приемистости, а также применением искусственного дробления шагового двигателя.

С другой стороны, повышение показателей, связанных с точностью и быстродействием, может осуществляться с помощью методов оптимального управления. Задача оптимального управления шаговым приводом по реализуемому диапазону скоростей, устойчивости к качеству движения, с учетом режимов работы следящих систем, а также режимов работы самого привода является очень сложной и ее решение в плане технического выполнения диктует применение методов квазиоптимального управления и соответствующих устройств, реализующих эти методы. В зависимости от назначения следящей системы требования к приводу могут изменяться в широком диапазоне. При выборе типа привода очень важно исходить из того, чтобы требуемые показатели качества системы достигались при наиболее простой структурной реализации привода.

По закону регулирования все шаговые следящие системы можно разделить на релейные, пропорциональные и оптимальные по быстродействию. Релейные и пропорциональные законы регулирования могут быть реализованы как при использовании в следящей системе разомкнутого, так и локально-замкнутого шагового привода. Оптимальная по быстродействию система использует контроль по скорости ротора двигателя, поэтому может быть реализована только с локально-замкнутым приводом.

vunivere.ru


Смотрите также