06_эпла_шаг_C

Раздел 6. Шаговый электропривод
6.1. Определение
Шаговый электропривод – электропривод, в котором источником механической энергии является
шаговый двигатель [БЭС].
Шаговыми называют двигатели, преобразующие сигнал управления (команду, заданную в виде
импульсов), в угловое (или линейное) перемещение (шаги) ротора с фиксацией его в заданном
положении без устройств обратной связи [2].
Особенность ШД: отсутствие обратной связи.
По принципу действия шаговый двигатель относится к двигателям синхронного типа: в нем
существует связь между положением равновесия неподвижного ротора двигателя и вектором
магнитного поля статора [4].
6.2. Основные элементы шагового двигателя
- бесконтактная синхронная машина; на её обмотки подаются прямоугольные импульсы
напряжения;
- электронный коммутатор, подключающий обмотки ШД к источнику в определенной
последовательности и с требуемой частотой.
6.3. Классификация
По структурной схеме
- разомкнутый ШД;
Классический вариант ШД. Именно этот вариант зафиксирован в данном нами определении. Мы
будем рассматривать именно его.
- замкнутый следящий ШД;
В замкнутом по положению следящем шаговом ЭП можно получить большую скорость отработки
сигнала. При такой структуре исключена потеря шага.
По типу движения
- ШД вращательного движения;
- линейный шаговый двигатель:
Преобразует импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. То же самое можно
было бы сделать с помощью ШД вращательного движения и механической передачи с
преобразователем вращательного движения в поступательное. В случае линейного ШД упрощается
кинематическая схема электропривода.
В рамках данного курса мы будем рассматривать ШД вращательного движения.
По типу ЭМ
- ШД с постоянными магнитами (ШД активного типа [9]);
- реактивные ШД; другое название – двигатели с переменным магнитным сопротивлением [4];
- гибридные двигатели (индукторные машины с кольцевыми ПМ).
Определить тип двигателя (не только шагового) можно, прокрутив вручную вал обесточенного
двигателя: у двигателей с постоянными магнитами (или гибридного) чувствуется переменное
сопротивление вращению, двигатель вращается как бы щелчками. В то же время вал обесточенного
двигателя с переменным магнитным сопротивлением вращается свободно [4].
По виду питания обмоток
- биполярные (а);
- униполярные (б).
Рис 1. Виды питания обмоток ШД
В биполярном ШД (а) для изменения направления тока в обмотке она перекоммутируется
относительно источника питания. В униполярном ШД (б) на выводах АВ и CD всегда подается
"плюс", а изменение направления поля осуществляется простым переключением половинок обмотки,
что упрощает схему коммутатора. В каждый момент времени используется лишь половина обмоток
[4].
Биполярный ШД имеет более высокую удельную мощность (при одних и тех же размерах
биполярные двигатели обеспечивают больший момент). При одном и том же размере паза провод
обмотки униполярного ШД должен иметь вдвое меньшее сечение (поскольку в каждый момент
времени используется лишь половина обмотки). А это значит, что по условиям нагрева (при
одинаковых потерях) по этой обмотке может протекать в корень из двух раз меньший ток. Так как
момент, развиваемый двигателем, пропорционален току, то его значение в униполярном ШД будет на
40% меньше [4].
6.4. ШД с постоянными магнитами
Наибольшее применение нашел шаговый ЭП на базе синхронного двигателя с постоянными
магнитами. Рассмотрим трехфазный ШД (m=3) с двумя парами полюсов (p=2).
Двигатель имеет зубчатый ротор в виде "звездочки".
Статор ШД имеет явно выраженные зубцы (особенность шагового
двигателя), на которых располагаются катушки обмотки статора,
называемой обмоткой управления. Зубцы статора также называют полюсами
Полюс можно определить как некоторую область намагниченного тела,
где магнитное поле сконцентрировано. Таким образом, полюса в ШД
имеют как статор, так и ротор [4].
Зубцы статора с катушками, на которые в текущий момент времени
подан импульс напряжения, называют возбужденными.
Рис 2. Эскиз ШД с ПМ
При подаче на определенные катушки обмотки статора импульса
[6]
напряжения соответствующим образом ориентируется вектор МДС статора.
Его положение совпадает с осью возбужденных полюсов .
В результате взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора
возникает вращающий момент, стремящийся повернуть ротор в такое положение, при котором:
- вектор потока возбуждения совпадет с вектором МДС статора (как и в любом другом двигателе),
т.е. ось полюсов совпадет с осью возбужденного зубца статора или
- возбужденные катушки будут иметь максимальное потокосцепление.
При подаче импульса напряжения на другую обмотку статора, ориентация вектора МДС статора
дискретно меняется, что вызывает новый поворот ротора на соответствующий угол, называемый
шагом ротора [7].
Минимальный шаг поворота ротора ШД (без применения специальных алгоритмов управления).
Минимальный шаг поворота ротора определяется числом возможных положений вектора I1, и
числом пар полюсов p.
Число возможных положений вектора I1 равно числу тактов системы управления kт. Это число
состояний коммутатора на периоде его работы (число переключений ключей):
kт = m N1 N2,
где m - число фаз; N1 - числом направлений тока в фазах (N1=1 или 2) и N2 = максимальное число фаз,
запитываемых от источника одновременно. Зависит от вида коммутации: N2 = 1 при симметричной
коммутации и N2 = 2 при несимметричной коммутации [6].
Для пояснения введем еще один классификационный признак шаговых двигателей: по алгоритму
управления
1) Симметричная коммутация. В каждый момент времени включено одинаковое число фаз (одна)
(рис. 3).
2) Несимметричная коммутация. В разные такты коммутации включено неодинаковое число фаз
(одна или две). Четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток [6]
Рис 3. Пояснение видов коммутации для двухфазной машины [6]
Механический шаг поворота ротора
ΔРм =360 /(p m N1 N2 ) = 360 /(p kт).
Как видим, способ управления ШД с несимметричной коммутацией позволяет получить вдвое
меньший шаг поворота ротора по сравнению со способом управления с симметричной коммутацией
и поэтому более распространен [4].
Возможности минимизации шага:
1) Увеличение числа фаз m. Связано с усложнением схемы коммутатора, число ключей которого
увеличивается пропорционально числу фаз. Обычно m ≤ 8.
2) Увеличение числа пар полюсов р. Связано с технологическими возможностями исполнения
ротора и увеличением потока рассеяния. В ШД с возбуждением от постоянных магнитов, как
правило, р ≤ 4.
3) Микрошаговый режим управления или режим электрического дробления шага – это третий
способ управления ШД в рамках рассмотренной ранее классификаии. Этот способ управления мы
рассмотрим позднее.
Отличие шагового двигателя от синхронного двигателя непрерывного вращения.
1) На обмотки статора подаются импульсы напряжения, в то время как в обычном СД на обмотки
подается синусоидальное напряжение, при необходимости предварительно сформированное;
2)
Катушки статора выполняются сосредоточенными (зубцовыми), а у обычного СД распределенными. Поэтому в ШД статор имеет явновыраженную зубчатость.
С учетом этих двух особенностей в шаговом двигателе вектор МДС статора (поле статора)
перемещается скачкообразно (дискретно), а в обычном СД - вращается плавно.
Электромагнитный (синхронизирующий) момент в ШД
Электромагнитный момент, развиваемый шаговым двигателем равен векторному произведению
М=[*I1]= kмФI1sin  = kмФI1sin(С - Р),
где  - угол между вектором магнитного потока Ф и вектором тока статора I1; С – угловое
положение вектора тока статора; Р – угловое положение вектора потока (положение ротора).
Рис. 4. Зависимость синхронизирующего момента двигателя от углового положения ротора Р
Для упрощения примем эту зависимость синусоидальной. Реально, она может отличаться от
синусоиды.
Положение вектора магнитного потока Ф соответствует положению точки расточки, в которой
магнитный поток максимальный, то есть положению продольной оси d (положению ротора). Для ШД
с возбуждением от ПМ – это линия оси полюса ротора, для индукторных и реактивных машин –
направление наименьшего магнитного сопротивления (линия оси зубца ротора).
За положение ротора Р принимаем угол между положением оси фиксированного северного
полюса ротора (продольная ось d) и осью вертикально расположенного зубца статора.
За положение вектора тока статора С принимаем угол между осью возбужденных зубцов статора
и осью вертикально расположенного зубца статора.
Первая зависимость (синусоида) построена для случая, когда положение вектора тока I1 (МДС)
или другими словами, положение оси возбужденных зубцов статора соответствует углу С=С1=0.
Ротор зафиксируется в положении, когда будет обеспечиваться равенство синхронизирующего
момента двигателя и момента сопротивления. Таких точек две: точка устойчивого равновесия Р =
Р1 (в которой ротор и зафиксируется) и точка неустойчивого равновесия Р =Р0.
Неустойчивым положением ротора называется такое положение, при котором небольшое
изменение момента сопротивления не приведет к равенству М=Мс вблизи этой точки. Что и
происходит вблизи точки Р =Р0. Небольшое увеличение момента сопротивления вблизи точки Р
=Р0 должно было бы привести к повороту ротора к новой точке пересечения (чуть правее), а
приведет к повороту ротора, уменьшающего угол Р, то есть влево: М-Мс=Jd/dt <0, скорость
отрицательная, то есть направление поворота ротора уменьшает угол. При выбранной положительной
шкале это означает движение точки влево (рис. 4).
При подаче напряжения на следующую катушку вектор U1, а вслед за ним и вектор тока (МДС) I1,
повернется на угол ΔС.
Новому установившемуся положению вектора тока (МДС) будет соответствовать новая
зависимость синхронизирующего момента от положения ротора (рис. 4 вторая синусоида).
Синхронизирующий момент возрастет на величину ΔМ1, вследствие чего ротор двигателя
переместится в новое устойчивое равновесие (точка Р2).
Как видим, положение продольной оси ротора d (вектора магнитного потока ротора Ф) – угол Р будет отличаться от положения вектора МДС статора С на угол 0 - статическую ошибку. Эта
ошибка характеризует то, что магнитное поле не совсем точно ориентируется по вектору тока
статора.
Величина статической ошибки зависит от нагрузки Мс и жесткости (крутизне) угловой
характеристики β=pdM/dР. Чем больше число полюсов, тем круче идет угловая характеристика, тем
ошибка меньше. Статическая ошибка появляется только на первом шаге и при Мс ≠ 0. В
последующие угловые перемещения эта ошибка сохраняется и не накапливается (перемещение
ротора ΔР равно перемещению вектора тока ΔС).
Одним из требований, предъявляемых к ШД, является устойчивая работа. В процессе работы ШД
не должен быть потерян ни один шаг. Под потерей шага понимается случай, когда при перемещении
вектора МДС ротор не повернется за ним.
Когда может произойти потеря шага? Например, когда угол ΔС будет большим.
Пример: рис. 4 третья синусоида.
Момент может снизиться на ΔМ2. Ротор попадет в зону неустойчивого состояния и не будет
следовать за полем статора. Шаг будет потерян.
Для того, чтобы двигатель не терял шаг, необходимо выполнение определенных соотношений
между максимальным синхронизирующим моментом Ммакс, моментом сопротивления Мс и шагом
ротора (или числом устойчивых положений ротора kр = p m N1 N2) [10].
Мс < Ммакс*cos(π/ kр)
Чем больше kр (то есть чем меньше шаг), тем большим моментом нагрузки можно нагрузить
шаговый двигатель. В пределе, когда kр стремится к бесконечности, условия устойчивой работы ШД
ничем не отличаются от условий статической устойчивости обычного СД (Мс<Ммакс).
Итак, управление шаговым СД заключается в отработке ротором задания на положение ротора,
которое в современном ЭП формируется в виде числового кода и преобразуется
в
последовательность импульсов, определяющих дискретное фазовое изменение вектора тока.
Достоинство ШД с ПМ:
- большой удельный вращающий момент на единицу объема [6];
- обеспечение фиксации положения ротора при обесточенных обмотках статора (наличие
фиксирующего момента).
Недостаток:
- большой шаг (без применения специальных алгоритмов управления).
6.5. Реактивные шаговые двигатели
(двигатели с переменным магнитным сопротивлением)
Рис 5. Простейшая конструкция
реактивного шагового двигателя
[4]
Статор тот же, что и в ШД с возбуждением от постоянных
магнитов.
Ротор имеет явновыраженную зубчатость и выполняется из
того же материала, что и статор. Ротор не содержит ни обмоток,
ни постоянных магнитов и потому называется пассивным.
Принцип действия тот же: после подачи напряжения на
катушку статора, фиксируется положение вектора поля статор, и
ротор стремится занять такое положение, чтобы возбужденные
катушки имели максимальное потокосцепление (зубцы ротора
притягиваются электромагнитами).
Особенности двигателя:
Число пар полюсов равно числу зубцов на роторе p= zp.
Развиваемый им момент не зависит от направления тока в обмотках (ротор пассивный) (поэтому
N1=1).
Механический шаг поворота ротора
ΔРм =360 /( zp m N2 ).
Для уменьшения шага поворота ротора применяют реактивные шаговые двигатели с гребенчатой
зоной статора.
Особенности:
Зубчатый ротор с большим числом равномерно
расположенных зубцов (zp).
Cтатора имеет основные зубцы-полюса, на которых
расположены обмотки, и в пределах каждого из этих зубцов –
малые зубцы, которые называют эквивалентными полюсами
[4] или гребенчатой зоной статора [6].
Обычно статор шаговых двигателей такого типа содержит 4
или 8 основных полюсов [4].
Число фаз m=2-4 [2].
Гребенчатые зоны статора смещены относительно друг
друга
на угол 360/(mzp) [2].
Рис 6. Реактивный ШД с
гребенчатой зоной
Такой тип двигателя называют также редукторным,
т.к.он позволяет редуцировать (уменьшить) частоту
вращения ротора по отношению к частоте вращения поля
статора:
как показано на рисунке поле статора
поворачивается на угол равный углу между основными
зубцами статора, а ротор поворачивается на значительно
меньший угол [6].
Механический шаг поворота ротора
ΔРм =360 /(zp m N2 ).
Рис.7 [6]
Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае
обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и
поперечной осям двигателя [6].
Достоинство: малая величина шага
Недостаток: отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора [6].
Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, можно
достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета
сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов два, то этот сдвиг
равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время роторы-звездочки каждого
из пакетов не имеют пространственного сдвига, т.е. оси их полюсов полностью совпадают. Такая
конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного
коммутатора [6].
6.6. Индукторные [6] (гибридные) шаговые двигатели [4]
Термин "гибридный" происходит от того, что двигатель работает, используя принципы как
реактивного двигателя, так и двигателя с постоянными магнитами.
Цель: стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный
синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного
шагового двигателя (малая величина шага) [6].
Особенности:
Поперечный разрез повторяет предыдущий рисунок.
Продольный разрез (рис. 8).
Ротор разделен на две части, между которыми расположен
кольцевой постоянный магнит, намагниченный вдоль оси [4].
Зубцы одной половинки ротора (левой) являются северными
полюсами, а зубцы другой половинки (правой) – южными [4].
Обе половинки ротора повернуты друг относительно друга на
половину зубцового деления ротора (разный зазор в сечении
слева и справа). Число пар полюсов ротора равно количеству
зубцов на одной из его половинок [4].
Рис 8. Разрез гибридного ШД [4]
Пакет статора с обмоткой - общий для обеих половинок
ротора
Большая часть потока, создаваемого магнитом, замыкается через зубцы ротора и статора (по пути
наименьшего сопротивления). Участки этого контура находятся в разных сечениях (часть из них
показана белой линией).
Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для
уменьшения потерь на вихревые токи.
Величина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая - типично 0.1 мм. Это требует
высокой точности при сборке [4].
Чтобы магнитный поток не замыкался через вал, который проходит внутри магнита, его
изготавливают из немагнитных марок стали [4].
Cинхронизирующий момент создается МДС обмоток статора.
Фиксирующий момент при обесточенных обмотках создает магнитный поток постоянного
магнита [6].
Для получения больших моментов необходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и
поле постоянного магнита. При этом требуется больший диаметр ротора, что ухудшает отношение
крутящего момента к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногда конструктивно
выполняют из нескольких секций в виде этажерки. Крутящий момент и момент инерции
увеличиваются пропорционально количеству секций, а их отношение не ухудшается [4].
Механический шаг поворота ротора гибридного ШД
ΔРм =360 /(zp m N1 N2 ).
На практике, угол поворота ротора у шаговых гибридных двигателей составляет 3,6 - 0,9 мех.град
(от 100 до 400 шагов на поворт) [4].
Пример: 50 зубцов на каждой половине ротора: zp = 50, число фаз m = 2, ток в фазе в течение
периода меняет направление N1 =2, симметричная коммутация N2 =1.
Такому двигателю соответствует шаг 1.8 град.
Достоинства:
- обеспечивают меньшую величину шага по сравнению с двигателями с постоянными магнитами
[4].
- больший синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики
по сравнению с шаговым двигателем реактивного типа при одинаковой величине шага [6].
- обладают фиксирующим моментом при обесточенных обмотках в отличие от реактивнх ШД.
Недостатки:
- более дорогие, чем двигатели с постоянными магнитами [4].
6.7. Пример структуры шагового ЭП
Рис 9. Первый вариант структуры шагового ЭП [1]
Основные элементы:
1) двухфазный шаговый двигатель ШД.
Как и для обычных двигателей, для повышения момента на нагрузке может быть использован
понижающий редуктор. Однако для шаговых двигателей редуктор не всегда подходит. Шаговые
двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными
двигателями, что ограничивает максимальное передаточное число и, соответственно, увеличение
момента с помощью редуктора. Готовые шаговые двигатели с редукторами хотя и существуют,
однако являются экзотикой. Еще одним фактом, ограничивающим применение редуктора, является
присущий ему люфт [4].
2) реверсивный электронный коммутатор (фазный усилитель мощности УМ).
Подключает фазы ШД к источнику питания в соответствии с сигналами управления,
поступающими от системы управления коммутатора. Фазные усилители мощности работают как
источник тока: то есть создают в фазах двигателя импульс тока - постоянный ток с постоянной
амплитудой Im. В любой момент времени ток существует лишь в одной фазе (N2 =1). Направление
тока в течение периода меняется (N1 =2).
3) Система управления коммутатора.
3.1) Распределитель импульсов (РИ).
Распределяет импульсы по каналам управления (по ключам коммутатора).
3.2) Преобразователь сигнала задания в последовательность тактовых импульсов (ПЗПТИ).
Сигналом задания является скорость шагового вращения ротора ШД. Ей соответствует
определенная частота следования сигналов - импульсная последовательность fи.
При заданных условиях вектор I1 на комплексной плоскости имеет kт= m N1 N2 =4 фиксированных
состояния. Шаг повотора ротора = 2π /kр = π /2 эл.град.
Угловой механический шаг ΔРм =2π /(kтp).
Отработка угла поворота сопровождается движением
ротора с колебательным процессом около нового
положения равновесия.
В момент времени t ротор переместился на один шаг,
однако он имеет максимальную угловую скорость и
кинетическую энергию и продолжает перемещаться против
сил поля, тормозясь при этом (М-Мс<0). Начинается
процесс
свободных
колебаний
(качаний)
ротора
относительно положения устойчивого равновесия.
Рис.10 [6]
Колебания затухают, когда вся кинетическая энергия преобразуется в потери, (электрические,
магнитные и механические), вызванные этим процессом. Амплитуда и время затухания колебаний
тем меньше, чем больше эти потери.
6.8. Частота следования импульсов
От частоты следования импульсов с одной стороны зависит средняя скорость вращения ротора
ШД, с другой стороны она должна быть такой, чтобы не случилось потери шага.
Отметим следующее:
1) частота следования импульсов fи связана с частотой собственных колебаний.
Частота собственных круговых колебаний – это угловая частота колебаний ротора около
устойчивого положения при отсутствии момента нагрузки. Она зависит от момента инерции J,
амплитуды максимального синхронизирующего момента Mmax, числа пар полюсов p [2].
Теоретически минимальное время отработки соответствует четверти периода колебаний. Если при
этом обеспечено рассеяние кинетической энергии, то сразу после этого возможно поступление новой
команды на отработку следующего шага. Реально это время больше и актуальной является задача по
сокращению этого времени (об этом чуть ниже).
Таким образом, максимальная частота следования импульсов (а следовательно и скорость
вращения ШД) в разомкнутом приводе не превышает fи≤4f0, где f0 – частота собственных колебаний.
2)
Частота следования импульсов fи (ширина импульса) влияет
на максимальный синхронизирующий момент (а значит и на
максимальный момент сопротивления, с которым может
работать ШД). Зависимость Ммакс(fи) в установившемся
режиме работы называется предельной механической
характеристикой (рис. 11).
Эта зависимость обусловлена тем, что из-за индуктивности
обмотки ток нарастает в ней не мгновенно. И чем выше частота,
тем до меньшего значения за время импульса нарастет ток (тем
Рис. 11 [6]
меньше будет момент).
Также на синхронизирующий момент влияет электромагнитная постоянная времени обмоток
управления Tэм = L/R. Чем она больше, тем до меньшего значения нарастает ток за время импульса
напряжения, меньше становится синхронизирующий момент, а, следовательно, и допустимый
момент сопротивления. Часто для уменьшения Тэм последовательно с обмоткой управления
включают добавочное сопротивление [2].
3)
Максимальная частота управляющих импульсов fи, при
которой не происходит потери или добавления шага при
их отработке называется частотой приемистости.
Частота
приемистости
растет
с увеличением
максимального синхронизирующего момента и уменьшается
с увеличением шага, момента инерции вращающихся (или
линейно перемещаемых) частей и момента нагрузки (рис. 12)
[6].
Для современных ШД частота приемистости составляет
100-1000 Гц [2].
Рис. 12 [6]
В ряде случаев ШД должен изменять направление вращения – осуществлять реверс. Реверс
шагового двигателя производится путем изменения последовательности подключения катушек к
источнику питания. Это приводит к изменению направления вращения магнитного поля.
Предельная частота управляющих импульсов, при которой реализуется реверс без потери шага,
всегда меньше частоты приемистости и составляет (0,2-0,5)fпр [2].
6.9. Уменьшение времени отработки единичной команды.
Способ: применение электромагнитного торможения. Наиболее эффективно стартстопное
управление. Для его реализации включаем в состав шагового электропривода еще один элемент –
формирователь направления коммутации.
3.3) Формирователь направления (ФН) коммутации "Вперед" или "Назад" (рис. 9).
Суть стартстопного управления. После формирования команды "Вперед" коммутатор перемещает
поле статора на шаг вперед. Ротор получает ускорение, и после прохождения большей части пути
формируется команда "Назад", которая возвращает поле в исходное состояние. Ротор продолжает
двигаться по инерции и тормозится. Затем вновь формируется команда "Вперед" и ротор
фиксируется в новом состоянии с минимальным перерегулированием.
6.10. Микрошаговый режим управления (метод электрического дробления шага) [1].
Цель: снижение шага поворота ротора ШД.
Идея метода состоит в следующем.
Если по двум катушкам, расположенным на соседних зубцах, течет одинаковый ток, то полюс
ротора окажется ровно посередине между двумя возбужденными зубцами (без учета статической
ошибки, связанной с моментом нагрузки).
Если по катушкам будет протекать ток разной величины, то
положение результирующего вектора F, а следовательно, полюса
будет зависеть от соотношения значений этих токов. Например, для
двухфазной реверсивной статорной обмотки (рис. 13)
ΔРм = arctan(b/a),
где a и b - момент, создаваемый первой и второй фазой
соответственно (пропорционален току).
Формула справедлива для случая, если зависимость момента от
угла поворота ротора синусоидальная и если ни одна часть магнитной
цепи двигателя не насыщается [4].
Рис. 13. [1]
Регулирование величины тока в фазах производится путем изменения длительности времени
включения фаз шагового ЭД. При этом импульсы с разной длительностью подаются поочередно на
две соседние фазы в течение времени между двумя управляющими импульсами с ПЗПТИ но с
большей частотой (подобно тому как это происходит при ШИМе.
Дополнительные элементы в структуре привода (рис. 9).
3.4) Модулятор ширины импульсов (МШИ).
3.5) Генератор тактовых импульсов (ГИ) с частотой fм=kfи.
3.6) Регулятор фазы (РФ).
Рис. 14. [1]
В исходном состоянии тактовый сигнал частоты fи обеспечивает через РИ включение фазы А и
вектор I1 находится в положении 1. ГИ формирует частоту импульсов модуляции fм=kfи.
В РФ формируются две последовательности импульсов частоты fм с регулируемым углом сдвига .
Для изменения его пространственного положения между состоянием 1 и 2 увеличивают угол  до
1. (1>0). Импульсы последовательности "Назад" обеспечивают включение фазы А и фиксируют
положение I1 в состоянии 1, а импульсы последовательности “Вперед” перемещают вектор I1 в
положение 2. Время нахождения I1 в том и другом положении зависит от 1. В указанном на рисунке
состоянии 1 длительности Ua>Ub, чему соответствует ia1>ib1. Среднее положение вектора I1
соответствует угловому положению вектора I1 . При увеличении  с 1 до 2 время включения фазы
А снижается, а фазы В увеличивается. Соответственно изменяется Ua и Ub и составляющие токов ia1 и
ib1. Ток по оси А уменьшается , а по оси В увеличивается. Вектор I1 перемещается из положения 1 в
положение 2, скользя по вершине многоугольника (в данном случае – квадрата).
Количество шагов зависит от дискретности .
На такте коммутации частоты fи движение I1 происходит неравномерно и с переменной
амплитудой.
Неравномерность движения вектора I1 связана с числом фаз зависимостью:
max/min=1+tg2(π /m),
где max и min – соответственно максимальный и минимальный шаг изменения положения вектора
U1. С увеличением m неравномерность уменьшается. При низких m равенство дробных углов
поворота достигается коррекцией фазового сдвига , а постоянство длины вектора I1 (то есть его
амплитуды) за счет регулирования токов фаз. Такая коррекция получила название калибровки.
Другой метод электрического дробления шага основан на формировании гармонического закона
изменения тока в фазах в соответствии с частотой сигналов управления шаговым ЭП.
Рис. 15. Функциональная схема ШЭП [1]
Преобразователь задания тактовых импульсов (ПЗПТИ) подключен к формирователям
гармонических сигналов sin kπ/n и cos kπ/n, где n – количество интервалов разбиения на полупериоде
гармонических функций sin и cos угла поворота вектора I1. k – порядковый номер импульса.
Усилители мощности (УМ), к которым подключены обмотки по оси А и оси В, охвачены
отрицательной обратной связью по мгновенной величине тока, что делает их усилителями тока.
Блок задания длины вектора (амплитуды) I1 подключен к другим входам формирователей
гармонических сигналов, выходы которых задают мгновенные значения тока в фазах по
гармоническому закону в функции частоты тактовых импульсов.
В таком ШЭП вектор I1 описывает на комплексной плоскости окружность, оставаясь в любом
угловом положении на плоскости сколь угодно долго, что определяется периодом следования
импульсов. При непрерывном их следовании величина шага и амплитуда тока (длина вектора) I1
постоянны. Шаг определяется величиной n.
В рассмотренных режимах дробления шага имеет место плавное перемещение электромагнитного
поля по расточке статора, что повышает устойчивость ШЭП. По характеру работы ШД в этих
режимах приближается к синхронному двигателю, работающего от источника регулируемой частоты.
При этом сохраняется возможность фиксации положения ротора в заданном положении.
6.11. Технические данные шаговых двигателей
Диапазон освоенных мощностей составляет от единиц ватт до одного киловатта [2].
Максимальный крутящий момент, развиваемый шаговым двигателем в квазистатическом режиме,
составляет 49 Нм [8].
Дискретность перемещений – до 30 угловых секунд [1].
6.12. Достоинства и положительные свойства ШД [4]:
1) как и любые бесконтактные двигатели, ШД имеют высокую надежность.
Срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников;
2) двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны);
3) позиционирование и регулировка скорости без датчика обратной связи.
Этому способствует однозначная зависимость положения от числа импульсов, которые поданы на
двигатель. Если шаг не пропущен, у ШД каждый раз известен угол перемещения шага.
Хорошие шаговые двигатели имеют точность позиционирования 3-5% от величины шага. Эта
ошибка не накапливается от шага к шагу.
Без датчиков обратной связи система значительно упрощается и удешевляется (датчики могут
стоить намного больше самого двигателя). Следует, однако, отметить, что отсутствие обратной связи
можно отнести и к недостаткам – т.к. возможна потеря положения [3];
4) возможность быстрого старта/остановки/реверсирования;
5) возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной
непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора (редуцирование частоты
вращения);
6) может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна
частоте входных импульсов;
7) Хорошая нагрузочная характеристика (соотношение крутящий момент/скорость) [8];
8) совместимость с цифровыми устройствами управления, в том числе промышленными
контроллерами, а также персональным компьютером [8].
6.13. Недостатки и сложности [4]:
1) шаговым двигателем присуще явление резонанса;
2) потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки;
3) затруднена работа на высоких скоростях;
4) невысокая удельная мощность;
5) относительно сложная схема управления. Отметим, что в последнее время для управления
коллекторными двигателями все чаще применяют контроллеры, которые по сложности практически
не уступают контроллерам шаговых двигателей;
6) возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи. Работа без обратной
связи подходит только ШД, которые работают при малом ускорении и с относительно постоянной
нагрузкой. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация о положении
ротора теряется и система требует базирования с помощью, например, концевого выключателя или
другого датчика. Системы с обратной связью не имеют подобного недостатка. Они способны
работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки.
Коллекторный двигатель имеет более высокую удельную мощность, низкую стоимость, простую
схему управления, и вместе с одноступенчатым червячным редуктором он способен обеспечить тот
же диапазон скоростей, что и шаговый двигатель. К тому же, при этом обеспечивается значительно
больший момент [4].
6.14. Области применения
ШД применяются для привода механизмов, требующих высокой точности позиционирования
(прецизионное позиционирование) и точного управления скоростью. При этом требуемый момент и
скорость не выходят за допустимые пределы. В этом случае шаговый двигатель является наиболее
экономичным решением [4].
Пример использования на ЛА: шаговый двигатель ДШГ-1,8-1 (производство ВНИИЭМ) [5]
Шаговый двигатель ДШГ-1,8-1 предназначен для систем различных приводов космических
аппаратов - солнечных батарей, антенн, привода для установки элементов КА в заданные положения
и т.д.
Технические данные
Шаг, угл. град.
Частота, Гц
1,8
0 - 600
Мст , г·см
500
I,А
0,2
Rф, Ом
40 ±2
Jнагр, кг·м2
3·10-5
Масса, г
280
Давление окружающей среды, мм рт.ст.
10-6