Двигателей

Для работы шаго­вого двигателя характерным является регулирование частоты вращения в широком диапазоне путем изменения частоты подачи управляющих импульсов тока. Таким же способом осуществляют его фиксированный останов, пуск и изменение направления вращения. В зависимости от частоты управ­ляющих импульсов различают следующие режимы работы шаговых двигателей: статический, квазистационарный, уста­новившийся и переходные.

Рис. 2.44. Рабочие характеристики шагового двигателя (а, б)

Статический режим – это режим прохождения по обмоткам возбуждения постоянного тока, создающего не­подвижное поле. При питании одной фазы зависимость электромагнитного момента M от угла рассогласования θ близка к синусоидальной (рис. 2.44, а). Поскольку при θ = 0 синхронизирующий момент равен нулю, возникает статическая ошибка в положении ротора; она тем боль­ше, чем больше нагрузка и меньше максимальный момент. В двигателях с гребенчатыми выступами на статоре и шагом, равным 1, 5°, статическая ошибка составляет не более 0, 5°.

Квазистационарный режим – это режим отработки единичных шагов, например в приводах различных старт-стопных, лентопротяжных и других подобных механизмов. Предельная частота квазистационарного режима ограничена временем затухания колебаний ротора, которые могут возникнуть при переходе ротора из одного устойчивого положения в другое (точки 0 и 0' на рис. 2.44, а), аналогично тому, как это происходит в обычной синхронной машине при резком изменении угла θ. Для устранения колебаний ротора в конце шага применяют различные демпфирующие устройства и обгонные муфты. Предельную частоту ква­зистационарного режима повышают, увеличивая число фаз обмотки якоря или число тактов коммутации (восьмитактная коммутация при четырехфазной обмотке, шеститактная – при трехфазной). Во всех этих случаях при отработке шага уменьшается угол перемещения и кинетическая энергия ротора, что снижает его склонность к колебаниям.

Установившийся режим – это режим, соответству­ющий постоянной частоте управляющих импульсов. Ротор двигателя в установившемся режиме имеет постоянную частоту вращения, но при переходе из одного устойчивого состояния в другое возникают периодические и апериодические колебания относительно мгновенной точки устойчивого равновесия. При частоте управляющих импульсов f₁, меньшей частоты свобод­ных колебаний двигателя f₀, угловое перемещение ротора при каждом шаге, как и в квазистационарном режиме, сопровожда­ется свободными колебаниями, которые существенно увеличи­вают динамическую ошибку при отработке ротором заданного перемещения. Частота свободных колебаний ротора

, (2.41)

где М_max – максимальный электромагнитный момент при неподвижном роторе; J_р и J_н – моменты инерции ротора и нагрузки, приведенной к валу ротора.

При частоте управляющих импульсов, равной или в целое число раз меньшей частоты f₀, возникает явление электро­механического резонанса, которое при слабом демпфирова­нии колебаний может вызвать нарушение периодичности движения ротора и привести к выпадению его из синхро­низма. При частоте f₁ > f₀ возникают вынужденные колеба­ния с частотой, равной частоте управляющих импульсов; амплитуда их монотонно уменьшается с увеличением часто­ты. Для устойчивой работы шагового двигателя необходимо, чтобы М_н/М_max ≤ 0, 3...0, 5, J_н/J_р ≤ 1...2 и имелось внутреннее или внешнее демпфирование.

Электромагнитный момент шагового двигателя в общем случае состоит из двух частей: синхронизирующего момента, зависящего от угла θ между осями МДС обмотки якоря и ротора, и асинхронного тормозного момента, пропорцио­нального частоте вращения, т.е. dθ /dt:

. (2.42)

Параметр D называют коэффициентом внутреннего демп­фирования. Физически внутреннее демпфирование, т.е. тор­мозной момент Μ _т в двигателях с постоянными магнитами или обмоткой возбуждения на роторе, возникает в результате взаимодействия вращающегося потока ротора с током в обмотке якоря. У реактивных двигателей этот момент зависит от разности индуктивных сопротивлений (X_d – X_q) обмотки якоря и ее активного сопротивления R_a. При достаточно большом значении коэффициента D проис­ходит эффективное затухание колебаний ротора двигателя. Этому способствует также наличие трения и внешних демпфирующих устройств.

Переходные режимы – основные эксплуатационные режимы шаговых двигателей, включающие в себя пуск, торможение, реверс, переход с одной частоты на другую. Основное требование, предъявляемое к шаговым двигателям в переходных режимах, – сохранение синхронизма при изме­нении частоты управляющих импульсов, т. е. отсутствие потери шага.

Для каждого шагового двигателя существует некоторая предельная частота подачи управляющих импульсов f_пр, при которой ротор еще следует за скачкообразно изменя­ющимся полем статора. Эту частоту называют частотой приемистости. Частота приемистости характеризует пус­ковые свойства шагового двигателя – максимальную частоту управляющих импульсов, при которой возможен пуск без выпадения из синхронизма. Она возрастает с увеличением синхронизирующего момента, уменьшением углового шага, нагрузки и момента инерции.

Для современных шаговых двигателей при номинальной нагрузке частота приемистости f_пр = 100...1000 Гц. Предельная частота, при которой осуществляется торможение шагового двигателя без потери шага (с сохранением синхронизма), как правило, выше частоты приемистости: это объясняется влиянием внутреннего демпфирования, момента нагрузки и момента трения. Предельная частота реверса, при которой реализуется реверс без выпадения из синхронизма (без потери шага), составляет (0, 2...0, 5)f_пр. Только в двигателях с большим демпфированием и электромагнитными постоян­ными времени обмоток якоря предельные частоты реверса и приемистости примерно равны.

РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Они опре­деляются параметрами двигателя, нагрузки (нагрузочный момент и момент инерции) и особенностями электронного коммутатора (числом тактов коммутации, формой его выходного напряжения и пр.). Основные характеристики следующие: статическая, предельная механическая и предель­ная динамическая приемистости.

Статическая характеристика – зависимость элект­ромагнитного момента M от угла θ (рис. 9.19, а), а также зависимость тока двигателя от нагрузки в квазистационар­ном режиме.

Предельная механическая характеристика – зависимость частоты управляющих импульсов от макси­мального момента на валу ротора, при котором происходит выпадение двигателя из синхронизма (рис. 9.19, б, кривая 1). Ее снимают при плавном увеличении частоты f₁.

Предельная динамическая характеристика приемистости – зависимость частоты приемистости f_пр в динамическом режиме (например, при пуске) от момента нагрузки M (рис. 2.44, б, кривая 2). Рабочие характеристики снимают при различных сочетаниях включаемых обмоток, моментах инерции двигателя и нагрузки и пр.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

При высоких частотах вращения (2000...3000 об/мин) применяют шаговые двигатели с по­стоянными магнитами на роторе. Наличие активного рото­ра позволяет получить относительно большие моменты и обеспечить фиксацию ротора при обесточенных обмотках. У этих двигателей номинальный вращающий момент М_ном = 0, 1...10 H∙ см, угловой шаг α _ш = 15°. При низких частотах вращения (до 1000 об/мин) и малом шаге применяют индукторные и реактивные двигатели с гребенчатыми вы­ступами на полюсах статора. Их номинальный момент М_ном = 1...25 H∙ см, а угловой шаг α

ЛЕКЦИЯ № 16