Крокові виконавчі двигуни

В наш час в схемах автоматики поряд з автоматичними системами безперервної дії, які здійснюються з допомогою виконавчих двигунів звичайного виконання, використовуються системи дискретної (імпульсної) дії. Такі системи здійснюються з допомогою крокових виконавчих двигунів.

Крокові двигуни — пристрої, які перетворюють електричні імпульси напруги керування в дискретні (скачкоподібні) кутові або лінійні переміщення ротора з можливою його фіксацією в потрібних положеннях.

Крокові двигуни з’явились в 30-х роках минулого століття. Перші крокові двигуни виконувались у вигляді електромагніту, що приводить в обертання храпове колесо (рис. 7.14).

image002

Рис. 7.14. Перші крокові двигуни.

За одне вмикання електромагніту (за один такт) храпове колесо переміщується на визначений кут — крок, величина якого визначається величиною зубчатого кроку храпового колеса. Для забезпечення реверса на валу двигуна встановлювалось два храпових колеса, повернених на 1800 відносно один одного, і двигун забезпечувався двома електромагнітами. Недивлячись на наявність цілого ряду недоліків, храпові крокові двигуни і в наш час знаходять ще досить широке використання.

За храповими двигунами ще в минулому столітті з’явились крокові двигуни, що за пристроєм мало відрізняються від синхронних реактивних двигунів з явно вираженими полюсами на роторі і статорі.

image004

Рис. 7.15. Види синхронних реактивних двигунів.

На рис. 7.15,а (справа) зображена схема одного з таких двигунів, що мають три пари явно виражених полюсів на статорі, забезпечених узгоджено ввімкненими обмотками (відповідно 1, 2, 3), і незбуджений двохполюсний ротор. На тому ж рисунку (зліва) зображений ключ — колектор (комутатор), з допомогою якого відбувається керування двигуном. Комутатор виконаний у вигляді циліндра з контактною пластиною КП, що захоплює дугу в 1800. Контактна пластина електрично з’єднана з контактним кільцем К, по якому ковзає щітка Щ; на неї подається живлення від мережі постійного струму (+). По зовнішній поверхні циліндра комутатора ковзають щітки Щ1, Щ2, Щ3, зсунуті в просторі на 1200 відносно один одного. Кожна з щіток з’єднана з одним кінцем відповідної обмотки двигуна. Інші кінці обмоток з’єданні між собою, до їх загального проводу підводиться живлення від джерела постійного струму (-).

В положенні, зображеному на рис. 7.15, а, ввімкнена обмотка 1, і вісь полюсів ротора (при відсутності моменту опору на валу) співпадає з віссю обмотки 1 (рис.7.15, б). При повороті циліндра комутатора на кут, приблизно рівний 600, за часовою стрілкою під напругою виявляються дві обмотки (1 і 2), при цьому ротор двигуна повернеться за часовою стрілкою на кут 300 і займе положення, що відповідає рис. 7.15, в. При повороті циліндра комутатора далі на кут, дещо більший 600, за часовою стрілкою коло обмотки 1 розірветься, обмотка 1 відключиться, живитися буде тільки обмотка 2, і ротор двигуна повернеться ще на 300, зайнявши положення по вісі обмотки 2 (рис. 7.15, г).

За повний цикл комутації (поворот ротора комутатора на 3600) ротор розглядаючого двигуна займає шість різних положень, які відповідають деякій послідовності вмикання обмоток двигуна. Ротор двигуна при цьому повернеться на кут 1800, тобто крок двигуна рівний 300.

Частота обертання ротора двигуна залежить від частоти обертання циліндра комутатора, тобто від частоти комутації обмоток. Ротор будь-якого крокового двигуна володіє моментом інерції; на валу ротора, як правило, є момент опору. Для кожного крокового двигуна існує досить визначена максимальна частота комутації, при якій ротор двигуна ще слідує за дискретно (скачкоподібно) переміщуючим полем статора. Цю частоту називають частотою припустимості.

Для спрощення аналізу фізичних процесів тут був розглянений простий кроковий двигун з контактним комутатором. Аналогічні двигуни були запропоновані ще в 1892 р. В наш час через ряд недоліків контактні комутатори замінені більш надійними електронними комутаторами на напівпровідникових елементах, які формують імпульси визначеної форми і частоти, що подаються на обмотки керування крокових двигунів.

Крокові двигуни, що використовуються в наш час, в більшості випадків являються магнітофазними і багатополюсними синхронними електричними машинами. На відміну від синхронних двигунів звичайного виконання їх ротори не мають пускової короткозамкненої обмотки, що обумовлюється частотним (а не асинхронним) пуском крокових двигунів. Ротори крокових двигунів можуть бути збудженими — активними або незбудженими — пасивними.

image006

Рис. 7.16. Схема m-фазного крокового двигуна: а)

На рис. 7.16 зображена схема m-фазного крокового двигуна. Для спрощення аналізу фізичних процесів розглянемо роботу цього двигуна з незбудженим двохполюсним ротором.

Живлення обмоток статора може бути однополярним або двохполярним. При однополярному живленні напруга змінюється від 0 до +U; при двохполярному від +U до -U.

Сучасні електронні комутатори можуть забезпечувати живлення обмоток статора або окремо, або групами в різних сполученнях. Кожному стану — такту комутації, число яких залежить від способів ввімкнення обмоток, відповідають визначенні величини і напрямки векторів результуючої МРС image008 і потоку двигуна Ф, а тому, і визначене положення ротора в просторі.

Так, якщо обмотки розглядаючого двигуна живити почергово (1-2-3-…-m) однополярними імпульсами, то ротор двигуна буде мати m стійких положень, які співпадають з вісями обмоток (рис. 7.16, а і в).

На практиці для збільшення результуючої МРС, магнітного потоку і синхронізуючого моменту, як правило, одночасно живляться дві, три і більша кількість обмоток. При цьому ротор двигуна в режимі холостого ходу займає положення, в яких його вісь співпадає з результуючим вектором МРС. У випадку, коли живиться парне число обмоток, положення результуючого вектора МРС і ротора співпадає з лінією, що проходить між двома середніми обмотками (рис. 7.16, б). У випадку, коли живиться непарне число обмоток, стійкі положення ротора співпадають з віссю середньої обмотки (рис. 7.16, в). Таким чином, в обох випадках ротор двигуна буде мати m стійких положень. Але сусідні положення при цьому будуть зміщені на кут 2p/(2m)=p/m.

Якщо почергово вмикати то парне, то непарне число обмоток, наприклад 1-2, 2, 2-3, 3,…, m-1, то число стійких положень ротора n збільшиться в два рази: n=2m.

На практиці керування двигунами, при якому обмотки вмикаються почергово рівними групами по дві, три і т.д., називають симетричним. Почергове вмикання нерівних груп обмоток називають несиметричним керуванням.

Крім однополярного і двохполярного, симетричного і несиметричного способів керування кроковими двигунами розрізняють ще потенціальний і імпульсний способи керування.

При потенціальному керуванні напруги на обмотках змінюються в моменти поступання керуючого сигналу — команди. При відсутності слідуючого сигналу керування одна або група обмоток, збудженні попереднім сигналом, залишаються під напругою, і ротор займає визначене фіксоване місце.

При імпульсному керуванні будь-яка обмотка (або група обмоток), збуджена сигналом — імпульсом керування, по закінченні деякого часу, що визначається тривалістю імпульса, автоматично відключається. Фіксація положення ротора в період паузи між імпульсами забезпечується або внутрішнім реактивним моментом (якщо ротор активний), або спеціальними магнітними або іншими фіксуючими пристроями.

Крім двохполюсних широко використовуються також багатополюсні (2р>2) крокові двигуни. Ротор ненавантаженого моментом опору багатополюсного крокового двигуна при одному і тому ж живленні обмоток може знаходитися в одному з р стійких положень. Таким чином, в m-фазному двигуні може бути або pm стійких положень (при симетричному керуванні), або 2pm положень (при несиметричному керуванні).

Сучасні електронні комутатори допускають перехід від симетричного до несиметричного способам керування; від живлення однієї обмотки до живлення декількох обмоток і т.п. Все це дозволяє в досить широких межах змінювати величину кроку у одного і того ж двигуна, робити його реверс, гальмування і т.д.

Характер руху ротора крокового двигуна визначається частотою і характером зміни керуючих імпульсів. В залежності від цього розрізняють слідуючі режими роботи крокових двигунів: 1) статичний; 2) квазістатичний; 3) що встановився; 4)перехідний.

Статичним режимом крокового двигуна називається режим, при якому по обмоткам статора протікає постійний струм; цей струм створює нерухоме в просторі магнітне поле, і ротор двигуна не обертається. Під дією моменту навантаження ротор може лише відхилятися на деякий кут від положення стійкої рівноваги.

Квазістатичний режим роботи — це режим відпрацювання одиничних кроків, при якому перехідні процеси, що супроводжують відпрацювання кроку, до початку слідуючого кроку повністю закінчуються, і частота обертання ротора на початку кожного кроку рівна нулю. Гранична частота імпульса, при якій ще забезпечується квазістатичний режим, визначається часом протікання електромагнітних перехідних і особливо механічних перехідних процесів, тобто часом коливань ротора. Для зменшення або повного усунення коливань ротора в кінці кроку використовують різні демпфіруючі пристрої.

Найбільш радикальним методом усунення коливань ротора, а тому, підвищення граничної частоти квазістатичного режиму являється гасіння кінетичної енергії, запасену ротором при відпрацюванні кроку, що досягається за рахунок примусового або природнього гальмування ротора (старт — стопне керування).

При примусовому гальмуванні після переводу керуючого імпульса з першої обмотки (або групи обмоток) на другу через деякий проміжок часу, за який ротор відпрацьовує частину кроку і запасає деяку кількість кінетичної енергії, керуючий імпульс переводиться знову на першу обмотку. На ротор починає діяти гальмуючий його рух момент. При правильному виборі часу і величини гільмівного моменту ротор зупиняється в кінці кроку. Після чого керуючий імпульс знову переводиться на другу обмотку і ротор, відпрацювавши крок, фіксується практично без коливань.

При природньому гальмуванні відпрацювання кроку відбувається в два етапи: на першому етапі рух ротора відбувається за рахунок позитивного синхронізуючого моменту, що виникає в результаті зсуву МРС статора на частину повного кроку; на другому етапі — за рахунок кінетичної енергії, запасеної ротором при негативному (гальмівному) моменті. При переміщенні ротора на величину повного кроку МРС зсувається на решту частину кроку і фіксує ротор в цьому положенні. Природнє гальмування можна використовувати лише в тих двигунах, у яких повний крок ділиться на декілька елементарних кроків.

Режим роботи, що встановився, двигунів — режим, що відповідає постійній частоті керуючих імпульсів. Ротор двигуна в режимі, що встановився, маючи постійну середню частоту обертання, може здійснювати як періодичні, так і неперіодичні коливання.

Перехідні режими роботи крокових двигунів — пуск, прискорення, сповільнення, реверс — являються основними експлуатаційними режимами роботи більшості крокових двигунів. Фізичні процеси, що відбуваються в перехідних режимах, визначаються як параметрами двигуна і його навантаження, так і початковими умовами, при яких починається перехідний процес.

Головною вимогою, що пред’являється до крокових двигунів в перехідних режимах, є вимога відсутності втрати кроку, тобто зберігання синхронізму при будь-якому характері зміни частоти керуючих імпульсів.

Головними параметрами, які визначають якість роботи крокового двигуна в перехідних режимах, являються слідуючі:

1) частота власних кругових коливань, що залежить від числа пар полюсів р, амплітуди статичного синхронізуючого моменту Мmax і моменту інерції ротора J:

image010

2) електромагнітна постійна часу, що залежить від індуктивності обмоток L і їх активного опору r:

Тем = L/r;

3) коефіцієнт внутрішнього демпфірування, що залежить від амплітуди потокощеплення Ymax і активного опору обмоток статора r:

image012

Робочі характеристики крокових двигунів визначаються як параметрами самих двигунів і характером їх навантаження, так і особливостями електронного комутатора.

В зв’язку з різноманітністю робочих режимів робочі характеристики двигунів досить різноманітні. В якості прикладу розглянемо граничні динамічні характеристики пуску двигуна типу КД-2-5, що являє собою залежність частоти прийнятності f від моменту опору навантаження Мо. З представлених на рис.7.17 двох динамічних характеристик видно, що з збільшенням моменту опору частота прийнятності знижується. При цьому характеристика 1 двигуна, що відповідає моменту інерції навантаження Jн=0,03 кг×см2, розташовується вище характеристики 2, що відповідає моменту інерції Jн=0,24 кг×см2.

image014

Рис. 7.17. Динамічні харакетристики.

image016

Рис. 7.18. Пристрій крокового двигуна.

В наш час розроблена велика кількість крокових двигунів різних конструкцій. На рис. 7.18 зображений пристрій крокового двигуна типу КД-2. В розточці статора 1 розташований активний ротор — зірочка 2, який являє собою постійний магніт.

Васюра А.С. – книга “Електромашинні елементи та пристрої систем управління і автоматики” частина 2

Оставьте комментарий к статье