«Шаговые двигатели и их применение». Самостоятельная работа студентов по дисциплине «Электротехника и электроника».
методическая разработка на тему

Евдокимов Павел Евгеньевич

Специальность     150414  Монтаж и техническая эксплуатация  холодильно – компрессорных  машин и установок.

Скачать:

ВложениеРазмер
Microsoft Office document icon shagovye_dvigateli_i_ikh_primenenie._samost._rabota.doc384.5 КБ

Предварительный просмотр:

Департамент образования города Москвы

Государственное образовательное учреждение

среднего профессионального  учреждения

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ     КОЛЛЕДЖ   №28

               

Евдокимов П.Е.

                           

Самостоятельная работа студентов по

дисциплине «Электротехника и электроника».

    Специальность

    150414  Монтаж и техническая эксплуатация  холодильно –

    компрессорных  машин и установок

   

   

http://i016.radikal.ru/0911/22/74d025f78fec.jpg

             

Москва

2011

«Шаговые двигатели и их применение».

Самостоятельная работа студентов по дисциплине «Электротехника и электроника».

    Специальность     150414  Монтаж и техническая эксплуатация  холодильно – компрессорных  машин и установок.

______________________________________________________________

 

Автор: Евдокимов Павел Евгеньевич, преподаватель физики и электротехники.

Рецензент: Плотникова Ирина Анатольевна, преподаватель математики и физики.

Редактор: Малькова Людмила Алексеевна, зам. директора по учебно-методической работе.

Рукопись рассмотрена на заседании цикловой методической комиссии естественнонаучных дисциплин, протокол № 5 от 11 января 2011 г.

Самостоятельная работа по электротехнике

«Шаговые двигатели и их применение».

http://i016.radikal.ru/0911/22/74d025f78fec.jpg

Данная работа предназначена для изучения шаговых электродвигателей, применяемых в составе электроприводов. Работа проводится в классе совместно с преподавателем, по итогам работы проводится семинар с оценкой каждого студента.

Шаговые двигатели: принцип действия и  отличие от двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами Lenze начинают работать сразу, как только к якорной обмотке будет приложено постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором — коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре.

Шаговый двигатель (ШД) может быть рассмотрен как ДПТ без коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.

Принято различать шаговые двигатели (Autonics, Motionking, Fulling motor) и серводвигатели (Lenze). Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом (дискретном) режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора) и плавности вращения синхронного двигателя. Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению, в качестве которого обычно используется резольвер или sin/cos энкодер. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении. В то время как синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.

Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис. 1).

Униполярный шаговый двигатель с постоянными магнитами

Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рис. 2).

Биополярный и гибридный шаговый двигатель

За это упрощение приходится платить более сложным реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.

Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ-модуляции.

Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.

Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.

Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных применений.

Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.

На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.

Управляющая последовательность для режима с единичным шагом

На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.

Управляющая последовательность для режима с половинным шагом

Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.

В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя.

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро%аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.

Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота. Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.

Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.

Система отработки угла выходного вала двигателя с использованием датчика обратной связи

  Общие сведения о шаговых двигателях

В современных системах управления широко используются устройства, оперирующие с цифровой формой сигнала. Цифровая форма представления сигнала привела к созданию нового типа двигателей – шаговых двигателей (ШД).

Шаговые двигатели – это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи.

Современные ШД являются по сути синхронными двигателями без пусковой обмотки на роторе, что объясняется не асинхронным а частотным пуском ШД. Роторы могут быть возбужденными (активными) и невозбужденными (пассивными).

Рассмотрим принцип действия простейшего однофазного шагового двигателя.

Двухполюсный ротор из магнитомягкой стали с клювообразными выступами помещен в четырехполюсный статор (рис.3.1). Одна пара полюсов выполнена из постоянных магнитов, на другой – находится обмотка управления.

Пока тока в обмотках управления нет, ротор ориентируется вдоль постоянных магнитов и удерживается около них с определенным усилием, которое определяется магнитным потоком полюсов Фпм.

При подаче постоянного напряжения на обмотку управления возникает магнитный поток Фупримерно вдвое больший, чем поток постоянных магнитов. Под действием электромагнитного усилия, создаваемого этим потоком, ротор поворачивается, преодолевая нагрузочный момент и момент, развиваемый постоянными магнитами, стремясь занять положение соосное с полюсами управляющей обмотки. Поворот происходит в сторону клювообразных выступов, т.к. магнитное сопротивление между статором и ротором в этом направлении меньше, чем в обратном.

Рис. 3.1. Схема простейшего однофазного ШД

Следующий управляющий импульс отключает напряжение с обмотки управления и ротор поворачивается под действием потока постоянных магнитов в сторону клювообразных выступов.

Достоинством однофазных ШД с постоянными магнитами является простота конструкции и схемы управления. Для фиксации ротора при обесточенной обмотке управления не требуется потребление энергии, угол поворота сохраняет свое значение и при перерывах в питании. Двигатели этого типа отрабатывают импульсы с частотой до 200-300 Гц. Их недостатки – низкий КПД и невозможность реверса.

 Реверсивные шаговые двигатели

Для осуществления реверса зубцы статора и ротора ШД должны быть симметричными (без клювообразных выступов). Рассмотрим работу двухфазного двухполюсного ШД с активным ротором в виде постоянного магнита. Будем считать, что намагничивающие силы фаз (НС) распределены по синусоидальному закону.

При включении фазы под постоянное напряжение (условно положительной полярности) вектор НС статора совпадет с осью фазы А. В результате взаимодействия НС статора с полем постоянного магнита ротора возникнет синхронизирующий момент Мс = Mmaxsinq, где q - угол между осью ротора и вектором НС.

При отсутствии тормозного момента ротор займет положение, при котором его ось совпадет с осью фазы А (рис. 3.2, первый такт). Если теперь отключить фазу А и включить фазу В, вектор НС и ротор повернуться на 90о(второй такт на рис. 3.2). При включении фазы А на напряжение обратной полярности (третий такт на рис. 3.2) НС и ротор повернутся еще на 90о и т.д.

Если к ротору ШД приложен момент нагрузки, то при переключении фаз ротор будет отставать от вектора НС на некоторый угол qн= arcsin(Mн/Mmax).

Рис. 3.2. Устойчивые положения ротора при включении фаз

Рассмотренный способ переключения обмоток можно представить в виде табл.1  

Таблица 1

Полярность

импульсов

Такты коммутации

1

2

3

4

+UA

+UB

-UA

-UB

Такой же шаг двигателя, но в раз большое значение намагничивающей силы (и соответственно синхронизирующего момента) можно получить при одновременном переключении двух обмоток по алгоритму, показанному в табл.2

Таблица 2

Полярность

импульсов

Такты коммутации

1

2

3

4

+UA

X

 

 

X

+UB

X

X

 

 

-UA

 

X

X

 

-UB

 

 

X

X


Шаг двигателя можно уменьшить в 2 раза, если обмотки переключать в соответствии с табл.3

Таблица 3

Полярность

импульсов

Такты коммутации

1

2

3

4

5

6

7

8

+UA

X

X

 

 

 

 

 

X

+UB

 

X

X

X

 

 

 

 

-UA

 

 

 

X

X

X

 

 

-UB

 

 

 

 

 

X

X

X

В зависимости от типа электронного коммутатора управление ШД может быть:

·одноплярным или разнополярным;

·симметричным или несимметричным;

·потенциальным или импульсным.

При однополярном управлении напряжение каждой фазе изменяется от 0 до +U, а при разнополярном – от -U до +U.

Управление называется симметричным, если в каждом такте коммутации задействуется одинаковое число обмоток, и несимметричным – если разное. Способы переключения обмоток, соответствующие тал. 1 и 2 будут симметричными, а по табл.3 – несимметричным.

При потенциальном управлении напряжение на обмотках изменяется только в моменты поступления управляющих импульсов. При отсутствии управляющего сигнала обмотка или группа обмоток находятся под напряжением, а положение ротора фиксируется полем обмоток. При импульсном управлении напряжение на обмотки подается только на время отработки шаг, после чего оно снимается и ротор удерживается в заданном положении либо реактивным моментом, либо внешним фиксирующим устройством.

В двухполюсной машине число устойчивых положений в пределах одного оборота ротора n следующее (m - число фаз):

1.при однополярной коммутации и симметричном управлении n = m;

2.при разнополярной коммутации с симметричным управлением n = 2m;

3.при несимметричной разнополярной коммутации n = 4m.

Очевидно, что несимметричная коммутация возможно только при m ³ 2.

В многополюсных ШД число устойчивых положений возрастает пропорционально числу пар полюсов р.

Одним из определяющих параметров ШД является шаг ротора, т.е. угол поворота ротора, соответствующий одному управляющему импульсу (угол между двумя соседними устойчивыми состояниями)

Для рассмотренных двигателей р = 1, m = 2 (в первом двигателе одному такту соответствует действие возбужденных полюсов, а другому, при отключении обмотки, – действие полюсов с постоянными магнитами). Следовательно, при разнополярной симметричной коммутации шаг двигателейa = 90o. При несимметричной разнополярной коммутации a = 45o.

Если в двухфазном двигателе выполнить выводы средних точек, он фактически превращается в четырехфазный ШД (рис.3.3). В отличие от двигателей с обычной двухфазной обмоткой, питаемой разнополярными импульсами, данный двигатель можно питать однополярными импульсами, что значительно упрощает коммутатор, хотя и приводит к несколько худшему использованию материалов.

Рис.3.3. Схема обмоток и порядок коммутации 4-х фазного ШД

Магнитоэлектрические ШД удается выполнить с шагом до 15о. Дальнейшее уменьшение шага ограничено технологическими трудностями создания ротора в виде постоянного магнита с числом пар полюсов больше шести.

Гораздо более мелкий шаг (до долей градуса) можно получить в редукторных (индукторных) ШД. Индукторные ШД выполняются с числом фаз m = 2¸4. Они имеют зубчатый ротор с равномерно расположенными zp зубцами и гребенчатые зоны статора, смещенные относительно друг друга на угол 2p/(mzp) (например, рис.3.4). Число пазов статора и ротора, их геометрические размеры выбираются такими, чтобы обеспечить необходимую величину шага и синхронизирующего момента при заданном виде коммутации токов.

Рис. 3.4. Геометрия магнитной системы индукторного ШД

Основной особенностью индукторных двигателей является то, что магнитное поле в зазоре содержит постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая поля возбуждается либо постоянной составляющей тока обмоток управления – у двигателей с самовозбуждением, либо специальной обмоткой возбуждения – у двигателей с независимым возбуждением, либо постоянными магнитами – у магнитоэлектрических двигателей. Переменная составляющая магнитного поля создается импульсами тока обмоток управления, поступающими от электронного коммутатора.

Реактивные шаговые двигатели

У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.

Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.

Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора.

Принцип действия реактивного редукторного двигателя

При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.

Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:

αш=360/КтZр

В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, т.к. изменение направления поля не влияет на положение ротора.

Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.

Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.

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.

Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.

В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.

По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики

Линейные шаговые синхронные двигатели

При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.

Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов.

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.

Схема — работа линейного шагового двигателя

Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнито-провода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.

Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя. Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.

ΔXш=tzt

где Kt — число тактов схемы управления.

Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двух координатные линейные шаговые двигатели.

В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.

Режимы работы синхронного шагового двигателя

Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.

Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода xследующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.

Процесс отработки шагов шаговым двигателем

В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.

Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.

Предельная механическая характеристика — это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.

Предельная механическая характеристика шагового двигателя

Приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления.

Предельная динамическая характеристика шагового двигателя

Приемлемость падает с увеличением нагрузки.

Шаговые двигатели и их применение. Лекция.

Евдокимов П.Е. – преподаватель физики ГОУ ТК № 28

Сдано в печать 28.02.2011.

Формат бумаги 60х90/16

Тираж 16 экз.

Государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«Технологический колледж № 28»

Адрес: Москва, ул. Кабельная, 2

Тел. 8 (495) 673-54-22

E-mail: 78@prof.educom.ru


По теме: методические разработки, презентации и конспекты

методические указания по выполнению контрольной работы и контрольные задания для студентов-заочников образовательных учреждений СПО по дисциплине "Электротехнике и электронике" для заочного отделения

В методических указаниях представлены: примерная программа дисциплины с перечнем рекомендуемой литературы; общие методические указания с примерами решений; варианты контрольной работы; экзаменационные...

Методические указания по самостоятельной работе обучающихся по дисциплине "Электротехника и электроника" на тему: "Расчет цепей переменного тока".

В указаниях поясняются методы расчета установившихся режимов линейных электрических цепей переменного тока. Предназначено в помощь обучающимся по курсу электротехника и электроника....

Комплект контрольно-оценочных средств по дисциплине "Электротехника и электроника" для студентов специальности 140448

Комплект контрольно-оценочных средств по дисциплине "Электротехника и электроника" для студентов специальности 140448 "Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического обо...

ОРГАНИЗАЦИЯ внеаудиторной самостоятельной работы обучающихся по дисциплине Электротехника и электроника для специальности 23.01.15 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)

Настоящий комплект заданий, по внеаудиторной самостоятельной работе обучающихся предназначен в качестве методического пособия при проведении внеаудиторных самостоятельных работ обучающихся по программ...

Студентам по дисциплине "Электротехника и электроника"

Для студентов, обучающихся по специальности 26.02.03 Судовождение по дисциплине "Электротехника и электроника" предлагаются методические рекомендации к выполнению и оформлению лабораторных р...

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ по организации внеаудиторной самостоятельной работы студентов по учебной дисциплине ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА по специальности среднего профессионального образования 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электр

Методические рекомендации по организации внеаудиторной самостоятельной работы студентов разработаны на основе Федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образо...