Синхронные шаговые микродвигатели

Шаговые двигатели (ШД) преобразуют управляющий сигнал в виде двоичного кода в пропорциональное ему число импульсов управления и фиксированный угол поворота вала или линейное перемещение механизма без датчика обратной связи (ОС). Структурная схема разомкнутой системы управления ШД представлена на рис. 4.7.

Точность отработки угла или линейного перемещения в разомкнутой системе управления достаточно высока, в связи с фиксацией положения ротора ШД при отсутствии импульсов управления. Очевиден и недостаток привода с ШД: при сбое импульса дальнейшие перемещения происходят с ошибкой в угле, пропорциональной числу пропущенных импульсов. Поэтому в ответственных случаях применяют ШД с ОС, имеющие датчик положения ротора.

Одним из определяющих параметров ШД является шаг ротора, т.е. угол поворота ротора, соответствующий одному импульсу управления. Шаг a двигателя с активным ротором, выполненным в виде многополюсного постоянного магнита, определяется соотношением [2]:

Рис.4.8

, (4.3)

где p – число пар полюсов ротора или каждой фазы статора; m – число тактов в одном цикле управления ШД.

Для создания реверсивных ШД используются трехфазные или двухфазные двухполупериодные двигатели, создающие дискретное ВМП. Обмотки статора двухфазных ШД выполняют с выводами от средних точек (рис.4.8). Таким образом, каждая фаза оказывается расщепленной на две полуфазы, и обмотка двигателя, по существу, становиться четырехфазной. Посылая в такую обмотку однополярные импульсы, сдвинутые во времени, заставляют «северный» полюс N активного ротора «следить» за «южным» полюсом статора, перемещающимся при р=1 с шагом .

а) б) в)

Рис.4.9

На рис. 4.9 показаны три последовательных момента протекания тока управления в фазах 1-3, перемещения МДС полюсов статора и положения ротора, соответствующие импульсам тока, показанным на рис. 4.9, а (раздельная коммутация обмоток).

Шаг в электрических градусах для активного ротора g_ЭЛ=pa. Поэтому каждому переключению этих импульсов соответствует сдвиг на кривой статического синхронизирующего момента М_СИНХ (рис. 4.11).

Рис.4.10 Рис.4.11

Кривая М_СИНХ = f(g_ЭЛ) – это зависимость синхронизирующего вращающего момента М_СИНХ, стремящегося совместить ось полюса ротора с осью возбужденного полюса статора при установившемся токе в обмотке, от угла g_ЭЛ между указанными осями. Значение g_ЭЛ, равное нулю, соответствует положению ротора ШД на рис.4.10,а. Сплошная кривая М_СИНХ на рис.4.11 соответствует возбужденной первой фазе ШД, а штрихованная кривая – возбужденной второй фазе. Точка пересечения кривых смежных синхронизирующих моментов определяет допустимый момент сопротивления нагрузки М_{С ДОП}. При парной коммутации обмоток фаз (рис.4.10,б) амплитуда М_СИНХ возрастает (рис.4.11), что приводит к росту М_{С ДОП}. Для реверса ШД порядок коммутации обмоток статора необходимо изменить на обратный (4-3-2-1 и т.д.).

Основные характеристики ШД – это семейство зависимостей частоты приемистости f_ПР от момента сопротивления М_С и момента инерции J_С нагрузки на валу ШД (рис.4.12). Частотой приемистости называют максимальную частоту управляющих импульсов, при которой возможен пуск ротора без выпадения из синхронизма (потери шагов). Частота f_ПР растет с увеличением М_СИНХ, уменьшением шага ротора, снижением постоянной времени обмоток фаз, момента нагрузки и момента инерции нагрузки на валу ШД. Для устойчивой работы ШД необходимо, чтобы (М_С/М_MAX)£0,3¸0,5 и (J_C/J_ДВ) £1¸2.

5. Электрические микромашины – элементы систем управления

5.1Тахогенераторы – датчики частоты вращения вала машин

Тахогенераторы (ТХГ) представляют собой электрические генераторы мощностью от единиц до десятков ватт, служащие для преобразования частоты вращения вала машины в электрический сигнал. Основными требованиями, предъявляемыми к ТХГ являются:

– Линейность и возможно большая крутизна выходной характеристики;

– Малое влияние на выходную характеристику нагрузки и температуры окружающей среды.

Выходная характеристика – это зависимость выходного напряжения U от частоты вращения n. Крутизна выходной характеристики K_S представляет собой отношение

По физическому принципу действия тахогенераторы могут быть синхронными, асинхронными, постоянного тока.

Синхронный ТХГ является простейшим тахогенератором переменного тока с магнитоэлектрическим возбуждением. В пазах статора, набранного из листов электротехнической стали, уложена однофазная распределённая обмотка. Ротор выполнен в виде дискообразного многополюсного постоянного магнита. При вращении ротора в статорной обмотке W₁ на холостом ходу наводится ЭДС:

, (5.1)

где - передаточный коэффициент ТХГ.

Таким образом, при холостом ходе ТХГ выходное напряжение U=E₁ и пропорционально частоте вращения n. В тоже время частота напряжения ТХГ есть функция частоты вращения. Следовательно, в нагруженном тахогенераторе реактивная составляющая сопротивления нагрузки Z_н и индуктивное сопротивление обмотки самого ТХГ изменяются с изменением частоты, поэтому выходная характеристика U=f(n) нелинейна. В связи с этим, несмотря на простоту устройства и отсутствие скользящих контактов, синхронные ТХГ в автоматических системах применяются редко. Используют их в основном для измерения частоты вращения машин, подключая непосредственно к вольтметру со шкалой, отградуированной в оборотах в минуту.

Из тахогенераторов переменного тока широкое применение получили асинхронные ТХГ с полым ротором, конструкция которых не отличается от конструкции двухфазного асинхронного двигателя с полым немагнитным ротором. Асинхронным тахогенераторам присуща нелинейность выходной характеристики, которую стараются уменьшить, подключая обмотку возбуждения к источнику напряжения 400 Гц, что не всегда удобно. Выходное напряжение асинхронного ТХГ не остается постоянным по фазе при изменении частоты вращения. Фазовая погрешность зависит от характера нагрузки ТХГ и достигает нескольких градусов. Практически у всех асинхронных ТХГ выходная характеристика несимметрична – выходное напряжение U при вращении ротора в противоположных направлениях имеет различные значения, особенно при малых n. Большое влияние на несимметрию выходной характеристики оказывает нулевая остаточная ЭДСE₀, т.е. ЭДС, наводимая в генераторной (выходной) обмотке при неподвижном роторе. Е₀ обусловливается расположением обмоток возбуждения (ОВ) и генераторной (ОГ) не строго под углом 90град., магнитной асимметрией стали и воздушного зазора, наличием потоков рассеивания и ёмкостных связей. У большинства ТХГ Е₀ составляет 30110 мВ. В тахогенераторах при изменении температуры меняются активные сопротивления ОВ, ОГ, тонкостенного ротора, что вызывает нестабильность выходной характеристики. Диапазон измеряемых асинхронным ТХГ частот вращения ограничивается 10⁴ об/мин.

Наибольшее применение в технике получили тахогенераторы постоянного тока, которые выполняют с магнитоэлектрическим или электромагнитным возбуждением. В ТХГ постоянного тока нельзя не учитывать падение напряжения на щётках U_Щ, значения которого могут достигать 1 В. Поэтому уравнение для внешней характеристики ТХГ примет вид

, (5.2)

где ток якоря . Тогда

Семейство внешних характеристик тахогенератора показано на рис. 5.1. Нелинейность характеристик при R_н ≠ ∞ объясняется влиянием реакции якоря на поток Ф, которое возрастает при больших значениях I_я, связанных с увеличением частоты вращения n и, следовательно, напряжения U. Для уменьшения этой погрешности ТХГ его нагружают на схемы с большим входным сопротивлением, например, на эмиттерный повторитель. Для минимизации другой погрешности ТХГ, связанной с падением напряжения на щётках, последние выполняют медно-графитовыми или серебряно-графитовыми. При этом зона нечувствительности ОА сокращается. Для уменьшения пульсаций напряжения U выход ТХГ подключают к сглаживающему RC-фильтру.

5.2. Сельсины – устройства для передачи на расстояние угловых перемещений

В схемах автоматического регулирования, а также следящих системах широкое применение получили индукционные системы синхронной связи, под которыми понимают совокупность устройств, служащих для измерения и передачи на расстояние угловых перемещений двух или нескольких валов, механически не связанных между собой. Применяемые в индукционных системах в качестве датчиков и приёмников микромашины получили название сельсинов.

Обмотки сельсина датчика (С_Д) и сельсина приёмника (С_П), соединённые между собой линиями связи, называют обмотками синхронизации, а обмотки, присоединяемые к общей для С_Д и С_П сети переменного тока и предназначенные для создания магнитного потока машины, - обмотками возбуждения (ОВ).

Сельсины изготавливают трёх- и однофазными. Трёхфазные сельсины, применяемые при относительно больших мощностях, выполняют как обычные трёхфазные АД с фазным ротором.

У однофазных сельсинов ОВ однофазные. Обмотки синхронизации выполнены трёхфазными, сдвинуты в пространстве на 120 град. и соединены в звезду. Токи, протекающие по фазовым обмоткам, имеют одну и ту же временную фазу, но разные мгновенные и амплитудные значения. Основным видом однофазного сельсина считают микромашину, имеющую сосредоточенную обмотку возбуждения ОВ на статоре и распределенную (трёхфазную) обмотку синхронизации на роторе. Обмотки роторов С_Д и С_П соединяются с линиями связи через три скользящих контакта, ток через которые проходит только при наличии угла рассогласования в положениях роторов С_Д и С_П. Для уменьшения переходного сопротивления контактов кольца и щётки выполняют из сплавов серебра. Сельсины могут работать в одном из двух режимов:

– индикаторном (рис. 5.2);

– трансформаторном (рис. 5.3).

В индикаторном режиме С_П, имеющий незначительный момент сопротивления, самостоятельно отрабатывает угол, задаваемый С_Д, не требуя дополнительных усилительных устройств. Действующие значения ЭДС, наводимые потоком ОВ в обмотках ротора, являются синусоидальными функциями угла поворота ротора a и для С_Д имеют вид:

(5.3)

где Е_m – максимальное действующее напряжение.

Для С_П одноимённые ЭДС определяются так:

(5.4)

Так как одинаковые обмотки синхронизации С_Д и С_П включены встречно, то между одноимёнными концами обмоток действуют разностные ЭДС:

Рис. 5.2

(5.5)

где - угол рассогласования роторов С_П и С_Д.

Под действием разностных ЭДС в линиях связи начнут протекать токи. Взаимодействие результирующей МДС ротора С_П с полем обмотки ОВ_П создаёт статический синхронизирующий момент , который стремится свести к нулю угол рассогласования q,

, (5.6)

где - синхронизирующий момент при q= =90°.

Помимо статического (когда угловая скорость вала С_Д w = 0) сельсины могут работать в динамическом режиме как при равномерном (w = const), так и неравномерном (w = var) вращении их валов. Поэтому представляет интерес динамический момент:

(5.7)

Из последнего выражения следует, что с увеличением частоты питающей сети возрастает динамический момент и, следовательно, уменьшается угол рассогласования.

После остановки ротора С_Д обнаруживается неточность остановки ротора С_П из-за трения в подшипниках и щётках, магнитной асимметрии, асимметрии обмоток и других причин. Погрешность передачи угла поворота определяется углом рассогласования при неподвижном роторе С_Д.

Рассмотренная индикаторная передача обратима, т.е. при повороте ротора С_П освобождённый ротор С_Д будет поворачиваться на такой же угол.

По точности отработки угла сельсины делятся на три класса (табл. 1).

Таблица 1

Классы точности сельсинов

Тип Сельсина	Класс точности
Погрешность измерения, град
СД	0…± 0,25	±0,25…±0,5	±0,5…±1
СП	0…± 0,75	±0,75…±1,5	±1,5…±2,5

В трансформаторном режиме работы сельсинов напряжение подаётся только на статор С_Д, а ротор С_П “заторможен” большим моментом нагрузки. Как и в индикаторном режиме, ток ОВ создаёт магнитный поток, который наводит в обмотках ротора С_Д три ЭДС. Они вызывают в линиях связи (ЛС) три тока, создающие потоки в роторе С_П. Результирующий магнитный поток ротора С_П создаёт в обмотке ОВ статора С_П ЭДС, которую измеряют вольтметром и подают на вход усилителя У. При повороте ротора С_Д изменяются наводимые в его обмотках ЭДС, а значит токи в линиях связи и магнитные потоки обмоток ротора С_П. Вследствие этого изменяется напряжение на обмотке статора С_П. Таким образом, по показанию вольтметра можно судить о положении ротора С_Д относительно ротора С_П.

Действительно, выходное напряжение С_П, снимаемое с обмотки возбуждения ОВ_П, поступая через усилитель У на обмотку управления ОУ исполнительного двигателя ИД (рис. 5.3), заставляет его вращаться вместе с механизмом нагрузки и ротором С_П до тех пор, пока напряжение на обмотке ОВ_П не станет равным нулю, что произойдёт при a_П=a_Д.

Рис. 5.3

Дата добавления: 2014-01-04