Краткие теоретические сведения

Принцип действия шагового двигателя

Шаговый двигатель (ШД) – это электромеханическое устройство, преобразующее электрические импульсы в угловые или линейные дискретные перемещения.

Рассмотрим принцип действия шагового двигателя на примере реактивного двухфазного ШД. На рис. 7 представлен ШД, статор которого имеет четыре явно выраженных полюса (по два полюса на фазу), а ротор – два полюса.

Рис. 7. Принцип действия реактивного ШД

При прохождении импульса тока в фазе А обмотки управления ротор занимает положение, соответствующее действию электромагнитных сил, т.е. по оси полюсов А-А/. В момент времени t₁ импульс тока в фазе А прекратится и появится импульс тока в фазе В. В результате ротор двигателя повернется по часовой стрелке и займет положение по оси полюсов В-В/, т.е. повернется на угол =90^о. В момент t₂ появится импульс тока в инверсной фазе А/ и ротор, повернувшись еще на 90^о, займет положение между полюсами статора А/-А. В момент времени t₃ ротор опять совершит шаг в 90^о и под действием электромагнитных сил остановится между полюсами В/-В. При повторном появлении импульса в фазе А ротор займет положение по оси полюсов статора А-А/, закончив цикл и совершив за этот цикл поворот на 360^о.

Таким образом, вал шагового двигателя поворачивается на заданный угол при подаче на его обмотки определенного количества электрических импульсов:

φ, (2)

где α – шаг ШД, град; n– число импульсов.

Скорость вращения вала зависит от частоты электрических импульсов:

, (3)

где f– частота электрических импульсов, Гц.

В последующие циклы процессы в ШД будут повторяться. Таким образом, рассматриваемый реактивный двухфазный ШД работает по четырехтактной схеме коммутации с раздельным включением фазных обмоток управления: . Для того чтобы ротор вращался непрерывно, нужно последовательно подавать напряжение на обмотки статора. Тогда будет возникать вращающееся магнитное поле, за которым будет следовать ротор.

Управление обмотками шагового двигателя обычно осуществляется с помощью распределителя импульсов. Для вращения ротора ШД по часовой стрелке на распределитель импульсов (РИ) сигналы управления подаются через вход Вп. После чего через усилитель мощности (УМ) ток поступает непосредственно на обмотки в следующей последовательности , как показано на рис. 8.

Рис. 8. Распределитель импульсов ШД

Для изменения направления вращения ротора ШД необходимо изменить схему коммутации обмоток, т.е. подавать импульсы на распределитель импульсов через вход Нз. В этом случае обмотки будут запитываться в обратной последовательности .

Шаг двигателя зависит от числа полюсных выступов на роторе, способа коммутации и числа фазных обмоток управления, пространственно смещенных относительно друг друга.

Уменьшение шага способствует повышению устойчивости и точности работы ШД. Для уменьшения шага увеличивают число полюсных выступов на роторе.

Шаговые двигатели с активным ротором позволяют получить большие значения вращающего момента, а также обеспечивают фиксацию ротора при отсутствии управляющего сигнала, т.е. обладают удерживающим моментом.

Важной характеристикой ШД является зависимость статического синхронизирующего момента М от электрического угла рассогласования θ, т.е. зависимость вращающего момента при установившемся токе в обмотке статора от угла между осью ротора и осью возбужденного поля статора. Такая характеристика носит название угловой характеристики ШД и представлена на рис. 9.

Рис. 9. Угловые характеристики ШД при разных токах

Для двигателя с симметричным ротором эта зависимость близка к синусоидальной:

, (4)

где M_max – максимальный статический синхронизирующий момент, Н∙м; θ – электрический угол рассогласования, град.

Максимальный момент определяется величиной силы тока, протекающей в обмотках ШД. Соответственно, чем больше ток в обмотках статора, тем больше будет синхронизирующий момент, развиваемый ротором двигателя (см. рис. 9).

Если же на вал ШД действует нагрузочный момент M_с, то ротор двигателя будет отставать от поля статора на угол , называемый углом статической ошибки, или углом рассогласования, шагового двигателя:

. (5)