67523

Управление шаговым двигателем с реактивным ротором и линейным шаговым двигателем с постоянным магнитом

Лекция

Производство и промышленные технологии

Фазы обмотки питаются прямоугольными импульсами напряжения. В ответ на каждый импульс ротор поворачивается на определенный угол и останавливается в ожидании следующего импульса. Показаны пути замыкания магнитного потока Ф созданного фазой А при подаче на нее импульса напряжения U0.

Русский

2014-09-11

273.5 KB

3 чел.

ЛЕКЦИЯ  5

 Управление шаговым двигателем с реактивным ротором

и линейным шаговым двигателем с постоянным магнитом

Шаговый двигатель  имеет три основные особенности.

1. Особенность конструкции: ротор и статор имеют зубцы одинаковой ширины, а расположены они по-разному.

Рис. 5.1. Смещенные зубцы статора и ротора

Если магнитная система имеет подвижные части, то они стремятся занять положение, при котором магнитный поток максимален. Магнитный поток Ф определяется формулой

,

где  – магнитная проводимость между зубцами; UM – магнитное напряжение на зазоре; bдлина дуги в пределах малого воздушного зазора; δ – его длина; lактивная длина шагового двигателя. Ротор стремится занять положение, при котором зубцы расположены друг против друга, а дуга b имеет максимальное значение. Ширина всех зубцов одинакова для точного позиционирования ротора.

2. Фазы обмотки питаются прямоугольными импульсами напряжения.

3. Ротор совершает старт-стопное движение. В ответ на каждый импульс ротор поворачивается на определенный угол и останавливается в ожидании следующего импульса.

Конструкция шагового двигателя с реактивным ротором

Рис. 5.2. Конструкция шагового двигателя с реактивным ротором

Конструкция шагового двигателя показана на рис. 5.2. Статор имеет шихтованный магнитопровод из электротехнической стали с шестью зубцами, расположенными под углом 60º друг к другу. Ротор имеет шихтованный магнитопровод с четырьмя зубцами, расположенными под углом 90º. Каждая пара зубцов, расположенных напротив друг друга, имеет по две катушки, образующие три фазы A, B и C. Показаны пути замыкания магнитного потока ФA , созданного фазой А при подаче на нее импульса напряжения U0.

Рис. 5.3. Графики фазных напряжений

На рис. 5.3 показаны фазные напряжения при прямом и обратном вращении ротора. Если после импульса на фазе А подать импульс на фазу В, то ротор повернется против часовой стрелки на угол 30º. Затем нужно подать импульс на фазу С, потом на фазу А, и т.д. В ответ на каждый импульс ротор поворачивается на угол 30º. Длительность импульсов может быть произвольной, но она не должна быть слишком маленькой, чтобы ротор успел повернуться. Одна из характеристик шагового двигателя – частота приемистости. Это максимальная частота импульсов, которую ротор успевает отработать.

При вращении ротора против часовой стрелки имеем прямой порядок чередования фаз А, В, С. Для реверса нужно изменить порядок чередования фаз, т.е. подавать напряжение в порядке С, В, А.

Шаговый двигатель позволяет строить разомкнутые системы без датчиков угла. Для определения результирующего угла поворота достаточно подсчитать количество импульсов и умножить на шаг по углу. Для уменьшения шагов или для увеличения плавности движения применяют электрическое дробление шага, когда в определенные периоды времени запитаны сразу две фазы. При этом можно получить угловой шаг 15º. Для плавного поворота ротора применяют импульсное питание двух фаз с широтной модуляцией.

 

Рис. 5.4. Угол поворота ротора шагового двигателя

Линейный шаговой двигатель с постоянным магнитом.

Для понимания роли постоянного магнита рассмотрим сначала конструкцию динамика (см. рис. 5.5). Он имеет магнитопровод в виде цилиндрического

Рис. 5.5. Конструкция динамика с постоянным магнитом

стакана, внутри которого находится цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль оси. На магните расположена обмотка, к которой подводится напряжение от усилителя звуковой частоты. Сверху на магнитопроводе расположена упругая ферромагнитная мембрана, связанная с диффузором (на рисунке не показан).

Магнитная индукция в зазоре между постоянным магнитом и мембраной равна сумме индукций от постоянного магнита (В0) и от обмотки с током. График магнитной индукции в функции от времени показан на рис. 5.6 справа в предположении, что ток обмотки синусоидальный.

Сила притяжения мембраны определяется формулой

,

где Sплощадь поперечного сечения постоянного магнита. Квадратическая функция (парабола) показана на рис. 5.6. Видно, что диапазон изменения силы велик, а чувствительность к переменной составляющей большая (показана касательная в средней точке).

Рис. 5.6. Графики магнитной индукции с постоянным магнитом и без него

Если вместо постоянного магнита поставить стальной сердечник, то:

– чувствительность силы по магнитной индукции будет очень маленькой;

– при подаче синусоидального сигнала частота колебаний мембраны будет в 2 раза больше, т.е. будут лишь нелинейные искажения.

А если динамик имеет постоянный магнит, то;

– увеличивается чувствительность к переменной составляющей магнитной индукции;

– появляется большая линейная составляющая;

– остаются нелинейные искажения, но их величина сравнительно мала.

Теперь рассмотрим конструкцию линейного шагового двигателя (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Линейный шаговый двигатель с постоянным магнитом

Двигатель имеет два магнитопровода с двумя большими зубцами каждый. На больших зубцах имеются малые зубцы. Между магнитопроводами расположен постоянный магнит в виде цилиндрического кольца. Он намагничен в осевом направлении. Каждый магнитопровод имеет кольцевую обмотку, расположенную между большими зубцами (фазы А, В). Лайнер (подвижная часть) имеет вид цилиндрического стержня с кольцевыми проточками. Он выполнен из электротехнической стали.

Малые зубцы или выступы на больших зубцах одного магнитопровода смещены в осевом направлении на половину зубцового деления τz, а малые зубцы на больших зубцах разных магнитопроводов смещены на четверть зубцового деления τz . Крестиками в кружках показаны положительные направления токов фаз  А, В, а дугами со стрелками показаны направления магнитных потоков, созданных положительными токами.

Двигатель нарисован для момента времени, когда импульс напряжения +U0  подан на фазу А (см. рис. 5.8). При этом выполняются соотношения:

Рис. 5.8. Напряжения питания фаз шагового двигателя

uA = U0 ;   uВ= 0;  

Ф1 = Фм + ФА ;   Ф2 = Фм – ФА  ;  Ф1 > Ф2.

Крайние левые зубцы статора и лайнера встали напротив друг друга.

Теперь рассмотрим случай, когда импульс напряжения +U0  подан на фазу В. Выполняются соотношения:

uA = 0:   uВ = U0:  Ф3 = Фм – ФВ ;  Ф4 = Фм + ФВ ;  Ф4 > Ф3.

В результате лайнер сместится вправо на четверть зубцового деления.

Для продолжения движения в ту же сторону надо подать импульс –U0 на фазу А, затем импульс –U0 на фазу В, и т.д.

Для реверса нужно сменить порядок чередования фаз. Нужно подать импульс +U0 на фазу В, затем импульс +U0 на фазу А, далее  надо  подать  импульс –U0 на фазу В, затем импульс –U0 на фазу А, и т.д.

Постоянный магнит повышает эффективность работы фаз А и В (при одном и том же токе повышается усилие). Отметим, что в данной конструкции реализуется магнитная редукция, когда на каждом большом зубце выполняются несколько маленьких зубцов.

Вопросы для самопроверки

1. Какие три особенности имеет шаговый двигатель ?

2. Каковы достоинства и недостатки?

3. Почему зубцы на статоре и на роторе расположены по-разному ?

4. Как изменить направление вращения ротора шагового двигателя ?

5. Для чего применяется постоянный магнит в динамике ?

6. Что такое магнитная редукция и как она реализована в линейном шаговом двигателе ?

7. Почему шаговый двигатель с реактивным ротором не чувствует полярность напряжения питания, а линейный шаговый двигатель реагирует на напряжение с учетом знака ?

U0

реверс

U0

0

0

U0

U0

uB

uA

t

t

0

B0

t

B

F

ΔF

S

N

0

0

0

U0

U0

вращение по часовой стрелке

l

b0

b

реверс

вращение против

часовой стрелки

U0

uC

uB

uA

t

t

t

ФА

Z

Y

X

С

В

А

налево

направо

t

0

h

2h

3h

α

τz

Ф4

Ф1

В

А

Ф3

Ф2

N

S


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

48797. ОБЛАДНАННЯ ДІЛЯНКИ ЗАЛІЗНИЦІ ПРИСТРОЯМИ АВТОМАТИКИ І ТЕЛЕМЕХАНІКИ 538.5 KB
  Автоматичну дію прохідних світлофорів забезпечують колійні датчики – рейкові кола (РК) або лічильники осей. На Україні в якості колійного датчика на магістральних залізницях, які повністю устатковуються АБ, застосовуються тільки рейкові кола
48799. Зеркальная антенна 895.5 KB
  Расчёт геометрических параметров зеркала и облучателя. Широко используются зеркала с параболической формой поверхности параболоид вращения усечённый параболоид вращения параболический цилиндр также распространены сферические зеркальные антенны двухзеркальные антенны.Расчёт геометрических параметров зеркала и облучателя. Форма излучающей поверхности и профиль зеркала выбирается исходя из назначения антенны и требований предъявляемых к ее электрическим характеристикам.
48800. Будівництво міжміської волокно-оптичної лінії Тернопіль -- Новоград-Волинський 515.5 KB
  Використовуючи коефіцієнти заломлення розраховуємо відношення коефіцієнтів заломлення по формулі: Згасання розсіювання розраховується по формулі дБ км: Згасання на поглинання розраховується по формулі дБ км: Згасання на поглинання в інфрачервоному спектрі...
48803. Расчет тепловой схемы комбинированных парогазовых установок 1.88 MB
  Указанные особенности позволяют существенно повысить КПД производства электроэнергии путем объединения в одной парогазовой установке (ПГУ) высокотемпературного подвода в ГТУ и низкотемпературного отвода тепла в конденсаторе паровой турбины