История создания и перспективы развития в области шаговых двигателей и микромашин

Введение

Электрический двигатель — ядро современных приводов, приводящих в движение разнообразные технологические машины. Современный электропривод представляет собой сочетание электродвигателей, систем передачи и средств управления, обеспечивающих автоматизированную работу производственных машин. Эта работа совершается с требуемой закономерностью при преобразовании электрической энергии в механическую.

Основная тенденция развития современного промышленного электропривода направлена на решение следующих проблем: слияние электродвигателя с рабочими органами машины; вытеснение механических звеньев и кинематических связей электрическими. Это упрощает конструкции машин, улучшает качество технологического процесса, увеличивает скорость машин, создает удобства обслуживания и сокращает расходы на эксплуатацию.

Автоматизация управления процессом заключается в автоматическом пуске, останове, изменении скорости и реверсировании электрических двигателей механизмов с требуемой последовательностью. Автоматизация управления часто сопровождается блокировкой, не допускающей неправильных операций. Автоматизация процесса приводит к его значительному ускорению, улучшению качества продукции, сокращению потребности в рабочей силе, уменьшению затрат ручного труда и его облегчение.

Автоматизированная система управления электроприводом содержит три основных элемента: приемник, промежуточное и исполнительное устройства.

Приемные элементы — датчики — воспринимают действие управляющих величин (натяжения, температуры, влажности и т.д.) и преобразуют их в электрические.

Промежуточные элементы усиливают полученные от датчиков сигналы и в случае необходимости распределяют их между несколькими цепями. Исполнительные элементы, получив импульсы от промежуточных элементов, производят требуемое изменение режима работы управляемой технологической машины, например увеличивают число оборотов ее главного вала.

В некоторых случаях один элемент системы должен перемещаться в точном соответствии с перемещениями другого элемента, но чисто механическая связь между ними неосуществима. Тогда применяется электромагнитная синхронная связь этих элементов. Синхронная связь является, таким образом, одной из задач автоматизированной системы.

1 Автоматизированный электропривод

1.1 Основные характеристики электроприводов

К системам автоматического управления предъявляется ряд требований. Они должны обладать минимальной инерционностью или максимальным быстродействием, обеспечивать правильную последовательность работы управляемой машины или группы машин, необходимую точность и чувствительность, защиту против аварийных режимов, быть достаточно простыми, дешевыми и надежными в работе и т. д.

Развитие современного электропривода идет по пути усовершенствования самих электрических двигателей, а также систем их автоматического управления и регулирования.

В процессе работы электропривода механическая энергия, развиваемая электродвигателем, расходуется на приведение в движение элементов рабочей машины, осуществляющей рабочий процесс. Этот процесс, согласно условиям производства и технологии, протекает нередко с переменной скоростью.

Скорость электропривода может меняться также вследствие колебания механической нагрузки рабочей машины и непостоянства напряжения сети. Всякое изменение скорости электропривода вызывает изменение запаса кинетической энергии во всех движущихся массах системы двигатель — рабочая машина. Это обстоятельство в ряде случаев является причиной непостоянства тока, момента и мощности двигателя, величины которых зависят от характера движения электропривода.

В электроприводах, как правило, приходится иметь дело с вращательным движением. Поэтому уравнение движения записывается как уравнение равновесия всех моментов. Для большинства рабочих механизмов и машин, имеющих постоянный момент инерции, это выражение имеет вид:

где М — вращающий момент электродвигателя, дж;

МC — статический момент рабочего механизма, приведенный к валу двигателя, дж;

J - момент инерции системы, приведенный к валу двигателя, дж*сек2;

dω/dt - угловое ускорение, 1/сек2.

При М>МC ускорение dω/dt > 0, т. е. имеет место ускорение привода.

При М<МC ускорение  - dω/dt < 0, т. е. происходит замедление привода.

При М=МC ускорение – dω/dt = 0 т. е. привод работает в установившемся режиме.

Различают активные и реактивные статические моменты. Активные статические моменты обусловлены потенциальными силами (например, силами тяжести), не меняют направления своего действия при изменении направления движения, вследствие чего они могут способствовать или противодействовать движению. Реактивные моменты сопротивления препятствуют движению привода при любом направлении движения, так как изменяют направление своего действия, когда меняется направление скорости.                             В случае шаговых двигателей скорость работы не зависит от изменения нагрузки на валу двигателя. Однако, все шаговые двигатели теряют крутящий момент при увеличении скорости. Таким образом, в пределах допустимой нагрузки колебаний и изменений скорости шагового двигателя не происходит. Но при превышении момента нагрузки допустимой величины шаговый двигатель выходит из синхронизации, пропускает шаги или останавливается. Чем выше напряжение питания, подаваемое на шаговый привод, тем выше максимальный допустимый крутящий момент шагового двигателя для определенной скорости движения.

Главные свойства электропривода определяются основными характеристиками электродвигателя:

        зависимостью скорости вращения двигателя от момента — механической характеристикой;

        зависимостью скорости двигателя от тока или напряжения — скоростной характеристикой;

        зависимостью вращающего момента от тока — моментной характеристикой;

        зависимостью скорости двигателя от регулирующей величины (напряжения, частоты и т.д. — регулировочной характеристикой.

1.2 Различные принципы действия электроприводов

Принципиальная особенность асинхронных двигателей — наличие скольжения ротора относительно вращающегося магнитного поля, зависящего от нагрузки.

Принципиальная особенность синхронного двигателя состоит в том, что его ротор вращается синхронно с полем при всех нагрузках, не превышающих максимальной (критической).

Синхронный электродвигатель, преобразующий электрические импульсы в дискретные механические перемещения, называется шаговым, или импульсным. Такие двигатели используются в различных автоматических устройствах с дискретным или шаговым характером механического движения. Их можно разделить на устройства:

а) в которых шаговые двигатели выполняют роль приводных двигателей различных исполнительных механизмов (подачи станков, золотников гидроусилителей, затворов и задвижек, лентопротяжных механизмов, кулачковых барабанов, переключателей электрических цепей и др.);

б) в которых шаговые двигатели используются для преобразования сигнала унитарного вида (соответствующего заданной программе движения) в другую форму электрического сигнала. В этом случае шаговый двигатель поворачивает ротор сельсина, сердечник вращающегося или дифференциального трансформатора и т. д.

Число зубцов на статоре и на роторе может быть одинаковым или различным.

Поочередное возбуждение обмоток управления (от источника постоянного тока) вызывает шаговые повороты ротора на часть зубцового деления в направлении, зависящем от последовательности подачи импульсов. Остановка ротора шагового двигателя в фиксированном положении достигается включением постоянного тока в одну из обмоток управления. Свойства шагового двигателя определяются рядом его показателей и характеристик. К ним относятся:

        Величина шага двигателя или угол поворота ротора, отвечающий одному импульсу напряжения;

        Статический синхронизирующий момент или вращающий момент в установившемся электромеханическом режиме при постоянном токе в обмотке управления и нулевой скорости ротора;

        Частота приемистости или наибольшая частота управляющих импульсов, при которой ротор еще может входить в синхронизм с места, не теряя шага;

        Зависимость среднего синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.

1.3 Применение малогабаритных электроприводов

Электрические микромашины применяются:

а) в качестве основных двигателей обычных приводов малой мощности, а также исполнительных двигателей следящих приводов;

б) как элементы управления и регулирования автоматизированными электроприводами.

Как элементы систем управления приводами электрические машины выполняют роль:

а) двигателей, приводящих в движение управляющие и регулирующие механизмы и устройства, например командоаппараты, реостаты и т. п.;

б) тахогенераторов, осуществляющих обратную связь в автоматических системах;

в) усилителей, позволяющих управлять повышенными мощностями посредством воздействия на маломощные цепи.

В системах управления электроприводами в принципе могут быть использованы различные микродвигатели. На практике для указанных целей наибольшее распространение находят асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором как весьма простые и надежные в работе и регулируемые двигатели постоянного тока.

2 Шаговые двигатели

2.1 Шаговые двигатели: принцип действия и отличия от двигателей постоянного тока

Шаговые двигатели являются наиболее распространенным типом двигателей для станков с ЧПУ, сварочных автоматов, приводов подачи и позиционирования деталей, конвейеров и т.п. В процессе производства одинаковых деталей двигатели в цикле повторяют набор движений, алгоритм движения может храниться в управляющей программе компьютера или в памяти контроллера шаговых двигателей.

Исключение механических передач устраняет погрешности и неточности при работе, исключаются люфты, деформации. Пример такого привода - прямой сервопривод. При непосредственном соединении рабочих деталей промышленной машины с двигателем конструкция получается более компактной, повышается КПД системы, снижается шум, не требуется смазка.

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).

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).

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 рис. 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.

На рис. 4 показана последовательность для полушагового управления.

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.

2.2 Шаговые синхронные двигатели активного типа

В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления. Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.

При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления.

При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления.

Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки».

Число тактов KT системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления KT = 4, а для несимметричной KT = 8.

В общем случае число тактов KT  зависит от числа обмоток управления (фаз статора) mу и может быть посчитано по формуле:

KT = mу*n1*n2,

где: n1=1 — при симметричной системе коммутации;

n1=2 — при несимметричной системе коммутации;

n2=1 — при однополярной коммутации;

n2=2 — при двуполярной коммутации.

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении, а при двуполярной — в обеих. Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают. Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1). Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.

Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами.

Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:

αш=360/Кт*р

Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р=4…6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.

2.3 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.

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.

2.4 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.

2.5 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.

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 = tz/Кt

где Kt — число тактов схемы управления.

Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные 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.