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.