Стъпкови двигатели

Стъпков мотор се нарича електромеханично устройство, което преобразува електрическите сигнали в дискретни ъглови движения на вала. Използването на стъпкови двигатели позволява на работните органи на машините да извършват строго дозирани движения с фиксиране на позицията им в края на движението.

Стъпковите двигатели са задвижващи механизми, които осигуряват фиксирани ъглови движения (стъпала). Всяка промяна в ъгъла на ротора е реакцията на стъпковия двигател към входния импулс.

Дискретно електрическо задвижване със стъпков двигател естествено се комбинира с цифрови управляващи устройства, което му позволява успешно да се използва в цифрово управляеми металорежещи машини, в промишлени роботи и манипулатори, в часовникови механизми.

Дискретно електрическо задвижване също може да бъде реализирано с помощта на сериен асинхронни електродвигатели, които поради специален контрол могат да работят в стъпалов режим.

Стъпковите двигатели се използват в електрически задвижвания с мощност от част от вата до няколко киловата. Разширяване на скалата на мощността на дискретно електрическо задвижване може да се постигне с помощта на серийни асинхронни електродвигатели, които поради подходящо управление могат да работят в стъпаловиден режим.

Принципът на действие на стъпкови двигатели от всички видове е както следва. С помощта на електронен превключвател се генерират импулси на напрежение, които се подават към управляващите намотки, разположени на статора на стъпковия двигател.

В зависимост от последователността на възбуждане на управляващите намотки, една или друга дискретна промяна в магнитното поле се случва в работната междина на двигателя. С ъгловото изместване на оста на магнитното поле на управляващите намотки на стъпковия двигател, неговият ротор дискретно се завърта след магнитното поле. Законът за въртене на ротора се определя от последователността, работния цикъл и честотата на управляващите импулси, както и от типа и конструктивните параметри на стъпковия двигател.

Принципът на действие на стъпков двигател (получаване на дискретно движение на ротора) ще бъде разгледан чрез примера на най-простата верига на двуфазен стъпков двигател (фиг. 1).

Ориз. 1. Опростена схема на стъпков двигател с активен ротор

Стъпковият двигател има две двойки ясно определени полюси на статора, върху които са разположени намотките за възбуждане (управление): намотка 3 с изводи 1H — 1K и намотка 2 с изводи 2H — 2K. Всяка намотка се състои от две части, разположени на противоположни полюси на статора 1 SM.

Роторът в разглежданата схема е двуполюсен постоянен магнит. Намотките се захранват от импулси от контролно устройство, което преобразува едноканална последователност от входни управляващи импулси еуправление, в многоканален (според броя на фазите на стъпковия двигател).

Помислете за работата на стъпков двигател, като приемем, че в началния момент напрежението се прилага към намотката 3. Токът в тази намотка ще намагнетизира вертикално разположените полюси N и 8. В резултат на взаимодействието на магнитното поле с постоянното магнит на ротора, последният ще заеме равновесно положение, при което осите на магнитните полета на статора и ротора са еднакви.

Положението ще бъде стабилно, тъй като върху ротора действа синхронизиращ момент, който има тенденция да върне ротора в равновесно положение: M = Mмах х гряхα,

където М.мах — максималният момент, α — ъгълът между осите на магнитните полета на статора и ротора.

Когато управляващият блок превключва напрежението от намотка 3 към намотка 2, се генерира магнитно поле с хоризонтални полюси, т.е. магнитното поле на статора прави дискретно въртене с една четвърт от обиколката на статора. В този случай ще се появи ъгъл на разминаване между осите на статора и ротора α = 90 ° и максималният въртящ момент Mmax ще действа върху ротора. Роторът ще се завърти под ъгъл α = 90 ° и ще заеме нова стабилна позиция. По този начин, след стъпковото движение на статорното поле, роторът на двигателя се движи стъпаловидно.

Основният режим на работа на стъпковия двигател е динамичен. Стъпковите двигатели, за разлика от синхронните двигатели, са проектирани да влизат в синхрон от място и принудително електрическо спиране. Благодарение на това стъпаловидното електрическо задвижване осигурява стартиране, спиране, заден ход и преход от една честота на управляващи импулси към друга.

Стъпковият двигател се стартира чрез рязко или постепенно увеличаване на честотата на входния сигнал от нула до работния, спирането става чрез намаляване на нулата, а обратното е чрез промяна на последователността на превключване на намотките на стъпковия двигател.

Стъпковите двигатели се характеризират със следните параметри: броя на фазите (управляващи намотки) и тяхната схема на свързване, вида на стъпковия двигател (с активен или пасивен ротор), единична стъпка на ротора (ъгълът на въртене на ротора с единичен импулс), номинално захранващо напрежение, максимален статичен времеви момент, номинален въртящ момент, инерционен момент на ротора, честота на ускорение.

Стъпковите двигатели са еднофазни, двуфазни и многофазни с активен или пасивен ротор. Стъпковият двигател се управлява от електронен блок за управление. Пример за схема за управление на стъпков двигател е показан на фигура 2.

Ориз. 2. Функционална схема на електрическо задвижване с отворен контур със стъпков двигател

Контролен сигнал еуправление под формата на импулси на напрежение се подава към входа на блок 1, който преобразува последователността от импулси, например, в четирифазна система от еднополюсни импулси (в съответствие с броя на фазите на стъпковия двигател).

Блок 2 генерира тези импулси по отношение на продължителността и амплитудата, необходими за нормалната работа на превключвателя 3, към изходите на които са свързани намотките на стъпковия двигател 4. Превключвателят и останалите блокове се захранват от директно източник на ток 5.

При повишени изисквания за качеството на дискретно задвижване се използва затворен кръг на стъпаловидно електрическо задвижване (фиг. 3), който в допълнение към стъпков двигател включва преобразувател P, комутатор K и сензор за стъпка ДШ. При такова дискретно задвижване информация за действителното положение на вала на работния механизъм RM и скоростта на стъпковия двигател се подава към входа на автоматичния регулатор, който осигурява зададения характер на движението на задвижването.

Ориз. 3. Функционална схема на дискретно задвижване със затворен контур

В съвременните системи за дискретно задвижване се използват микропроцесорни контроли. Обхватът на приложения за задвижвания на стъпкови двигатели непрекъснато се разширява. Използването им е обещаващо в заваръчни машини, синхронизиращи устройства, лентови и записващи механизми, системи за управление на подаването на гориво за двигатели с вътрешно горене.

Предимствата на стъпковите двигатели:

• висока точност, дори при структура с отворен контур, т.е. без сензор за ъгъл на завиване;

• естествена интеграция с цифрови приложения за управление;

• липса на механични превключватели, които често причиняват проблеми при други видове двигатели.

Недостатъци на стъпкови двигатели:

• нисък въртящ момент, но в сравнение с двигатели с непрекъснато задвижване;

• ограничена скорост;

• високо ниво на вибрации поради спазматично движение;

• големи грешки и колебания със загуба на импулси в системи с отворен контур.

Предимствата на стъпковите двигатели далеч надвишават техните недостатъци, така че те често се използват в случаите, когато малката мощност на задвижващите устройства е достатъчна.

Статията използва материали от книгата Daineko V.A., Kovalinsky A.I. Електрическо оборудване на селскостопански предприятия.