Электроснабжение

   Содержание

   Введение

   Производственная  практика для студента 4 курса ЮУРГУ, получающего техническую специальность, имеет важное значение в формирование необходимых знаний и умений для  последующего обучения, защиты дипломного проекта и как следствие получение  престижной работы.

   Цель  производственной практики: изучение шаговых двигателей (строение, принцип  работы, способы управления, применение); получение навыков построения принципиальных электрических схем, трассировки  печатных плат  в программе P-Cad; разработка трехосного позиционного фрезерного станка с ЧПУ, с электроприводом на основе шагового двигателя и передачи винт – гайка, для нарезания изделий из пластика и изготовления основы печатных плат.

   В ходе практики так же получены навыки 3D моделирования в программе Компас v.12, закреплены знания, полученные в процессе изучения дисциплин «САПР», «Микропроцессорные средства и системы»      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Описание  шагового электродвигателя

   Шаговые электродвигатели – это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи. Современные шаговые двигатели являются по сути синхронными двигателями без пусковой обмотки на роторе, что объясняется не асинхронным, а частотным пуском шагового двигателя. Роторы могут быть возбужденными (активными) и невозбужденными (пассивными).

   Рисунок 1 – Простейший однофазный шаговый двигатель

   2.1 Принцип действия простейшего однофазного шагового электродвигателя

   Двухполюсный  ротор из магнитомягкой стали  с клювообразными выступами помещен  в четырехполюсный статор (Рисунок 1). Одна пара полюсов выполнена из постоянных магнитов, на другой – находится обмотка управления. Пока тока в обмотках управления нет, ротор ориентируется вдоль постоянных магнитов и удерживается около них с определенным усилием, которое определяется магнитным потоком полюсов Ф_пм. При подаче постоянного напряжения на обмотку управления возникает магнитный поток Ф_у примерно вдвое больший, чем поток постоянных магнитов. Под действием электромагнитного усилия, создаваемого этим потоком, ротор поворачивается, преодолевая нагрузочный момент и момент, развиваемый постоянными магнитами, стремясь занять положение соосное с полюсами управляющей обмотки. Поворот происходит в сторону клювообразных выступов, т.к. магнитное сопротивление между статором и ротором в этом направлении меньше, чем в обратном. Следующий управляющий импульс отключает напряжение с обмотки управления и ротор поворачивается под действием потока постоянных магнитов в сторону клювообразных выступов. Достоинством однофазных шаговых двигателей с постоянными магнитами является простота конструкции и схемы управления. Для фиксации ротора при обесточенной обмотке управления не требуется потребление энергии, угол поворота сохраняет свое значение и при перерывах в питании. Двигатели этого типа отрабатывают импульсы с частотой до 200-300 Гц. Их недостатки – низкий КПД и невозможность реверса.

   В зависимости от типа электронного коммутатора управление шаговым двигателем может быть: ·одноплярным или разнополярным; ·симметричным или несимметричным; ·потенциальным или импульсным. При однополярном управлении напряжение каждой фазе изменяется от 0 до +U, а при разнополярном – от -U до +U. Управление называется симметричным, если в каждом такте коммутации задействуется одинаковое число обмоток, и несимметричным – если разное. При потенциальном управлении напряжение на обмотках изменяется только в моменты поступления управляющих импульсов. При отсутствии управляющего сигнала обмотка или группа обмоток находятся под напряжением, а положение ротора фиксируется полем обмоток. При импульсном управлении напряжение на обмотки подается только на время отработки шаг, после чего оно снимается и ротор удерживается в заданном положении либо реактивным моментом, либо внешним фиксирующим устройством. Магнитоэлектрические шаговые двигатели удается выполнить с шагом до 15°.Дальнейшее уменьшение шага ограничено технологическими трудностями создания ротора в виде постоянного магнита с числом пар полюсов больше шести.

Рисунок 2 - Редукторный шаговый двигатель

   Гораздо более мелкий шаг (до долей градуса) можно получить в редукторных (индукторных) шаговых двигателей . Индукторные  шаговые двигатели выполняются  с числом фаз m = 2-4. Они имеют зубчатый ротор с равномерно расположенными zp зубцами и гребенчатые зоны статора, смещенные относительно друг друга на угол 2p/ (mzp) ( Рисунок 2). Число пазов статора и ротора, их геометрические размеры выбираются такими, чтобы обеспечить необходимую величину шага и синхронизирующего момента при заданном виде коммутации токов. Основной особенностью индукторных двигателей является то, что магнитное поле в зазоре содержит постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая поля возбуждается либо постоянной составляющей тока обмоток управления – у двигателей с самовозбуждением, либо специальной обмоткой возбуждения – у двигателей с независимым возбуждением, либо постоянными магнитами – у магнитоэлектрических двигателей. Переменная составляющая магнитного поля создается импульсами тока обмоток управления, поступающими от электронного коммутатора.

   2.2 Основные параметры и характеристики шаговых электродвигателей

   Специфика конструкции шаговых двигателей и многообразие режимов их работы вызывают необходимость оценивать  эти двигатели по следующим параметрам: частоте собственных круговых колебаний; электромагнитным постоянным времени; коэффициенту внутреннего демпфирования и характеристикам – предельным механическим и предельным динамическим. Частота собственных круговых колебаний – это угловая частота колебаний ротора около устойчивого положения при отсутствии момента нагрузки. Она является обобщенным параметром, зависящим от момента инерции J, амплитуды максимального синхронизирующего момента M_max, числа пар полюсов p. Период собственных круговых колебаний, равный 1/w₀, может служить внутренним эталоном времени. Действительно, момент инерции J определяет инерционность двигателя и механизма, амплитуда максимального синхронизирующего момента Mmax даетхарактеристику шагового двигателя как преобразователю энергии, число пар полюсов p определяет степень электромеханической редукции угла поворота и скорости вращения. Отношение M_max/J дает теоретически предельное ускорение ротора шагового двигателя. Электромагнитная постоянная времени обмоток управления T_эм = L/R характеризует скорость протекания электромагнитных переходных процессов. Часто для уменьшения Тэм последовательно с обмоткой управления включают добавочное сопротивление. Уменьшать постоянную времени необходимо потому, что чем она больше, тем до меньшего значения нарастает ток за время импульса напряжения, меньше становится синхронизирующий момент, а, следовательно, и допустимый момент сопротивления. Коэффициент внутреннего демпфирования определяется отношением амплитуды потокосцепления ротора с фазой обмотки статора к ее активному сопротивлению. Этот параметр относится только к шаговым двигателям с активным ротором, поскольку его физический смысл заключается в образовании электромагнитного тормозного момента, вызванного взаимодействием поля ротора с током статора, наведенным этим полем и замыкающимся по цепи статор-источник тока. При этом механическая энергия колеблющегося ротора превращается в электрическую энергию с последующим рассеиванием ее в теплоту в активных сопротивлениях обмоток статора. Предельная механическая характеристика – это зависимость допустимого момента сопротивления от частоты управляющих импульсов в установившемся режиме работы. С ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании тока, обусловленное индуктивностью обмоток. При некоторой предельной частоте момент двигателя становится равным нулю. Предельная динамическая характеристика – зависимость частоты приемистости от момента сопротивления и момента инерции нагрузки.

   2.3 Режимы работы шаговых электродвигателей

   Характер  движения ротора шагового двигателя  определяется частотой и характером изменения управляющих импульсов. В зависимости от этого различают  следующие режимы работы шаговых  двигателей: статический; квазистатический; установившейся; переходный. Статический  режим – это режим, при котором  по обмоткам статора протекает постоянный ток, создающий неподвижное в  пространстве магнитное поле, а ротор  не вращается. Под действием нагрузки ротор лишь отклоняется от положения  М = 0 на некоторый угол q. Основной характеристикой  этого режима является зависимость  статического синхронизирующего момента  от угла рассогласования M = f(q). Квазистатический режим – это режим отработки  единичных шагов, при котором  переходные процессы от предыдущего  такта коммутации полностью затухли  и скорость ротора в начале следующего шага равна нулю. Он используется в  стартстопных, лентопротяжных и других механизмах, в которых требуется  фиксация ротора после каждого шага. Предельная частота управляющих  импульсов, при которой еще соблюдается  квазистатический режим, определяется временем протекания электромагнитных и особенно электромеханических  переходных процессов, т.е. временем колебаний  ротора.

   2.4 Способы коммутации фаз шагового электродвигателя

   2.4.1 Полношаговый режим

   Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза (Рисунок 3 а). Этот способ называют ”one phase on” full step или wave drive mode. Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора у незапитанного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени иcпользуется 50% обмоток, а для униполярного – только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент.

 
Рисунок 3 –  Способы управления фазами шагового двигателя:

а) Полношаговый режим, включена одна фаза, «one phase on» full step (wave drive mode)

б) Полношаговый режим, включены две фазы, «two-phase-on» full step (full step mode)

   Второй  способ - управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Его называют ”two-phase-on” full step или просто full step mode. При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора (Рисунок 3 б) и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора смещено на пол-шага.  
В полношаговом режиме с двумя включенными фазами положения точек равновесия ротора смещены на пол-шага. Нужно отметить, что эти положения ротор принимает при работе двигателя, но положение ротора не может сохраняться неизменным после выключения тока обмоток. Поэтому при включении и выключении питания двигателя ротор будет смещаться на полшага. Для того, чтобы он не смещался при остановке, необходимо подавать в обмотки ток удержания. Следует отметить, что если в выключенном состоянии ротор двигателя поворачивался, то при включении питания возможно смещение ротора и на большую, чем половина шага величину.  
   

   2.4.2. Полушаговый режим

   Полушаговый режим - комбинация пошаговых, ”one and two-phase-on” half step или просто half step mode, когда двигатель делает шаг в половину основного (Рисунок 4). Этот метод управления достаточно распространен, так как двигатель с меньшим шагом стоит дороже и очень заманчиво получить от 100-шагового двигателя 200 шагов на оборот. Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза, а в остальных случаях запитаны две. В результате угловое перемещение ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления. Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса. Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент, хотя наиболее совершенные драйверы реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной.

   Рисунок 4 – полушаговый режим, «one and two-phase-on» half step (half step mode

   Если  к ротору приложить внешний момент, который превышает момент удержания, ротор провернется. Если внешний  момент не превышает момента удержания, то ротор будет находится в  равновесии в пределах угла шага. Нужно  отметить, что у обесточенного  двигателя момент удержания не равен  нулю вследствие действия постоянных магнитов ротора. Этот момент обычно составляет около 10% максимального момента, обеспечиваемого  двигателем. 
 

   2.4.3 Микрошаговый режим

   Микрошаговый  режим обеспечивается путем получения поля статора, вращающегося более плавно, чем в полно- или полушаговом режимах. В результате обеспечиваются меньшие вибрации и практически бесшумная работа вплоть до нулевой частоты. К тому же меньший угол шага способен обеспечить более точное позиционирование. Существует много различных микрошаговых режимов, с величиной шага от 1/3 полного шага до 1/32 и даже меньше. Шаговый двигатель является синхронным электродвигателем. Это значит, что положение равновесия неподвижного ротора совпадает с направлением магнитного поля статора. При повороте поля статора ротор тоже поворачивается, стремясь занять новое положение равновесия. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   3. Управление шаговыми электродвигателями.

   Управление шаговыми электродвигателями осуществляется на основе простых электрических схем, основанных на сдвиговых регистрах, транзисторных ключах (Рисунок 5). Данные схемы называют контроллерами шаговых электродвигателей.