Шаговый двигатель

                                              Содержание 
 
 
 

    Введение……………………………………………………….1 
 

1.  Шаговый  двигатель. Понятие, виды, режимы работы……..2

2. Управление шаговым двигателем……………………………11

3. Программа управление шаговым двигателем……………….12 
 

Приложение 

Заключение

Список  литературы. 
 
 
 
 
 
 
 

                                   Введение

Если заглянуть в историю приводной техники, то можно увидеть, что шаговый двигатель (ШД) появился как дешевая альтернатива позиционному приводу. При этом отличительным и наиболее ценным его качеством являлась крайняя простота управления позицией вала - достаточно лишь в правильной последовательности подавать импульсы в обмотки двигателя и вал шагового двигателя начинает вращаться. Именно это достоинство служило основой массового использования ШД в устройствах автоматизации.

По мере расширения областей применения шагового двигателя улучшались и его технические  характеристики. Появились новые  конструкции ШД с использованием редкоземельных магнитов, так называемые гибридные ШД, которые по стоимости, на сегодняшний день, приблизились к своим предшественникам, а по развиваемой мощности превосходят  последних в несколько раз. В  результате у ШД появилось дополнительное конкурентное преимущество - это высокий  момент на малых оборотах вращения. Например, момент удержания ШД в 2-3 раза выше, чем у синхронного двигателя  эквивалентных массогабаритных  показателей. Поэтому использование  ШД в ряде случаев позволяет исключить  редуктор из механической системы и, следовательно, снизить себестоимость  автоматической системы в целом.

Целью работы  было создать программу  управления Шаговым двигателем. Для  необходимой цели решить следующие  задачи:                                                                  

1. Изучить что такое шаговый двигатель. Понятие, виды, режимы работы.
2. Исследовать управление шагового двигателя.
3. Написание программы управление шаговым двигателем.

 
 
 
 
---
 
 
 
 
 
 
 

                                             1.  Шаговый двигатель.

Шаговый двигатель — это электрический  двигатель, преобразующий цифровой электрический входной сигнал в  механическое движение. По сравнению  с другими приборами, которые  могут выполнять эти же или  подобные функции, система управления, используемая в ШД, обладает следующими существенными преимуществами: во-первых, у нее нет об ратной связи, обычно необходимой дня управления положением или частотой вращения; во-вторых, не накапливается ошибка положения; в-третьих, ШД совместим с современными цифровыми устройствами.

По этим причинам различные типы и классы ШД используют в перифе рийных устройствах ЭВМ и подобных системах.                                      Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнито-мягкого (ферромагнитного) материала или из магнито-твёрдого (магнитного) материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать бо́льший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным  сопротивлением и двигателей с постоянными  магнитами.

Виды  шаговых двигателей

Существуют  три основных типа шаговых двигателей:

• двигатели с переменным магнитным сопротивлением
• двигатели с постоянными магнитами
• гибридные двигатели

Определить  тип двигателя можно даже на ощупь: при вращении вала обесточенного  двигателя с постоянными магнитами (или гибридного) чувствуется переменное сопротивление вращению, двигатель  вращается как бы щелчками. В то же время вал обесточенного двигателя  с переменным магнитным сопротивлением вращается свободно. Гибридные двигатели  являются дальнейшим усовершенствованием  двигателей с постоянными магнитами  и по способу управления ничем  от них не отличаются. Определить тип  двигателя можно также по конфигурации обмоток. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют три (реже четыре) обмотки с одним общим выводом. Двигатели с постоянными магнитами чаще всего имеют две независимые обмотки. Эти обмотки могут иметь отводы от середины. Иногда двигатели с постоянными магнитами имеют 4 раздельных обмотки.

В шаговом  двигателе вращающий момент создается  магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом  ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с  высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс  можно определить как некоторую  область намагниченного тела, где  магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент зависит от параметров обмоток. Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Он будет находится в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.

Двигатели с переменным магнитным  сопротивлением

Шаговые двигатели с переменным магнитным  сопротивлением имеют несколько  полюсов на статоре и ротор  зубчатой формы из магнитомягкого материала (рис. 1). Намагниченность ротора отсутствует. Для простоты на рисунке ротор имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель имет шаг 30 град.

 

Рис. 1. Двигатель с переменным магнитным сопротивлением.

При включение тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которых находится запитанная обмотка. Если затем выключить эту обмотку и включить следующую, то ротор поменяет положение, снова замкнув своими зубцами магнитный поток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение, нужно включать фазы попеременно. Двигатель не чувствителен к направлению тока в обмотках. Реальный двигатель может иметь большее количество полюсов статора и большее количество зубцов ротора, что соответствует большему количеству шагов на оборот. Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой, что вместе с соответствующими зубцами ротора обеспечивает очень маленькое значения угла шага, порядка нескольких градусов. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением довольно редко используют в индустриальных применениях.

Двигатели с постоянными  магнитами

Двигатели с постоянными магнитами состоят  из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты (рис. 2). Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением. 

Рис. 2. Двигатель с постоянными магнитами.

Показанный  на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Двигатель имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель, как и рассмотренный  ранее двигатель с переменным магнитным сопротивлением, имеет  величину шага 30 град. При включение тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48 – 24 шага на оборот (угол шага 7.5 – 15 град).

Разрез  реального шагового двигателя с  постоянными магнитами показан на рис. 3. 

Рис. 3. Разрез шагового двигателя с постоянными магнитами.

Для удешевления  конструкции двигателя магнитопровод статора выполнен в виде штампованного стакана. Внутри находятся полюсные наконечники в виде ламелей. Обмотки фаз размещены на двух разных магнитопроводах, которые установлены друг на друге. Ротор представляет собой цилиндрический многополюсный постоянный магнит.

Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны  ротора, которая ограничивает максимальную скорость. Для работы на высоких скоростях используются двигатели с переменным магнитным сопротивлением.

Гибридные двигатели

Гибридные двигатели являются более дорогими, чем двигатели с постоянными  магнитами, зато они обеспечивают меньшую  величину шага, больший момент и  большую скорость. Типичное число  шагов на оборот для гибридных  двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3.6 – 0.9 град.). Гибридные двигатели  сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного двигателя имеет  зубцы, расположенные в осевом направлении (рис. 4). 

Рис. 4. Гибридный двигатель.

Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3.6 град. двигателей и 8 основных полюсов для 1.8- и 0.9 град. двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними. Зависимость между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора и числом фаз определяет угол шага S двигателя. 
 
 
 
 
 
 

Основные  параметры и характеристики шаговых двигателей.

Специфика конструкции шаговых двигателей и многообразие режимов их работы вызывают необходимость оценивать  эти двигатели по следующим параметрам:

• частота собственных круговых колебаний
• электромагнитная постоянная времени
• коэффициент внутреннего демпфирования
• предельная механическая характеристика
• предельная динамическая характеристика

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 Mmax, 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 дает характеристику шагового двигателя как преобразователю энергии, число пар полюсов p определяет степень электромеханической редукции угла поворота и скорости вращения. Отношение Mmax/J дает теоретически предельное ускорение ротора шагового двигателя. 
 
Электромагнитная постоянная времени обмоток управления Tэм = 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.