Модернизация электропривода шагового двигателя ШД5 (стр. 1 из 5)

Квалификационная работа на соискание степени бакалавра

"Модернизация электропривода шагового двигателя Шд5"

Введение.

Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники [1].

В данной работе рассматривается электропривод для шагового двигателя ШД-5Д1МУЗ (в дальнейшем именуемые просто, как ШД5). К сожалению, сейчас разработками электроприводов для шаговых двигателей, занимаются, в основном, за рубежом. Широкое применение двигателей ШД5¹ на установках в Институте ядерной физики (в ИЯФе около 200 экземпляров) и в промышленности для числового программного управления (ЧПУ) послужило основанием для разработки нового электропривода, взамен старому ПШД5/80, разработанному в ИЯФе.

Основным недостатком ПШД5/80 является морально – устаревшая элементная база. Так логическое управление существующего привода выполнено на ТТЛ – логике. А силовая часть выполнена из шести каналов. В каждом канале имеется четыре биполярных транзистора. При этом работа привода сопровождается значительным выделением тепла. Поэтому, в существующим приводе использовались громоздкие радиаторы. Более того, привод требовал принудительного воздушного охлаждения при интенсивной работе блока. ТТЛ – логика позволяла выполнить управление двигателем по простейшей схеме релейного управления токами в фазах. Из – за этого присутствовали пульсации момента двигателя на низких скоростях вращения, а также при старте и торможении. Важный параметр для устройств ЧПУ – отсутствие пульсаций момента независимо от скорости вращения и нагрузки на двигатель. Также важна возможность управлять ускорением при разгоне и торможении, когда влияние на работу двигателя оказывают силы инерции.

Добиваясь должного управления на ТТЛ – логике, приходилось бы использовать громоздкие платы с множеством микросхем, что в свою очередь могло привести к снижению надёжности работы привода, и появлению специальных программных обеспечений по управлению приводом. Такой привод мог не найти применения в промышленности. Поэтому в старой разработке привода ограничились простейшей схемой управления двигателем. Но современное развитие производства электронных компонентов послужило толчком для модернизации имеющегося привода. Так, например, сейчас фирмой Altera выпускаются программируемые логические матрицы, позволяющие запрограммировать логику порядка 1000 триггеров. Также в последнее время появились полевые транзисторы средних мощностей и драйверы к ним, фирмы International Rectifier, которые позволяют выполнить силовую часть привода наиболее простой. Таким образом, появились тенденции для разработки нового привода. Его конструктивные особенности будут изложены далее. А для начала я остановлюсь на особенностях самого шагового двигателя, для которого разрабатывается новый привод. Ведь выбрать оптимальный режим управления привода, можно только изучив подробно работу самого шагового двигателя, которому и посвящается следующий раздел.

1. Особенности работы шагового двигателя

1.1 Устройство

Двигатель ШД5, по числу обмоток управления (числу фаз), относится к многофазным (имеет шесть фаз) шаговым двигателям, с электромагнитной связью ротора и статора. Такие двигатели получили наибольшее распространение по сравнению с двигателями, имеющими механическую¹ связь ротора и статора, ввиду лучших динамических характеристик. По своей природе они являются синхронными двигателями, сохраняющими синхронизм не только при движении ротора, но и при пуске, торможении, реверсе, а также допускают длительную фиксированную остановку ротора, когда по обмоткам ротора проходит постоянный ток.

По типу магнитной системы ШД5 относится к параметрическим двигателям. Он имеет зубчатый ферромагнитный ротор, выполняющий роль модулятора магнитной проводимости воздушного зазора между статором и ротором.

По способу возбуждения ШД5 относится к классу реактивных двигателей, так как ротор не имеет возбуждения, и независимо от направления тока, одинаково ориентируется относительно возбужденного полюса.

По моменту, развиваемому на валу, ШД5 относится к серводвигателям (его момент составляет 0.14 Н/м), а по характеру перемещения к поворотному типу [2]. Таким образом, при подаче на двигатель импульсов управления, он совершает вращательное движение. Как это происходит, становится понятно при рассмотрении устройства шагового двигателя.

Статор шагового двигателя (рис. 1) с реактивным ротором имеет выступающие полюса, вокруг которых укладываются обмотки, соединяемые в фазы. Ротор представляет собой многополюсную зубчатую конструкцию. Обмотки двух противоположных полюсов статора соединяются последовательно и при протекании по ним тока образуют полюса противоположной полярности. При этом ротор занимает фиксированное положение, соответствующее наибольшей магнитной проводимости пути замыкания магнитного потока статора для данной возбуждённой фазы. При подаче импульса управления в следующую фазу ротор занимает новое фиксированное положение, совершая при этом шаг

α = 2π/(z_pm) (1)

где z_p – число зубцов ротора; m – число обмоток управления на статоре, пространственно сдвинутых относительно друг друга или число тактов коммутации схемы управления.

Если отклонить ротор, находящийся в некотором фиксированном положении на некоторый угол, то магнитная проводимость уменьшается и возникает синхронизующий момент, который будет стремиться возвратить ротор в прежнее положение. Количественно электромагнитный момент шагового двигателя можно представить как степень изменения сосредоточенной в воздушном зазоре электромагнитной энергии и угла отклонения ротора от равновесного состояния:

M_m = dE_m/dα [5]

Электромагнитная энергия в воздушном зазоре шагового двигателя является периодической функцией угла рассогласования ротора E_m = f(α_e), а связь между углом рассогласования и геометрическим углом определяется выражением

α_e = (z_pα)/2 (2)

где α_e – угол рассогласования, α – геометрический угол. Электромагнитную энергию в воздушном зазоре E_m можно вычислить через полную магнитную проводимость воздушного зазора λ. Для этого представим обмотку статора в виде тора, имеющего разрыв в виде воздушного зазора [6]. Таким образом, выражение электромагнитного момента двигателя принимает вид:

zp dE_m(α_e) L_mI² Фw F

M_m = – –, где E_m = – L_m = – Ф = – = Fλ,

2 dα_e 2 I r_m

где I – ток в обмотке двигателя, Ф – магнитный поток через воздушный зазор, w – число витков в обмотке статора, F – магнитодвижущая сила управляющей обмотки статора на пару полюсов (F = wI), r_m – полное магнитное сопротивление воздушного зазора, L_m – эквивалентная индуктивность воздушного зазора [7]. Таким образом, окончательно, выражение электромагнитного момента двигателя примет вид:

zp dλ

M_m = – wI² – (3)

4 dα_e

Если пренебречь насыщением магнитной системы двигателя и пространственными высшими гармониками в кривой магнитного поля в воздушном зазоре, то выражение магнитной проводимости зазора будет:

1 1

λ = – (λd + λq) + – (λd – λq) Cos(2αe) [2]

2 2

где λ_d и λ_q – полные магнитные проводимости воздушного зазора шагового двигателя по продольной и поперечной осям.

Уравнение статического синхронизующего момента шагового двигателя, полученное путём подстановки [2] в (3):

M_m = 0.25z_pwI²(λ_d – λ_q) Sin(2α_e) (4)

Переходя, непосредственно к конструктивным особенностям ШД5 начнём с того, что этот шаговый двигатель является многостаторным (он имеет два статора). Рис. 2. Поперечная геометрия ШД5 и схемы соединения обмоток.

У многостаторного двигателя обмотки управления, находящиеся в разных статорах, не имеют между собой магнитной связи, располагаясь в двух отдельных пакетах, смещенных относительно друг друга на 2π/(z_pm), рад. Размещение фазных обмоток на отдельных пакетах статора усложняет конструкцию двигателя и увеличивает его габариты. Но зато при такой конструкции многофазного двигателя удается избежать нагромождения множества обмоток в одном статоре.

Шестифазный редукторный шаговый двигатель ШД5 с симметричной магнитной системой [2] состоит из двух шихтованных статоров, которые последовательно расположены вокруг одного ротора.

Статоры сдвинуты друг относительно друга (по оси ротора) на угол 2π/(mz_p) рад. В каждом статоре имеется шесть пазов, в которые уложены 12 сосредоточенных обмоток управления, соединяемых в двигателе, в шесть электрически не связанных фаз (рис. 3). На полюсах статора расположены мелкие зубцы. Ротор представляет собой цилиндр с мелкими зубцами, причем ширина зубцов по наружному диаметру ротора равна ширине зубцов статора по расточке. Работа двигателя осуществляется следующим образом. Положим, что питание одновременно подается в две соседние фазы, например, 1 и 3. При этом магнитный поток Ф замыкается по кротчайшему пути через соседние полюса. Ось результирующего магнитного поля ориентируется между полюсами 1 и 3, а ротор занимает положение, соответствующее максимальной проводимости воздушного зазора, причем, относительно пары полюсов 2 – 4 положение максимальной проводимости между зубцами статора и ротора будет сдвинуто на ¹/₆ зубцового деления. При снятии питания с фаз 1 и 3, и подаче его в фазы 2 и 4 ось результирующего магнитного потока смещается на ^π/₆ рад., а ротор поворачивается на угол, соответствующий новому положению максимальной магнитной проводимости – отрабатывает шаг. Для равномерной отработки шагов необходимо, чтобы между зубцами ротора и статора под очередным полюсом был угловой сдвиг, равный 2π/(mz_p) рад. При этом движение ротора осуществляется последовательным переключением фаз таким образом, чтобы ротор при каждом переключении перемещался на один и тот же угол.