Шаговые электродвигатели

Введение

Шаговые двигатели – это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи.
В настоящее время промышленностью выпускается множество различных типов шаговых двигателей.
Актуальность темы реферата заключается в том, что в современных системах управления широко используются устройства, с цифровой обработкой сигналов. Цифровые системы управления привели к созданию нового типа исполнительных механизмов – шаговых двигателей.
Цель работы – более полное изучение шаговых электродвигателей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть устройство и принцип работы шаговых электродвигателей, их характеритсики, типы шаговых двигателей, их применение, а также достоинства, недостатки и другие моменты.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (три главы), заключение и библиографический список, состоящий из пяти источников литературы.


1. Устройство и работа шаговых двигателей
1.1 Устройство и принцип работы
Шаговые электрические двигатели нашли довольно широкое применение в шлифовальных и фрезерных станках, транспортных средствах, бытовой технике, приборах и других механизмах и машинах.
Устройство (Рисунок 1.1) представляет собой движок постоянного тока, один оборот которого разделен на несколько одинаковых шагов (это обеспечивается благодаря контроллеру). Главное его отличие от моторов других типов – отсутствие щеточного механизма.1
Шаговый электрический двигатель оснащен сигнализаторами, передатчиками и приборной панелью.


Рисунок 1.1 - Состав шагового двигателя

1.2 Работа шагового электродвигателя
Зная принцип работы шагового двигателя, вы сможете самостоятельно установить его или произвести ремонт. Он функционирует следующим образом:
1. На клеммы подается напряжение и специальные щетки начинают непрерывно вращаться. Входные импульсы устанавливают ведущий вал в положение, которое заранее определено.
2. Под воздействием импульсов вал перемещается под фиксированным углом.
3. Электромагниты зубчатого типа возбуждаются внешней цепью управления, обычно это микроконтроллер. Один из них (тот, к которому приложена энергия) притягивает к себе зубья шестерни, вследствие чего вал движка делает поворот.
4. Будучи выровнены по отношению к ведущему электромагниту, остальные магниты смещаются по направлению к следующей магнитной детали.
5. Отключением первого электромагнита и включением следующего обеспечивается вращение шестеренки.
6. Шестеренка выравнивается по отношению к предыдущему колесу, после чего весь процесс повторяется столько раз, сколько необходимо. Данные вращения являются постоянным шагом. Чтобы определить скорость мотора, необходимо посчитать число шагов, которое нужно для полного оборота мотора. Точность работы обеспечивается благодаря микропроцессорным системам управления шаговых двигателей.
1.3 Характеритсики
Шаговый двигатель с точки зрения механики и электротехники очень сложное устройство, имеющее много механических и электрических параметров. Ниже приведена расшифровка главных технических параметров шагового электродвигателя, используемых на практике:
• Количество полных шагов за один оборот. Основной параметр двигателя, определяющий его точность, разрешающую способность, плавность движения

. На двигателях серии FL57 этот параметр составляет 200 и 400 шагов на оборот.
• Номинальное напряжение. Допустимое постоянное напряжение на обмотке двигателя в статическом режиме. Часто этот параметр не приводится. Вычисляется по закону Ома через номинальный ток и сопротивление обмотки.
• Сопротивление обмотки фазы. На постоянном токе сопротивление обмотки электродвигателя. Параметр вместе с номинальным током, показывает какое напряжение можно подавать на обмотку двигателя.
• Угол полного шага. Количество полных шагов за один оборот представляется в другом виде. Показывает на какой угол повернется вал при одном полном шаге. Может быть подсчитан как 360° / количество полных шагов за оборот. Составляет 1,8 ° и 0,9° для шаговых электродвигателей FL57.
• Индуктивность фазы. Параметр становится важным на значительных скоростях вращения. Скорость нарастания тока в обмотке находится в зависимости от индуктивности фазы. При высоких частотах переключения фаз приходится увеличивать напряжение, чтобы ток нарастал быстрее.2
• Номинальный ток. Основной электрический параметр. Наибольший допустимый ток, при котором электродвигатель может работать сколь угодно длительное время. Для номинального тока указаны механические параметры электрического двигателя.
• Крутящий момент. Основной механический параметр. Данный параметр показывает, какой способен создать электрический двигатель максимальный крутящий момент. Иногда приводится механическая характеристика в виде зависимости крутящего момента от частоты вращения.
• Стопорный момент. Данный параметр необходим при отсутствии напряжения питания электродвигателя для того, чтобы провернуть вал.
• Момент инерции ротора. Характеризует механическую инерционность ротора двигателя. Электродвигатель разгоняется быстрее, чем меньше момент инерции ротора.
• Сопротивление изоляции. Как у всех электрических приборов – сопротивление между корпусом и обмотками.
• Удерживающий момент. Это крутящий момент при остановленном двигателе. При этом у двигателя должны быть запитаны две фазы номинальным током.
• Пробивное напряжение. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой изоляции между обмотками и корпусом. Пробивное напряжение относится к разделу электрической безопасности.


2. Типы шаговых двигателей
2.1 Двигатели с переменным магнитным сопротивлением
Шаговые электрические двигатели с переменным магнитным сопротивлением включают в себя из магнитомягкого материала ротор зубчатой формы и на статоре несколько полюсов. Намагниченность ротора отсутствует. Для простоты изложения на Рисунке 2.1 ротор имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Шаговый электрический двигатель с переменным магнитным сопротивлением имеет три независимые обмотки. Каждая из указанных обмоток намотана на противоположных полюсах статора электродвигателя. Такой двигатель имеет шаг 30°.

Рисунок 2.1 - Двигатель с переменным магнитным сопротивлением

При включении 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. Ротор двигателя поменяет свое положение, если выключить данную обмотку и включить следующую, здесь ротор замыкает магнитный поток своими зубцами.3
Двигатели с переменным магнитным сопротивлением довольно редко используют в индустриальных применениях.
2.2 Двигатели с постоянными магнитами
У шаговых двигателей этого вида ротор содержит постоянные магниты