Модернизация электропривода шагового двигателя ШД5 (стр. 2 из 5)

1.2 Коммутация фаз в существующем приводе

В старом приводе ПШД5/80 для уменьшения шага дискретизации применялась двенадцати – тактная схема коммутации обмоток. При этом попеременно включалось различное число фаз (две или три). С такой коммутацией единичный угол уменьшается в два раза: α = 2π/(2mz_p) рад. Для ШД5 m=6; z_p=20, значит α=1.5°. При этом использовалась следующая очередность включения обмоток двигателя:

– – – – – – – – – – –

Использование в схеме коммутации тактов одновременного включения фаз двигателя из разных статоров (соответствующие выделены цветом на схеме) приводит к неполному использованию силовых свойств двигателя потому, как не полностью используется объём статора. Это связано с тем, что в таких коммутациях в одном из статоров включается всегда только одна фаза. При этом магнитный поток, замыкающийся через зубцы ротора – статора в два раза меньше (пренебрегая намагниченностью стали), чем в случае коммутации двух, соседних в статоре, обмоток. Связано это с тем, что при коммутации двух фаз из разных статоров магнитный поток не может замкнуться через обе фазы сразу (ввиду образования длинных силовых линий). Поэтому, возникает несколько потоков в каждом из статоров, которые замыкаются через соседние невозбужденные обмотки в статоре. Понижение магнитного потока приводит к уменьшению вращательного момента ротора. Так, например, рассмотрим положения зубцов ротора – статора, в развернутом виде, при подаче питания в фазы 1 и 2 (первый такт коммутации, рис. 5), можно вычислить площадь воздушного зазора, через которую замыкается магнитное поле запитанных обмоток. Пренебрегая искажением силовых линий в воздушном зазоре, а также, учитывая поле только одной обмотки фазы, искомая площадь ровняется 1 ²/₃ зубцового деления. С точностью до наших пренебрежений, вращающий момент ротора (М) будет пропорционален площади воздушного зазора, через которую замыкается магнитное поле подключенных обмоток (S) и магнитному потоку, замыкающемуся через этот зазор. Обозначим вращающий момент ротора такта коммутации 12 как М₀ (М₁₂ = М₀).

Аналогично, рассмотрев такт коммутации фаз 1,2,3 (рис. 6) мы можем

вычислить S₁₂₃ = 2 ¹/₃зубцового деления. При вычислении вращающего момента следует учесть, что магнитный поток, а, следовательно, и вращающий момент ротора со стороны фаз 1 и 3 будет в два раза больше, чем от фазы 2. Таким образом

4 5

М₁₂₃ = (1 + 2―) : ―М₀ = 2.2М₀.

1.3 Коммутация фаз в разработанном приводе

В вычислениях предыдущего раздела было показано, что к.п.д. двигателя можно увеличить, устраняя такты коммутации, выделенные цветом на схеме. Но тогда шаг дискретизации шагового двигателя (минимальный угол, на который он может выполнить поворот) увеличится вдвое. Избегая такого недостатка, была разработана новая коммутационная схема, где соответствующие такты были заменены другими:

– –

–

– – – – – – – – –

Таким образом, такт 12 старой схемы коммутации, заменяется в новой схеме тактом 1234, где фазы 13 и соответственно 24 включаются в одном роторе. Рассмотрим подробнее такт включения 1234 (рис. 7).

Аналогично предыдущим вычислениям получаем: S₁₂₃₄ = 2 ²/₃ зубцового деления.

Таким образом, полезная энергия шагового двигателя с новой схемой коммутации возросла приблизительно на 70%. При этом за два такта стало включаться вместо пяти фаз (как в ПШД5/80) – семь. Значит, потребляемая энергия тоже возросла примерно на 40%. Но, тем не менее, к.п.д. двигателя с новой схемой включения фаз стал выше, чем со схемой существующего привода.

Эти вычисления выполнены примерно, в виде оценки. Реально, учитывая потери на нагрев замагниченного железа, а также искривление силовых линий магнитного поля и потоки магнитного поля, замыкаемые не по кратчайшему пути, вычисленный результата уменьшится, и мы получим не 70% добавки, а меньше. Но, тем не менее, значимая величина добавки заставляет нас в новом приводе отказаться от старой схемы коммутации и использовать новую.

На практике, при испытании новой схемы коммутации ШД5 в старом приводе ПШД5/80, путем запрограммирования и замены ПЗУ, двигатель быстро начинал нагреваться, в виду того, что увеличились потери, связанные с замагничиванием железа. По-этому рекомендуется длительно не использовать двигатель на полном токе в обмотке (3А). Тем более что различные устройства, где используется шаговый двигатель, не требуют, при обычном режиме работы, большого силового момента двигателя. На полный ток целесообразно включать двигатель при разгоне, что позволяет сократить время на перемещение в заданную точку плоскости в устройствах ЧПУ. Переходить на более низкий ток в обмотке можно автоматически, установив на двигателе терморезистор, вводя тем самым температурный контроль. Таким образом, можно защитить двигатель от перегрева. Тем более что в режиме покоя достаточно иметь статический момент существенно меньший динамических моментов нагрузки. Поэтому здесь тоже можно перейти на меньший ток, тем самым, снизив разогрев двигателя. Гибкость, в управлении током в обмотке возможна, благодаря использованию, в новом приводе, новой схемы стабилизации тока в обмотке, обсуждению которой и посвящается следующий раздел.

2. Управление током

2.1 Управление в существующем приводе

В старом приводе ПШД5/80 питание обмотки двигателя осуществлялось от источника напряжения 6 V. Такое значение напряжения питания было выбрано из тех соображений, что максимальный ток, который может протечь через обмотку, не будет превышать максимального значения, определенного характеристикой двигателя (3 А). Но при таком питании обмотки, достижение током этого значения будет происходить бесконечно долго. Поэтому, для накачки тока в старом приводе использовалось высокое напряжение питания – 80 V. Принципиальная схема такого стабилизатора тока изображена на рисунке 8.

Таким образом, при подаче на фазу высокого напряжения, ток в ней начинал быстро расти, и ограничивался суммарным активным сопротивлением цепи, которое включало в себя сопротивление шунта (R_ш =0.1 Ω), коллекторно – эмиттерные сопротивления открытых транзисторов Т₁ и Т₂ (R_Т1 = R_Т2 = 1 Ω), а также, активное сопротивление самой фазы двигателя (R_ф = 1 Ω.). Суммарное активное сопротивление этой цепи равно сумме четырех этих сопротивлений (R = 3.1 Ω.). Уравнение этой цепи запишется в виде: