Рассмотрим более подробно принцип действия и характеристики шаговых двигателей

Синхронные двигатели небольшой мощности применяются в системах автоматики. Поскольку в синхронных двигателях частота вращения жестко связана с частотой питания, такие двигатели применяются либо в системах, требующих строго постоянной частоты вращения, либо при частотном управлении скоростью.
К группе синхронных двигателей можно отнести также двигатели, частота питания которых зависит от частоты вращения - это так называемые вентильные двигатели. Но поскольку они имеют коммутатор и их характеристики похожи на характеристики двигателей постоянного тока, они будут рассмотрены в главе 5.
В цифровых системах автоматики находят широкое применение шаговые двигатели, в обмотки статора которых поступают импульсы тока и при поступлении каждого импульсов происходит поворот ротора на определенный угол - двигатель совершает шаг. В зависимости от особенностей возбуждения шаговые двигатели, как и другие типы синхронных двигателей, делятся на двигатели с активным ротором, представляющим собой явнополюсный ротор из постоянного магнита, и с реактивным ротором, представляющим собой явнополюсный или зубчатый ротор из магнитомягкого материала.
Рассмотрим более подробно принцип действия и характеристики шаговых двигателей.
Статор шаговых двигателей в отличие от синхронных микродвигателей непрерывного вращения имеет явновыраженные полюсы, на которых располагаются обмотки управления. Число пар полюсов каждой из обмоток управления p равно числу пар полюсов ротора.
Наибольшее развитие получили ШД активного типа - с ротором, содержащим многополюсный постоянный магнит.
Принцип действия такого ШД рассмотрим на примере двухфазной двухполюсной конструкции ( ).

Рис. 4-3а. Схема шагового двигателя.
Этот двигатель имеет две взаимно перпендикулярные обмотки А и В, в которые могут подаваться импульсы тока разной полярности, как показано на .

Рис. 4-4. Временная диаграмма работы ШД.
Наличие тока в обмотке создает магнитный поток статора Ф₀, который поворачивается при переключении обмоток на угол α. Вслед за потоком поворачивается и активный ротор, т.е. при каждом переключении двигатель делает шаг. Полный оборот потока совершается за m-тактный (в данном случае четырехтактный) цикл.
В общем случае для двигателя с активным ротором шаг двигателя

где p- число пар полюсов, m- число тактов управления.
Поворот ротора совершается под действием так называемого синхронизирующего момента, который возникает при отклонении ротора от направления потока на угол γ, как показано на .
Часто вводят понятие электрических углов, при которых многополюсных двигатель сводится к двухполюсной (однопериодной) модели. Для двигателей с активным ротором
; .
Электрический угол γ_э эквивалентен внутреннему углу синхронной машины Θ в формуле . Тогда согласно в ШД с активным ротором, где преобладает магнитоэлектрический момент
,
где M_{c_max}- максимальный синхронизирующий момент, f_сэ и f_рэ- электрические углы поворота МДС статора и оси ротора.
При переключении фазы происходит сдвиг статической характеристики на угол α_э, как показано на .

Рис. 4-3в. Статическая характеристика шагового двигателя.
Возникает пустой момент M_п, под действием которого происходит поворот ротора в согласованное с магнитным потоком положение. Если двигатель нагружен внешним магнитом M_B, то ротор переходит из точки 1 в точку 3 по траектории 1-2-3. Для того, чтобы при переключении обмотки происходил поворот ротора, необходимо выполнение условия M_П≥M_B. Отсюда существует допустимый внешний момент M_доп и соответствующий ему допустимый угол отклонения оси ротора от направления потока γ_{э_доп}, при которых М_П=М_В=М_ДОП. Чем больше ШД имеет фазных обмоток и соответственно тактов переключения, тем меньше у него шаг γ_э и соответственно больше М_ДОП. Поэтому обычно ШД являются многофазными (от 3-х до 6-ти фаз). По этой причине, как видно из , двухфазный ШД с пассивным ротором вообще не работоспособен.

Рис. 4-3г. Схема шагового двигателя.

Рис. 4-3д. Статическая характеристика шагового двигателя.

Рис. 4-3е. Статическая характеристика шагового двигателя.
Так, у него согласно вращающий момент определяется реактивной составляющей

и статическая характеристика имеет вид, показанный на .
Отсюда соотношения для электрических и геометрических углов поворота ротора будут
; ,
т.е. для двухфазного ШД p=1,α=90·град, а α_э=180·град, сдвиг характеристики при переключении фазы происходит на 180 градусов, как показано на и ротор не поворачивается, так как пусковой момент равен нулю.
Физически это можно объяснить тем обстоятельством, что при пассивном роторе направление синхронизирующего момента не зависит от направления потока. Момент равен нулю и в том случае, когда поток направлен вдоль полюсов и когда поперек полюсов, и достигает максимума, когда ось ротора располагается между полюсами статора, в отличие от активного ротора, в котором момент максимален, если поток направлен поперек ротора. Поэтому реактивные ШД должны иметь как минимум три обмотки и трехтактную систему коммутации.
Существуют различные режимы работы ШД:

• 
  статический режим,
  
• 
  режим отработки единичных шагов,
  
• 
  установившийся режим,
  
• 
  переходные режимы.
  

Статический режим соответствует прохождению постоянного тока по обмоткам управления, создавая неподвижное магнитное поле. Основной характеристикой этого режима является статическая характеристика M_C=f(γ_э), рассмотренная ранее ( ).
Режим отработки единичных шагов соответствует частоте управляющих импульсов, при которой переходный процесс, чаще всего колебательный, на каждом шаге заканчивается к началу следующего шага, т.е. угловая скорость ротора f`_р в начале каждого шага равна нулю (см. ).

Рис. 4-5. Отработка единичных шагов.
Основными показателями этого режима являются: перерегулирование Δf_п, максимальное значение мгновенной угловой скорости f`_{p_max}, время затухания свободных колебаний ротора t_зат.
Если время электромагнитных переходных процессов значительно меньше, чем механических, движение ротора ненагруженного ШД можно описать следующим уравнением
,
где M_дин- динамический момент, М_дем- демпфирующий электромагнитный момент.
Динамический момент определяется моментом инерции ротора и ускорением:

Внутреннее электромагнитное демпфирование колебаний ротора происходит за счет поведения ЭДС вращения в обмотках управления. Значение демпфирующего момента пропорционально угловой скорости ротора:
,
где D- коэффициент демпфирования.
Если рассматривать работу ШД при малых углах рассогласования осей ротора и МДС статора (sin(γ)≈ γ), то, подставив , и в , получим дифференциальное уравнения движения ротора:

В этом выражении коэффициент при f_рэ есть квадрат угловой частоты собственных колебаний ротора
,
а коэффициент при f`_рэ характеризует относительный коэффициент затухания колебаний λ:
.
Установившийся режим работы ШД соответствует постоянной частоте управляющих импульсов f, причем . В установившемся режиме вращение ротора с некоторой средней угловой скоростью ω сопровождается вынужденными колебаниями.
Амплитуда колебаний достигает наибольшего значения при частоте управляющих импульсов, совпадающей с резонансной - собственной частотой ротора:

Важной характеристикой установившегося режима является предельная механическая характеристика, представляющая собой зависимость допустимого момента сопротивления от частоты управляющих импульсов. Предельную механическую характеристику рассматривают обычно при f>f₀ ( ).

Рис. 4-6а. Предельные механические характеристики ШД.
Снижение M_ДОП при увеличении f объясняется в основном наличием электромагнитной постоянной времени T_у обмоток управления
,
где R_у и L_у- активное сопротивление и индуктивность обмоток управления. Последнее объясняется тем, что чем больше T_у, тем меньше за время импульса нарастает ток, что снижает синхронизирующий момент. Снижение напряжения питания также уменьшает M_ДОП.
Переходные процессы - пуск, торможение, реверс, переход с одной частоты на другую - сопровождаются переходными процессами в ШД.
Важным показателем переходного режима является приземистость ШД - наибольшая частота управляющих импульсов, отрабатываемая ШД для потери шага - частота приемистости f_пр.
Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции и статического момента сопротивления (см. , где М_В- внешний момент сопротивления типа трения).

Рис. 4-6б. Предельные динамические характеристики ШД.

Avtomatlashtirish tizimlarida kichik quvvatli sinxron motorlar qo'llaniladi. Sinxron motorlarda aylanish tezligi ta'minot chastotasiga qat'iy bog'liq bo'lganligi sababli, bunday motorlar qat'iy doimiy aylanish tezligini talab qiladigan tizimlarda yoki tezlikni chastotali nazorat qilishda qo'llaniladi.

Sinxron motorlar guruhiga quvvat chastotasi tezlikka bog'liq bo'lgan motorlar ham bo'lishi mumkin - bular cho'tkasiz motorlar deb ataladi. Ammo ular kommutatorga ega bo'lgani uchun va ularning xarakteristikalari doimiy to'g'ridan-to'g'ri dvigatellarnikiga o'xshaydi, ular 5-bobda muhokama qilinadi.
Raqamli avtomatlashtirish tizimlarida step motorlari keng qo'llaniladi, ularning stator sariqlarida oqim impulslari olinadi va har bir impuls kelganda rotor ma'lum bir burchak ostida aylanadi - vosita qadam qo'yadi. Qo'zg'alish xususiyatlariga ko'ra, qadamli motorlar, boshqa turdagi sinxron motorlar kabi, doimiy magnitdan yasalgan ko'zga tashlanadigan qutbli rotorli faol rotorli va reaktiv rotorli motorlarga bo'linadi. -magnitli yumshoq materialdan yasalgan qutb yoki tishli rotor.
Keling, qadam motorlarining ishlash printsipi va xususiyatlarini batafsil ko'rib chiqaylik.
Bosqichli motorlarning statori, uzluksiz aylanishning sinxron mikromotorlaridan farqli o'laroq, boshqaruv o'rashlari joylashgan aniq qutblarga ega. Tekshirish sariqlarining har birining qutb juftlari soni p rotorning qutb juftlari soniga teng.
Eng rivojlanganlari faol turdagi pog'onali motorlar - ko'p kutupli doimiy magnitni o'z ichiga olgan rotorli.
Ikki fazali ikki kutupli dizayn () misolidan foydalanib, bunday step motorining ishlash printsipini ko'rib chiqamiz.

Guruch. 4-3a. Step motor diagrammasi.

Ushbu dvigatelda ikkita o'zaro perpendikulyar o'rash A va B mavjud bo'lib, ular quyida ko'rsatilganidek, turli xil qutbli oqim impulslari bilan ta'minlanishi mumkin.

Guruch. 4-4. SD ishining vaqt diagrammasi.

O'rashda oqim mavjudligi stator magnit oqimini F0 hosil qiladi, bu sariqlarni a burchak bilan almashtirganda aylanadi. Oqimdan keyin faol rotor ham aylanadi, ya'ni. har bir smenada vosita bir qadam tashlaydi. Oqimning to'liq inqilobi m-zarbada (bu holda, to'rt zarbali) tsiklda yakunlanadi.
Umuman olganda, faol rotorli vosita uchun vosita qadami

Bu erda p - qutblar juftlari soni, m - nazorat davrlari soni.

Rotorning aylanishi sinxronlash momenti deb ataladigan ta'sir ostida amalga oshiriladi, bu rotor oqim yo'nalishidan g burchak ostida chetga chiqqanda sodir bo'ladi.
Elektr burchaklari tushunchasi tez-tez kiritiladi, bunda ko'p kutupli vosita ikki kutupli (bir davrli) modelga qisqartiriladi. Faol rotorli motorlar uchun
; .
Elektr burchagi g formuladagi sinxron mashinaning ichki burchagi t ga teng. Keyinchalik, magnitoelektrik moment ustunlik qiladigan faol rotorli step motoriga ko'ra
,
Bu erda Mc_max maksimal sinxronlash momenti, (se va (re) - statorning MMF va rotor o'qining aylanish elektr burchaklari.
Fazani almashtirganda, statik xarakteristikada ko'rsatilganidek, ae burchakka siljiydi.

Guruch. 4-3c. Step motorning statik xarakteristikasi.

Bo'sh moment Mp paydo bo'ladi, uning ta'siri ostida rotor magnit oqimga mos keladigan holatga aylanadi. Dvigatelga tashqi magnit MB yuklangan bo'lsa, u holda rotor 1-2-3 yo'li bo'ylab 1-nuqtadan 3-bandga o'tadi. O'rashni almashtirishda rotorning aylanishi uchun MP≥MB sharti bajarilishi kerak. Demak, ruxsat etilgan tashqi moment Mdop va rotor o'qining oqim yo'nalishi ge_dopdan mos keladigan ruxsat etilgan og'ish burchagi mavjud, bunda MT=MV=MDOP. Qadam motorining fazali sariqlari va shunga mos ravishda o'tish davrlari qanchalik ko'p bo'lsa, uning qadami ge qanchalik kichik bo'lsa va shunga mos ravishda MDOP shunchalik katta bo'ladi. Shuning uchun, qadam motorlari odatda ko'p fazali (3 dan 6 fazagacha). Shu sababli, ko'rinib turganidek, passiv rotorli ikki fazali step vosita umuman ishlamaydi.

Guruch. 4-3y. Step motor diagrammasi.

Guruch. 4-3 kun. Step motorning statik xarakteristikasi.

Guruch. 4-3. Step motorning statik xarakteristikasi.

Shunday qilib, unga ko'ra, moment reaktiv komponent bilan belgilanadi

va statik xarakteristikada ko'rsatilgan shaklga ega.

Bu erdan rotorning elektr va geometrik aylanish burchaklari uchun nisbatlar bo'ladi
; ,
bular. ikki fazali step motor uchun p=1,a=90deg va ae=180deg, fazani almashtirishda xarakteristikaning siljishi rasmda ko'rsatilganidek 180 gradusga sodir bo'ladi va rotor aylanmaydi, chunki ishga tushirish momenti nolga teng.
Jismoniy jihatdan, buni passiv rotor bilan sinxronlashtiruvchi momentning yo'nalishi oqim yo'nalishiga bog'liq emasligi bilan izohlash mumkin. Oqim qutblar bo'ylab yo'naltirilganda ham, qutblar bo'ylab yo'naltirilganda ham moment nolga teng bo'ladi va faol rotordan farqli o'laroq, rotor o'qi stator qutblari orasida joylashganida maksimal darajaga etadi, agar oqim bo'lsa, moment maksimal bo'ladi. rotor bo'ylab yo'naltiriladi. Shuning uchun reaktiv step motorlarida kamida uchta sariq va uch davrli kommutatsiya tizimi bo'lishi kerak.
SD ning turli xil ishlash rejimlari mavjud:
statik rejim
bir bosqichli ishlov berish rejimi,
barqaror holat,
o'tish rejimlari.
Statik rejim to'g'ridan-to'g'ri oqimning nazorat o'rashlari orqali o'tishiga mos keladi, statsionar magnit maydon hosil qiladi. Bu rejimning asosiy xarakteristikasi avvalroq ko'rib chiqilgan () MC=f(ge) statik xarakteristikasidir.
Yagona bosqichlarni qayta ishlash rejimi nazorat impulslarining chastotasiga mos keladi, bunda vaqtinchalik jarayon, ko'pincha tebranuvchi, har bir bosqichda keyingi bosqichning boshlanishi bilan tugaydi, ya'ni. rotorning burchak tezligi (har bir qadam boshida `p nolga teng (qarang).

Guruch. 4-5. Yagona qadamlarni ishlab chiqish.

Ushbu rejimning asosiy ko'rsatkichlari: oshib ketish D(p, lahzali burchak tezligining maksimal qiymati (`p_max, rotor tzatining erkin tebranishlarining parchalanish vaqti).
Agar elektromagnit o'tish vaqti mexanikdan ancha kam bo'lsa, yuklanmagan step motorining rotorining harakatini quyidagi tenglama bilan tavsiflash mumkin.
,
Bu erda Mdyn - dinamik moment, M - sönümleyici elektromagnit moment.
Dinamik moment rotorning inertsiya momenti va tezlashuvi bilan belgilanadi:

Rotor tebranishlarining ichki elektromagnit dampingi boshqaruv o'rashlarida aylanishning EMF harakati tufayli yuzaga keladi. Damping momentining qiymati rotorning burchak tezligiga mutanosibdir:

,
bu erda D - damping omili.
Agar biz qadam motorining ishlashini rotorning o'qlari va statorning MMF (sin(g)≈ g) o'rtasidagi mos kelmaslikning kichik burchaklarida ko'rib chiqsak, u holda o'rnini bosamiz va , biz rotor harakatining differentsial tenglamasini olamiz. :

Ushbu ifodada at (re) koeffitsienti rotorning tabiiy tebranishlarining burchak chastotasining kvadratidir.

,
va at (`re) koeffitsienti tebranishlarning nisbiy susaytirish koeffitsientini xarakterlaydi l:
.
Bosqichli dvigatelning barqaror ish rejimi f nazorat pulslarining doimiy chastotasiga to'g'ri keladi va . Barqaror holatda rotorning ma'lum bir o'rtacha burchak tezligi ō bilan aylanishi majburiy tebranishlar bilan birga keladi.
Tebranish amplitudasi rotorning rezonans - tabiiy chastotasiga to'g'ri keladigan nazorat impulslarining chastotasida maksimal qiymatga etadi:

Barqaror holatning muhim xarakteristikasi cheklovchi mexanik xususiyatdir, bu qarshilikning ruxsat etilgan momentining nazorat pulslarining chastotasiga bog'liqligi. Cheklovchi mexanik tavsif odatda f>f0 () da hisobga olinadi.

Guruch. 4-6a. SD ning mexanik xususiyatlarini cheklash.
MDOP ning f ortishi bilan kamayishi, asosan, nazorat o'rashlarining elektromagnit vaqt doimiysi T ning mavjudligi bilan bog'liq.
,
bu erda Ru va Lu - nazorat o'rashlarining faol qarshiligi va indüktansı. Ikkinchisi, Tu qanchalik katta bo'lsa, impuls paytida kamroq oqim kuchayishi bilan izohlanadi, bu sinxronlash momentini kamaytiradi. Besleme kuchlanishini kamaytirish MDO ni ham kamaytiradi.
Vaqtinchalik jarayonlar - ishga tushirish, tormozlash, teskari, bir chastotadan ikkinchisiga o'tish - qadamli motorlarda vaqtinchalik jarayonlar bilan birga keladi.
Vaqtinchalik rejimning muhim ko'rsatkichi - bu step motorining chayqalishi - qadamni yo'qotish uchun step vosita tomonidan qayta ishlangan nazorat impulslarining eng yuqori chastotasi - qabul qilish chastotasi fpr.
Sinxronlash momentining oshishi bilan, shuningdek, qadam, inersiya momenti va qarshilikning statik momentining pasayishi bilan ko'tarilish kuchayadi (qarang, bu erda MW ishqalanish turining qarshiligining tashqi momentidir).

Guruch. 4-6b. SD ning dinamik xususiyatlarini cheklash.