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_p wI²(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_p m), 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.

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:

612

61

561

56

456

4512

345

3412

234123

2312

123

12

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

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 /₃ зубцового 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:

– –

1234

123

?

234

2345

345

34561234

456123

45611234

561123

612123

56121234

61231234

? ? ? ? ? ? ? ? ?

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