Шаговый двигатель для автоматизации процессов на предприятии

Автоматизация процесса

Шаговые двигатели для автоматизации процесса

Электрический двигатель — ядро современных приводов, приводящих в движение разнообразные технологические машины. Современный электропривод представляет собой сочетание электродвигателей, систем передачи и средств управления, обеспечивающих автоматизированную работу производственных машин. Эта работа совершается с требуемой закономерностью при преобразовании электрической энергии в механическую.

Шаговые двигатели являются наиболее распространенным типом двигателей для станков с ЧПУ, сварочных автоматов, приводов подачи и позиционирования деталей, конвейеров и т.п. В процессе производства одинаковых деталей двигатели в цикле повторяют набор движений, алгоритм движения может храниться в управляющей программе компьютера или в памяти контроллера шаговых двигателей.

Основная тенденция развития современного промышленного электропривода направлена на решение следующих проблем: слияние электродвигателя с рабочими органами машины; вытеснение механических звеньев и кинематических связей электрическими. Это упрощает конструкции машин, улучшает качество технологического процесса, увеличивает скорость машин, создает удобства обслуживания и сокращает расходы на эксплуатацию.

Исключение механических передач устраняет погрешности и неточности при работе, исключаются люфты, деформации. Пример такого привода – прямой сервопривод . При непосредственном соединении рабочих деталей промышленной машины с двигателем конструкция получается более компактной, повышается КПД системы, снижается шум, не требуется смазка.

Автоматизированная система управления электроприводом содержит три основных элемента: приемник, промежуточное и исполнительное устройства.

Приемные элементы — датчики — воспринимают действие управляющих величин (натяжения, температуры, влажности и т. д.) и преобразуют их в электрические.

Промежуточные элементы усиливают полученные от датчиков сигналы и в случае необходимости распределяют их между несколькими цепями. Исполнительные элементы, получив импульсы от промежуточных элементов, производят требуемое изменение режима работы управляемой технологической машины, например увеличивают число оборотов ее главного вала.

В некоторых случаях один элемент системы должен перемещаться в точном соответствии с перемещениями другого элемента, но чисто механическая связь между ними неосуществима. Тогда применяется электромагнитная синхронная связь этих элементов. Синхронная связь является, таким образом, одной из задач автоматизированной системы.

Основные характеристики электроприводов

Основные характеристики электроприводов с шаговыми двигателями

К системам автоматического управления предъявляется ряд требований. Они должны обладать минимальной инерционностью или максимальным быстродействием, обеспечивать правильную последовательность работы управляемой машины или группы машин, необходимую точность и чувствительность, защиту против аварийных режимов, быть достаточно простыми, дешевыми и надежными в работе и т. д.

Развитие современного электропривода идет по пути усовершенствования самих электрических двигателей, а также систем их автоматического управления и регулирования.

В процессе работы электропривода механическая энергия, развиваемая электродвигателем, расходуется на приведение в движение элементов рабочей машины, осуществляющей рабочий процесс. Этот процесс, согласно условиям производства и технологии, протекает нередко с переменной скоростью.

Скорость электропривода может меняться также вследствие колебания механической нагрузки рабочей машины и непостоянства напряжения сети. Всякое изменение скорости электропривода вызывает изменение запаса кинетической энергии во всех движущихся массах системы двигатель — рабочая машина. Это обстоятельство в ряде случаев является причиной непостоянства тока, момента и мощности двигателя, величины которых зависят от характера движения электропривода.

В электроприводах, как правило, приходится иметь дело с вращательным движением. Поэтому уравнение движения записывается как уравнение равновесия всех моментов. Для большинства рабочих механизмов и машин, имеющих постоянный момент инерции, это выражение имеет вид:

где М — вращающий момент электродвигателя, дж;

МC — статический момент рабочего механизма, приведенный к валу двигателя, дж;

J – момент инерции системы, приведенный к валу двигателя, дж*сек2;

– угловое ускорение, 1/сек2;

– угловая скорость, 1/сек;

α – угол поворота, рад;

t – время, сек.

При М>МC ускорение >0, т. е. имеет место ускорение привода.

При М<МC ускорение — <0, т. е. происходит замедление привода.

При М=МC ускорение – =0 т.е. привод работает в установившемся режиме.

Различают активные и реактивные статические моменты. Активные статические моменты обусловлены потенциальными силами (например, силами тяжести), не меняют направления своего действия при изменении направления движения, вследствие чего они могут способствовать или противодействовать движению. Реактивные моменты сопротивления препятствуют движению привода при любом направлении движения, так как изменяют направление своего действия, когда меняется направление скорости.

В случае шаговых двигателей скорость работы не зависит от изменения нагрузки на валу двигателя. Однако, все шаговые двигатели теряют крутящий момент при увеличении скорости. Таким образом, в пределах допустимой нагрузки колебаний и изменений скорости шагового двигателя не происходит. Но при превышении момента нагрузки допустимой величины шаговый двигатель выходит из синхронизации, пропускает шаги или останавливается. Чем выше напряжение питания, подаваемое на шаговый привод, тем выше максимальный допустимый крутящий момент шагового двигателя для определенной скорости движения.

Главные свойства электропривода определяются основными характеристиками электродвигателя:

зависимостью скорости вращения двигателя от момента — механической характеристикой;
зависимостью скорости двигателя от тока или напряжения — скоростной характеристикой;
зависимостью вращающего момента от тока — моментной характеристикой;

зависимостью скорости двигателя от регулирующей величины (напряжения, частоты и т.д. — регулировочной характеристикой.

Различные принципы действия электроприводов

Принципиальная особенность асинхронных двигателей — наличие скольжения ротора относительно вращающегося магнитного поля, зависящего от нагрузки.

Принципиальная особенность синхронного двигателя состоит в том, что его ротор вращается синхронно с полем при всех нагрузках, не превышающих максимальной (критической).

Синхронный электродвигатель, преобразующий электрические импульсы в дискретные механические перемещения, называется шаговым, или импульсным. Такие двигатели используются в различных автоматических устройствах с дискретным или шаговым характером механического движения. Их можно разделить на устройства:

а) в которых шаговые двигатели выполняют роль приводных двигателей различных исполнительных механизмов (подачи станков, золотников гидроусилителей, затворов и задвижек, лентопротяжных механизмов, кулачковых барабанов, переключателей электрических цепей и др.);

б) в которых шаговые двигатели используются для преобразования сигнала унитарного вида (соответствующего заданной программе движения) в другую форму электрического сигнала. В этом случае шаговый двигатель поворачивает ротор сельсина, сердечник вращающегося или дифференциального трансформатора и т. д.

Число зубцов на статоре и на роторе может быть одинаковым или различным.

Поочередное возбуждение обмоток управления (от источника постоянного тока) вызывает шаговые повороты ротора на часть зубцового деления в направлении, зависящем от последовательности подачи импульсов. Остановка ротора шагового двигателя в фиксированном положении достигается включением постоянного тока в одну из обмоток управления. Свойства шагового двигателя определяются рядом его показателей и характеристик. К ним относятся:

Величина шага двигателя или угол поворота ротора, отвечающий одному импульсу напряжения;

Наиболее распространенными в настоящее время является шаг 1,8° и модификация 0,9°. Реже используются двигатели с основным угловым шагов 7.5°, 15° и 18°. Как правило, основной угловой шаг может дробиться на меньшие величины блоком управления.

Статический синхронизирующий момент или вращающий момент в установившемся электромеханическом режиме при постоянном токе в обмотке управления и нулевой скорости ротора;

Частота приемистости или наибольшая частота управляющих импульсов, при которой ротор еще может входить в синхронизм с места, не теряя шага;
Зависимость среднего синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.

Правильнее говорить не о частоте управляющих импульсов, а о скорости шагового двигателя, т.к. при дроблении основного шага эта частота следования импульсов увеличивается. Также скорость зависит от напряжения питания. То же самое можно сказать и о моменте шагового двигателя.

Управление электроприводами

Управление шаговыми двигателями

Управление современными электроприводами осуществляется с помощью различных, преимущественно электротехнических, устройств. Основными из них являются: командные аппараты и другие входные элементы; реле и другие логические элементы; контакторы; магнитные пускатели; автоматы; тормозные устройства; электрические сопротивления; усилители; преобразователи; электрические микромашины; электромагнитные муфты; устройства обратной связи; унифицированные блоки; вычислительные устройства и машины.

Основные звенья следящих приводов: измерители рассогласования, преобразователи сигнала рассогласования (модуляторы и демодуляторы), усилители и стабилизирующие устройства.

Автоматическая защита электроприводов от аварийных и других недопустимых режимов осуществляется реле защиты, автоматами, реже предохранителями. Каждый из упомянутых элементов может иметь различные конструктивные формы и технические данные. Однако, по устройству и рабочим свойствам они подразделяются на две группы: релейно-контакторная аппаратура и бесконтактные средства управления.

Средства управления и защиты выполняют ответственную роль в системах автоматизированных электроприводов. Их качество во многом определяет совершенство электропривода, его надежность, производительность, стоимость и срок службы.

Для управления шаговыми двигателями используются драйверы (для коммутации обмоток), контроллеры – для логического управления шаговыми двигателями и комбинированные устройства. Драйверы, как правило, поддерживают функцию дробления шага. Распространенными блоками управления являются устройства, которые воспринимают внешние управляющие сигналы 0В/5В и преобразуют их в соответствующие перемещения шагового двигателя. Один управляющий импульс соответствует одному шагу или микрошагу шагового двигателя. Если управляющие импульсы должны следовать по определенному, заранее известному алгоритму, удобнее применять специальные контроллеры шаговых двигателей. Такие контроллеры управляют не отдельным дискретным перемещением, а задают траекторию движения, с нужными скоростями, ускорениями, воспринимают сигналы от внешних датчиков, имеющихся в системе для синхронизации шагового привода с другими элементами производственной машины.

Для работы шаговых двигателей датчиков обратной связи не требуется. Однако, в случаях, когда есть вероятность потери шага вследствие превышения момента, иногда в системе используются дополнительные энкодеры.

Качество способов регулирования скорости электроприводов можно оценить рядом показателей. К основным из них относятся:

1. Диапазон регулирования — это отношение максимальной скорости к минимальной.

2. Плавность регулирования, равная отношению большей скорости к меньшей двух соседних ступеней: nk/nk±1. Она изменяется от величины, близкой единице при практически плавном регулировании, до двух при ступенчатом.

3. Жесткость механической характеристики, выражаемая в виде отношения приращения момента к приращению скорости вращения: ?M/?n. Чем больше эта величина, тем меньше изменяется скорость в процессе изменения нагрузки двигателя.

4. Допускаемая полезная мощность (или момент) на валу в регулируемой зоне, определяемая максимально допустимой температурой нагрева изоляции обмоток двигателя.

5. Коэффициент усиления мощности регулируемой системы, равный отношению выходной мощности к регулирующей. С уменьшением регулирующей мощности упрощаются и удешевляются средства автоматизации.

6. К. п. д. системы в зоне регулирования

где Р2 — мощность на валу двигателя; ΔР -суммарные потери мощности.

7. Экономичность системы регулирования, включающая затраты на оборудование, эксплуатационные расходы и другие факторы.

Для шаговых приводов эта характеристика является абсолютно жесткой, т.к. скорость шагового двигателя от момента не зависит.

Применение малогабаритных электроприводов

Электрические микромашины применяются:

а) в качестве основных двигателей обычных приводов малой мощности, а также исполнительных двигателей следящих приводов;

б) как элементы управления и регулирования автоматизированными электроприводами.

Как элементы систем управления приводами электрические машины выполняют роль:

а) двигателей, приводящих в движение управляющие и регулирующие механизмы и устройства, например командоаппараты, реостаты и т. п.;

б) тахогенераторов, осуществляющих обратную связь в автоматических системах;

в) усилителей, позволяющих управлять повышенными мощностями посредством воздействия на маломощные цепи.

В системах управления электроприводами в принципе могут быть использованы различные микродвигатели. На практике для указанных целей наибольшее распространение находят асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором как весьма простые и надежные в работе и регулируемые двигатели постоянного тока.