Главная > Разное > Конструирование роботов
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

4.9. СХЕМЫ ПИТАНИЯ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

4.9.1. Общие положения

Для данного положения ротора вращающий момент шаговых двигателей зависит исключительно от тока, поэтому важно уметь с большой точностью регулировать этот ток. Сформулируем общее правило для электродвигателей:

вращающий момент регулируется с помощью тока, а скорость — с помощью напряжения.

Как и для двигателя постоянного тока, рабочие характеристики имеют ограничения на вращающий момент при увеличении скорости, так как индуцированные э.д.с. вызывают в обмотках токи, создающие противоположно направленный момент.

Для шаговых двигателей проблема значительно усложняется, так как, за исключением режима разносной частоты, речь идет о последовательности переходных процессов (электрических и механических). Установление тока в одних обмотках приводит к возникновению индуцированных напряжений в других обмотках за счет взаимных индуктивностей между обмотками. Если эти обмотки замкнуты сами на себя или даже с помощью вспомогательного устройства, в них все равно возникнет ток, который создает вращающий момент (обычно противодействующий). Кроме того, токи не устанавливаются и не исчезают мгновенно. Поэтому вращающий момент зависит как от положения ротора, так и от времени. Эта зависимость играет важную роль, так как электрическая постоянная времени имеет тот же порядок величины, что и время, требуемое для перемещения ротора из одного устойчивого положения в другое.

Рис. 4.29. Влияние переходных процессов по току.

Кривые, приведенные на рис. 4.29, иллюстрируют зависимость вращающего момента от угла поворота ротора в случае, когда питание подается на обмотку и ток в обмотке не исчезает мгновенно, в результате чего может оказаться невозможным изменение положения ротора двигателя.

Следовательно, питание двигателя должно отвечать следующим требованиям:

• ток должен устанавливаться и исчезать в соответствии с законом, выработанным вспомогательным устройством

управления; это условие предполагает использование силовых транзисторов (как биполярных, так и МОП-транзисторов). Тиристор требует сложной цепи блокировки, и его реакция часто недостаточна;

• ток должен устанавливаться очень быстро, поэтому необходимо использовать все способы для уменьшения действительной постоянной времени;

• коммутация тока от нормальной величины до нуля должна быть достаточно быстрой и не должна приводить к перенапряжениям, которые могут вывести транзисторы из строя;

• ток должен регулироваться и поддерживаться на уровне, заданном управляющим устройством;

• неиспользуемые обмотки должны быть обесточены.

4.9.2. Схемы питания однонаправленным током

Этот тип питания пригоден только для синхронных реактивных двигателей с переменным магнитным сопротивлением без постоянного магнита.

Приведем снова уравнение для данного двигателя

Если ток подается только в одну обмотку, а в других обмотках отсутствует и при условии, что производная мала, т. е.

то ток устанавливается с постоянной времени, равной На самом же деле один ток становится равным нулю в тот же момент, когда устанавливается другой, и токи определяются системой уравнений

где внешнее сопротивление, которое можно подключить по желанию. Можно было бы также ввести в цепь питания дополнительное сопротивление. Токи характеризуются двумя постоянными времени, которые являются решениями уравнения

где - коэффициент рассеяния между двумя обмотками:

Если обмотки соединены хорошо мало), постоянные времени равны причем последняя величина может быть значительно меньше первой. Процесс установления тока ускоряется, если величина напряжения питания существенно превышает номинальную.

Рис. 4.30. Демпфирующая обмотка.

Если же, наоборот, обмотки соединены неплотно, оба тока устанавливаются и становятся равными нулю в соответствии со своими постоянными времени.

Метод электрического демпфирования состоит в том, что одновременно с основной обмоткой наматывается вторая обмотка. Таким образом, вторая обмотка идеально связана с основной и ее постоянная времени может регулироваться внешним сопротивлением (рис. 4.30). Эта короткозамкнутая обмотка действует только в течение переходных процессов, значительно уменьшая постоянную времени.

До сих пор мы не учитывали член, являющийся функцией скорости перемещения ротора. Рассмотрим случай, когда Тогда можно написать следующее уравнение:

В фазе ускорения производная положительна и вызывает уменьшение тока, тогда как в следующей фазе происходит увеличение тока. (Это справедливо только при нулевом моменте нагрузки.) Пусть Тогда

Если производная постоянна, пульсации тока будут приблизительно совпадать с т. е. изменения тока соответствуют изменениям скорости. Следовательно, зависимость вращающего момента также изменяется.

Конечно, можно точно рассчитать механические и электрические характеристики двигателя, решив все дифференциальные уравнения численными методами. Это оказывается необходимым, когда колебаниями нельзя пренебречь. В остальных же

случаях можно ограничиться общим описанием системы регулирования тока.

На рис. 4.31 показаны три простейшие схемы питания двигателя. Диод способствует рассеянию магнитной энергии катушки в ее сопротивлении когда транзистор не является перемычкой.

Рис. 4.31, Простейшие схемы питания двигателя однонаправленным током.

Возрастание и уменьшение тока происходят с одной и той же постоянной времени.

Рис. 4.32. Схемы пнтання двигателя с двумя источниками тока.

Сопротивления уменьшают постоянные времени цепи (рис. Поскольку опорный диод (стабилитрон) начинает проводить только при определенном напряжении, то лишь при переключении транзистора возникает напряжение, достаточное для включения опорного диода (рис. 4.31, в). При такой схеме питания отсутствуют токи в неиспользуемых фазах и не возникают нежелательные противодействующие вращающие моменты.

В схеме питания, показанной на рис. 4.32 а, нарастание тока происходит быстрее, чем в предыдущих схемах, так как максимально возможное теоретическое значение тока равно а его значение при нормальной работе равно Шунт позволяет контролировать ток и управлять транзистором . С помощью диода можно устранить токи, циркулирующие между двумя источниками. На рис. 4.32, б приведены характеристики этой схемы, по которым нельзя заранее ничего сказать об уменьшении постоянной времени.

Рис. 4.33. (см. скан) Схемы питания с регулированием тока.

С помощью этой схемы нельзя регулировать ток, а с помощью схем, показанных на рис. 4.33, а и возможно регулирование тока.

В схеме на рис. 4.33, а транзистор предназначен для коммутации, а транзистор для поддержания тока в диапазоне Поэтому транзистор должен обладать большим

быстродействием, чем транзистор Напряжение значительно выше рабочего напряжения. Справа на рис. 4.33 приведены временные зависимости разных токов в схеме. В схеме на рис. транзистор выполняет две функции. Для питания каждой обмотки требуется аналогичная схема, а это может привести к большим затратам. Отметим, однако, что в данной схеме источник входит в цепь регенерации с диодами и что ток быстрее стремится к нулю (в той мере, в какой источник допускает ток в противоположном направлении).

Схема, приведенная на рис. 4.34, рассчитана на то, что ток подается в совокупность фаз, а коммутатор осуществляет их питание в соответствии с заданной последовательностью.

Рис. 4.34. -коммутатор для четырехфазного двигателя.

В данном случае речь идет о питании четырехфазного двигателя.

4.9.3. Схемы питания двигателя с постоянными магнитами

В разд. 4.7.2 описаны способы включения питания двигателей с постоянными магнитами (в зависимости от того, имеют ли они одну обмотку или бифилярную обмотку с общей точкой). В двигателях этого типа во время вращения ротора возникает наведенная э. д. с. как результат изменения потока, создаваемого магнитом в катушках. Это явление не влияет существенно на способ включения питания. Изменения тока сведены к минимуму ограничениями и регулированием тока. Ниже мы рассмотрим схемы питания для однообмоточного и бифилярного двигателей.

Однообмоточный двигатель. В наиболее распространенной схеме питания от одного источника используется Н-схема с четырьмя транзисторами для каждой фазы двигателя (рис. 4.35,а). Она идентична схеме, описанной в гл. 3 для двигателя постоянного тока (рис. 3.39 без катушек индуктивности,

ограничивающих циркулирующие токи). Два транзистора предназначены для ограничения тока и функционируют как прерыватели. В данном случае нельзя уменьшить число транзисторов, как это сделано в схеме на рис. 4.34, и для каждой обмотки возбуждения статора необходимо предусмотреть четыре транзистора и четыре диода.

Рис. 4.35. Н-схема питания с одним источником и схема питания с источником

Если имеется двуполярный источник, то число этих элементов уменьшается в два раза (рис. 4.35, б). В этом случае питание включается в цепь регенерации и спад тока происходит быстрее.

Бифилярный двигатель. Обе обмотки наматываются одновременно, и поэтому их взаимная индуктивность достаточно велика; коэффициент рассеяния очень мал Масса меди в два раза больше, чем в однообмоточном двигателе, поэтому мощность на единицу массы меньше. Кроме того, схема питания требует в два раза меньше компонентов при одном источнике. Следовательно, выбор схемы питания определяется не столько техническими, сколько экономическими соображениями. Практические схемы питания сводятся к теоретическим схемам, приведенным на рис. 4.36, которые различаются только способом регенерации при коммутации транзисторов. Эти две основные схемы могут быть модифицированы путем добавления резисторов, конденсаторов или опорных диодов (стабилитронов)

Рассмотрим обмотку а, состоящую из двух частей 1 и 2. Условные обозначения и направления токов приведены на рис. 4.36. Общие потоки определяются выражениями

а напряжения на зажимах каждой обмотки — следующими уравнениями (при этом считается, что индуктивные сопротивления не зависят от положения ротора):

Величина пропорциональна угловой скорости вращения Очевидно, что, если существуют одновременно, индуктивное сопротивление обеих обмоток мало и каждое равно

Рис. 4.36. Схемы питания бифилярного двигателя.

Если в начальные моменты коммутации можно не учитывать величину токи изменяются по закону, представляющему собой комбинацию двух экспонент с постоянными времени, примерно равными Первая экспонента довольно быстро достигает нуля, и поток резко изменяется. Рассмотрим кратко оба метода регенерации (рис. 4.36) при использовании второго способа включения питания (рис. 4.18). Пусть в момент времени транзистор заперт, а транзистор открыт.

В случае, представленном на рис. 4.36, а, когда диоды подключены к зажимам обмоток, напряжения равны соответственно 0 и Ток убывает по величине от до 0, тогда как ток возрастает с той же постоянной времени. Ток, который создает вращающий момент, равен

Для схемы, приведенной на рис. процесс будет совершенно иным, так как первоначально протекающий через диод отрицателен. Диод запирается в момент, когда . В этот момент включается транзистор Это явление легко объяснить. Из условия сохранения ампер-витков между моментами времени можно написать при при и при Таким образом,

ток при равен . Аналогичные выводы можно сделать, исходя из закона сохранения потока.

Если не учитывать индуцированную э. д. с. в первые моменты после коммутации, уравнения для схемы питания при втором способе регенерации записываются следующим образом:

Рис. 4.37. Изменения токов и для двух способов регенерации.

Изменение тока происходит с постоянной времени В действительности ток изменяется, как показано на рис. 4.37, б. Напряжение на зажимах транзистора в момент времени равно

Рис. 4.38. (см. скан) Схема питания с преобразователем.

Если проанализировать работу этих схем при использовании первого способа включения питания, можно обнаружить, что

в схеме на рис. 4.36, а диод регенерации начинает действовать только во время нарастания тока, которое происходит с постоянной времени Во время отключения тока диод оказывается закрытым и транзистор испытывает перенапряжение, равное Схема, приведенная на рис. 4.36,б, не представляет интереса для этого способа включения питания, так как изменение тока связано с изменением потока; транзистор подвергается сильному перенапряжению, или увеличивается время коммутации.

Этот тип схемы питания (со средней точкой) также допускает регулирование тока с помощью дополнительного транзистора (рис. 4.38) или с помощью транзисторов . В самом деле, только разность влияет на механические характеристики бифилярного шагового двигателя.

Рис. 4.39. (см. скан) Полная схема питания шагового двигателя.

На практике используются значительно более сложные схемы, так как необходимо предусмотреть все вспомогательные цепи, используемые при коммутации, а также цепи антинасыщения и защиты от перенапряжений. На рис. 4.39 приведена одна из таких схем. (Для того чтобы не усложнять схему, на рисунке не показана менее важная цепь антинасыщения.)

Диоды могут проводить ток, если только напряжения больше напряжения (обычно Токи в этом случае слегка отличаются от теоретических токов (рис. 4.37), так как конденсаторы образуют колебательные контуры с катушками индуктивности и паразитными индуктивностями.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление