Шаговый электропривод является наиболее простым из позиционных электроприводов, в котором нет обратных связей.
Преимущества:
1) отсутствие необходимости в обратных связях по скорости и положению;
2) простота конструкции;
3) возможность задания движения в унитарном коде.
Унитарный код – это последовательность импульсов, число которых пропорционально перемещению, а мгновенное значение частоты – скорости перемещения.
Недостатки:
1) имеют существенные ограничения по скорости;
2) имеют ограниченный темп ускорения;
3) невосполнимая потеря информации при потере шага.
В общем случае шаговый электропривод включает в себя следующие элементы:
Входные импульсы в унитарном коде подаются на вход электронного коммутатора (ЭК), который через усилитель мощности (УМ) обеспечивает переключение однополярных импульсов к одной или нескольким обмоткам статора. После подачи одного импульса ротор шагового двигателя поворачивается на определённый угол, называемый шагом. По конструкции различают 2типа двигателей: активный и реактивный. Статор шагового двигателя представляет собой по аналогии статор явнополюсного синхронного двигателя. Ротор активного шагового двигателя выполнен на основе постоянных магнитов. Поочерёдным подключеним обмотки статора обусловлен поворот ротора в результате взаимодействия потоков ротора и статора.
В двигателе активного типа ограничено число полюсов и как следствие относительно большой шаг (10̊).
В электроприводах механизмов подач более целесообразно применять реактивные шаговые двигатели у которых как ротор, так и статор выполнен зубчатым. В качестве примера рассмотрим конструкцию двухсекционного шагового реактивного двигателя. Это фактически 2 шаговых двигателя смонтированных на одном валу и выполненном в одном корпусе. В каждой секции имеем 6 полюсов, на каждом полюсе намотана обмотка возбуждения. Полюсные наконечники выполнены виде зубцов. Шаг зубцов статора такой же как и на роторе. На роторе шагового двигателя размещены 20 зубцов. На статоре по 3 зубца на полюсный наконечник. В связи с тем, на полюсах статора зубцов 18 мы имеем нехватку 2 зубцов (один зубец – на обмотку между полюсами; второй набирается за счёт того, что каждый полюс смещён на 60̊ + 1/6 зубцового деления).
В данной схеме показано подключение обмоток фаз двух секций. Обмотки полюсов 2-х секций подключают к УМ следующим образом:
Фаза А на 1 секции, через 60̊ - фаза В, ещё через 60̊ - фаза С и т.д. Таким образом 2-х секционную машину можно представить как эквивалентный шести фазный двигатель.
Управление двигателя осуществляется поочерёдной подачей однополярных импульсов между нулевой точкой и фазой.
На данной диаграмме показано взаимное расположение зубцов ротора и полюсов статора, когда был подан импульс на фазу А.
Если подать импульс на фазу В, ротор повернётся вправо на 1/6 зубцового деления.
После подачи одного импульса ротор шагового двигателя повернётся на 3̊ - это и будет цена шага.
Для того, чтобы обеспечить реверс двигателя необходимо сменить порядок коммутации фаз. Для снижения цены шага применяют режим дроблённого шага и следовательно 12-ти тактный режим коммутации.
При возрастании числа входных импульсов вектор магнитного потока статора скачком поворачивается по окружности. Ротор вследствие механической инерции будет отставать, поэтому при определённой частоте ротор может не успеть за этим вектором. Поэтому для всех шаговых двигателей существует ограничение по максимальной частоте всех входных импульсов. Максимальное отставание не должно превышать тактности работы коммутатора.
Для шагового двигателя существует такой показатель, как частота приемостости – это мгновенный перепад частоты входных импульсов, который шаговый двигатель отрабатывает без потери шага. Частота приемостости составляет 1÷2 кГц, а максимальное частота входных импульсов – до 20 кГц.
Пример: ШД 15 кВт типа ШАС 1.5; шаг – 1.5̊; max f – 16 кГц; fпр – 0.6 кГц.
По аналогии с СД у шагового двигателя есть максимально допустимый момент (момент опрокидывания).