История развития и основные конструкции ШД

Цель работы

Изучение принципа действия шаговых двигателей (ШД), практическое ознакомление с системой управления ШД, экспериментальное определение шага и характеристик ШД.

Приборы и оборудование

Стенд лабораторный ИШД-К в составе приборного блока и электромеханического агрегата на базе двигателя FL57STH56-1006A предназначен для использования в качестве учебного оборудования при проведения лабораторных работ. Стенд укомплектован компьютером, работающим под управлением операционной системы MS Windows 2000/XP/Vista/7 (процедура установки на компьютер программного обеспечения для работы со стендом приведена в Приложении).

Технические характеристики:

- напряжение питания стенда 1 ф., ~220 В, 50 Гц;

- мощность, потребляемая от сети, не более 100 Вт;

- габаритные размеры

приборного блока 600x320x190 мм;

электромеханического агрегата 140x160x330 мм;

- масса

приборного блока, не более 12 кг;

электромеханического агрегата, не более 3 кг.

Требования к заземлению стенда:

- сопротивление заземления, подведенного к корпусу

приборного блока < 10 Ом.

Основные параметры двигателя FL57STH56-1006A

И блока управления SMD-40M

FL57STH56-1006A

Угловой шаг, град 1,8

Напряжение питания, В 7,4

Ток фазы, А 1,0

Сопротивление фазы, Ом 7,4

Индуктивность фазы, мГн 10

Крутящий момент, кгс∙см 9

Момент инерции ротора, г∙см² 300

Рабочая температура двигателя, °С 80

Масса, кг 0,7

SMD-40M

Напряжение питания, В 12…40

Потребляемая мощность, Вт ≤ 160

Выходной ток, А 0,5…4

Коэффициент дробления шага 1…200

Максимальное число шагов на оборот 40000

Максимальная частота следования импульсов «Шаг», кГц 20

Габаритные размеры, мм 136x82x25

Теоретическая часть

История развития и основные конструкции ШД

Первые упоминания о ШД можно найти в научно-технической литературе, опубликованной сразу после I мировой войны. Важно отметить, что существующие ныне ШД конструктивно мало отличаются от их предшественников. Что такое шаговый электродвигатель? Если вы спросите об этом у инженеров-электромехаников, то можно гарантировать, что у одной половины из них появиться чувство, сходное с зубной болью, а у другой, напротив, эмоции будут самые положительные. Это вызвано тем, что обладая большими достоинствами, далеко не во всех областях промышленности ШД нашли широкое применение в силу ряда их особенностей.

Наиболее часто из недостатков ШД выделяют невысокие удельные показатели. Действительно, практически не создавались ШД на большие моменты, т.к. габариты или цена их становится несоизмеримо большими по сравнению с двигателями постоянного или переменного тока. Из достоинств можно подчеркнуть способность ШД строго отрабатывать входные импульсы, подаваемые на обмотки ШД.

Шаговые двигатели применялись давно, но это применение было, как правило, экзотическим, из-за необходимости применения механических или электронных коммутаторов, которые сильно сужали области применения.

Подлинную революцию в создании управляемых приводов, созданных на базе ШД, вызвала эра цифрового управления, начавшаяся с 1957года, когда в американском журнале был опубликован отчет о применении ШД в трехкоординатном электроприводе фрезерного станка. Коммутаторы ШД реализовывались на базе ламповых тиратронов, а процесс обработки деталей мог производиться считыванием импульсов с магнитной ленты. По сути, это первый станок с числовым программным управлением (ЧПУ).

Во всех развитых странах с этого времени началось широкое использование ШД в области металлообработки. Возможность цифрового управления от ЧПУ или ЭВМ заставила разработать множество типоразмеров ШД (наша страна даже закупала в Болгарии ШД мощностью до 1.6 кВт). Но одновременно с эйфорией начали проявляться и недостатки, в частности, необходимость усиления вращающего момента ШД с помощью гидроусилителей или механических редукторов. Гидроусилители требовали наличия масляных компрессоров, что существенно увеличивало габариты устройств и, кроме того, подтекание маслопроводов и повышенный шум создавали вокруг таких электроприводов условия далеко не комфортные. У инженеров -электромехаников появился даже термин "мокрый" привод. При преобразовании гидроусилителями вращения вала ШД в поступательное движение рабочего штока, например, у первых образцов советских роботов, в режиме малых скоростей перемещений проявляется эффект релаксации - залипания штока к цилиндру, который вызывал весьма своеобразное движение рабочего органа - захвата робота, напоминающее трясущееся движение руки алкоголика. Успехи в области полупроводниковой техники в начале 70-х годов позволили создать "сухие" тиристорные электропривода с двигателями постоянного тока, которые в механообработке практически полностью вытеснили шаговые электродвигатели. Этим можно объяснить скептическое отношение к ШД некоторых инженеров. Но одновременно в мире начался бум, вызванный широким использованием вычислительной техники, в которой применение ШД значительно упрощало конструкцию различных периферийных устройств ЭВМ (принтеров, графопостроителей, устройств считывания информации с магнитных дисков и т.д.), и не требовало усиления момента гидроусилителями, т.е. такие шаговые электропривода были также „сухими". Сегодня количество вычислительной и контрольно - измерительной техники стремительно растет, одновременно растет количество используемых ШД.

Шаговый двигатель представляет собой разновидность синхронной электрической машины, принцип действия которой основан на дискретном изменении электромагнитного поля в зазоре машины путем переключения обмоток.

Шаговые двигатели широко распространены благодаря следующим преимуществам:

· Относятся к классу бесконтактных двигателей, имеют высокий срок службы

· Независимость частоты вращения от нагрузки в пределах допустимого момента сопротивления

· Точное позиционирование без наличия датчиков обратной связи

· Наличие удерживающего момента в режиме остановки

· Высокие динамические характеристики

Существует три основных типа шаговых двигателей: реактивные (с переменным магнитным сопротивлением), с постоянными магнитами и гибридные.