Техника - молодёжи 1975-12, страница 10

Шаговые электродвигатели

БОРИС ИВОБОТЕНКО. доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии

Принципиальная электрическая схема однофазного шагового двигателя с симметричной магнитной системой для часов, счетчиков и приборов промышленной автоматики.

Семейство миниатюрных шаговых двигателей.

Символические изображения обозначают области применения шаговых двигателей — от часов до искусственного сердца.

Сравнительно недавно, 10—15 лет назад, этот термин был известен только узкому кругу инженеров-электриков. Теперь же шаговые двигатели получили почетное право называться лишь своими «инициалами» — ШД: свидетельство широкого распространения электрических машин такого типа.

Воображение невольно подсказывает образ ступающей электрической машины с конечностями. Нет, это не робот, хотя шаговый двигатель может управлять одним из его суставов. Сама машина очень проста. ШД можно представить в виде нескольких электромагнитов с импульсными обмотками на неподвижной части (статоре) и якорем, который при переключении обмоток поворачивается или движется поступательно. Чтобы понять, как работает шаговый двигатель, вспомним принцип действия других электрических машин, например синхронных.

На статоре две или три обмотки. Они обтекаются плавно изменяющимися синусоидальными токами. Вместе с током пульсирует электромагнитное поле, создаваемое каждой обмоткой. Токи в обмотках нарастают и спадают не одновременно, а со строго определенным запаздыванием по времени; сами обмотки сдвинуты относительно друг друга и занимают равномерно чередующиеся участки цилиндрической поверхности. В силу этого две или три пульсирующие волны поля (по числу обмоток) образуют одну бегущую волну. За каждый цикл полного изменения тока в обмотках результирующая волна обегает всю цилиндрическую поверхность расточки статора или ее часть. Поле равномерно вращается, увлекая за собой ротор. Токи в обмотках изменяются непрерывно, поэтому поле в рабочем зазоре и ротор непрерывно вращаются. Движение складывается из множества бесконечно малых перемещений.

А если в какой-то момент остановить изменение токов, заморозить

их на достигнутом уровне, все равно каком, как в кинематографе, показывать какое-то время один и тот же кадр? Вместе с токами в обмотках застынет в каком-то положении волна бегущего поля, а вместе с ней остановится и ротор. Дадим смениться группе кадров и снова остановим последний из них, ротор повернется на определенный угол и снова замрет.

Повторим это еще и еще. Машина послушно пошла шагами. Изменять токи в обмотках большими или малыми скачками, замораживая процесс на любом кадре, оказалось очень просто. Достаточно подавать на обмотки вместо непрерывно изменяющихся напряжений ступеньки прямоугольных импульсов. Каждый импульс — шаг, и его можно затянуть при желании до бесконечности, то есть остановить процесс и зафиксировать ротор. Пока импульсы чередуются медленно, двигатель отчетливо шагает. Наш глаз способен различать несколько десятков шагов в секунду. Но вот кадры замелькали: сто, двести, тысяча, несколько десятков тысяч шагов в секунду. Не только наш глаз, но и чувствительные приборы уже не различают шагов, а видят просто вращение. Двигатель бегает, как и раньше, правда, чуть покачиваясь, потому что каждый следующий шаг он делает строго в момент прихода очередной команды, а этот момент может быть не самым удобным. Внутренний автоматизм движений разрушен и заменен слепым повиновением команде. Зато в любой момент, на любом шаге мы можем приказать: «Замри!» Ротор качнется и замрет точно в указанном положении. Попробуйте сдвинуть его насильственно с места, когда нет команды. Он будет решительно сопротивляться, и, если двигатель приличной комплекции, голыми руками вам его не взять. Электромагнитное поле не хочет расставаться с ротором ни в движении, ни в покое. Это оно держит его в своих цепких объ

ятиях и заставляет повторять за собою все свои шаговые перемещения.

Между прочим, «сшивание» отдельных шагов, а если угодно, элементарных циклов или тактов движения в бесконечную последовательность, воспринимаемое нами как непрерывное вращение с чуть заметными пульсациями скорости, происходит в машине постоянного тока точно так же, как в двигателе внутреннего сгорания. Только там в роли неутомимых операторов выступают не щетки, а электрические свечи.

Поле шагает, потому что электронные ключи по командам извне то открывают, то запрещают доступ тока в обмотки. Двигатель снабжается электронным мозгом, и его возможности становятся исключительными, иногда необозримыми.

Первую победу шаговый двигатель одержал в 1957 году, когда на Всемирной выставке в Брюсселе экспонировался первый в мире советский фрезерный станок с цифровым программным управлением. Этот экспонат был удостоен Большой золотой медали и открыл новую страницу в станкостроении Современная техника немыслима без фрезерных, токарных, электроэрозионных и многих других станков с цифровым управлением. Большая часть из них действует благодаря шаговым двигателям.

Затем ШД обосновались в механизмах управления прокатных станов, прессов и других металлургических машин, стали одним из самых распространенных элементов автоматики, работают в электрических часах, таймерах и счетчиках, на кораблях, самолетах и искусственных спутниках Земли — везде, где требуется быстрое, точное и надежное исполнение воли человека.

С расширением рабочих профессий Шд возникло самостоятельное развитое направление — дискретный электропривод с шаговыми двигателями. У его истоков стояли ученые и инженеры проблемной лаборатории электромеханики МЭИ.

8