Классификация станков с программным управлением

    Рассмотрим  конструкцию самого шагового двигателя. Этот двигатель состоит (рис.А) из двух одинаковых секций статора 1 и общего ротора 2.

    Каждая  секция статора (рис. б) имеет шесть зубчатых полюсов 1…6, взаимодействующих с зубчатым ротором 7, имеющим 20 зубцов. При этом зубцы каждого последующего полюса сдвинуты на 1/3 зубцового шага относительно предыдущего полюса, а обе секции статора сдвинуты на 1/2 зубцового шага между собой. Обмотки каждой пары противолежащих полюсов включены последовательно и образуют одну фазу. Таким образом, каждая секция двигателя имеет трехфазную обмотку, а с учетом второй секции двигатель имеет шестифазную обмотку. Схема магнитных потоков, создаваемых этими шестью фазами в пределах 360 электрических (или 18 геометрических) градусов, представлена на рис.В, на котором  сплошными векторами 1, 2, 3 представлены магнитные потоки, создаваемые тремя фазами первой секции, а штриховыми 1΄2΄3΄ - второй.

    При подаче тока в первую фазу первой секции зубцы ротора встанут точно напротив зубцов первого и четвертого полюсов, на которых находится обмотка  первой фазы. При подаче тока во вторую фазу первой секции ротор повернется на 1/3 зубцового шага, т.е. на 6º так, что его зубцы окажутся напротив зубцов полюсов 2 и 5. Если подать ток в третью фазу, то ротор повернется еще на 6º. Если подавать токи по очереди в обмотки второй секции, то ротор также будет поворачиваться на 6º, но со сдвигом на 3º относительно первой секции. Если ток подавать сразу в первую фазу первой секции и в третью фазу второй секции, то ротор повернется на 1,5º, т.е. его зубцы станут «посредине» между зубцами первой и второй секций. Таким образом, чередуя подачу токов то в одну фазу, то в две, а именно 1–13΄– 3΄– 3΄ 2–2–21΄–1΄–1΄ 3 – 3–32΄–2΄–2΄1–1, получим непрерывное вращение двигателя скачками по 1,5º.

    Таким образом за 12 тактов двигатель повернется на 369º/20 = 18º, т.е. один оборот он сделает  за 240 тактов.

    Итак, при подаче импульса ротор шагового двигателя поворачивается  на определенный угол. Развиваемый при этом момент на выходном валу шагового двигателя невелик, однако достаточен для приведения в действие усилителя момента, например, по координате X перемещения. Гидравлический двигатель, охваченный механической обратной связью, повторяет все движения шагового электродвигателя и через редуктор и шариковые винт и гайку сообщает продольное перемещение. Аналогично работает привод подачи по координате Y, имеющий такую же конструкцию, как и привод подачи по координате X.

    В приводах главного движения станков  с ЧПУ преимущественно применяют  регулируемые приводы с двигателем постоянного тока и тиристорным преобразователем напряжений.

    Регулируемый  привод для станков с ЧПУ выполняют  по схеме «тиристорный преобразователь  – двигатель» и регулируют напряжением  в цепи якоря при неизменном возбуждении, что обеспечивает постоянный максимально допустимый момент на всем диапазоне регулирования. Структурная схема регулируемого привода изображена на рисунке.

    Силовая часть состоит из двигателя  Д и силового преобразователя П , который преобразует переменное напряжение сети в регулируемое постоянное напряжение на якоре двигателя. Для увеличения диапазона регулирования привод охватывается жесткой отрицательной обратной связью по частоте вращения. Для этого на валу двигателя Д устанавливается тахогенератор ТГ, напряжение которого u_о.с. пропорционально ω. Это напряжение сравнивается с задающим напряжением u_з. Разность (u_з - u_о.с.) усиливается усилителем У и подается на силовой преобразователь П.

    Тиристорные преобразователи ТП, широко применяемые в качестве мощных усилителей в электроприводах с двигателями постоянного тока, являются управляемыми выпрямителями, выходное напряжение которых пропорционально в широких пределах входному управляющему сигналу постоянного тока. Основным элементом любого ТП является тиристор – мощный полупроводниковый управляемый вентиль, в котором с помощью импульса тока i_у, подаваемого на управляющий электрод, можно изменять момент начала прохождения тока через него, при условии подачи на него напряжения Е_с. Изменяя этот момент, можно изменять среднее значение выпрямленного тока i_н в нагрузке R_н. Ниже на рисунке представлены электрическая схема включения тиристора в сеть переменного тока с напряжением Е_с и диаграммы токов и напряжений. Ток через тиристор может пойти не только при подаче управляющего импульса, но и без него при достаточно высоком напряжении питания, которое называется напряжением включения. Вольт-амперная характеристика тиристора представлена на следующей странице. При отсутствии управляющего импульса она представляет собой кривую ОАВС, у которой при напряжении включения ветвь идет влево из точки А в точку В, что означает самопроизвольное включение тиристора.  
 

    При подаче управляющего импульса тока I_у тиристор включается при значительно меньшем напряжении питания и при некотором значении тока I_у4 в управляющем импульсе, вольтамперная характеристика плавно переходит из точки О в точку В без скачков напряжения на тиристоре. В открытом состоянии (зона II), когда характеристика идет по кривой ОВС падение напряжения на тиристоре уменьшается в сотни раз при токах в сотни ампер.

    В закрытом состоянии (зона I) ток исчисляется миллиамперами, а падение напряжения достигает сотен вольт.

    Конструкция типового тиристора представлена на рисунке. В корпусе 1, являющемся анодом, находится четырехслойный кристалл кремния , обработанный так, чтобы образовалась четырехслойная структура полупроводника типа p – n – p – n. Этот корпус в нижней части имеет резьбовое соединение 2 для ввинчивания тиристора в охлаждающий радиатор. В верхней части тиристора находится стеклянный изолятор 5, через который выходит гибкий провод 3 катода, оканчивающийся наконечником 4. Управляющий электрод тиристора выведен с помощью гибкого медного проводника 6 небольшого сечения, изолированного как от анода (корпуса), так и катода.

     Рассмотрим работу простейшего однофазного  реверсивного преобразователя, состоящего из двух тиристоров Т1 и Т2, включенных навстречу друг другу и двигателям. Эти тиристоры отпираются импульсами тока i₁ и i₂ в соответствующие моменты времени от какой-либо схемы управления, не показанной на рисунке, если напряжение на аноде больше, чем на катоде. При этом тиристоры выключатся, если сила тока, проходящего через них, опустится ниже некоторого минимального значения. Напряжение на тиристорах всегда равно разности напряжений в сети Е_с и на двигателе Е_дв, которое равно сумме противо-ЭДС якоря, пропорциональной скорости двигателя, и падение напряжения на якоре I_нR_я, пропорционального нагрузке двигателя.

    Изменение напряжения на тиристорах и на двигателе  при питании этой схемы от сети переменного тока относительно одного из зажимов сети показано рисунке ниже. Там же показаны  импульсы тока i₁ и i₂, управляющие тиристорами Т1 и Т2 соответственно, и импульсы тока I_дв, проходящего через двигатель. 

    Если  в момент времени, соответствующий  мгновенной фазе ά₁, где угол ά отсчитывается от ближайшего «нуля» синусоиды, будет подан управляющий импульс i₁ на тиристор Т1, то он откроется, и через двигатель потечет ток, в результате чего двигатель будет разгоняться до тех пор, пока ток не прекратится при равенстве напряжений сети и противо-ЭДС двигателя, равной Е_дв (если, конечно, можно пренебречь индуктивностью якорной цепи).

    Как видно, ток прекратится при угле γ, в результате чего ток, проходящий через двигатель, будет иметь вид короткого импульса длительностью (ά₁- γ)/ω   (где ω – круговая частота сети). После прекращения действия импульса тока I_дв ротор двигателя будет вращаться по инерции со скоростью, пропорциональной площади этого импульса (считая двигатель идеальным и ненагруженным), до появления через 360º следующего импульса i₁, отпирающего этот же тиристор Т1, в результате чего возникнет новый импульс тока I_дв, и скорость двигателя еще более возрастет; так, до тех пор, пока эта скорость не сравняется с той, которая соответствует приложенному постоянному напряжению Е₁=Е_maxsin ά₁. Разгон двигателя до установившейся скорости обычно происходит за несколько периодов питающей сети.

    Между импульсами i₁ подаются импульсы i₂ на углах β,также отсчитываемых от ближайшего «нуля» синусоиды (причем β₁= - ά₁), которые стремятся открыть тиристор Т2. Но так как в эти моменты напряжение на аноде А₂ этого тиристора несколько меньше, чем на катоде К₂, то этот тиристор не будет отпираться и не будет оказывать какого-либо влияния на процесс разгона и равномерного движения. Однако, если начиная с какого-то момента времени, угол α и β уменьшились и стали равны соответственно α₂ и β₂, то поведение этого тиристора изменится: в момент появления импульса i₂ тиристор Т2 откроется, потому что уменьшение угла β приведет к тому, что напряжение на аноде А₂ этого тиристора будет больше, чем на его катоде К₂, а так как этот тиристор включен навстречу первому тиристору Т1, то через двигатель потечет импульс тока обратного направления (третий импульс I_дв на диаграмме) за счет ЭДС двигателя и запасенной в нем кинетической энергии, которая при этом отдается обратно в сеть, что соответствует инверторному режиму тиристорного преобразователя, при котором осуществляется рекуперация энергии, т.е. отдача ее в сеть. В результате этого двигатель будет тормозиться до тех пор, пока его ЭДС не сравняется с напряжением Е₂= Е_maxsin ά₂. В зависимости от величины уменьшения угла α, по сравнению с исходным, торможение (как и разгон) может происходить в течение нескольких периодов сети.

    В инверторном режиме работает только тиристор Т2; так как на тиристоре Т1 при этом обратная полярность напряжений, при которой он не проводит ток, несмотря на наличие отпирающих импульсов. Если угол β₂ отпирания тиристора Т2 станет меньше нуля (и соответственно угол α₂ больше нуля), то после торможения двигатель начнет разгоняться в обратную сторону, потребляя энергию от сети, так как при том отрицательном направлении импульсов тока полярность источника энергии, питающей двигатель, изменилась. Если после того, как скорость в обратном направлении достигла установившегося состояния, угол β увеличить, а α – уменьшить, то двигатель будет тормозиться за счет пропускания тока от двигателя в сеть тиристором Т1. Таким образом, в зависимости от направления вращения тиристоры Т1 и Т2 меняются ролями; при одном направлении вращения двигателя он разгоняется за счет протекания прямого тока через тиристор Т1 и тормозится за счет протекания обратного тока через тиристор Т2, а при другом направлении вращения – наоборот. Если углы α и β не равны между собой, то при α > β через двигатель будет протекать переменная составляющая тока даже при отсутствии вращения двигателя, которая вызовет вибрацию двигателя и его дополнительный нагрев. При α < β появится зона нечувствительности привода, которая также нежелательна.

    Схема управления тиристорного преобразователя, создающая импульсы

    i₁ и i₂ должна работать, чтобы при поступлении управляющего сигнала на вход привода импульсы i₁ , следующие через 360º (т.е. через один период), сдвигались влево, а импульсы i₂ , отстоящие от импульсов i₁ на полпериода, сдвигались вправо, и наоборот. При этом область изменения углов α и β не должна превышать ±90º, иначе возможно опрокидывание тиристорного преобразователя вследствие того, что импульсы i₁ и i₂ совпадают и оба тиристора начинают проводить ток одновременно, и управление двигателем прекращается. При этом через двигатель течет большой переменный ток, могущий вывести его из строя.

    Описанная картина работы такого упрощенного  тиристорного преобразователя должна быть уточнена: индуктивность в якорной  цепи двигателя не позволяет току мгновенно возрастать до величины, определяемой разностью между мгновенным значением напряжения в сети и ЭДС, и омическим сопротивлением якорной цепи. Из-за индуктивности якоря в течение короткого времени ток продолжает течь и тогда, когда мгновенное значение напряжения сети становится меньше ЭДС двигателя (штриховые линии на диаграмме, где видно, как импульсы тока постепенно нарастают, проходят максимум и уменьшаются до нуля). Длительность этих импульсов зависит от электромагнитной постоянной времени двигателя, т.е. от Т_э, а также от их амплитуды. При некотором значении нагрузки и угла отпирания тиристора Т1 ток начинает течь непрерывно, пульсируя, но не снижаясь до нуля. Этот режим в отличие от режима прерывистого тока называют режимом непрерывного тока. Он характерен для трехфазных тиристорных преобразователей, у которых период между импульсами тока, как правило, значительно меньше Т_э. Объединив три такие однофазные схемы в одну, можно получить трехфазный реверсивный преобразователь.