Пусковой момент, перегрузочная способность. При подаче управляющего импульса, переключающего обмотки управления, ось результирующей н. с., характеристики крутящего момента, а в конечном счете и ротор смещаются на шаг.

В электрических радианах шаг с учетом (5.1), (5.2) и (5.5) равен:

                                      (5.12)

Сдвинув характеристику статического синхронизирующего момента на шаг и найдя точку пересечения с исходной характеристикой, мы определим пусковой момент двигателя, т. е. наибольший момент нагрузки, при котором возможны пуск и дальнейшая работа двигателя. С увеличением числа фаз точка пересечения характеристик повышается и перегрузочная способность двигателя растет. При весьма большом числе обмоток управления предельный пусковой момент нагрузки стремится к максимальному статическому моменту (опрокидывающему моменту) шагового двигателя, что соответствует условиям работы синхронных машин, у которых при вращении поля характеристики крутящего момента смещаются плавно.

Дискретное смещение вдоль расточки воздушного зазора вектора результирующей н. с. и характеристики крутящего момента составляют главное отличие шагового двигателя от синхронных двигателей, в силу которого шаговые двигателя обладают худшей перегрузочной способностью и устойчивостью [13].

Минимальные условия для получения отличного от нуля пускового момента.

Рассматривая характеристики крутящего момента (рис. 5.1), можно сделать вывод, что для обеспечения отличного от нуля пускового момента необходимо иметь минимум одну обмотку управления у шагового двигателя с несимметричным активным ротором и две обмотки в случае шагового двигателя с симметричным активным ротором или несимметричным реактивным ротором.

Минимальное число обмоток управления для шагового двигателя с симметричным реактивным ротором равно трем, так как при наличии только двух обмоток управления характеристики крутящего момента при подаче управляющего импульса сдвигается на  электрических радиан и пересекается с исходной характеристикой на оси абсцисс, т. е. пусковой момент двигателя равен нулю.

Динамическая устойчивость и статическая устойчивость работы шагового двигателя.

Число обмоток управления определяет также степень устойчивости шагового двигателя, т. е. его способность работать без потери шагов, что совершенно необходимо в системах без обратных связей. Введем понятия статической устойчивости и динамической устойчивости шагового двигателя. Зоной статической устойчивости назовем окрестность точки устойчивого равновесия на характеристике крутящего момента (рис. 5.1), из которой ротор после снятия вынуждающего воздействия возвращается в точку устойчивого равновесия, не проходя точек неустойчивого равновесия А и В.(Рис. 5.1).

Статическая устойчивость.

Статическая устойчивость шагового двигателя с симметричным активным ротором симметрична относительно точки устойчивого равновесия О и равна отрезку АВ (рис. 5.1),

                                       (5.13)

Статическая устойчивость шагового двигателя с симметричным реактивным ротором также симметрична относительно точки устойчивого равновесия О и равна отрезку АВ (рис. 5.2), но уже вдвое меньше.

                                     (5.14)

Статическая устойчивость реактивных шаговых двигателях с несимметричной магнитной системой несимметрична относительно точки устойчивого равновесия; отрезки АО и 0В на рис. 5.2, 5.3 не равны:

,                             (5.15)

где .

Понятие статической устойчивости для шагового двигателя совпадает с определением устойчивости синхронных машин.

Динамическая устойчивость.

Динамическая устойчивость – окрестность точки устойчивого равновесия исходной характеристики крутящего момента, из которой ротор после снятия вынуждающего воздействия попадает в точку устойчивого равновесия О новой характеристики, смещенной на шаг, не проходя точек неустойчивого равновесия смещенной характеристики А и В.

Динамическая устойчивость всегда несимметрична относительно исходной точки устойчивого равновесия. Ее отрицательная часть, отсчитываемая в сторону, обратную смещению характеристики и движению ротора, равна отрицательной части зоны статической устойчивости, уменьшенной на величину шага, а положительная часть, отсчитываемая в сторону движения ротора, равна положительной части зоны статической устойчивости, увеличенной на величину шага. Как видим из рис. 5.1, отрицательная часть зоны динамической устойчивости равна отрезку АО, а положительная часть – отрезку ОВ.

Динамическая устойчивость шагового двигателя с симметричным активным ротором:

                              (5.16)

Динамическая устойчивость шагового двигателя с симметричным реактивным ротором:

                                (5.17)

Динамическая устойчивость шагового двигателя с несимметричным реактивным ротором:

                  (5.18)

Запас устойчивости.

Приведенные выражения показывают, что в направлении вращения ротора шагового двигателя с любым числом обмоток управления имеет запас устойчивости, превышающий величину шага, тогда как в обратном направлении зона динамической устойчивости шагового двигателя с реактивным ротором может быть меньше шага. Действительно, отрицательная часть зоны динамической устойчивости реактивного шагового двигателя с тремя обмотками управления м=3 равна половине шага.

                                    (5.19)

Это означает, что если управляющий импульс переключает обмотки управления в момент, когда ротор в процессе свободных колебаний около исходной точки устойчивого равновесия 0 (рис. 5.2) отклонился в сторону, обратную направлению вращения, больше, чем на полшага, т. е. за точку А, то ротор оказывается вне зоны динамической устойчивости по отношению к новой характеристике, смещенной на шаг вперед. Ротор переместится в направлении ближайшей точки устойчивого равновесия, т. е. назад. Происходит опрокидывание или сбой шагового двигателя. При поступлении следующих тактовых импульсов может наступить режим хаотических движений ротора [13].

Сбои в работе двигателя.

Наиболее опасные сбои в работе двигателя имеют место при холостом ходе, когда амплитуда свободных колебаний ротора максимальна и равна начальному отклонению ротора от положения устойчивого равновесия. В этом нетрудно убедиться, рассмотрев идеальный холостой ход шагового двигателя, считая систему консервативной, с чисто инерционной нагрузкой, и ограничиться учетом только первой пространственной гармоники синхронизирующего момента   . Движение ротора, в предположении, что ток в обмотках управления мгновенно достигает установившегося значения, будет описываться уравнением:

                                          (5.20)

После приведения к электрическим углам получим уравнение незатухающих колебаний математического маятника:

,                                         (5.21)

где  – число пар полюсов ШД;

 – максимальный синхронизирующий момент;

 – момент инерции ротора.

Сбои в работе двигателя при отработке первого шага из состояния покоя уравнение следует решать при начальных условиях:

                                         (5.22)

Так как при подаче первого управляющего импульса ротор оказывается смещенным на шаг «назад» по отношению к новой точке устойчивого равновесия. Подобно маятнику ротор будет совершать колебания около новой точки устойчивого равновесия с амплитудой, равной шагу. При подаче следующего управляющего импульса ротор может оказаться отклоненным на шаг «назад».