В качестве исполнительного механизма,шаговый двигательШаговые двигатели — один из ключевых продуктов мехатроники, широко используемый в различных системах автоматизированного управления. С развитием микроэлектроники и компьютерных технологий спрос на шаговые двигатели растет с каждым днем, и они находят применение в различных областях национальной экономики.
01 Что такоешаговый двигатель
Шаговый двигатель — это электромеханическое устройство, которое напрямую преобразует электрические импульсы в механическое движение. Управляя последовательностью, частотой и количеством электрических импульсов, подаваемых на обмотку двигателя, можно контролировать направление вращения, скорость и угол поворота шагового двигателя. Без использования системы управления с обратной связью и датчиком положения, точное управление положением и скоростью может быть достигнуто с помощью простой и недорогой системы управления с разомкнутым контуром, состоящей из шагового двигателя и соответствующего драйвера.
02 шаговый двигательбазовая структура и принцип работы
Базовая структура:
Принцип работы: драйвер шагового двигателя, реагируя на внешний управляющий импульс и сигнал направления, через свою внутреннюю логическую схему управляет включением/выключением обмоток шагового двигателя в определенной последовательности, обеспечивая вращение двигателя вперед/назад или блокировку.
В качестве примера рассмотрим двухфазный шаговый двигатель с углом поворота 1,8 градуса: когда обе обмотки находятся под напряжением и возбуждением, выходной вал двигателя будет неподвижен и зафиксирован в заданном положении. Максимальный крутящий момент, который удерживает двигатель в зафиксированном положении при номинальном токе, называется удерживающим моментом. Если ток в одной из обмоток перенаправить, двигатель повернется на один шаг (1,8 градуса) в заданном направлении.
Аналогично, если ток в другой обмотке изменит направление, двигатель повернется на один шаг (1,8 градуса) в противоположном направлении. Когда токи через обмотки катушки последовательно перенаправляются на возбуждение, двигатель будет вращаться непрерывно пошагово в заданном направлении с очень высокой точностью. Для двухфазного шагового двигателя с углом поворота 1,8 градуса требуется 200 шагов вращения.
Двухфазные шаговые двигатели имеют два типа обмоток: биполярные и униполярные. Биполярные двигатели имеют только одну обмотку на фазу; при непрерывном вращении двигателя ток в одной и той же обмотке подвергается последовательному переменному возбуждению, поэтому для последовательного переключения в схеме управления требуется восемь электронных переключателей.
Униполярные двигатели имеют две обмотки противоположной полярности на каждой фазе, и двигатель
вращается непрерывно за счет попеременного питания двух обмоток, находящихся на одной и той же фазе.
Схема управления рассчитана на использование всего четырех электронных переключателей. В биполярной схеме
В режиме привода выходной крутящий момент двигателя увеличивается примерно на 40% по сравнению с предыдущим режимом.
Однополярный режим управления, поскольку обмотки каждой фазы возбуждаются на 100%.
03, Нагрузка шагового двигателя
А. Моментная нагрузка (Tf)
Tf = G * r
G: Вес груза
r: радиус
B. Инерционная нагрузка (ТДж)
TJ = J * dw/dt
J = M * (R12+R22) / 2 (кг * см)
М: Масса нагрузки
R1: Радиус внешнего кольца
R2: Радиус внутреннего кольца
dω/dt: Угловое ускорение
04, кривая зависимости скорости от крутящего момента шагового двигателя
Кривая зависимости скорости от крутящего момента является важным показателем выходных характеристик шагового двигателя.
моторы.
А. Рабочая частота шагового двигателя
Значение скорости шагового двигателя в определённый момент времени.
n = q * Гц / (360 * D)
н: об/сек
Гц: значение частоты
D: Значение интерполяции схемы управления
q: угол шага шагового двигателя
Например, шаговый двигатель с углом шага 1,8° и интерполяционным приводом 1/2.(т.е., 0,9° на шаг), имеет скорость 1,25 об/с при рабочей частоте 500 Гц.
B. Область самозапуска шагового двигателя
Область, где шаговый двигатель может быть непосредственно запущен и остановлен.
C. Зона непрерывной работы
В этой области шаговый двигатель нельзя запустить или остановить напрямую. Шаговые двигатели вЭтот участок должен сначала пройти через зону самозапуска, а затем ускориться, чтобы достичь...Рабочая зона. Аналогично, шаговый двигатель в этой зоне не может быть напрямую заторможен.В противном случае легко вызвать рассинхронизацию шагового двигателя, его необходимо сначала замедлить.проехал зону самозапуска, а затем затормозил.
D. Максимальная пусковая частота шагового двигателя
Режим холостого хода двигателя гарантирует, что шаговый двигатель не потеряет пошаговый режим работы.максимальная частота импульсов.
E. Максимальная рабочая частота шагового двигателя
Максимальная частота импульсов, с которой двигатель возбуждается для работы без потери шага.без нагрузки.
F. Пусковой момент/момент втягивания шагового двигателя
Для запуска и начала работы шагового двигателя с определенной частотой импульсов, без...Потеря шагов максимального крутящего момента нагрузки.
G. Рабочий момент/момент всасывания шагового двигателя
Максимальный крутящий момент нагрузки, обеспечивающий стабильную работу шагового двигателя при определенной температуре.определённая частота импульсов без потери шага.
05 Управление движением при ускорении/замедлении шагового двигателя
Когда рабочая частота шагового двигателя находится в точке на кривой зависимости скорости от крутящего момента в непрерывном режимеРабочая область, как сократить время запуска или остановки двигателя, ускорения или замедлениявремя, чтобы двигатель дольше работал в режиме оптимальной скорости, тем самым увеличиваяЭффективное время работы двигателя имеет решающее значение.
Как показано на рисунке ниже, динамическая характеристика крутящего момента шагового двигателя выглядит следующим образом:При низкой скорости кривая представляет собой горизонтальную прямую линию; при высокой скорости кривая экспоненциально убывает.из-за влияния индуктивности.
Мы знаем, что нагрузка шагового двигателя равна TL, предположим, что мы хотим разогнать двигатель от F0 до F1 за время...Как рассчитать кратчайшее время (tr)?
(1) Обычно TJ = 70% Tm
(2) tr = 1.8 * 10 -5 * J * q * (F1-F0)/(TJ -TL)
(3) F(t) = (F1-F0) * t/tr + F0,0
Б. Экспоненциальное ускорение в условиях высокой скорости
(1) Обычно
TJ0 = 70%Tm0
TJ1 = 70%Tm1
TL = 60%Tm1
(2)
tr = F4 * In [(TJ 0-TL)/(TJ 1-TL)]
(3)
F (t) = F2 * [1 - e^(-t/F4)] + F0, 0
F2 = (TL-TJ 0) * (F1-F0)/TJ 1-TJ 0)
F4 = 1,8*10-5*J*q*F2/(TJ 0-TL)
Примечания.
J обозначает момент инерции ротора двигателя под нагрузкой.
q — это угол поворота на каждом шаге, который представляет собой угол шага шагового двигателя.
случай всего диска.
При замедлении достаточно просто изменить частоту импульсов ускорения на обратную.
рассчитано.
06 Вибрация и шум шагового двигателя
В общем, шаговый двигатель работает без нагрузки, когда рабочая частота двигателя...Если частота вращения ротора двигателя близка или равна его собственной частоте, возникнет резонанс, что приведет к серьезным последствиям.Возникает явление рассинхронизации.
Существует несколько способов достижения резонанса:
А. Избегайте зоны вибрации, чтобы рабочая частота двигателя не попадала в эту зону.диапазон вибрации
B. Использование режима микрошагового управления: применение режима микрошагового управления для снижения вибрации путем
подразделение исходного одноэтапного процесса на несколько этапов для повышения разрешения каждого из них.
Шаговый двигатель. Этого можно достичь путем регулировки соотношения фазы и тока двигателя.
Микрошаговый режим не повышает точность угла шага, но заставляет двигатель работать чаще.
Плавная работа и меньший уровень шума. Крутящий момент, как правило, на 15% ниже при работе на половинной частоте.
чем при работе в полноступенчатом режиме, и на 30% ниже при управлении током в синусоидальном режиме.
Дата публикации: 09.11.2022