В качестве привода,шаговый двигательявляется одним из ключевых продуктов мехатроники, который широко используется в различных системах управления автоматики. С развитием микроэлектроники и вычислительной техники спрос на шаговые двигатели растет с каждым днем, и они находят применение в различных областях народного хозяйства.
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 катушку двигателя, можно управлять рулевым управлением, скоростью и углом поворота шагового двигателя. Без использования системы управления с обратной связью с обратной связью и определением положения можно добиться точного управления положением и скоростью с помощью простой и недорогой системы управления с открытым контуром, состоящей из шагового двигателя и соответствующего драйвера.
02 шаговый двигательбазовая структура и принцип работы
Базовая структура：
Принцип работы: драйвер шагового двигателя в соответствии с внешним управляющим импульсом и сигналом направления, через свою внутреннюю логическую схему, управляет обмотками шагового двигателя в определенной временной последовательности, подавая питание вперед или назад, так что двигатель вращается вперед / назад или блокируется.
Возьмем в качестве примера двухфазный шаговый двигатель 1,8 градуса: когда обе обмотки запитаны и возбуждены, выходной вал двигателя будет неподвижен и зафиксирован в положении. Максимальный крутящий момент, который будет удерживать двигатель зафиксированным на номинальном токе, является удерживающим крутящим 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 от первого. Когда токи через обмотки катушки последовательно перенаправляются на возбуждение, двигатель будет вращаться непрерывным шагом в заданном направлении с очень высокой точностью. Для 1,8 градуса вращения двухфазного шагового двигателя в неделю требуется 200 шагов.
Двухфазные шаговые двигатели имеют два типа обмоток: биполярные и униполярные. Биполярные двигатели имеют только одну катушку обмотки на фазу, непрерывное вращение двигателя тока в той же катушке для последовательного переменного возбуждения, конструкция цепи привода требует восемь электронных переключателей для последовательного переключения.
Униполярные двигатели имеют две обмотки противоположной полярности на каждой фазе, а двигатель
вращается непрерывно, попеременно подавая питание на две обмотки одной и той же фазы.
Схема привода рассчитана на использование только четырех электронных переключателей. В биполярном
В режиме привода выходной крутящий момент двигателя увеличивается примерно на 40% по сравнению с
режим униполярного привода, поскольку обмотки каждой фазы возбуждены на 100%.
03, Нагрузка шагового двигателя
A. Момент нагрузки (Tf)
Тф = Г * р
G: Вес груза
г: радиус
B. Инерционная нагрузка (ТДж)
TJ = J * dw/dt
J = M * (R12+R22) / 2 (Кг * см)
М: Масса груза
R1: Радиус внешнего кольца
R2: Радиус внутреннего кольца
dω/dt: Угловое ускорение
04, кривая зависимости крутящего момента от скорости шагового двигателя
Кривая зависимости скорости от крутящего момента является важным выражением выходных характеристик шагового двигателя.
моторы.
A. Рабочая частота шагового двигателя
Значение скорости шагового двигателя в определенной точке.
n = q * Гц / (360 * D)
н: об/сек
Гц: Значение частоты
D: Значение интерполяции цепи привода
q: угол шага шагового двигателя
Например, шаговый двигатель с углом наклона 1,8°, с приводом интерполяции 1/2(т.е. 0,9° на шаг), имеет скорость 1,25 об/с при рабочей частоте 500 Гц.
B. Зона самозапуска шагового двигателя
Область, в которой шаговый двигатель может быть запущен и остановлен напрямую.
C. Зона непрерывной эксплуатации
В этой области шаговый двигатель не может быть запущен или остановлен напрямую. Шаговые двигатели вэта область должна сначала пройти через зону самостоятельного старта, а затем разогнаться, чтобы достичьРабочая область. Аналогично, шаговый двигатель в этой области не может быть напрямую заторможен,в противном случае шаговый двигатель легко может выйти из строя, его необходимо сначала замедлитьобласть самозапуска и затем тормоз.
D. Максимальная пусковая частота шагового двигателя
Состояние холостого хода двигателя, чтобы гарантировать, что шаговый двигатель не потеряет шаговую работумаксимальная частота импульсов.
E. Максимальная рабочая частота шагового двигателя
Максимальная частота импульсов, при которой двигатель возбуждается для работы без потери шагабез нагрузки.
F. Пусковой момент шагового двигателя/крутящий момент втягивания
Чтобы шаговый двигатель встретился с определенной частотой импульсов, чтобы начать и начать работать, безпроигрышные шаги максимального крутящего момента нагрузки.
G. Рабочий момент шагового двигателя/момент втягивания
Максимальный момент нагрузки, который обеспечивает стабильную работу шагового двигателя наопределенная частота импульсов без потери шага.
05 Управление ускорением/замедлением шагового двигателя
Когда рабочая частота шагового двигателя находится на кривой зависимости скорости от крутящего момента непрерывного действиярабочая область, как сократить время запуска или остановки двигателя, ускорение или замедлениевремя, так что двигатель работает дольше в состоянии наилучшей скорости, тем самым увеличиваяЭффективное время работы двигателя имеет очень большое значение.
Как показано на рисунке ниже, кривая динамической характеристики крутящего момента шагового двигателя имеет видгоризонтальная прямая линия на низкой скорости; на высокой скорости кривая уменьшается экспоненциальноиз-за влияния индуктивности.
Мы знаем, что нагрузка шагового двигателя равна TL, предположим, мы хотим ускориться от F0 до F1 закратчайшее время (tr), как рассчитать кратчайшее время tr?
(1) Обычно TJ = 70% Tm
(2) tr = 1,8 * 10 -5 * Дж * q * (F1-F0)/(TJ -TL)
(3) F (t) = (F1-F0) * t/tr + F0, 0
B. 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 инерцию вращения ротора двигателя под нагрузкой.
q — угол поворота каждого шага, который является углом шага шагового двигателя в
корпус всего привода.
В операции замедления можно просто изменить указанную выше частоту импульсов ускорения
рассчитано.
06 вибрация и шум шагового двигателя
В общем случае шаговый двигатель работает в режиме холостого хода, когда рабочая частота двигателяблизка или равна собственной частоте ротора двигателя, будет резонировать, серьезно будетпроисходят явления несоответствия.
Несколько решений проблемы резонанса:
A. Избегайте зоны вибрации: чтобы рабочая частота двигателя не попадала в нее.диапазон вибрации
B. Принять режим привода с разделением: использовать режим микрошагового привода для снижения вибрации
разделение исходного одного шага на несколько шагов для увеличения разрешения каждого
шаг двигателя. Этого можно добиться, регулируя соотношение фаз и тока двигателя.
Микрошаг не увеличивает точность угла шага, но заставляет двигатель работать более плавно.
плавно и с меньшим шумом. Крутящий момент обычно на 15% ниже для полушаговой операции
чем при полношаговом режиме и на 30% ниже при управлении синусоидальным током.
Время публикации: 09.11.2022