В качестве привода,шаговый двигательШаговые двигатели — один из ключевых продуктов мехатроники, широко применяемый в различных системах автоматического управления. С развитием микроэлектроники и вычислительной техники спрос на шаговые двигатели растёт с каждым днём, и они находят применение в различных областях народного хозяйства.
01 Что такоешаговый двигатель
Шаговый двигатель — это электромеханическое устройство, непосредственно преобразующее электрические импульсы в механическое движение. Управляя последовательностью, частотой и количеством электрических импульсов, подаваемых на обмотку двигателя, можно управлять его направлением, скоростью и углом поворота. 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 в соответствии с внешним управляющим импульсом и сигналом направления, через свою внутреннюю логическую схему, управляет обмотками шагового двигателя в определенной временной последовательности вперед или назад, так что двигатель вращается вперед / назад или блокируется.
В качестве примера рассмотрим двухфазный шаговый двигатель с углом поворота 1,8 градуса: когда обе обмотки возбуждены, выходной вал двигателя неподвижен и зафиксирован. Максимальный крутящий момент, который удерживает двигатель на номинальном токе, называется удерживающим моментом. Если ток в одной из обмоток перенаправить, двигатель повернётся на один шаг (1,8 градуса) в заданном направлении.
Аналогично, если ток в другой обмотке изменит направление, двигатель повернётся на один шаг (1,8 градуса) в противоположном направлении. При последовательном перенаправлении токов через обмотки катушки на возбуждение двигатель будет вращаться непрерывно в заданном направлении с очень высокой точностью. Для поворота на 1,8 градуса двухфазного шагового двигателя за неделю требуется 200 шагов.
Двухфазные шаговые двигатели имеют два типа обмоток: биполярные и униполярные. Биполярные двигатели имеют только одну обмотку на фазу, непрерывное вращение двигателя обеспечивается за счёт последовательного переменного возбуждения тока в той же обмотке. Конструкция схемы управления требует восьми электронных ключей для последовательного переключения.
Униполярные двигатели имеют две обмотки противоположной полярности на каждой фазе, а двигатель
вращается непрерывно, попеременно подавая напряжение на две обмотки на одной фазе.
Схема управления рассчитана на использование всего четырёх электронных ключей. В биполярном режиме
В режиме привода выходной крутящий момент двигателя увеличивается примерно на 40% по сравнению с
режим униполярного привода, поскольку обмотки каждой фазы возбуждаются на 100%.
03, Нагрузка шагового двигателя
А. Моментная нагрузка (Тф)
Тф = Г * р
G: Вес груза
r: радиус
Б. Инерционная нагрузка (ТДж)
TJ = J * dw/dt
J = M * (R12+R22) / 2 (кг * см)
M: Масса груза
R1: Радиус внешнего кольца
R2: Радиус внутреннего кольца
dω/dt: Угловое ускорение
04, кривая зависимости скорости и крутящего момента шагового двигателя
Кривая зависимости скорости от крутящего момента является важным выражением выходных характеристик шагового двигателя.
моторы.
А. Рабочая частота шагового двигателя
Значение скорости шагового двигателя в определенной точке.
n = q * Гц / (360 * D)
n: об/сек
Гц: значение частоты
D: Значение интерполяции схемы привода
q: угол шага шагового двигателя
Например, шаговый двигатель с углом наклона 1,8°, с интерполяцией 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 запускаться и останавливаться напрямую.
C. Зона непрерывной эксплуатации
В этой области шаговый двигатель невозможно запустить или остановить напрямую. Шаговые двигатели вэта область должна сначала пройти через зону самостоятельного старта, а затем разгоняться, чтобы достичьРабочая зона. Аналогично, шаговый двигатель в этой зоне не может быть напрямую заторможен,В противном случае можно легко вывести шаговый двигатель из строя, для этого его необходимо сначала замедлитьобласть самозапуска и затем затормозил.
D. Максимальная пусковая частота шагового двигателя
Состояние холостого хода двигателя, чтобы гарантировать, что шаговый двигатель не потеряет шаговую работумаксимальная частота пульса.
E. Максимальная рабочая частота шагового двигателя
Максимальная частота импульсов, при которой двигатель возбуждается для работы без потери шагабез нагрузки.
F. Пусковой момент шагового двигателя / момент втягивания
Чтобы шаговый двигатель встретился с определенной частотой импульсов, чтобы начать работу и начать работать, безпроигрышные ступени максимального момента нагрузки.
G. Рабочий момент шагового двигателя/момент втягивания
Максимальный момент нагрузки, который обеспечивает стабильную работу шагового двигателя на скоростиопределенная частота импульсов без потери шага.
05 Управление ускорением/замедлением шагового двигателя
Когда рабочая частота шагового двигателя находится на кривой скорости-крутящего момента непрерывного действиярабочая область, как сократить время запуска или остановки двигателя, ускорение или замедлениевремя, так что двигатель работает дольше в состоянии лучшей скорости, тем самым увеличиваяЭффективное время работы двигателя имеет очень важное 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 * J * 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 момент инерции вращения ротора двигателя под нагрузкой.
q — угол поворота каждого шага, который является углом шага шагового двигателя в
случае всего привода.
В процессе 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:
А. Избегайте зоны вибрации: чтобы рабочая частота двигателя не попадала в зону вибрации.диапазон вибрации
B. Используйте режим привода с разделением: используйте режим микрошагового привода для снижения вибрации
разделив исходный шаг на несколько шагов, чтобы увеличить разрешение каждого
Шаг двигателя. Этого можно добиться, регулируя соотношение фаз и тока двигателя.
Микрошаг не увеличивает точность угла шага, но заставляет двигатель работать быстрее.
Плавно и с меньшим шумом. Крутящий момент обычно на 15% ниже при работе в режиме полушага.
чем при полношаговом режиме и на 30% ниже при управлении синусоидальным током.
Время публикации: 09 ноября 2022 г.