Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое механическая характеристика шагового двигателя

§3.5. Режимы работы и характеристики шаговых двигателей

Режимы работы и характеристики шаговых двигателей рассмотрены в данном разделе на примере вращающегося ШД. Однако все основные положения справедливы и для линейного шагового двигателя с заменой моментов на силы и определением электрических углов по формуле (3.21).
Работу ШД считают устойчивой, если он работает без потерь шага, т.е. ротор занимает устойчивое положение, соответствующее положению вектора результирующей МДС статора, при каждом шаге вектора МДС.
Режим работы ШД в значительной мере определяется частотой управляющих импульсов f.

Статический режим (f = 0)
Cоответствует прохождению постоянного тока по обмоткам управления, создающим неподвижное магнитное поле. Основной характеристикой этого режима является зависимость статического синхронизирующего момента Mc от электрического угла рассогласования γэ между продольной осью ротора и МДС статора. Продольная ось ротора совпадает с направлением потока ротора в ШД активного типа и с направлением наименьшего магнитного сопротивления в реактивных и индукторных ШД. Как известно из теории синхронных двигателей (§ 3.1), зависимость Mc периодическая. Основная гармоника синхронизирующего момента

где Mc max — максимальный синхронизирующий момент; Θ — электрические углы поворота МДС статора и оси ротора.


Рис 3.25.

На рис. 3.25 показана зависимость (сплошная линия) момента от угла поворота ротора Θ при фиксированном положении поля статора когда Θ = 0, γэ = — Θ
Зоной статической устойчивости Θсу является окрестность точки устойчивого равновесия на угловой характеристике, из любой точки которой после снятия возмущающего воздействия ротор возвращается в исходную точку устойчивого равновесия. При статическом моменте сопротивления M = 0 точка устойчивого равновесия — 0, точки неустойчивого равновесия — А, В, т.е. зона статической устойчивости АОВ симметрична: Θсу = (- π )-(+ π). В случае наличия нагрузки Mcт1 ≠ 0 зона статической устойчивости становится несимметричной, например при M > 0 .

Режим отработки единичных шагов.
Cоответствует частоте управляющих импульсов, при которой переходный процесс, чаще всего колебательный, на каждом шаге заканчивается к началу следующего шага, т.е. угловая скорость ротора Θ2 в начале каждого шага равна нулю (рис. 3.26).


Рис.3.26

В момент времени tα ротор переместился на один шаг, однако он имеет максимальную скорость Θ2 max и кинетическую энергию и продолжает перемещаться против сил поля. Начинается процесс свободных колебаний (качаний) ротора относительно положения устойчивого равновесия, как у всех синхронных микродвигателей (см. § 3.2). Колебания затухают, когда вся кинетическая энергия израсходована на электрические, магнитные и механические потери, вызванные этим процессом. Амплитуда и время затухания колебаний тем меньше, чем больше эти потери.
Основными показателями режима отработки единичных шагов являются перерегулирование ΔΘп , т.е. максимальное отклонение от нового положения устойчивого равновесия ротора при переходном процессе; максимальное значение мгновенной скорости ротора Θ2 max в процессе шага; время затухания свободных колебаний ротора на одном шаге t зат .
У шаговых двигателей желательно уменьшать ΔΘп и t зат при сохранении необходимой мгновенной угловой скорости ротора Θ2.

Установившийся режим работы шаговых двигателей.
Cоответствует постоянной частоте управляющих импульсов, причем t зат больше времени одного такта коммутации.
В установившемся режиме вращение ротора с некоторой средней угловой скоростью

Cопровождается вынужденными колебаниями относительно мгновенной точки устойчивого равновесия. Амплитуда колебаний достигает наибольшего значения при частоте управляющих импульсов, совпадающей с резонансной — собственной частотой ротора.
Если время электромагнитных переходных процессов значительно меньше, чем механических, движение ротора ненагруженного ШД математически можно описать уравнением равновесия моментов:

где Мдин— динамический момент сопротивления; Мдем — демпфирующий электромагнитный момент; Мт — момент трения.
Динамический момент определяется моментом инерции ротора J и ускорением:

Мдин= J·d 2 Θ2 /dt 2 = J/Pм · d 2 Θ/dt 2 (3.25)

Внутренне электромагнитное демпфирование колебаний ротора обеспечивается за счет наведения ЭДС вращения в обмотках управления. В ШД активного типа ЭДС вращения наводится потоком возбуждения ротора, в индукторных и реактивных ШД — переменной составляющей потока возбуждения, возникающей в результате изменения магнитного сопротивления при вращении ротора. ЭДС вращения вызывает в цепи обмоток управления дополнительные токи, которые во взаимодействии с вызвавшим их потоком создают демпфирующий момент, препятствующий изменению угловой скорости ротора. Значение демпфирующего момента пропорционально угловой скорости ротора:

Мдэм=D·d 2 Θ/dt 2 (3.26)

где D — коэффициент демпфирования.
Наибольший коэффициент демпфирования у ШД активного типа, у реактивных двигателей он близок к нулю.
Если пренебречь моментом трения Мт и рассматривать работу ШД при малых углах рассогласования осей ротора и МДС статора (sin γ ≈ γ), то подставив (3.22), (3.25) и (3.26) в (3.24), получим дифференциальное уравнение движения ротора:

(3.27)

В выражении (3.27) коэффициент при есть квадрат угловой частоты собственных колебаний ротора (рад/с): ω=√(Mc max·pм /J). Частота управляющих импульсов, соответствующая главному резонансу, f/2π.
Важной характеристикой установившегося режима является предельная механическая характеристика — зависимость предельного вращающего момента шагового двигателя Mдвиг.от частоты управляющих импульсов (рис. 3.27, а).


Рис. 3.27

Она определяет тот предел, до которого при данной частоте управляющих импульсов можно плавно нагружать вал ШД, сохраняя при этом синхронный режим. Предельную механическую характеристику рассматривают обычно при f > f.
С увеличением частоты происходит уменьшение вращающего момента ШД, что объясняется в основном двумя факторами: действием демпфирующего момента от ЭДС вращения и тем, что ЭДС самоиндукции в обмотках управления становится соизмеримой с напряжением источника питания и ток в обмотках управления за время такта не успевает нарастать до установившегося значения, что снижает результирующий поток статора. Снижение синхронизирующего момента тем резче, чем больше электромагнитная постоянная времени обмоток управления.

Читать еще:  Starline a91 датчик температуры двигателя установка

Переходные режимы.
Переходные режимы — пуск, торможение, реверсирование, переход с одной частоты на другую — сопровождаются переходными процессами в ШД, вызванными изменением частоты управляющих импульсов и угловой скорости ротора.
Важным показателем переходного режима является приемистость ШД — наибольшая частота управляющих импульсов fш.дв., отрабатываемых шаговым электродвигателем без потери шагов при пуске из состояния фиксированной стоянки под током.
Скачкообразное увеличение частоты управляющих импульсов при пуске от нуля до рабочей частоты приводит к тому, что в начале ротор отстает от МДС статора под действием момента инерции вращающихся частей. По мере ускорения он достигает угловой скорости МДС статора и за счет запасенной кинетической энергии может опередить МДС. Постепенно колебания затухают и двигатель переходит в установившийся режим. Таким образом, в процессе пуска может возникнуть расхождение между числом шагов ротора и МДС статора. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага и момента инерции вращающихся частей; момент трения отрицательно влияет на приемистость (рис. 3.27, б).
С целью повышения приемистости при пуске ШД может применяться форсировка. В современных схемах форсировка часто производится модуляцией амплитуды импульса напряжения на обмотках управления. В начальный момент подачи импульса амплитуда напряжения с помощью специального регулятора устанавливается завышенной. Ток, нарастая по экспоненте с повышенным установившимся значением, достигает номинального значения за более короткий отрезок времени; в этот момент времени напряжение снижается до номинального. Указанный регулятор должен функционировать с частотой коммутации обмоток.
Предельная частота торможения из установившегося режима вращения несколько выше предельной частоты пуска, поскольку, в частности, момент трения на валу двигателя способствует торможению. Предельная частота реверса на 30—40% ниже предельной частоты пуска.

Теория управления шаговыми двигателями

В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя

Система отработки угла выходного вала двигателя с использованием датчика обратной связи.

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.
Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.
Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.
Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота.
Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.
Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.
Шаговые синхронные двигатели активного типа. В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.
Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.

Принципиальная схема управления шаговым двигателем

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.
При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления

Симметричная система коммутации

При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления

Несимметричная система коммутации

Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки» .

Число тактов КТ системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления КТ =4, а для несимметричной КТ =8.

В общем случае число тактов КТ зависит от числа обмоток управления (фаз статора) mу и может быть посчитано по формуле:

KT=myn1n1,
где n1=1 при симметричной системе коммутации;
n1=2 при несимметричной системе коммутации;
n2=1 при однополярной коммутации;
n2=2 при двуполярной коммутации.

Схемы, иллюстрирующие положения ротора шагового двигателя с постоянными магнитами при подключении к источнику питания одной (а) и двух обмоток (б)

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении; при двуполярной — в обеих.
Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают.
Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1).
Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.

Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:

Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р= 4. 6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.

Реактивные шаговые двигатели. У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.
Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.
Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора

Читать еще:  Что такое коллекторный двигатель в минимойке

Принцип действия реактивного редукторного шагового двигателя: (а) — исходное положение устойчивого равновесия; (б) — положение устойчивого равновесия. cдвинутое на один шаг

Если зубцы ротора соосны с одной диаметрально расположенной парой полюсов статора, то они сдвинуты относительно каждой из оставшихся трех пар полюсов статора соответственно на ј, Ѕ и ѕ зубцового деления.
При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.
Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:

В выражении для КТ величину n2 следует брать равной 1, т. к. изменение направления поля не влияет на положение ротора.
Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.
Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.
Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, можно достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, т.е. оси их полюсов полностью совпадают.
Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.
Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.
В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.
По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики.
Линейные шаговые синхронные двигатели. При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.
Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов

Схема, иллюстрирующая работу линейного шагового двигателя

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.
Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнитопровода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.
Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя. Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.

где
KТ — число тактов схемы управления.
Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.
В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.
Режимы работы синхронного шагового двигателя. Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.
Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0

Процесс отработки шагов шаговым двигателем

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.
В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.
Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.
Предельная механическая характеристика- это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов

Читать еще:  Ямаха гризли какое масло лить в двигатель

Предельная механическая характеристика шагового двигателя

Приемистость- это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления

Предельная динамическая характеристика шагового двигателя

Приемлемость падает с увеличением нагрузки.

Подпишитесь на наши новости

Получайте первыми актуальную информацию от ООО «Электропривод»

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Предельная механическая характеристика

Предельная механическая характеристика определяет зависимость частоты управляющих импульсов от величины момента сопротивления нагрузки, при плавном увеличении которой ротор двигателя выпадает из синхронизма. [1]

Предельная механическая характеристика асинхронного электропривода со скалярным управлением приведена на рис. 5.34. На участке 1 — 2 этой характеристики ток статора двигателя равен максимально допустимому / м, напряжение на статоре и частота при этом изменяются пропорционально друг другу, а по величине остаются меньше своих предельных значений. [2]

Предельная механическая характеристика параболического вида типична для гидравлических ИД с дроссельным способом регулирования скорости. [3]

Рассмотрим приближенный метод построения предельной механической характеристики . [4]

Основными характеристиками шагового двигателя являются предельная механическая характеристика и предельная динамическая характеристика приемистости. Предельная механическая характеристика ( кривая /, рис. 9 — 17, б) представляет собой зависимость частоты / I подачи управляющих импульсов от максимального момента Ммакс на валу ротора, при котором происходит выпадение двигателя из синхронизма. Она снимается при плавном увеличении частоты Д, постоянном напряжении питания и постоянном суммарном моменте инерции ротора и нагрузки двигателя. [5]

Статические характеристики изображены на рис. 5.35 Предельная механическая характеристика п f ( M) имеет три участка. [7]

Выполненные выше расчеты были сделаны для эквивалентной линейной предельной механической характеристики . Для определения времени быстродействия записывающего устройства может быть использована номограмма рис. VII. Приближенное время пробега шкалы, определенное по рис. VII. [8]

В подавляющем большинстве случаев достаточно иметь приближенную предельную механическую характеристику ШД , чтобы судить о возможном диапазоне рабочих частот и нагрузок. Используя метод наложения сдвинутых фазовых траекторий математического маятника, можно подробно изучить периодические режимы шагового привода и его поведение в областях резонансных частот. [9]

В связи с тем что в рассматриваемой схеме при s 0 предельная механическая характеристика двигателя соответствует постоянно включенному сопротивлению R RI, то нижними предельными значениями тока l d будут те значения, которые определяются точками пересечения этой характеристики и желаемыми характеристиками в замкнутой системе управления. [11]

На быстродействие влияют в первую очередь ограничения координат следящей системы, определяемые параметрами предельной механической характеристики двигателя , соответствующей напряжению насыщения усилителя. [12]

Это означает, что в замкнутой системе привода при отрицательной обратной связи ло скорости предельная механическая характеристика обладает бесконечной жесткостью. [14]

Отличительной особенностью таких представлений является учет влияния на усталостное и квазистатическое ( длительное статическое) повреждения как изменения предельных механических характеристик материала , так и кинетики циклических и односторонних деформаций в процессе повторного нагружения. [15]

§ 3.5. Основные параметры и характеристики шаговых двигателей

Специфика конструкции ШД и многообразие режимов их работы вызывают необходимость оценивать эти двигатели по следующим параметрам: частоте собственных круговых колебаний; электромагнитным постоянным времени; коэффициенту внутреннего демпфирования и характеристикам – предельным механическим и предельным динамическим.

Частота собственных круговых колебаний– это угловая частота колебаний ротора около устойчивого положения при отсутствии момента нагрузки

Она является обобщенным параметром, зависящим от момента инерции J, амплитуды максимального синхронизирующего момента Mmax, числа пар полюсов p.

Период собственных круговых колебаний, равный 1/w, может служить внутренним эталоном времени. Действительно, момент инерции Jопределяет инерционность двигателя и механизма, амплитуда максимального синхронизирующего момента Mmaxдает характеристику ШД как преобразователю энергии, число пар полюсов p определяет степень электромеханической редукции угла поворота и скорости вращения. Отношение Mmax/Jдает теоретически предельное ускорение ротора шагового двигателя.

Электромагнитная постоянная времени обмоток управления Tэм = L/R характеризует скорость протекания электромагнитных переходных процессов. Часто для уменьшения Тэм последовательно с обмоткой управления включают добавочное сопротивление. Уменьшать постоянную времени необходимо потому, что чем она больше, тем до меньшего значения нарастает ток за время импульса напряжения, меньше становится синхронизирующий момент, а, следовательно, и допустимый момент сопротивления.

Коэффициент внутреннего демпфирования

определяется отношением амплитуды потокосцепления ротора с фазой обмотки статора к ее активному сопротивлению. Этот параметр относится только к ШД с активным ротором, поскольку его физический смысл заключается в образовании электромагнитного тормозного момента, вызванного взаимодействием поля ротора с током статора, наведенным этим полем и замыкающимся по цепи статор-источник тока. При этом механическая энергия колеблющегося ротора превращается в электрическую энергию с последующим рассеиванием ее в теплоту в активных сопротивлениях обмоток статора.

Предельная механическая характеристика– это зависимость допустимого момента сопротивления от частоты управляющих импульсов в установившемся режиме работы (рис.3.7). С ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании тока, обусловленное индуктивностью обмоток. При некоторой предельной частоте момент двигателя становится равным нулю.

Рис. 3.7. Механическая характеристика ШД

Предельная динамическая характеристика– зависимость частоты приемистости от момента сопротивления и момента инерции нагрузки. Такие характеристики называются предельными динамическими характеристиками пуска. Существуют также предельные динамические характеристики реверса и торможения.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector