Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Устройство шагового двигателя: механизм его действия и назначение, где и как применяется

Устройство шагового двигателя: механизм его действия и назначение, где и как применяется

Шаговые двигатели постоянного тока очень часто используют при работе с установками с числовым программным руководством и робототехнике. Главная отличительная особенность такого вида двигателя – это то, как именно действует.

Суть в том, что его работа не непрерывна, а осуществляется пошагово со сменой установленного угла оборота на один шаг. Так образом рабочий элемент имеет конкретный угол поворота в определенный момент, что позволяет контролировать процесс.

Питание такого мотора делимое, совершаемое импульсно. Именно импульсы и обеспечивают поворот вала на какой-то установленный угол.

В основном такие двигатели функционируют совместно с редуктором, который делает установку на валу максимально четкой и с энкодером, который определяет положение вала в данное время. Все эти детали нам нужны для передачи и меняет угол вращения.

Сегодня мы хотим поделиться с вами своими знаниями о данном типе механизмов, о том, как он работает и зачем нужен.

Конструкция шагового двигателя

Если классифицировать данный тип мотора, то его мы отнесем к бесколлекторному синхронному мотору, в составе которого присутствуют статор и ротор.

Ротор имеет раздельные отсеки, состоящие из электротехнической стали, имеет «зубатую» структуру, а они разграничены постоянными магнитами. Статоре имеет специальные обмотки, которые схожи с катушками.

Как же это выглядит на деле?

Понять механизм действия шагового двигателя поможет схематическое изображение. первая позиция: на обмотки А и В подается напряжение установленной полярности.

Затем в статоре формируется электромагнитное поле. в силу того, что разноименные полюса притягиваются, ротор примет свою позицию по оси магнитного поля.

Кроме этого, поле шагового двигателя защищает от возможных действий с целью поменять позицию ротора снаружи. Упростив длинные объяснения, можно сказать так: магнитное поле статора обеспечивает установленную позицию ротора, несмотря на тяжесть.

При условии, когда на обмотки D и С попадает напряжение такой же полярности, электромагнитное поле меняет положение.

При этом ротор совершает шаг номер два, поворачиваясь на девяносто градусов. Третий шаг совершается, когда на обмотки А и В попадает напряжение обратной полярности.

При этом, ротор перемещается к положению, равному ста восьмидесяти градусам и устанавливается в положении, диаметрально противоположному первому.

Далее следует смещение к двумстам семидесяти градусам, когда на обмотки D и C приходится напряжение обратной полярности. Последний, четвертый шаг, совершается, когда на обмотки А и В подается напряжение с позитивным зарядом.

Таким образом, поворот станет равен тремстам шестидесяти градусам. Пропустить один из шагов не удастся. Ротор должен пройти полный оборот, шаг за шагом.

Если попытаться подключить обмотки из первого положения в четвертое, ротор сделает поворот в обратную сторону.

Обмотки бывают разные

В шаговых моторах используют биполярные или униполярные обмотки. Как это работает мы объясняли на примере биполярного устройства. Такой механизм предполагает применение отличных друг от друга фаз для снабжения обмоток.

Такая схема достаточно трудная, кроме того, для нее нужны сильные платы управления, которые стоят немалых денег.

Приборы с униполярными обмотками имеют более простой тип управления. Такие схемы имеют общий «плюс» подключения. На вторые выводы обмоток в порядке очереди подается «минус». Вот так и совершается работа ротора.

Каждый из этих типов имеет преимущества и недостатки. Биполярные шаговые моторы мощнее униполярных, их крутящий момент на сорок процентов превосходит униполярки, хотя вторые легче в управлении.

Типы двигателей по конструкции ротора

Шаговые двигатели делятся зависимо от типа устройства ротора Зависимо от того, какой ротор используют в конкретном устройстве, моторы можно разделить на следующие виды:

  • с установленным магнитом;
  • с альтернирующим магнитным противодействием;
  • гибридные.

Шаговые двигатели с установленными магнитами на роторе аналогичны тем, о которых мы говорили ранее.

Есть разница только в одном аспекте: в настоящем устройстве магнитов очень много. Они расположены на одном диске.

Численность полюсов в нынешних двигателях достигает сорока восьми. Одна поступь в данном моторе равен семь с половиной градусов. Неплохо, да?

Шаговые двигатели с альтернирующим магнитным противодействием. Такой тип ротора в своей конструкции имеет мягкие магнитные сплавы, их так же именуют «реактивными шаговыми моторами».

Ротор состоит из дискретных пластин и в разрезе имеет вид зубчатого колеса.

Подобная схема строения нужна с той целью, что это позволяет замкнуть магнитный поток через зубцы колеса.

Преимущество данного типа мотора состоит вот в чем: здесь нет ничего, что затормозило бы работу двигателя. Соль в том, что ротор с установленными магнитами притягивается к частям двигателя, которые состоят из металла.

Обеспечить непрерывную работу шагового двигателя без напряжения практически невозможно. Но данный тип устройства эту проблему решил на корню. Но имеется и слабое место, а именно — маленький крутящий момент. Это значит, что одна поступь такого мотора будет равна от пяти до пятнадцати градусов.

Гибридный тип двигателя соединил оптимальные качества предшествующих. У них маленький шаг ( девять десятых – пять градусов), высокий момент и удерживающая способность. Главной фишкой тут мы считаем максимальную точность работы аппарата.

Этот двигатель используют в новых устройствах, где точность ставят первоочередной задачей. Но, есть одно «но» — цена.

За такое удовольствие придется дорого платить. Схематично такой ротор можно описать как цилиндр с магнитными свойствами, который имеет мягкомагнитные зубцы.

Проследим закономерность на деле: возьмем шаговый двигатель на двести шагов. Для него нужно два зубчатых диска, по пятьдесят зубцов.

Наш диск смещается на ползуба, таким образом, проем положительного полюса попадает на шип негативно заряженного . Итого, оказывается сто полюсов с обратной полярностью.

Методы управления шаговым мотором:

  1. Волновой. При таком типе управления напряжение поступает на одну из катушек, к ней притягивается ротор. Но такой вариант высокую мощность обеспечить не сможет.
  2. Полношаговое координирование осуществляется следующим образом: обе обмотки задействованы сразу, соответственно мощность будет высокой.
  3. Полушаговый. Это смесь из предыдущих двух методов. При таком типе управления напряжение идет поочередно: на одну обмотку, а потом – на обе. Таким образом, мы получим много шагов, высокую мощность, а так же в случае чрезмерного разгоне срабатывает удерживающая сила, которая тормозит мотор, когда это необходимо.
  4. Микрошаговое управление осуществляется с микроступенчатых импульсов. Это обеспечивает плавную работу мотора.

Плюсы и минусы шаговых моторов

Смело запишем к преимуществам следующее:

  • высокие скорости старта, тормоза и реверса;
  • вал делает оборот в согласно команде главного устройства на указанный угол;
  • точная фиксация позиции после тормоза;
  • четкость установки позиции;
  • максимальная надежность в связи с отсутствием коллектора;
  • обеспечение наибольшего крутящего момента при низких скоростях.

  • есть риск изменения позиции в случае перегрузки вала, которая превышает ПДК для шагового мотора;
  • риск резонанса;
  • трудности в управлении;
  • низкая скорость оборотов, хотя это не совсем минус, так так ШД применяют не для обеспечения вращения, а для обеспечения определенных позиций элемента в конкретный момент.

Наш шаговый мотор имеет второе имя, которое дает максимальное описание устройства, а именно: «электродвигатель с конечным числом положений ротора». Их используют в новых устройствах, таких, как 3D-принтеры, роботы, станки.

Конкурентоспособной альтернативой для него есть сервопривод, хотя они оба имеют свою нишу использования, которая определяется случаем.

Типы шаговых двигателей

Существуют три основных типашаговых двигателей:

Двигатели с переменным магнитным сопротивлением;

Двигатели с постоянными магнитами;

Определить тип двигателя можно “на ощупь”: при вращении вала обесточенного двигателя с постоянными магнитами (или гибридного) чувствуется переменное сопротивление вращению, двигатель вращается как бы со щелчками. В то же время вал обесточенного двигателя с переменным магнитным сопротивлением вращается свободно. Гибридные двигатели являются дальнейшим усовершенствованием двигателей с постоянными магнитами и по способу управления ничем от них не отличаются. Определить тип двигателя можно также по конфигурации обмоток. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют три (реже четыре) обмотки с одним общим выводом. Двигатели с постоянными магнитами чаще всего имеют две независимые обмотки. Эти обмотки могут иметь отводы от середины. Иногда двигатели с постоянными магнитами имеют 4 раздельных обмотки.

В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюс можно определить как некоторую область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент зависит от параметров обмоток. Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Он будет находится в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.

Двигатели с переменным магнитным сопротивлением.Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют несколько полюсов на статоре и ротор зубчатой формы из магнитомягкого материала (рис. 1). Намагниченность ротора отсутствует. Для простоты на рисунке ротор имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель имеет шаг 30 градусов.

Читать еще:  Что такое двигатель селективной сборки

При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которых находится запитанная обмотка. Если затем выключить эту обмотку и включить следующую, то ротор поменяет положение, снова замкнув своими зубцами магнитный поток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение, нужно включать фазы попеременно. Двигатель нечувствителен к направлению тока в обмотках. Реальный двигатель может иметь большее количество полюсов статора и большее количество зубцов ротора, что соответствует большему количеству шагов на оборот. Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой, что вместе с соответствующими зубцами ротора обеспечивает очень маленькое значения угла шага, порядка нескольких градусов. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением довольно редко используют в индустриальных применениях.

Рис. 1. Двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Двигатели с постоянными магнитами.Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты (рис. 2). Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.

Рис. 2. Двигатель с постоянными магнитами

Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Двигатель имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель, как и рассмотренный ранее двигатель с переменным магнитным сопротивлением, имеет величину шага 30 градусов. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48 – 24 шага на оборот (угол шага 7.5 – 15 градусов).

Разрез реального шагового двигателя с постоянными магнитами показан на рис. 3.

Рис. 3. Разрез шагового двигателя с постоянными магнитами

Для удешевления конструкции двигателя магнитопровод статора выполнен в виде штампованного стакана. Внутри находятся полюсные наконечники в виде ламелей. Обмотки фаз размещены на двух разных магнитопроводах, которые установлены друг на друге. Ротор представляет собой цилиндрический многополюсный постоянный магнит.

Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, которая ограничивает максимальную скорость.

Гибридные двигатели.Гибридные двигатели являются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3.6 – 0.9 градуса). Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении (рис. 4).

Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок.

Рис. 4. Гибридный шаговый двигатель

Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 и 8 основных полюсов. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними. Зависимость между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора и числом фаз определяет угол шага двигателя.

Ротор показанного на рисунке двигателя имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель имеет 2 фазы, поэтому полное количество полюсов – 200, а шаг, соответственно, 1,8 градуса.

Продольное сечение гибридного шагового двигателя показано на рис. 5. Стрелками показано направление магнитного потока постоянного магнита ротора. Часть потока (на рисунке показана сплошной черной линией) проходит через полюсные наконечники ротора, воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании момента.

Как видно, воздушные зазоры у верхнего и нижнего полюсного наконечника ротора разные. Это достигается благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубьев. Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальные воздушные зазоры и, как следствие, обладает минимальным магнитным сопротивлением. По этой цепи замыкается другая часть потока (на рисунке показана штриховой черной линией), которая и создает момент. Часть цепи лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку и поэтому не показана. В этой же плоскости создают магнитный поток катушки статора. В гибридном двигателе этот поток частично замыкается полюсными наконечниками ротора, и постоянный магнит его «видит» слабо. Поэтому в отличие от двигателей постоянного тока, магнит гибридного двигателя невозможно размагнитить ни при какой величине тока обмоток.

Рис. 5. Продольный разрез гибридного шагового двигателя

Величина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая – обычно около 100 мкм. Это требует высокой точности при сборке, поэтому шаговый двигатель не стоит разбирать ради удовлетворения любопытства, иначе на этом его срок службы может закончиться. Чтобы магнитный поток не замыкался через вал, который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных марок стали. Они обычно обладают повышенной хрупкостью, поэтому с валом, особенно малого диаметра, следует обращаться с осторожностью.

Для получения больших моментов необходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и поле постоянного магнита. При этом требуется больший диаметр ротора, что ухудшает отношение крутящего момента к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногда конструктивно выполняют из нескольких секций в виде этажерки. Крутящий момент и момент инерции увеличиваются пропорционально количеству секций, а их отношение не ухудшается.

Существуют и другие конструкции шаговых двигателей. Например, двигатели с дисковым намагниченным ротором. Такие двигатели имеют малый момент инерции ротора, что в ряде случаев важно.

Большинство современных шаговых двигателей являются гибридными. По сути, такой двигатель является двигателем с постоянными магнитами, но с большим числом полюсов. Чаще всего на практике двигатели имеют 100 или 200 шагов на оборот, соответственно шаг равен 3,6 или 1,8 градуса. Большинство контроллеров позволяют работать в полушаговом режиме, где этот угол вдвое меньше, а некоторые контроллеры обеспечивают микрошаговый режим (см. следующую часть работы).

Рис. 6. Биполярный двигатель (а), униполярный (б) и

Биполярные и униполярные шаговые двигатели. В зависимости от конфигурации обмоток двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться коммутатором, называемым также драйвером ШД. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двуполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода (рис. 6, а).

Униполярный двигатель (рис. 6, б) также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема коммутатора, который должен иметь только 4 простых ключа. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов. Иногда униполярные двигатели имеют раздельные 4 обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8 (рис. 6, в). При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярный двигатель с двумя обмотками и отводами тоже можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными.

Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность. При одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент.

Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путь для повышения магнитного поля – это увеличение тока или числа витков обмоток. В любом случае ток обмоток следует выбирать так, чтобы не превысить максимальной рассеиваемой мощности ШД.

Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника. Однако на практике это ограничение действует редко. Гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя вследствие потерь в обмотках. Этот факт демонстрирует одно из преимуществ биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток. Другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки, т.е. их использование оптимально. В таком двигателе сечение отдельных обмоток вдвое больше, а их сопротивление – соответственно вдвое меньше. Это позволяет увеличить ток в корень из двух раз при тех же потерях, что дает выигрыш в моменте около 40%. На практике все же часто применяют униполярные двигатели, так как они требуют значительно более простых схем управления обмотками.

Читать еще:  Что такое бустер нитро двигателя

Документация

Реализуйте модель шагового двигателя

Библиотека

Simscape / Электрический / Специализированные Энергосистемы / Электрические Машины

Описание

Блок Stepper Motor (STM) реализует типовую модель, которая представляет два самых популярных семейства шаговых двигателей:

Шаговые двигатели переменного нежелания

Постоянный магнит или гибридные шаговые двигатели

Модель Stepper Motor состоит из электрических и механических разделов. Электрический раздел представлен эквивалентной схемой, настройка которой зависит от моторного типа. Эквивалентные схемы принимают, что магнитная схема линейна (никакое насыщение), и взаимная индуктивность между фазами незначительна. Механический раздел представлен моделью в пространстве состояний на основе момента инерции и коэффициента вязкого трения.

Этот рисунок показывает эквивалентную схему для одной фазы в шаговом двигателе переменного нежелания.

В этой модели Ra и La ( θ), соответственно, представляют сопротивление и индуктивность фазы обмотка. Извилистая индуктивность варьируется в зависимости от положения ротора:

L является средней индуктивностью.

L 1 является максимальным изменением индуктивности.

Nr является зубным номером ротора.

В ссылочном положении ( θ = 0), зуб ротора полностью выравнивается с полюсом A-оси, чтобы достигнуть максимальной A-фазы извилистая индуктивность.

Общий электромагнитный крутящий момент, произведенный двигателем, является суммой крутящих моментов, произведенных моторными фазами:

T e = ∑ x = 1 m 0.5 i x 2 d L x d θ ,

m является количеством фаз.

ix является обмоткой, текущей в фазе x.

Lx является функцией индуктивности обмотки фазы x.

Этот рисунок показывает эквивалентную схему для одной фазы в постоянном магните (PM), или гибридный шаговый двигатель.

В этой модели Ra и La, соответственно, представляют сопротивление и индуктивность обмотки A-фазы. Из-за большого значения воздушного зазора, введенного магнитами, извилистая индуктивность премьер-министра или гибридного шагового двигателя может считаться независимой от положения ротора. Исходный ea напряжения ( θ) представляет моторную противоэлектродвижущую силу (EMF), который является синусоидальной функцией положения ротора:

e a ( θ ) = − p ψ m sin ( p θ ) d θ d t ,

p является количеством пар полюса. Количество пар полюса p дано p = Nr/2.

ψm является моторным максимальным магнитным потоком.

Обратите внимание на то, что в ссылочном положении ( θ = 0), Северный полюс на роторе полностью выравнивается с полюсом A-оси, чтобы достигнуть нулевого значения коэффициента противо-ЭДС A-фазы.

Электромагнитный крутящий момент, произведенный двухфазным PM или гибридным шаговым двигателем, равен сумме крутящего момента, следующего из взаимодействия токов фазы и магнитных потоков, созданных магнитами и крутящим моментом стопора, который следует из выступа ротора:

m является количеством фазы ( m =2) двигателя.

Nr количество зубов на роторе ( Nr = 2* p).

Параметры

Постоянный магнит / гибрид

Выберите Permanent-magnet/Hybrid (значение по умолчанию), чтобы реализовать премьер-министра или гибридный шаговый двигатель.

Number of phases

Выберите 2 (значение по умолчанию) или 4 фазы.

Индуктивность, La, в H, каждой обмотки фазы. Значением по умолчанию является 10e-3 .

Сопротивление, Ra, в Омах, каждой обмотки фазы. Значением по умолчанию является 1.2 .

Угол шага, в градусах, перемещения ротора. Значением по умолчанию является 30 .

Maximum flux linkage

Максимальное потокосцепление, ψm, в V.s, произведенном магнитами. Значением по умолчанию является 0.04 .

Maximum detent torque

Максимальный крутящий момент стопора, Tdm, в N.m, следуя из выступа ротора. Значением по умолчанию является 0.02 .

Общий импульс инерции, J, в kg.m2 , двигателя и загрузки. Значением по умолчанию является 1e-4/5 .

Total viscous friction coefficient

Общий коэффициент вязкого трения, B, в N.m.s, двигателя и загрузки. Значением по умолчанию является 1e-3 .

Начальная скорость вращения, ω0, в rad/s. Значением по умолчанию является 0 .

Начальное положение ротора, Θ0, в градусах. Значением по умолчанию является 0 .

Sample time (-1 for inherited)

Задайте шаг расчета шагового двигателя в s. Задайте –1 наследовать шаг расчета блока powergui в вашей модели. Значением по умолчанию является –1 .

Переменное нежелание

Выберите Variable reluctance реализовывать шаговый двигатель переменного нежелания.

Number of phases

Выберите 3 , 4 , или 5 фазы.

Maximum winding inductance

Максимальная индуктивность, Lmax, в H, каждой обмотки фазы. Значением по умолчанию является 10e-3 .

Minimum winding inductance

Минимальная индуктивность, Lmin, в H, каждой обмотки фазы. Значением по умолчанию является 2e-3 .

Сопротивление, Ra, в Омах, каждой обмотки фазы. Значением по умолчанию является 1.2 .

Угол шага, в градусах, перемещения ротора. Значением по умолчанию является 30 .

Общий импульс инерции, J, в kg.m2 , двигателя и загрузки. Значением по умолчанию является 1e-4/5 .

Общий коэффициент вязкого трения, B, в N.m.s, двигателя и загрузки. Значением по умолчанию является 1e-3 .

Начальная скорость вращения, ω0, в rad/s. Значением по умолчанию является 0 .

Начальное положение ротора, Θ0, в градусах. Значением по умолчанию является 0 .

Sample time (-1 for inherited)

Задайте шаг расчета шагового двигателя в s. Задайте –1 наследовать шаг расчета блока powergui в вашей модели. Значением по умолчанию является –1 .

Вводы и выводы

Механический крутящий момент нагрузки, в N.m. TL положительно в моторной операции и отрицателен в работе генератора.

Выход Simulink ® блока является вектором, содержащим пять сигналов. Можно демультиплексировать эти сигналы при помощи блока Селектора Шины, обеспеченного в Библиотеке Simulink.

Электромагнитный крутящий момент

Как получить параметры шагового двигателя

Параметры, используемые в модели степпера, обычно получаются из таблиц данных производителя. В случае, если параметры не доступны, можно определить их из экспериментальных измерений.

Параметры шагового двигателя переменного нежелания

Параметры, обеспеченные таблицами данных производителя, обычно: количество фаз, содержа крутящий момент, угол шага, напряжение на фазу, текущую на фазу, сопротивление обмотки, Ra, максимальную индуктивность, Lmax, среднюю индуктивность, L0, и инерцию ротора, J.

Параметры Шагового двигателя постоянного магнита/Гибрида

Параметры, обеспеченные таблицами данных производителя, обычно:

содержание крутящего момента

напряжение на фазу

текущий на фазу

сопротивление обмотки, Ra

извилистая индуктивность, La

инерция ротора, J

Максимальный крутящий момент стопора, Tdm, не всегда задается. Этот параметр может быть принят, чтобы быть равным 1-10% максимального крутящего момента содержания.

Максимальное потокосцепление, ψm, не всегда задается. Этот параметр может быть получен экспериментально путем управления двигателем к постоянной скорости, N, в об/мин, и путем измерения максимальной разомкнутой цепи извилистое напряжение, Em, в V.

Параметр ψm затем вычисляется следующим отношением:

где p является количеством пар полюса, данных p =360 / (2 m · шаг. Здесь m = номер фазы, продвиньтесь = угол шага в градусах.

Примеры

power_steppermotor пример иллюстрирует работу диска шагового двигателя с помощью двухфазной гибридной модели шагового двигателя.

Ссылки

[1] Т. Кенджо, А. Сугоара, шаговые двигатели и их микропроцессорные управления, 2-й выпуск, издательство Оксфордского университета, Оксфорд, 2003.

[2] П. Акарнли, Шаговые двигатели — руководство по теории и практике, 4-му Выпуску, Учреждению Инженеров-электриков, Лондона, 2002.

Документация Simscape Electrical

  • Примеры
  • Блоки и другая ссылка
  • Информация о релизах
  • PDF-документация

Поддержка

  • MATLAB Answers
  • Помощь в установке
  • Отчеты об ошибках
  • Требования к продукту
  • Загрузка программного обеспечения

© 1994-2021 The MathWorks, Inc.

1. Если смысл перевода понятен, то лучше оставьте как есть и не придирайтесь к словам, синонимам и тому подобному. О вкусах не спорим.

2. Не дополняйте перевод комментариями “от себя”. В исправлении не должно появляться дополнительных смыслов и комментариев, отсутствующих в оригинале. Такие правки не получится интегрировать в алгоритме автоматического перевода.

3. Сохраняйте структуру оригинального текста — например, не разбивайте одно предложение на два.

4. Не имеет смысла однотипное исправление перевода какого-то термина во всех предложениях. Исправляйте только в одном месте. Когда Вашу правку одобрят, это исправление будет алгоритмически распространено и на другие части документации.

5. По иным вопросам, например если надо исправить заблокированное для перевода слово, обратитесь к редакторам через форму технической поддержки.

Производители

/ Продукция / Интегрированные сервоприводы / Эволюция приводов на базе шаговых двигателей

Эволюция приводов на базе шаговых двигателей

Если заглянуть в историю приводной техники, то можно увидеть, что шаговый двигатель (ШД) появился как дешевая альтернатива позиционному приводу. При этом отличительным и наиболее ценным его качеством являлась крайняя простота управления позицией вала — достаточно лишь в правильной последовательности подавать импульсы в обмотки двигателя и вал шагового двигателя начинает вращаться. Именно это достоинство служило основой массового использования ШД в устройствах автоматизации.

По мере расширения областей применения шагового двигателя улучшались и его технические характеристики. Появились новые конструкции ШД с использованием редкоземельных магнитов, так называемые гибридные ШД, которые по стоимости, на сегодняшний день, приблизились к своим предшественникам, а по развиваемой мощности превосходят последних в несколько раз. В результате у ШД появилось дополнительное конкурентное преимущество — это высокий момент на малых оборотах вращения. Например, момент удержания ШД в 2-3 раза выше, чем у синхронного двигателя эквивалентных массогабаритных показателей. Поэтому использование ШД в ряде случаев позволяет исключить редуктор из механической системы и, следовательно, снизить себестоимость автоматической системы в целом.

Читать еще:  Генератор автомобильного двигателя схема подключения

Особенности шаговых приводов

Повышенный интерес к гибридным ШД, а так же новые требования, предъявляемые к качеству выполняемого движения, заставили пересмотреть способ его управления. Так как шаговому управлению, наряду с явными достоинствами, присущ ряд недостатков, которые значительно сужают области применения ШД. Наиболее существенными из них являются:

1. Повышенная вибрация.

Повышенная вибрация возникает при шаговом и полушаговом способах управления на постоянной скорости из-за бесконтрольного перехода вала ротора в новую позицию, определяемую состоянием обмоток. В результате вал ротора совершает затухающие колебания относительно новой позиции до момента поступления нового импульса в обмотки.

Частично решить проблему вибрации удалось за счет разработки микрошагового способа управления, который сводится к разбиению полного шага двигателя на несколько более мелких шагов.

2. Наличие резонансных зон в рабочем диапазоне скоростей.

Во время работы двигателя, по мере увеличения скорости вращения, характер колебаний также изменяется и при совпадении частоты поступления импульсов с собственной частотой механической системы возникает резонансное явление. В результате чего момент двигателя практически полностью исчезает, что не редко приводит к пропуску шагов. В свою очередь, пропуск шагов нарушает работу всей системы.

Чтобы исключить влияние пропуска шагов на качество выполняемых операций, специалисты-технологи вводят дополнительный цикл реинициализации по истечении определенного непродолжительного времени, что, безусловно, снижает производительность таких систем.

3. Низкая динамика.

Во время переходного процесса любой привод испытывает повышенные нагрузки, так как помимо статического момента двигатель разгоняет и останавливает инерционную нагрузку, приведенную к валу двигателя. В связи с тем, что шаговый привод без обратной связи не имеет информации о текущей внешней нагрузке и текущей позиции, процесс разгона выполняется «вслепую». Поэтому, чтобы избежать выхода из синхронизма, технолог вводит плавный разгон и торможение с существенным запасом. Данный способ формирования переходного процесса ограничивает потенциальные динамические возможности привода.

4. Наличие ярко выраженного стоп-момента.

При приближении зубьев ротора к полюсу статора происходит резкое притяжение полюса ротора к полюсу статора, что приводит к возникновению рывка, а при удалении зубьев от полюса возникает обратный эффект, приводящий к уменьшению скорости. При вращении вала двигателя эта особенность приводит к появлению высокочастотной вибрации. Данный эффект особенно ярко выражен на малых оборотах у мощных гибридных шаговых двигателей.

5. Высокая рабочая температура привода и низкий КПД.

Чтобы избежать прокручивания вала под воздействием внешних сил, ток в обмотки двигателя подается постоянно, независимо от нагрузки на его валу, поэтому привод потребляет энергию всегда, даже при нулевом противодействующем моменте, что приводит к низкому КПД и высокой рабочей температуре привода.

6. Низкая точность позиционирования.

есмотря на то, что ШД в состоянии выполнять задачу позиционирования без датчика обратной связи, точность отработки задания не высока. Например, при использовании гибридного шагового двигателя с 50 эквивалентными полюсами ошибка позиционирования будет колебаться в диапазоне -0,9…+0,9 градусов, в зависимости от текущей статической нагрузки.

Пути решения проблем

Все описанные недостатки ограничивают области применения ШД. В то время, как потенциальный рынок достаточно велик и, по прогнозам экспертов, ситуация в ближайшие годы не изменится. Поэтому компании — разработчики заняты поиском новых решений существующих проблем. Такие пути уже намечены. Это:

1. Улучшение электромеханических свойств гибридного шагового двигателя.

В последнее время на рынке появились ШД с новыми конструктивными особенностями. К ним относятся двигатели с измененным воздушным зазором, измененной формой зуба и т.д. Одной из наиболее перспективных конструкций является пятифазный ШД, обеспечивающий достаточно высокую плавность хода. Однако привод на базе такого ШД существенно увеличивается в стоимости, как за счет стоимости самого двигателя, так и в связи с усложнением системы управления. При этом изменение механики не решает проблем, связанных с пропуском шагов и невысокой скоростью разгона, так как по-прежнему не контролируется текущая позиция вала двигателя.

2. Применение векторного управления.

Наиболее перспективным решением перечисленных проблем шагового привода является усовершенствование его метода управления.

Проблему пропуска шагов наиболее эффективно можно решить за счет внедрения в привод датчика позиции и использования высокопроизводительного сигнального процессора. Причем, во избежание значительного увеличения стоимости привода, возможным решением является разработка мехатронного привода на базе ШД, представляющего собой интегрированное устройство, в состав которого входит сам двигатель, система управления и датчик позиции вала. В этом случае в качестве датчика можно использовать бескорпусные ОЕМ-датчики.

При наличии двух таких компонент как сигнальный процессор и датчик позиции в одном устройстве можно отказаться от использования шаговых методов управления и построить систему управления на основе алгоритма векторного управления. Данный метод уже давно используется в сервоприводах на базе синхронных и асинхронных двигателей.

Алгоритм векторного управления основан на поддержании угла 90 градусов между текущей позицией ротора в рамках одного полюса и вектором токов в обмотках двигателя.

Как видно из графика зависимости момента от угла между текущей позицией и вектором тока (Рис.1) максимальная эффективность достигается именно при угле 90 градусов.

При этом расчет текущего угла необходимо выполнять в реальном времени с высокой частотой, так как при формировании токов вал ротора всегда стремится в позицию, заданную вектором токов.

Такой способ обеспечивает высокую эффективность управления: исключается колебание момента, развиваемого двигателем и, как следствие — вибрация; обеспечиваются высокие динамические показатели; исключается пропуск шагов.

Однако в реализации векторного управления для сервопривода шагового (СПШ) есть своя специфика. ШД имеет 50 эквивалентных пар полюсов в отличие от синхронного двигателя с 6-ю полюсами. В результате алгоритм векторного управления должен отрабатываться в процессоре с частотой свыше 20 кГц, чтобы обеспечить поддержание угла 90 градусов с приемлемой точностью на высоких скоростях вращения. Соответственно и несущая ШИМ (широтно-импульсная модуляция) сигнала имеет ту же частоту. Как показывают исследования, компромиссной является частота 40 кГц, на которой максимальная скорость вращения, допустимая системой управления, достигает 12000 об/мин. При этом, силовые ключи (MOSFET) не переходят в режим усиления и, соответственно, обеспечивают приемлемый КПД привода.

Эффективное уменьшение влияния стоп-момента на неравномерность вращения в таком приводе достигается за счет использования замкнутого регулирования токами.

При резком увеличении скорости, связанной с наличием стоп-момента, двигатель вырабатывает противо ЭДС. Происходит изменение напряжения питания, что приводит к увеличению тока, протекающего в обмотках двигателя. Контур тока, который выполняет коррекцию задания токов каждые 25 мкс, успевает зафиксировать изменения тока и внести компенсационное воздействие, позволяющее сгладить резкие рывки вала двигателя, что и приводит к улучшению плавности хода. Оставшиеся низкочастотные колебания скорости исключаются замкнутым контуром управления скоростью. В результате неравномерность вращения определяется лишь разрешающей способностью датчика скорости (Рис. 2. ).

Как видно из рисунка, колебания относительно заданной скорости составляют ± дискрету датчика обратной связи во всем диапазоне скоростей. Например, при использовании датчика с разрешением 160000 импульсов на оборот глубина регулирования достигает 15000:1, т.е. разрешение привода по скорости составит 0.1875 об/мин. При этом неравномерность вращения на 100 об/мин не превысит 0.5%.

Наличие такой системы управления позволяет отказаться от дорогих пятифазных ШД. Достаточно использовать обычный гибридный ШД, при этом все его минусы «сглаживает» электроника.

Использование замкнутого регулирования током дает еще одно немаловажное преимущество – увеличение КПД привода.

Увеличение КПД привода происходит за счет того, что задаваемые токи в обмотках двигателя соответствуют нагрузке на валу двигателя. Повышенный ток подается только при появления внешнего противодействия, в отличие от разомкнутого микрошагового способа управления, где ток в обмотки двигателя подается всегда даже при нулевом противодействующем моменте.

Сервопривод шаговый, с использованием векторного управления с замкнутым контуром тока позволяет формировать предельно допустимый электрический момент во время переходного процесса. Это позволяет добиться исключительно высокой динамики без опасения перегорания обмоток и без пропуска шагов.

Например, время выполнения реверса на 500 об/мин выполняется за 18 мс, в то время как эквивалентный по мощности шаговый привод с микрошаговым управлением выполнит данную задачу лишь за 100 мс.

Новые возможности

Помимо основного функционала, наличие на «борту» сервопривода современного сигнального процессора позволяет реализовать в рамках системы управления множество дополнительных функций, таких как:

  • Программируемый логический контроллер.
  • Интерполятор.
  • Электронный редуктор.
  • Обработка концевых датчиков.
  • Контроль температуры.
  • Защита от КЗ.
  • Защита от пониженного и повышенного напряжения питания.
  • Торможение с регулированием вырабатываемого противо ЭДС.

Наличие перечисленных функций позволяет увеличить надежность системы, снизить износостойкость оборудования, а в ряде случаев исключить внешний контроллер управления движением.

Вывод

Использование передовых методов управления делает возможным применение шаговых двигателей в современных сервосистемах наряду с сервоприводами на базе синхронных и асинхронных двигателей. В свою очередь, использование мехатронного подхода обеспечивает снижение себестоимости такого привода до приемлемых значений, что традиционно свойственно шаговым приводам.

к.т.н. Тихонов А.О.
Руководитель отдела исследований
и разработок компании «Сервотехника»,
Цывинский М.М.
Инженер отдела исследований
и разработок компании «Сервотехника»

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector