Като задвижващ механизъм,стъпков двигателе един от ключовите продукти на мехатрониката, който се използва широко в различни системи за автоматизирано управление. С развитието на микроелектрониката и компютърните технологии, търсенето на стъпкови двигатели се увеличава с всеки изминал ден и те се използват в различни области на националната икономика.
01 Какво естъпков двигател
Стъпковият двигател е електромеханично устройство, което директно преобразува електрическите импулси в механично движение. Чрез контролиране на последователността, честотата и броя на електрическите импулси, приложени към бобината на двигателя, могат да се контролират управлението, скоростта и ъгълът на въртене на стъпковия двигател. Без използването на система за управление с обратна връзка и сензори за позиция, прецизен контрол на позицията и скоростта може да се постигне с помощта на проста и евтина система за управление с отворен контур, съставена от стъпков двигател и съпътстващ го драйвер.
02 стъпков двигателосновна структура и принцип на работа
Основна структура：
Принцип на работа: драйверът на стъпковия двигател, в зависимост от външния управляващ импулс и сигнала за посока, чрез вътрешната си логическа схема, управлява намотките на стъпковия двигател в определена времева последователност напред или назад, като захранва двигателя, така че да се върти напред/назад или да се заключи.
Вземете за пример двуфазен стъпков двигател с 1,8 градуса: когато и двете намотки са захранени и възбудени, изходният вал на двигателя ще бъде неподвижен и заключен в позиция. Максималният въртящ момент, който ще държи двигателя заключен при номиналния ток, е задържащият въртящ момент. Ако токът в едната от намотките бъде пренасочен, двигателят ще се завърти с една стъпка (1,8 градуса) в дадена посока.
По подобен начин, ако токът в другата намотка промени посоката си, двигателят ще се завърти с една стъпка (1,8 градуса) в обратна посока на първата. Когато токовете през намотките на бобината се пренасочат последователно към възбуждане, двигателят ще се върти с непрекъсната стъпка в дадената посока с много висока точност. За 1,8 градуса двуфазен стъпков двигател, завъртането на една седмица отнема 200 стъпки.
Двуфазните стъпкови двигатели имат два вида намотки: биполярни и еднополярни. Биполярните двигатели имат само една намотка на фаза, което позволява непрекъснато въртене на тока в една и съща намотка, за да се възбужда последователно променливо. Конструкцията на задвижващата верига изисква осем електронни превключвателя за последователно превключване.
Униполярните двигатели имат две намотки с противоположна полярност на всяка фаза и двигателят
върти се непрекъснато, като последователно захранва двете намотки на една и съща фаза.
Задвижващата верига е проектирана да изисква само четири електронни превключвателя. В биполярното
режим на задвижване, изходният въртящ момент на двигателя се увеличава с около 40% в сравнение с
еднополюсен режим на задвижване, тъй като намотките на всяка фаза са 100% възбудени.
03, Натоварване на стъпков двигател
A. Моментно натоварване (Tf)
Tf = G * r
G: Тегло на товара
r: радиус
Б. Инерционно натоварване (TJ)
TJ = J * dw/dt
J = M * (R12+R22) / 2 (кг * см)
M: Маса на товара
R1: Радиус на външния пръстен
R2: Радиус на вътрешния пръстен
dω/dt: Ъглово ускорение
04, крива на скоростта и въртящия момент на стъпковия двигател
Кривата скорост-въртящ момент е важен израз на изходните характеристики на стъпковия двигател.
мотори.
A. Точка на работната честота на стъпковия двигател
Стойността на скоростта на стъпковия двигател в определена точка.
n = q * Hz / (360 * D)
n: об/сек
Hz: Честотна стойност
D: Стойност на интерполацията на задвижващата верига
q: ъгъл на стъпка на стъпковия двигател
Например, стъпков двигател с ъгъл на наклон 1,8°, с 1/2 интерполационно задвижване(т.е. 0,9° на стъпка), има скорост от 1,25 r/s при работна честота от 500 Hz.
Б. Зона за самостартиране на стъпков двигател
Зоната, където стъпковият двигател може да бъде стартиран и спрян директно.
C. Зона за непрекъсната работа
В тази област стъпковият двигател не може да бъде стартиран или спрян директно. Стъпкови двигатели втази зона първо трябва да премине през зоната за самостартиране и след това да се ускори, за да достигнеработна зона. По подобен начин стъпковият двигател в тази зона не може да бъде директно спиран,в противен случай е лесно да се предизвика разместване на стъпковия двигател, първо трябва да се забави дозоната за самозапалване и след това спря.
D. Максимална честота на стартиране на стъпковия двигател
Състояние на двигателя без товар, за да се гарантира, че стъпковият двигател не губи стъпковата си работа.максимална честота на импулсите.
E. Максимална работна честота на стъпковия двигател
Максималната честота на импулсите, при която двигателят е възбуден да работи без загуба на стъпкабез товар.
F. Пусков въртящ момент / въртящ момент на придърпване на стъпковия двигател
За да се срещне стъпковият двигател с определена импулсна честота, за да стартира и да започне да работи, беззагуба на стъпки на максималния въртящ момент на натоварване.
G. Въртящ момент на стъпковия двигател/въртящ момент на изтегляне
Максималният въртящ момент на натоварване, който удовлетворява стабилната работа на стъпковия двигател приопределена честота на импулсите без загуба на стъпка.
05 Управление на движението с ускорение/забавяне от стъпков двигател
Когато работната честота на стъпковия двигател достигне точка в кривата на скоростта и въртящия момент на непрекъснатообласт на работа, как да се съкрати ускорението или забавянето при стартиране или спиране на двигателявреме, така че двигателят да работи по-дълго в най-добро състояние на скорост, като по този начин се увеличаваЕфективното време на работа на двигателя е много критично.
Както е показано на фигурата по-долу, кривата на динамичната характеристика на въртящия момент на стъпковия двигател ехоризонтална права линия при ниска скорост; при висока скорост кривата намалява експоненциалнопоради влиянието на индуктивността.
Знаем, че натоварването на стъпковия двигател е TL, да предположим, че искаме да ускорим от F0 до F1 занай-краткото време (tr), как да се изчисли най-краткото време tr?
(1) Обикновено TJ = 70% Tm
(2) tr = 1,8 * 10⁻⁶ * J * q * (F1-F0)/(TJ -TL)
(3) F (t) = (F1-F0) * t/tr + F0, 0
Б. Експоненциално ускорение при висока скорост
(1) Обикновено
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)
Бележки.
J показва инерцията на въртене на ротора на двигателя под товар.
q е ъгълът на завъртане на всяка стъпка, който е ъгълът на стъпката на стъпковия двигател в
случай на цялото устройство.
При операцията по забавяне, просто обърнете горепосочената честота на импулсите за ускорение, която може да бъде
изчислено.
06 вибрации и шум от стъпков двигател
Най-общо казано, стъпковият двигател работи без товар, когато работната честота на двигателяе близка или равна на присъщата честота на ротора на двигателя, ще резонира, сериозно щевъзниква феномен на несъответствие.
Няколко решения за резонанс:
A. Избягвайте зоната на вибрации: така че работната честота на двигателя да не попада вдиапазонът на вибрациите
Б. Приемете режим на подразделяне на задвижване: Използвайте режим на микростъпково задвижване, за да намалите вибрациите чрез
разделяне на оригиналната стъпка на няколко стъпки, за да се увеличи разделителната способност на всяка от тях
стъпка на двигателя. Това може да се постигне чрез регулиране на съотношението фаза/ток на двигателя.
Микростъпковото регулиране не увеличава точността на ъгъла на стъпката, но кара двигателя да работи по-бързо.
плавно и с по-малко шум. Въртящият момент обикновено е с 15% по-нисък при работа с половин стъпка
отколкото при работа с пълна стъпка и с 30% по-ниска при управление на синусоидален ток.
Време на публикуване: 09 ноември 2022 г.