,
где N – число шагов, t – время, V – скорость, выраженная в шагах в единицу времени, A – ускорение, выраженное в шагах, деленных на время в квадрате.
Для одного шага 
, тогда длительность шага 
. В результате осуществления шага скорость становится равной 
.
Резонанс шагового двигателя
Шаговым двигателям свойственен нежелательный эффект, называемый резонансом. Эффект проявляется в виде внезапного падения момента на некоторых скоростях. Это может привести к пропуску шагов и потере синхронности. Эффект проявляется в том случае, если частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора двигателя.
Когда двигатель совершает шаг, ротор не сразу устанавливается в новую позицию, а совершает затухающие колебания. Дело в том, что систему ротор – магнитное поле – статор можно рассматривать как пружинный маятник, частота колебаний которого зависит от момента инерции ротора (плюс нагрузки) и величины магнитного поля. Ввиду сложной конфигурации магнитного поля, резонансная частота ротора зависит от амплитуды колебаний. При уменьшении амплитуды частота растет, приближаясь к малоамплитудной частоте, которая более просто вычисляется количественно. Эта частота зависит от угла шага и от отношения момента удержания к моменту инерции ротора. Больший момент удержания и меньший момент инерции приводят к увеличению резонансной частоты.
Резонансная частота вычисляется по формуле:
где F0 – резонансная частота, N – число полных шагов на оборот, TH – момент удержания для используемого способа управления и тока фаз, JR – момент инерции ротора, JL – момент инерции нагрузки.
Необходимо заметить, что резонансную частоту определяет момент инерции собственно ротора двигателя плюс момент инерции нагрузки, подключенной к валу двигателя. Поэтому резонансная частота ротора ненагруженного двигателя, которая иногда приводится среди параметров, имеет маленькую практическую ценность, так как любая нагрузка, подсоединенная к двигателю, изменит эту частоту.
На практике эффект резонанса приводит к трудностям при работе на частоте, близкой к резонансной. Момент на частоте резонанса равен нулю и без принятия специальных мер шаговый двигатель не может при разгоне пройти резонансную частоту. В любом случае, явление резонанса способно существенно ухудшить точностные характеристики привода.
В системах с низким демпфированием существует опасность потери шагов или повышения шума, когда двигатель работает вблизи резонансной частоты. В некоторых случаях проблемы могут возникать и на гармониках частоты основного резонанса.
Когда используется не микрошаговый режим, основной причиной появления колебаний является прерывистое вращение ротора. При осуществлении шага ротору толчком сообщается некоторая энергия. Этот толчок возбуждает колебания. Энергия, которая сообщается ротору в полушаговом режиме, составляет около 30% от энергии полного шага. Поэтому в полушаговом режиме амплитуда колебаний существенно меньше. В микрошаговом режиме с шагом 1/32 основного при каждом микрошаге сообщается всего около 0.1% от энергии полного шага. Поэтому в микрошаговом режиме явление резонанса практически незаметно.
Для борьбы с резонансом можно использовать различные методы. Например, применение эластичных материалов при выполнении механических муфт связи с нагрузкой. Эластичный материал способствует поглощению энергии в резонансной системе, что приводит к затуханию паразитных колебаний. Другим способом является применение вязкого трения. Выпускаются специальные демпферы, где внутри полого цилиндра, заполненного вязкой кремнийорганической смазкой, может вращаться металлический диск. При вращении этой системы с ускорением диск испытывает вязкое трение, что эффективно демпфирует систему.
Существуют электрические методы борьбы с резонансом. Колеблющийся ротор приводит к возникновению в обмотках статора э. д.с. Если закоротить обмотки, которые на данном шаге не используются, это приведет к демпфированию резонанса.
И, наконец, существуют методы борьбы с резонансом на уровне алгоритма работы драйвера. Например, можно использовать тот факт, что при работе с двумя включенными фазами резонансная частота примерно на 20% выше, чем с одной включенной фазой. Если резонансная частота точно известна, то ее можно проходить, меняя режим работы.
Если это возможно, при старте и остановке нужно использовать частоты выше резонансной. Увеличение момента инерции системы ротор-нагрузка уменьшает резонансную частоту.
Самой эффективной мерой для борьбы с резонансом является применение микрошагового режима.
Преимущества шагового двигателя
· Угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель.
· Двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны);
· Прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность от 3 до 5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу.
· Возможность быстрого стартаÞостановкиÞреверсирования.
· Высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников.
· Однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи.
· Возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора.
· Может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов.
Недостатки шагового двигателя
· Шаговым двигателем присуще явление резонанса.
· Возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи.
· Потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки.
· Затруднена работа на высоких скоростях.
· Невысокая удельная мощность.
· Относительно сложная схема управления.
На рис. 2.17 приведены различные исполнения шаговых двигателей.
|
|
|
|
Рисунок 2.17 – Общий вид шаговых двигателей
а) гибридные шаговые двигатели серии FL20STH и FL28STH; б) шаговые двигатели серии FL57ST и FL57STH; в) шаговые двигатели серии FL110STH;
г) шаговый двигатель с интегрированной платой управления типа MDI34
Область применения гибридного шагового двигателя серии FL20STH и FL28STH – приборы точной механики, оптические приборы, измерительная техника, сортировочные автоматы, устройства автоматической подачи, миниатюрные дозаторы.
Техническая характеристика шагового двигателя типа FL20STH30-0604A
Величина полного шага, град 1,8
Погрешность углового шага, град ±0,09
Погрешность сопротивления обмоток двигателя, % 10
Погрешность индуктивности обмоток двигателя, % 20
Максимальное радиальное биение вала двигателя, мм 0,02
Максимальное осевое биение вала двигателя, мм 0,08
Максимальная допустимая осевая нагрузка на валу, Н 10
Максимальная допустимая радиальная нагрузка на валу, Н 28
Температурный диапазон эксплуатации от -20°С до + 50°С
Рабочий ток/фаза, А 0,6
Сопротивление/фаза, Ом 6,5
Индуктивность/фаза, мГн 1,7
Крутящий момент, кг×см 0,18
Длина, мм 30
Момент инерции ротора, г×cм2 0,2
Вес, кг 0,06
Область применения шаговых двигателей серии FL57ST и FL57STH – робототехника, намоточных станках, контрольно-сортировочных автоматах, системах технического зрения, регуляторах давления, небольших станках с ЧПУ, станках для сверления отверстий в печатных платах.
Техническая характеристика шагового двигателя типа FL57ST76-1506A
Величина полного шага, град 1,8
Погрешность углового шага, град ±0,09
Погрешность сопротивления обмоток двигателя, % 10
Погрешность индуктивности обмоток двигателя, % 20
Максимальное радиальное биение вала двигателя, мм 0,02
Максимальное осевое биение вала двигателя, мм 0,08
Максимальная допустимая осевая нагрузка на валу, Н 15
Максимальная допустимая радиальная нагрузка на валу, Н 75
Температурный диапазон эксплуатации от -20°С до + 50°С
Рабочий ток/фаза, А 1,5
Сопротивление/фаза, Ом 3,6
Индуктивность/фаза, мГн 6
Крутящий момент, кг×см 9
Длина, мм 76
Момент инерции ротора, г×cм2 200
Вес, кг 0,95
Шаговые двигатели серии FL110STH наибольшее распространение находят в станкостроении, в основном в токарных, фрезерных и координатно-расточных станках с ЧПУ. В шаговых приводах подач станков с ЧПУ можно добиться скорости 300-500 мм/сек при сохраниении высокой динамической точности, которая является следствием принципов работы шагового двигателя. Применение современных технологий управления шаговыми двигателями позволяет практически полностью устранить возможность потери шагов при обработке сложных изделий с большой длиной траектории режущего инструмента.
Техническая характеристика шагового двигателя типа FL110STH201-8004A
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 |
