Что такое резонанс шагового двигателя

Обзор скоростных характеристик шагового двигателя

Технические науки

  • Кашаев Ильдар Ильясович , бакалавр, студент
  • Волгоградский государственный технический университет, Волжский политехнический институт (филиал)
  • Капля Виктор Иванович , кандидат наук, доцент, доцент
  • Волгоградский государственный технический университет
  • РАЗГОН
  • ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
  • ТОРМОЖЕНИЕ
  • УДАРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Похожие материалы

  • Разработка автоматизированной информационной системы организация приема онлайн заказов для распечатывания фотографий
  • Автоматизированная информационная система для студии дизайна интерьера
  • Автоматизация процесса оценки выпускных квалификационных работ на основе компетентностного подхода
  • Разработка и исследование автоматизированной системы управления утилизации жидких отходов
  • Управление процессом ректификации

Шаговые двигатели находят широкое применение в современной автоматизации. Благодаря низкой стоимости, обширному выбору вида, режима управления, данный тип двигатель популярен не только в заводском оборудовании, но и в самоделках электротехников-любителей (например 3D-принтеры, выжигатели по дереву и прочее). Двигатели данного типа применяются в станкостроении (например в станках ЧПУ), робототехнике, 3D печати благодаря высокой точности позиционирования, широкому диапазону скоростей, быстрому старту, остановки, а также стабильной работе при различных нагрузках.

Шаговый двигатель позволяет осуществлять позиционирование ротора с точностью до долей градуса [1]. Отсюда возникает потребность в управлении плавным изменением скорости перемещаемого объекта шаговым двигателем, что позволит увеличить значение вращающего момента и исключить ударное воздействие на перемещаемый объект.

Существует несколько режимов для управления перемещения ротора шаговым двигателем.

Полношаговый режим — наиболее часто используемый метод управления. Из названия становится понятно, что ротор при подаче напряжения на обмотки совершает полный шаг. Например в двигатель, который состоит из 4 обмоток напряжение подается «попарно». Минус такого режима — возможен резонанс.

Полушаговый режим — режим, который применяется для увеличения точности работы двигателя. Ток подается на все пары обмоток одновременно, тем самым ротор поворачивается ровно на половину от полного шага. Данный режим менее подвержен к появлению резонанса.

Микрошаговый режим — режим, который использует в своей работе подачу тока на обмотки сигналами, а не импульсами, как в других режимах. Такой сигнал называют синусоидальным, при таком сигнале плавно изменяющим значение тока подающееся на обмотки двигателя, снижается количество рывков и ударное воздействие на перемещаемый ротором объект. Данный режим используют станки ЧПУ, так как такое плавное перемещение гарантирует точное позиционирование перемещаемого ротором объекта.

Своевременное изменение значение скорости вращаемого ротора двигателя является важным процессом в работе всей автоматической системы. Во многих станках применяются шаговые двигатели, позволяющие развивать большую мощность и точность позиционирования [2].

Максимальная рабочая скорость двигателя находится в прямой зависимости от следующих характеристик:

  • Напряжение
  • Индуктивность обмотки
  • Ток
  • Количество шагов
  • Тип подключения обмоток (4, 6 выводной и т.д.)
  • Сопротивление

Шаговый двигатель управляется последовательной поочередной подачей определенных импульсов напряжения на обмотки первой и второй фазы возбуждения [3]. Для развития больших скоростей ротору двигателя требуется начинать на низких скоростях из области старта (рисунок 1), после чего выполнять разгон плавно увеличивая величину ускорением. Важно не превышать в области старта значение максимальной скорости. При выполнении остановки вращения выполняется обратный порядок действий, а именно выполняется торможение и в области старта прекращается подача импульсов управления с микроконтроллера. Если нарушить последовательность шагов синхронное перемещение и положение ротора будут потеряны. При разгоне может возникнуть неблагоприятное явление — резонанс. Резонанс замечен меньше при таких режимах работы шагового двигателя как микрошаговый и полушаговый. При появлении резонанса падает момент, из-за чего двигатель начинает пропускать шаги. Наиболее простое решение проблемы резонанса является установка двигателя с более сильными мощностными характеристиками. Для наиболее стабильного разгона желательно иметь нагрузку, при которой момент инерции как минимум равен моменту инерции ротора. На слабо-нагруженном двигателе явление резонанса проявляется наиболее сильно.

Рисунок 1. График зависимости момента шагового двигателя от скорости

Для исполнения процессов разгона или торможения важно правильно сформулировать закон, по которому изменяется значение скорости и установить максимально допустимое значение ускорения. Ускорение должно уменьшаться при увеличении инерционности нагрузки. Для выбора нужного режима разгона необходимо установить нужную скорость и добиться ее за минимальное время. Чаще всего применяется постоянное ускорение для процесса разгона и торможения двигателя.

Микроконтроллер управляет ускорением и торможением двигателя посредством заданного закона, также выполняет роль источника тактовой частоты для драйвера.

Для наиболее абстрактного от деталей случая необходимо установить зависимость длительности шага от текущей скорости.

Характеристика отражающая количество шагов, выполненных при разгоне ротора представим как:

где V — скорость, t — время, N — количество шагов, a — ускорение

Тогда длительность одного шага вычисляется как:

Отсюда следует скорость за один полный шаг:

Шаговые двигатели очень популярны в наше время, но обладают некоторыми недостатками, которые следует решить путем разработки автоматической системы интеллектуального управления скоростью шагового двигателя.

Список литературы

  1. Рентюк, В. Шаговые двигатели и особенности их применения / В.Рентюк. — Электрик. 2012. № 11. С.45-50.
  2. Петрунин В. В., Анохина Ю. В., Баннов В. Я., Трусов В. А., Юрков Н. К. Система управления шаговыми двигателями // НиКа. 2010. №. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sistema-upravleniya-shagovymi-dvigatelyami (дата обращения: 23.04.2019).
  3. Китаев В. Н., Китаева Е. Н., Иконникова Н. А. Обеспечение надежности шагового двигателя на стадии проектирования // НиКа. 2011. №. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obespechenie-nadezhnosti-shagovogo-dvigatelya-na-stadii-proektirovaniya (дата обращения: 23.04.2019).

Завершение формирования электронного архива по направлению «Науки о Земле и энергетика»

  • 23 ноября 2020
Читать еще:  Шевроле каптива расход топлива на 100 км бензиновыми двигателями
  • Создание электронного архива по направлению «Науки о Земле и энергетика»

    • 29 октября 2020
  • Электронное периодическое издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), свидетельство о регистрации СМИ — ЭЛ № ФС77-41429 от 23.07.2010 г.

    Соучредители СМИ: Долганов А.А., Майоров Е.В.

    Конспект лекций «Мехатроника» (стр. 8 )

    Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

    ,

    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.

    Читать еще:  Характеристики поршневого авиационного двигателя

    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

    Момент инерции ротора, г×cм2 0,2

    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

    Момент инерции ротора, г×cм2 200

    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

    Недостатки шаговых двигателей и пути их устранения

    Проведен анализ недостатков шаговых двигателей и возникающих при их работе вибраций. Наиболее эффективной мерой для борьбы с резонансом является применение микрошагового режима, снижение вибрации шагового двигателя и повышение плавности хода передачи. Достигается это при использовании микрошагового режима. На вал мотора действуют более кратковременные усилия разгона-торможения, а вал совершает шаги меньшей амплитуды, в результате инерционные явления проявляются слабее.

    Shortcomings of stepper motors and ways to solve them

    The article analyzes the shortcomings of stepper motors and the vibrations that arise during their operation. The most effective measure to reduce resonance is the use of microstep mode, reducing the vibration of the stepper motor and increasing the smoothness of the transmission. Microstep mode helps to achieve such results. More short-time acceleration-deceleration forces influence the motor shaft, and the shaft performs steps of smaller amplitude. Inertial phenomena appear weaker as a result [1, 2].

    Шаговые двигатели (ШД) нашли широкое применение в различных станках. Это обосновано их небольшой стоимостью, широким спектром задач, которые можно выполнять при их применении. В системах, где требуется точное позиционирование исполнительного механизма, шаговый двигатель является хорошей альтернативой серводвигателям, пневмо- и гидроприводам и с успехом заменяет их во многих приложениях. К сожалению, при всех достоинствах шаговый двигатель обладает существенными недостатками, основные из которых:

    1. Повышенная вибрация. Повышенная вибрация возникает из‑за бесконтрольного перехода вала ротора в новую позицию, определяемую состоянием обмоток. В результате вал ротора совершает затухающие колебания в новой позиции до поступления нового импульса в обмотки.

    2. Наличие резонансных зон в рабочем диапазоне скоростей. У шаговых двигателей имеется нежелательный эффект — резонанс. Он проявляется на некоторых скоростях в виде резкого падения момента, что в свою очередь может привести к потере синхронности и пропуску шагов. Этот эффект проявляется при совпадении частоты шагов с собственной резонансной частотой ротора двигателя. В то время как двигатель совершает шаг, ротор не может сразу перейти в новую позицию, а совершает затухающие колебания. Эффект резонанса создает определенные трудности при работе на частоте, приближенной к резонансной. Момент на резонансной частоте равен нулю, и двигатель при разгоне не может пройти резонансную частоту, что требует принятия специальных мер. Явление резонанса существенно ухудшает точностные характеристики привода. В системах с низким демпфированием при работе двигателя на частоте, приближенной к резонансной, существует опасность потери шагов или повышения шума.

    3. Наличие стоп-момента. В то время когда зубья ротора приближаются к полюсу статора, возникает резкое притяжение полюса ротора к полюсу статора, что непосредственно приводит к рывку, а при отдалении возникает обратный эффект, который приводит к уменьшению скорости. Данная особенность при вращении вала двигателя приводит к высокочастотной вибрации.

    Читать еще:  Электро схема газель 406 двигатель

    Решения проблем резонанса в автоматике шаговых двигателей

    Шаговые двигатели отличаются высокой надежностью, просты в управлении и не требуют сложных дорогостоящих систем обратной связи. Поэтому компания Балтийское Объединение ОАО в своих разработках и системах автоматизации как правило использует именно шаговые двигатели. Их применение полностью оправдано в управлении станками для обработки цветных металлов, дерева, пластика, машинах плазменной, лазерной резки, плоттерах, медтехнике и других механизмах, в которых не требуется большой крутящий момент и высокие скорости подачи. Однако для решения специфических задач могут использоваться комбинированные методы, например, для точного определения положения ротора шаговые двигатели оснащаются энкодерами.

    К сожалению, при всех достоинствах шаговый двигатель обладает существенными недостатками, основные из которых: малая удельная мощность, сравнительно низкие скорости вращения и невысокий крутящий момент. Шаговому двигателю, как дискретному синхронному двигателю, свойственен выход из синхронизма и как следствие потеря шагов при перемещении, что приводит к непоправимой ошибке позиционирования. Очень неприятным моментом является возникновение резонанса в электромеханической системе. Это является одной из причин нарушения нормальной работы привода. Для решения данных проблем нашей компанией была разработана и создана целая линейка драйверов шаговых двигателей, которые позволяют минимизировать воздействия резонанса и обеспечивают устойчивую работу электроники, автоматики и всего оборудования в целом. Драйверы уже используются в электронике станков лазерной, плазменной фрезерной обработки листовых материалов. Также они находят свое применение в отдельных устройствах и опциях, разработанных нашими специалистами. Например, в устройстве слежения на основе емкостного датчика, которое часто применяется как вертикальная Z координата.

    При работе двигателя на частоте, совпадающей с резонансной, ротор двигателя колеблется вокруг положения устойчивого равновесия, возникает провал момента, что приводит к пропуску шагов и потере синхронности. Без принятия специальных мер шаговый двигатель при разгоне не может пройти резонансную частоту. Усиление амплитуды колебаний ротора вокруг положения равновесия вызывает сильные вибрации в передаточных механизмах, что является причиной избыточного шума и приводит к преждевременному износу механических деталей привода, вибрациям и нарушениям крепления частей и механизмов. В любом случае, явление резонанса способно существенно ухудшить точностные характеристики привода, поэтому изучение резонансных явлений и нестабильностей шагового привода представляет большой практический интерес.

    Причиной возникновения резонанса является кратность частот собственных колебаний электромеханической системы и частот, возмущающих воздействий управляющих импульсов. В шаговом электроприводе как в нелинейной системе второго порядка резонанс может возникнуть при выполнении следующего условия:

    В зависимости от сочетания резонанс и нестабильность пускового момента могут быть классифицированы по трем группам: низкочастотный резонанс, среднечастотная нестабильность и высокочастотные колебания.

    Низкочастотный резонанс (частоты до 500 Гц).

    Когда двигатель запускается с очень малой частотой вращения, а частота импульсов возрастает медленно, возникает резонанс на обертоне внешней частоты и субгармонические колебания.

    Появляется главный резонанс на частотах собственных колебаний системы.

    Возникает параметрический резонанс на обертоне собственной частоты.

    Среднечастотная нестабильность. Одна из важнейших проблем, которую пришлось решать при разработке драйвера шагового двигателя и подборе самого двигателя как преодолеть данный вид резонанса. Он наблюдается при возрастании шаговых частот до 5001500 Гц и составляет 1/4, 1/5 шаговой частоты вращения.

    Нестабильность имеет следующие особенности:

    1) Колебания имеют одну или несколько частотных компонент. Они не связаны простым соотношением с шаговой частотой вращения двигателя и имеют более низкую частоту 5200 Гц.

    2) При постоянных условиях работы наблюдаются медленно вырастающие колебания. Нарушение нормальной работы системы наступает через несколько секунд или даже минут. Возможна внезапная потеря синхронизма.

    3) Характеристики нестабильности зависят от схемы и алгоритма управления.

    4) Существенное влияние оказывает повышение момента инерции системы. Большая инерционность увеличивает нестабильность.

    Высокочастотная нестабильность возникает на частотах 15002500 Гц, когда двигатель успешно проходит область среднечастотной нестабильности.

    Анализируя условия и причины возникновения резонанса, наши специалисты выделили методы борьбы с каждой его разновидностью. Проблемой остается реализация решения, избавляющего от тех нестабильностей, которые оказывают наибольшее влияние на работу привода.

    К настоящему времени Балтийским Объединением ОАО разработан микрошаговый инвертор с номинальным током фазы 8А, в котором реализован алгоритм обхода резонансных частот. Это позволяет получить мягкость хода во всем диапазоне рабочих скоростей. Использование такого алгоритма особенно важно для управления мощными двигателями с шагом 1.8° типа FL57, FL60, FL86, FL110 и т.п. А решение в пользу инвертора с таким алгоритмом повысит качество работы механической системы, особенно системы на зубчатых приводных ремнях, которой характерна прямая передача момента от вала двигателя на ремень через шестерню без редукции (ведущая шестерня кинематической системы зафиксирована непосредственно на валу двигателя).

    Балтийское Объединение ОАО
    Технический директор
    Паршин Константин Эдвардович

    Адрес: 199106, Россия, СанктПетербург,
    Шкиперский пр. 14
    Тел.: +7 (812) 715 69 66/77
    Факс +7 (812) 3563573
    Email: info@baltio.ru
    Http:// www.baltio.ru

    199106, Россия, СанктПетербург,Шкиперский пр. 14 +7 (812) 715 69 66/77 +7 (812) 3563573 info@baltio.ru www.baltio.ru

    * при использовании и перепечатывании ссылка на источник или сайт обязательна

    Ссылка на основную публикацию
    Adblock
    detector