3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое механическая характеристика шагового двигателя

Что такое механическая характеристика шагового двигателя

Специфика конструкции шаговых двигателей и многообразие режимов их работы вызывают необходимость оценивать эти двигатели по следующим параметрам:

  • частота собственных круговых колебаний
  • электромагнитная постоянная времени
  • коэффициент внутреннего демпфирования
  • предельная механическая характеристика
  • предельная динамическая характеристика

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/w0, может служить внутренним эталоном времени. Действительно, момент инерции J определяет инерционность двигателя и механизма, амплитуда максимального синхронизирующего момента Mmax даетхарактеристику шагового двигателя как преобразователю энергии, число пар полюсов p определяет степень электромеханической редукции угла поворота и скорости вращения. Отношение Mmax/J дает 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 шаговым двигателям 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. С ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании тока, обусловленное индуктивностью обмоток. При некоторой предельной частоте момент двигателя становится равным нулю.

Предельная динамическая характеристика – зависимость частоты приемистости от момента сопротивления и момента инерции нагрузки.

Режимы работы шаговых двигателей

Характер движения ротора шагового двигателя определяется частотой и характером изменения управляющих импульсов. В зависимости от этого различают следующие режимы работы шаговых двигателей:

  • статический;
  • квазистатический;
  • установившейся;
  • переходный.

Статический режим – это режим, при котором по обмоткам статора протекает постоянный ток, создающий неподвижное в пространстве магнитное поле, а ротор не вращается. Под действием нагрузки ротор лишь отклоняется от положения М = 0 на некоторый угол q. Основной характеристикой этого режима является зависимость статического синхронизирующего момента от угла рассогласования M = f(q).

Квазистатический режим – это режим отработки единичных шагов, при котором переходные процессы от предыдущего такта коммутации полностью затухли и скорость ротора в начале следующего шага равна нулю. Он используется в стартстопных, лентопротяжных и других механизмах, в которых требуется фиксация ротора после каждого шага. Предельная частота управляющих импульсов, при которой еще соблюдается квазистатический режим, определяется временем протекания электромагнитных и особенно электромеханических переходных процессов, т.е. временем колебаний ротора. Для уменьшения или полного устранения качаний ротора в конце шага применяют различные приемы. При принудительном торможении после перевода управляющего импульса с первой обмотки или группы обмоток на вторую через некоторый промежуток времени, в течении которого ротор отработает часть шага и запасет определенное количество кинетической энергии, управляющий импульс вновь переводится на первую обмотку. На ротор начинает действовать тормозной момент. При правильном выборе времени и величины тормозящего момента ротор остановится в конце шага, после чего управляющий импульс переводится на вторую обмотку и ротор, отработав шаг, фиксируется в заданном положении практически без колебаний. При естественном торможении отработка шага происходит в два этапа: на первом этапе движение ротора осуществляется за счет положительного приращения момента, возникающего при сдвиге НС статора на часть полного шага; на втором этапе – за счет кинетической энергии, запасенной ротором при отрицательном (тормозном) моменте. При достижении ротором заданного положения НС сдвигается на оставшуюся часть шага и фиксирует ротор в этом положении. Естественное торможение возможно лишь в тех шаговых двигателях, у которых полный шаг можно поделить на несколько элементарных шагов. Повысить предельную частоту квазистатического режима можно путем увеличения числа обмоток статора или числа тактов коммутации. Во всех этих случаях снижается угол перемещения и кинетическая энергия ротора, что уменьшает его склонность к качаниям.

Читать еще:  Датчик давления двигателя функции

Установившийся режим – это режим, соответствующий постоянной частоте следования управляющих импульсов. При частоте управляющих импульсов f1, меньшей частоты собственны колебаний двигателя f0, движение ротора носит колебательный характер, что увеличивает динамическую ошибку при отработке заданного перемещения. При малых возмущениях частота собственных колебаний ротора где Mmax – максимальный статический синхронизирующий момент; Jp ,Jн- момент инерции ротора и нагрузки, приведенные к валу двигателя; р –число пар полюсов. При значительных возмущениях При частоте управляющих импульсов f1 = f0/k, где k – целое число, возникает явление электромеханического резонанса, которое при слабом демпфировании колебаний может привести к нарушению нормального движения ротора и выпадению его из синхронизма. При f1> f0 имеют место вынужденные колебания с частотой управляющих импульсов; амплитуда их монотонно уменьшается с увеличением частоты. Для устойчивой работы шагового двигателя необходимо, чтобы
Mн/Mmax Страница находится в разработке. В оглавление (шаговый двигатель)

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.

Читать еще:  Электрическая схема управления двигателем лада калина

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.

§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

Читать еще:  Что такое vvt двигатель сузуки

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.

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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector