Podstawy sterowania silnikami krokowymi, cz. III

2.4.PODSTAWOWE CECHY SILNIKÓW KROKOWYCH
   2.4.1. ZALEŻNOŚĆ MOMENTU NAPĘDOWEGO OD CZĘSTOTLIWOŚCI ZMIAN WYSTEROWANIA FAZ

   Podstawową charakterystyką silników krokowych ,niezbędnych do określenia parametrów napędu jest zależność momentu napędowego od częstotliwości zmian wysterowania faz. Charakterystyka ta pozwala na dobór właściwego silnika dla spełnienia wymagań narzuconych przez napędzany mechanizm, a także określa ograniczenia w zakresie sterowania dla danego typu silnika. Obszar ograniczony układem współrzędnych i linią a określa zakres pracy start -stopowej .Przebieg linii zależny jest nie tylko od parametrów silnika ale także od dodatkowego momentu bezwładności wprowadzonego przez obciążenie.

   Obszar ograniczony liniami b określa zakres pracy synchronicznej przy danym obciążeniu. Przekroczenie częstotliwości biegu synchronicznego powoduje wypadnięcie silnika z synchronizmu i w efekcie jego zatrzymanie. Częstotliwość komutacji w trybie start-stopowym jest o 10 razy mniejszy niż w trybie synchronicznym. W przypadku gdy wymaga się szybkiego pozycjonowania konieczne jest rozpędzenie silnika z częstotliwości start-stopowej do synchronicznej a następni wyhamowanie go w celu pewnego zatrzymania. Konieczne jest zatem odpowiednie ukształtowanie charakterystyki ruchu.

Rysunek 11. Charakterystyka mechaniczna silnika krokowego.[12]

M. -moment napędowy
M_a-moment graniczny dla pracy „start-stop” (dla f_a)
M₁-moment graniczny dla pracy synchronicznej(dla f₂)
J- moment bezwładności obciążenia
a-graniczna charakterystyka pracy „start-stop' (J=0)
a'- graniczna charakterystyka pracy „start-stop' (J=J₁)
b- graniczna charakterystyka pracy synchronicznej
f₁-maksymalna częstotliwość pracy „start-stop” (dla M₁J₁)
f₂- maksymalna częstotliwość pracy synchronicznej (dla M₁)


  2.4.2. PRZEBIEG USTALENIA SIĘ POŁOŻENIA WAŁU PO WYKONANIU SKOKU

Inną ważną cechą silników krokowych jest przebieg ustalenia się położenia wału po wykonaniu skoku.

Rysunek 12. Przebiega ustalenia się położenia wału po wykonaniu skoku

   Występujące tu oscylacje w dużym stopniu zależą od warunków obciążenia silnika oraz zasilania uzwojeń. Ma to istotne znaczenie przy projektowaniu sterownika. Przy stałym momencie bezwładności oscylacje zmniejszają się wraz ze wzrostem momentu tarcia.

   Te niepożądane zjawiska można ograniczyć lub eliminować wprowadzając dodatkowe elementy tłumienia drgań. Działanie ich opiera się na rozpraszaniu nadmiaru energii wirnika eliminując szkodliwe oscylacje. Stosuje się również metodę elektronicznego tłumienia drgań poprzez zwierane nie zasilanych w danym momencie uzwojeń. Dobrym rozwiązaniem zmniejszającym drgania silnika jest wymuszeni sinusoidalnego przepływu prądu przez cewki silnika, praca z mniejszym krokiem.


2.5.STANY PRACY SILNIKA SKOKOWEGO

Istotne znaczenie mają następujące stany pracy silnika skokowego:

 statyczny,

 quasistatyczny,

 ustalony,

 dynamiczny.


2.5.1. Stan statyczny

   W stanie statycznym w uzwojeniach silnika występuje prąd stały, wytwarzając nieruchome pole magnetyczne. Na wirnik działa moment synchronizujący, który dąży do początkowego położenia równowagi, naruszonego po zadziałaniu momentu z zewnątrz.


2.5.2.Stan quasistatyczny.

   W stanie quasistatycznym przed wykonaniem każdego następnego skoku powinien osiągnąć położenie nieruchome. Silnik przechodzi z jednego ustalonego położenia w drugie.

   Działanie momentu synchronicznego i momentu bezwładności powodują w czasie wykonywania skoku oscylacje. Jeżeli czas przełączania z jednego skoku na drugi jest dostatecznie długi, to drgania te zostaną całkowicie wytłumione. Jeżeli częstotliwość skoków jest za duża lub zbyt małe tłumienie to w czasie pracy mogą powstać niebezpieczne oscylacje.

   Graniczna częstotliwość stanu quasistatycznego jest ograniczona przez czas zanikania oscylacji wirnika, które powstają przy przejściu z jednego położenia ustalonego w drugie.


2.5.3.Stan ustalony.

   W stanie ustalonym silnik pracuje ze stałą częstotliwością impulsów sterujących, która jest większa od częstotliwości przy pracy quasistatycznej.


2.5.4.Stan dynamiczny.

   Jest zasadniczym stanem pracy silnika skokowego i zawiera: rozruch, hamowanie, nawrót, przejście od jednej częstotliwości do drugiej.


2.6. POJĘCIA OKREŚLAJĄCE WŁAŚCIWOŚCI SILNIKÓW KROKOWYCH.

   Do opisania charakterystycznych właściwości silników krokowych zdefiniowano szereg niżej wymienionych pojęć. Zaliczamy do nich:

   2.6.1. Częstotliwość maksymalna rozruchu f _{r max} - jest to maksymalna częstotliwość impulsów zasilających silnik krokowy, przy której każdemu impulsowi odpowiada przesunięcie kątowe lub liniowe wirnika o znamianową wartość skoku. Częstotliwość maksymalna rozruchu f _{r max} zwiększa się ze wzrostem momentu synchronizującego, że zmniejszeniem kąta skoku, a także ze zmniejszeniem momentu bezwładności i obciążenia

   2.6.2. Częstotliwość graniczna f g silnika skokowego jest to największa częstotliwość impulsów zasilających silnik krokowy, przy której jeszcze każdemu kolejnemu impulsowi, przy płynnym zwiększaniu częstotliwości od zera, odpowiada przesunięcie liniowe lub kątowe o znamianową wartość skoku.

   2.6.3. Częstotliwość graniczna nawrotu f n silnika skokowego jest to maksymalna częstotliwość impulsów zasilających silnik krokowy, przy której podczas zmiany kierunku obrotów każdemu impulsowi odpowiada przesunięcie kątowe lub liniowe wirnika o znamianową wartość skoku. Zwykle zachodzi zależność f _n =(0,2 ¸ 0,5) f _{r max}.

   2.6.4. Moment rozruchowy silnika skokowego jest to maksymalna wartość momentu obciążenia , przy której jest możliwy rozruch silnika bez utraty skoku.

   2.6.5. Maksymalny statyczny moment synchroniczny silnika skokowego jest to maksymalna wartość statycznego momentu synchronicznego rozwijana przez silnik krokowy podczas jego ustalonej pracy, określana z przebiegu charakterystyki kątowej momentu.

Rysunek 13. Charakterystyka mechaniczna z zaznaczonymi charakterystycznymi wielkościami. [1]

2.7. WADY I ZALETY SILNIKÓW KROKOWYCH.

   Na zakończenie rozdziału dotyczącego informacji o silnika krokowych ich budowie oraz różnych sposobu pracy należ wymienić wady oraz zalety tych silników.

Zalety to:
1. Kąt obrotów silnika jest proporcjonalny do ilości impulsów wejściowych.
2. Silnik pracuje z pełnym momentem w stanie spoczynku.
3. Precyzyjne pozycjonowanie i powtarzalność ruchu, dokładność 3-5 % kroku i nie kumulowanie się błędu z kroku na krok.
4. Możliwość bardzo szybkiego rozbiegu ,hamowania i zmiany kierunku.
5. Niezawodność ze względu na brak szczotek . Żywotność silnika zależy tylko od żywotności łożysk.
6. Zależność obrotów silnika od dyskretnych impulsów umożliwiające sterowanie w pętli otwartej co w efekcie powoduje, że silnik krokowy jest łatwiejszy i tańszy w sterowaniu.
7. Możliwe jest osiągnięcie bardzo niskich prędkości synchronicznych obrotów z obciążeniem umocowanym bezpośrednio na osi.
8. Szeroki zakres prędkości obrotowych uzyskiwany dzięki temu, że prędkość jest proporcjonalna do częstotliwości impulsów wejściowych.

Do wad zaliczamy:
1. Możliwość występowania stref rezonansowych częstotliwości sterowania.
2. Trudności przy pracy z dużymi prędkościami.
3. Możliwośc wypadania z synchronizmu.
4. Oscylacje powstające na końcu skoku.



Autor artykułu:
WObit
www.silniki.pl

---