TEORIA NAPĘDÓW KROKOWYCH

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
61-474 Poznań ul. Gruszkowa 4 wobit@wobit.com.pl
TEORIA NAPĘDÓW
wyd. 21.06.07
KROKOWYCH
SPIS TREŚCI
1. Podstawy
1.1 Co to jest silnik krokowy
..........................................................................................................
1.2 Budowa
.............................................................................................................................
1.3 Zasada funkcjonowania
..........................................................................................................
1.4 Odniesienie do innych rodzajów napędów
.....................................................................................
4
4
4
5
2. Specyika silników krokowych
2.1 Ogólny podział silników krokowych
.............................................................................................
2.2 Podstawowe parametry silnika krokowego
.....................................................................................
2.3 Charakterystyka dynamiczna
....................................................................................................
2.4 Charakterystyka statyczna
.......................................................................................................
2.5 Drgania
.............................................................................................................................
2.6 Zalety i wady silników krokowych
...............................................................................................
6
6
7
8
9
9
3. Sterowanie silnikami krokowymi
3.1 Rodzaje
.............................................................................................................................
3.2 Sterowanie mikrokrokowe
........................................................................................................
3.3 Rezonans
..........................................................................................................................
10
11
12
4. Podstawy mechaniczne doboru
4.1 Układy mechaniczne
..............................................................................................................
4.2 Dobór napędu
......................................................................................................................
4.3 Nośność promieniowa osi
........................................................................................................
4.4 Utrata kroku przez silnik
.........................................................................................................
4.5 Tablice z podstawowymi wzorami
...............................................................................................
4.6 Wyliczenia
..........................................................................................................................
13
13
13
14
16
16
5. Jednostki
5.1 Nazwy i skala
......................................................................................................................
19
6. Podstawowe wiadomości
6.1 Warto wiedzieć
....................................................................................................................
6.2 Podstawowe zasady projektowania układu z napędem krokowym DC
....................................................
6.3 Przekładnie
........................................................................................................................
6.4 Sprzęgła
............................................................................................................................
6.5 Sterowniki
..........................................................................................................................
6.6 Generatory i mikroindeksery
.....................................................................................................
6.7 Zasilacze
...........................................................................................................................
20
20
20
21
22
22
22
PODSTAWY
DEFINICJA, BUDOWA, ZASADA FUNKCJONOWANIA
1. Podstawy wiedzy o silnikach krokowych:
1.1 Co to jest silnik krokowy:
Silniki krokowe są cyfrowo sterowanymi napędami stosowanymi do pozycjonowania.
Umożliwiają łatwą kontrolę kąta i prędkości obrotowej w zakresie od zera do kilku tysięcy
obrotów na sekundę zależnie od parametrów silnika i sterownika. Charakterystyczną cechą
silnika krokowego jest utrzymywanie rotora w określonej pozycji z pełnym momentem
trzymającym co oznacza stały pobór prądu, dlatego też silniki krokowe mimo postoju są
niepokojąco ciepłe. Zaleta łatwego pozycjonowania silnika stwarza wiele możliwości
aplikacji od automatyzacji w przemyśle, poprzez urządzenia z zakresu techniki medycznej,
zastosowania w przemyśle samochodowym do przemysłu zabawek i reklam.
1.2 Budowa:
Silnik krokowy składa się z rotora i stojana. To właśnie te dwa elementy odpowiedzialne są
za jego rotacyjną pracę.
Wyróżniamy kilka rodzajów napędów krokowych prądu stałego:
- o zmiennej reluktancji (VR),
- z magnesem stałym (PM),
- hybrydowy oraz tarczowy.
Silnik o zmiennej reluktancji posiada najprostszą budowę przez co ma wielu zwolenników.
Obecnie prym na rynku wiodą silniki z magnesem stałym oraz hybrydowe. Te pierwsze są
tańsze, jednak napędy hybrydowe charakteryzują się wyższą rozdzielczością i prędkością
obrotu i dlatego są najpopularniejsze.
Silniki z magnesem stałym mają najczęściej rozdzielczość 24-48 kroków na obrót.
Napędy hybrydowe standardowo dysponują rozdzielczością 100-400 kroków na pełen obrót.
Dodatkowo ich zaletą jest osiąganie wyższych momentów trzymających przy zbliżonych
parametrach konstrukcyjnych.
1.3 Zasada funkcjonowania:
Silniki krokowe działają dzięki
odpychaniu i przyciąganiu
elektrycznie wytwarzanych biegunów
magnetycznych wewnątrz silnika.
W silnikach o zmiennej reluktancji na
stojanie znajdują się uzwojenia przez
które płynie prąd wywołując powstanie
pól magnetycznych. Rotor natomiast
wykonany jest ze stali miękkiej
magnetycznie. Ruch powstaje gdy
zęby rotora przyciągane są przez
bieguny stojana.
Rys. Silnik o zmiennej reluktancji
Str. 3
PODSTAWY
ODNIESIE DO INNYCH NAPĘDÓW
Rys. Silnik z magnesem stałym
Rys. Silnik hybrydowy
Silnik ze stałym magnesem zbudowany jest odmiennie. Rotor nie posiada zębów, w zamian
ma kształt walca namagnesowanego naprzemiennie wzdłuż osi obrotu. Stojan znajduje
się wokół rotora i składa się z elementów posiadających uzwojenia generujące bieguny na
przeciwnych końcach elementu. Oba końce zakrzywione są do wewnątrz tak, aby bieguny
znajdowały się naprzeciwko biegunów na rotorze. Namagnesowanie rotora pozwala na
uzyskanie lepszego momentu. Silniki te są bardzo tanie w produkcji dzięki zastosowaniu
ferrytowych magnesów.
1.4 Odniesienie do innych rodzajów napędów:
Wśród napędów prądu stałego wyróżniamy kilka rodzajów, które posiadają indywidualne
charakterystyki, zalety i wady ale wyróżniają się łatwą regulacją prędkości. Dzięki
takiemu spektrum rodzina ta znajduje szerokie zastosowanie w otaczającym nas świecie.
Podstawowe typy to silniki prądu stałego, komutatorowe i bezszczotkowe, krokowe i liniowe
oraz planarne.
Silniki komutatorowe i bezszczotkowe charakteryzują się dużą prędkością obrotową.
Od napędów krokowych odróżnia je konieczność stosowania enkoderów w celu kontroli
pozycji. Podstawowym parametrem przy ich doborze jest moment obrotowy. Przyjmuje
się je sześć do dziesięciu razy większe niż wymagany moment, aby punkt pracy leżał jak
najbliżej maksymalnego stopnia sprawności. Różnica między nimi polega na konstrukcji.
Silniki bezszczotkowe nie posiadają komutatora, dzięki czemu są znacznie trwalsze, a
ogranicza je jedynie żywotność łożysk. Są one jednak słabsze od napędów komutatorowych
o zbliżonych gabarytach.
Silniki krokowe prądu stałego wykonują skokowy ruch obrotowy. Legitymują się znacznie
niższą prędkością obrotową niż silniki komutatorowe i bezszczotkowe. Służą do precyzyjnego
pozycjonowania, można zadawać im częstą zmianę kierunku obrotów i dokładnie określić
położenie kątowe. Dla silnika krokowego trzymanie pełnym momentem przy zerowej
prędkości jest stanem normalnym, a nie zabronionym stanem zwarcia jak dla silników DC.
Silniki liniowe są dokładniejsze niż odpowiednik krokowy z przekładnią na ruch liniowy.
Silniki planarne stanowią zupełnie odmienną kategorię. Są to napędy krokowe
o zintegrowanym systemie odmierzania aktualnego położenia suwaka. Ich budowa jest
odmienna od poprzednich typów. W tym przypadku mechaniczny suwak porusza się na
poduszce powietrznej dzięki polu magnetycznemu wytwarzanemu przez stolik pełniący
funkcję stojana. Silnik planarny serii LMPP w ofercie irmy WObit został skonstruowany
do określania położenia bez możliwości regulacji. Pracuje wyłącznie w otwartym obwodzie
regulacyjnym.
Str. 4
SPECYFIKACJA SILNIKÓW KROKOWYCH
PODZIAŁ OGÓLNY
2. Specyika silników krokowych:
2.1 Ogólny podział silników krokowych:
2.1.1 Podział ze względu na rodzaj ruchu:
Oprócz opisanych szerzej w rozdziale pierwszym silników krokowych obrotowych na
rynku występuje również gałąź napędów krokowych liniowych. Tak jak w przypadku
silników obrotowych, najczęściej spotykane są liniowe silniki skokowe reluktancyjne
i hybrydowe, znacznie rzadziej elektrodynamiczne. Rotacyjny silnik krokowy wykonuje pod
wpływem impulsów ruch obrotowy. Rdzeń stojana i nabiegunniki silnika reluktancyjnego
są wykonane z blachy elektrotechnicznej. Hybrydowy, liniowy napęd krokowy składa się
z ruchomego biegunnika i nieruchomego stojana. Stojan stanowi uzębiona płyta z materiału
ferromagnetycznego. Część ruchoma składa się z dwóch rdzeni ferromagnetycznych,
pomiędzy którymi znajduje się magnes trwały, a na każdym rdzeniu znajduje się uzwojenie.
Zaletą liniowego silnika krokowego jest bezpośrednia zamiana impulsowych sygnałów
wejściowych na przemieszczenie liniowe. Liniowe napędy skokowe mają większą dokładność
i sprawność oraz lepsze charakterystyki dynamiczne w porównaniu z wirującymi silnikami
krokowymi w połączeniu z mechanizmami przetwarzania ruchu obrotowego na postępowy.
2.1.2 Podział ze względu na rodzaje uzwojeń silników krokowych:
Klasyikacja napędów krokowych rozróżnia ze względu na ilość segmentów silniki jedno-
i wielosegmentowe. Zwiększenie ilości segmentów umożliwia uzyskanie, przy odpowiednim
zasilaniu impulsami uzwojeń segmentów, dużej liczby skoków na jeden obrót.
Z ilością segmentów związana jest ściśle ilość pasm uzwojeń silnika. Należy zauważyć,
że istnieją dwa sposoby ułożenia pasm: symetryczne i niesymetryczne. W konstrukcji
symetrycznej uzwojenia dwóch przeciwległych biegunów stojana tworzą pasmo. Rozwiązanie
niesymetryczne charakteryzuje się tym, że całe uzwojenie jednego pasma jest umieszczone
na jednym biegunie. Silniki krokowe różnią się pod względem liczby pasm uzwojenia.
Każde pasmo jest częścią uzwojenia i jest zasilane impulsami. Rozróżnia się jedno-, dwu-
, trzy-, cztero- lub pięciopasmowe silniki krokowe. Od liczby pasm zależą w dużej mierze
właściwości silnika krokowego. Wraz ze wzrostem liczby pasm, zwiększa się moment
obrotowy i liczba skoków na obrót przy malejącej wartości skoku. Zwiększenie liczby pasm
powoduje zmniejszenie pulsacji momentu obrotowego w efekcie dobre tłumienie oscylacji
i ograniczenie zjawiska rezonansu. Firma WObit posiada w swej ofercie szeroką paletę
silników krokowych oraz aktuatorów liniowych, których opis znajduje się w dalszej części
katalogu.
Str. 5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]