Teoria napędów krokowych.pdf

P.P.H WObit mgr inż. Witold Ober http://www.wobit.com.pl

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 .....................................................................................

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 ...............................................................................................

3. Sterowanie silnikami krokowymi

3.1 Rodzaje .............................................................................................................................

3.2 Sterowanie mikrokrokowe ........................................................................................................

3.3 Rezonans ..........................................................................................................................

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 ..........................................................................................................................

5. Jednostki

5.1 Nazwy i skala ......................................................................................................................

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 ...........................................................................................................................

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

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: