Понимание притяжения

Валентин Рашке | 13 сентября 2022 г.

Когда пришло время выбрать высокопроизводительный двигатель, который обеспечивает как точное позиционирование, так и экономическую эффективность, шаговые двигатели предлагают множество преимуществ перед двигателями постоянного тока благодаря своей бесщеточной технологии. Хотя выбор шагового двигателя требует множества соображений, проектировщики должны понимать и учитывать кривые крутящего момента на вытягивании и втягивании, которые описывают характеристики скорости и крутящего момента двигателя во время его работы. В этой статье будет представлен обзор концепций момента вытягивания и втягивания, которые следует учитывать при реализации шаговых двигателей с системой движения.

На рисунке 1 ниже показан крутящий момент, создаваемый трехфазным бесщеточным двигателем постоянного тока (BLDC) с шестиступенчатой ​​коммутацией. Датчики Холла встроены в двигатель и отслеживают положение ротора. Эта информация позволяет коммутировать три фазы в нужный момент, чтобы поддерживать угол 90°±30° между магнитным полем ротора и статора. Пульсации тока небольшие, но крутящий момент, развиваемый двигателем, относительно стабилен и в некоторой степени зависит от положения ротора. Энкодер с высоким разрешением может обеспечить более точную обратную связь по положению ротора и снизить пульсации крутящего момента практически до нуля.

Рисунок 1. Фаза и крутящий момент двигателя BLDC.

На рисунке 2 ниже показана простая версия шагового двигателя: магнит с одной парой полюсов, служащей ротором, и двумя отдельными фазами, расположенными в статоре. Эта конструкция обеспечивает четыре полных шага за один механический оборот. Полученные кривые крутящего момента, показывающие непрерывный ток, приложенный к каждой фазе, показаны на рисунке 3 и представлены синими и оранжевыми графиками. Если двигатель вращается на полном шаге, обеспечивая одновременно только одну фазу, ток будет поступать в следующем порядке: A, B, -A и -B.

Рисунок 2. Шаговый двигатель с одной парой полюсов.

Зеленые графики ниже на рисунках 3a и 3b иллюстрируют результирующий крутящий момент на валу двигателя. В отличие от двигателя BLDC, крутящий момент шагового двигателя будет существенно зависеть от положения ротора. Для достижения экономичной и простой конструкции шаговый двигатель обычно приводится в движение в режиме разомкнутого контура без обратной связи по положению ротора. Таким образом, коммутация происходит с помощью внешнего сигнала (шагов в секунду) без установления текущего положения ротора. «Идеальная» коммутация должна включать ток в фазе, когда ротор расположен точно между двумя фазами. Однако в разомкнутом контуре — без обратной связи по положению ротора — ротор не всегда может находиться в идеальном положении. При выборе шагового двигателя проектировщик должен принять во внимание эту неопределенность, применив коэффициент безопасности к моменту вытягивания.

Рисунок 3а. «Идеальная» коммутация двухфазного шагового двигателя.

Рисунок 3б. Реалистичная коммутация двухфазного шагового двигателя в разомкнутом контуре.

Чтобы лучше понять, как определяется максимальный момент вытягивания, важно рассмотреть, как он измеряется. Обычно момент выдергивания измеряется при следующих условиях:

На рисунке 4 ниже показана схема измерения момента вытягивания. Двигатель будет подключен к драйверу, который определяет направление вращения и скорость двигателя с помощью импульсного сигнала. Вал двигателя соединен с регулируемой тормозной системой, такой как вихретоковый тормоз, которая позволяет прикладывать к двигателю переменную нагрузку.

Рисунок 4. Установка для измерения момента вытягивания.

Измерение проводится следующим образом:

Рисунок 5. Пример кривой крутящего момента при вытягивании.

Максимальные значения нагрузки для каждой скорости, измеренные на этапе 3, представляют собой кривую крутящего момента двигателя, как показано выше на рисунке 5. Из-за резонанса определенные скорости могут привести к неравномерному поведению двигателя, и их следует избегать. Это состояние можно отобразить на диаграмме момента вытягивания.

На практике момент вытягивания используется для определения диапазона крутящего момента и скорости для безопасного управления двигателями в разомкнутом контуре. Для максимального момента нагрузки обычно учитывается коэффициент безопасности, составляющий 30 процентов (представленный на рисунках 6a и 6b пунктирной синей линией), по сравнению с максимально доступным моментом выдергивания (представленным ниже на рисунках 6a и 6b сплошной линией). Синяя линия).