Dobor silnika skokowego-instrukcja

Napędy urządzeń mechatronicznych
- projektowanie
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego
do pracy w obszarze rozruchowym”
Instrukcja
„Człowiek - najlepsza inwestycja”
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Warszawa 2013
2
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
3.
Dobór silnika skokowego do pracy
w obszarze rozruchowym
3.1.
WPROWADZENIE
3.1.1. Silniki skokowe
Elektryczne silniki skokowe są to elektromechaniczne przetworniki energii zamieniające ciąg impulsów sterujących na dyskretne przemieszczenia kątowe [3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.8,
3.9]. Dzięki temu możliwe jest wykorzystywanie ich w układach pozycjonujących z otwartą
pętlą położeniowego sprzężenia zwrotnego
3.1.1.2. Zasada działania
Silnik skokowy ma stojan z uzwojeniem pasmowym (rys. 3.1) oraz wirnik, który może
być wykonany jako czynny (z magnesem trwałym), jako bierny (typu reluktancyjnego) lub
jako hybrydowy (typu reluktancyjnego z podmagnesowaniem strumieniem stałym). Zasilenie
uzwojeń silnika określonym układem napięć stałych powoduje powstanie w szczelinie silnika
stałego strumienia magnetycznego o określonym kierunku w przestrzeni. Każdy stan elektryczny uzwojeń nazywa się taktem komutacji. Odpowiedzią silnika na takt komutacji jest
obrót wirnika o stały kąt zwany skokiem podstawowym. Zbiór kolejnych taktów, który wyczerpuje wszystkie możliwe rozkłady pola elektrycznego przy wybranym sposobie komutacji
tzn. powoduje obrót pola elektrycznego stojana o 360º elektrycznych, nazywany jest cyklem
komutacji (rys. 3.2).
Rys. 3.1. Połączenie uzwojeń silnika w dwa pasma [3.9]
Do sterowania silnika skokowego, które polega na doprowadzeniu do jego
pasm prądów o określonej wartości i w odpowiedniej sekwencji, służą specjalne układy elektroniczne zwane sterownikami. Typowy sterownik silnika skokowego składa
się z następujących elementów (rys. 3.3):
 układu logicznego – obecnie na ogół mikroprocesorowego,
 generatora impulsów taktujących,
 komutatora,
 wzmacniacza mocy.
Napędy urządzeń mechatronicznych
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
3
Rys. 3.2. Sposoby bipolarnej komutacji uzwojeń silnika dwupasmowego, dwubiegunowego [3.4]
Rys. 3.3. Schemat blokowy sterownika silnika skokowego wg [3.1]
We współczesnych sterownikach mikroprocesorowy układ logiczny ma zapisane w
pamięci typowe algorytmy sterowania odnoszące się zarówno do pozycjonowania, jak i pracy
ciągłej, w tym procedury rozpędzania i hamowania silnika. Parametry algorytmów są ustawiane przez użytkownika. W zależności od tych ustawień generator taktujący wysyła do komutatora impulsy taktujące o określonej częstotliwości.
Komutator zamienia impulsy taktujące i sygnał kierunku na odpowiednie sekwencje
sygnałów sterujących silnik. Programowalny komutator na ogół umożliwia realizację następujących sposobów komutacji:
1. Pojedynczo, gdy w każdej chwili zasilane jest tylko jedno pasmo silnika,
2. Parami, gdy jednocześnie zasilane są dwa pasma silnika.
3. Niesymetrycznie, gdy wzbudzane są na przemian jedno i dwa pasma silnika.
Wzmacniacze mocy, których liczba jest równa liczbie sterowanych pasm silnika, zasilają uzwojenia silnika impulsami napięcia, które z założenia mają kształt prostokątny. W
przypadku wzmacniaczy unipolarnych możliwe jest tylko jednobiegunowe zasilanie każdego
z pasm. We wzmacniaczach bipolarnych każde pasmo może być zasilane zarówno dodatnim
Napędy urządzeń mechatronicznych
4
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
jak i ujemnym napięciem. W celu uzyskania lepszych charakterystyk napędu współczesne
wzmacniacze realizują prądowe zasilanie pasm. Zasilanie prądowe polega na takim zasilaniu
napięciowym, aby prąd pasma możliwie szybko uzyskiwał wartość zadaną (od wartości prądu
pasma zależy przebieg momentu elektromagnetycznego) i utrzymywał ją aż do chwili zmiany
polaryzacji napięcia towarzyszącej procesowi komutacji bipolarnej.
3.1.1.3. Odmiany konstrukcyjne silników skokowych [3.1, 3.2, 3.4, 3.9]
Ze względu na budowę wirnika spotyka się trzy podstawowe rodzaje silników skokowych: z magnesami trwałymi, reluktancyjne, i hybrydowe.
Silniki z magnesem trwałym
W silnikach tych moment synchronizujący powstaje w wyniku oddziaływania pola
magnetycznego stojana z polem magnetycznym magnesów umieszczonych w wirniku. Popularną odmianą silników skokowych z magnesem trwałym są silniki z wirnikiem pazurowym
(rys. 2.4a) dobrze dostosowane do warunków produkcji masowej. Wysokie parametry mechaniczne osiągają silniki skokowe z wirnikiem tarczowym (rys. 3.4b).
a)
b)
Rys. 3.4. Przykłady konstrukcji silników skokowych z wirnikiem czynnym [3.4]:
a) silnik z wirnikiem pazurowym [8], b) silnik z wirnikiem tarczowym
Silniki z magnesem trwałym mają duże wartości momentu statycznego, zdolność do
zachowania położenia odpowiadającemu ostatniemu taktowi komutacji i silne wewnętrzne
tłumienie oscylacji po wykonaniu skoku. Pewna wadą tych silników jest stosunkowo mała
dynamika z powodu dość znacznych masowych momentów bezwładności wirników.
Silniki reluktancyjne
W silnikach reluktancyjnych moment napędowy powstaje w wyniku dążenia ferromagnetycznego wirnika do ustawienia się w położeniu odpowiadającym najmniejszej reluktancji
na drodze strumienia magnetycznego stojana. Dwie odmiany konstrukcyjne tych silników
przedstawiono na rys. 3.5.
Silniki reluktancyjne umożliwiają uzyskanie bardzo małych skoków, nawet poniżej 1.
stopnia, a tym samym pozwalają na stosowanie dużych częstotliwości taktowania. Po wyłączeniu napięcia zasilającego są pozbawione zdolności samoczynnego utrzymywania ostatniego stabilnego położenia.
Napędy urządzeń mechatronicznych
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
a)
5
b)
Rys. 3.5. Odmiany konstrukcyjne reluktancyjnych silników skokowych [3.4]:
a) trójpasmowy, b) czteropasmowy symetryczny; P1, P2, P3 – początki pasm, K1 – koniec
pasma 1
Silniki hybrydowe
W silniku hybrydowym wirnik ma dwa (lub więcej) nabiegunniki z wydatnymi zębami, przesunięte kątowo o pół podziałki (rys. 3.6). Trwały magnes wzbudzenia umieszczony
osiowo między nabiegunnikami gwarantuje zdolność utrzymywania przez wirnik położenia
równowagi w nie zasilonym stanie silnika. Jednocześnie silniki hybrydowe podobnie jak reluktancyjne mają małe skoki wirnika i mogą pracować przy dużych częstotliwościach taktowania. W urządzeniach mechatronicznych powszechnie stosowane są silniki hybrydowe
dwupasmowe sterowane pojedynczo bipolarnie.
Rys. 2.6. Hybrydowy silnik skokowy [3.3, 3.15]:
3.1.1.4. Charakterystyki silników skokowych [3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.7, 3.8, 3.9, 3.11]
Podstawową charakterystyką napędowego silnika skokowego jest proporcjonalna zależność pomiędzy liczbą impulsów taktujących i kątowym przemieszczeniem wirnika
  n  Θ n  (1,2,....k )
(3.1)
gdzie: γ – kątowe przemieszczenie wirnika [rad], Θ – nominalny skok silnika [rad], n – numer
bieżącego taktu komutacji, k – zadana liczba impulsów taktujących. Zachodzi zarazem liniowa zależność pomiędzy częstotliwością ft taktowania i średnią prędkością kątową ω wirnika
  ft  Θ .
Napędy urządzeń mechatronicznych
(3.2)
6
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
Powyższe zależności, kluczowe dla prawidłowego wykorzystania silników skokowych
obowiązują przy spełnieniu określonych warunków związanych z obciążeniem silników
i zasadami ich sterowania Warunki te zależą od rodzaju pracy silnika. Wyróżnia się następujące charakterystyczne rodzaje pracy silników skokowych [3.4]:
 statyczna,
 quasi statyczna,
 kinematyczna,
 dynamiczna.
Praca statyczna
Praca statyczna silnika skokowego ma miejsce wówczas, gdy prądy w uzwojeniach
sterujących są ustalone, a wektor strumienia stojana jest nieruchomy w przestrzeni. Właściwości silnika skokowego w tym stanie pracy określa charakterystyka kątowa momentu statycznego, która często przybliżana jest funkcją sinusoidalną – podstawową harmoniczną rzeczywistego przebiegu (rys. 3.7). Na rysunku przedstawiono wykresy momentu elektromagnetycznego silnika przy dwóch kolejnych taktach komutacji symetrycznej tzn. np. przy jednoczesnym zasilaniu jednej z czterech cewek Rysunek wyjaśnia pojęcie tzw. zapasu stabilności
czyli zdolności obciążonego silnika do wykonania skoku.
Moment
elektromagnetyczny Me
Θe
E
F
Mel
Ml
0
-π
-π+Θe
π
Kąt elektryczny γe
Rys. 3.7. Ilustracja warunku wykonania skoku przez obciążony silnik
Wysterowanie kolejnej cewki przesuwa w przestrzeni wektor pola magnetycznego o
kąt
Θe  90  .
Wirnik wykona skok w pożądanym kierunku tylko wtedy, gdy jego dotychczasowe
położenie będzie mieściło się w granicach strefy stabilności charakterystyki momentu w drugim takcie komutacji. W przypadku silnika nieobciążonego zapas stabilności wynosi
   Θe ,
(3.3)
a więc prawie 90º. Dla silnika obciążonego momentem Mred zapas stabilności maleje do wartości ograniczonej długością odcinak EF. Granicznym obciążeniem, przy którym silnik wykona skok o wymaganą wartość i w pożądanym kierunku jest taka wartość momentu, jaka
wynika z przecięcia się charakterystyk momentu w dwóch kolejnych taktach komutacji. Moment ten nazywa się momentem rozruchowym i wynosi
Napędy urządzeń mechatronicznych
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
M el  M m cos
7

k,
(3.4)
gdzie k oznacza liczbę taktów komutacji w cyklu a Mm – maksymalny („trzymający”) moment
silnika.
Praca quasi-statyczna
Praca ta występuje przy wykonywaniu przez silnik pojedynczego skoku lub ciągu
skoków o dostatecznie małej częstotliwości. Odpowiada to przełączaniu uzwojeń z taką częstotliwością, przy której stan pracy przejściowy, najczęściej oscylacyjny (rys. 3.8 a) zanika
przed wykonaniem następnego skoku (rys. 3.8 b). Największa częstotliwość fm pracy quasistatycznej jest więc ograniczona czasem trwania elektromechanicznego stanu przejściowego i
przy aperiodycznym charakterze odpowiedzi wirnika na wymuszenie jednostkowe można
przyjąć
fm 
1
5 r ,
(3.5)
gdzie τr oznacza zastępczą stałą czasową kątowej odpowiedzi wirnika. Opisany rodzaj pracy
ma zastosowanie jedynie w takich układach napędowych, w których koniecznej jest pozycjonowanie po każdym skoku.
Kąt obrotu wirnika
Kąt obrotu wirnika γ
γ1
3Θ
2
2Θ
γ2
T
γu0
1
1Θ
0
1 takt
Czas t
2 takt
3 takt
Czas t
Rys. 3.8. Drgania wirnika silnika po wykonaniu pojedynczego skoku a);
ruch wirnika przy quasi statycznej pracy silnika obciążonego momentem czynnym b);
1 – kątowe przemieszczenie wirnika, 2 – położenia równowagi silnika nieobciążonego [3.3,
3.4, 3.11]
Praca kinematyczna
Praca kinematyczna występuje przy sterowaniu silnika impulsami o stałej częstotliwości, większej od częstotliwości maksymalnej w przypadku pracy quasi-statycznej. Ze względu
na wzrost tłumienia wewnętrznego maleją oscylacje wirnika przy jego przechodzeniu przez
kolejne położenia równowagi. Silnik zachowuje się jak silnik synchroniczny. Przy obciążeniach z obszaru ograniczonego charakterystyką momentu rozruchowego (rys. 3.9 a) silnik
może rozpocząć ruch i zatrzymać się w pojedynczym takcie komutacji nie gubiąc skoków.
Zgodnie ze znaną definicją charakterystyka ta pokazuje, z jaką maksymalną częstotliwością
silnik może ruszyć przy danym obciążeniu momentem zewnętrznym, a zarazem zatrzymać się
Napędy urządzeń mechatronicznych
8
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
w jednym takcie komutacji nie gubiąc synchronizmu. Ze względu na zależność tej częstotliwości od inercyjnego obciążenia silnika (rys. 3.9 b) charakterystykę tę przedstawia się niejednokrotnie w postaci rodziny krzywych.
M
a)
A1
A
ft
Jred
b)
Jred1
ft
Rys. 3.9. Częstotliwościowa charakterystyka momentu rozruchowego silnika skokowego i jej
zależność od zredukowanego obciążenia inercyjnego wg [3.3]
A – silnik nieobciążony, A1 – silnik obciążony masowym momentem bezwładności Jred1
Praca dynamiczna
Praca dynamiczna silnika ma miejsce w stanach przejściowych spowodowanych
zmianą częstotliwości impulsów sterujących. Taka sytuacja występuje podczas rozruchu,
przyspieszania, hamowania i nawrotu. Rozruch następuje na ogół z położenia ustalonego i jest
wywołany skokowym wzrostem częstotliwości impulsów sterujących od zera do wartości
zadanej, ograniczonej charakterystyka rozruchową. Stosując płynne, powolne zwiększanie
częstotliwości taktowania można doprowadzić silnik do dużej prędkości przechodząc z obszaru pracy kinematycznej do obszaru pracy przyspieszonej (rys. 3.10). Silnik nadal pracuje synchronicznie, jednak jego zatrzymanie lub nawrót nie mogą odbyć się w pojedynczym takcie
komutacji. Konieczne jest wówczas zastosowanie procedury powolnego hamowania. Obszar
pracy przyspieszonej ograniczony jest graniczną charakterystyką impulsów sterujących, powyżej której silnik wypada z synchronizmu i zatrzymuje się.
Napędy urządzeń mechatronicznych
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
9
Mred
1
2
A
B
ft
Rys. 3.10. Obszary pracy silnika skokowego: 1 – obszar pracy kinematycznej, 2 – obszar pracy
przyspieszonej wg [3.4, 3.9];
graniczne charakterystyki: A – rozruchu, B – pracy;
ft – częstotliwość taktowania, Mred – moment obciążający
Mechaniczne charakterystyki silników skokowych w postaci zależności granicznych
częstotliwości ich pracy od obciążenia bardzo silnie zależą od przyjętego sposobu sterowania
i właściwości użytego sterownika [3.9, 3.11]. Z tego powodu w katalogach tych silników
obok przebiegu charakterystyk zamieszczana jest informacja o tym, jaki sterownik był użyty
przy ich wyznaczaniu (rys. 3.11). W niektórych publikacjach naukowych przedstawiane są
matematyczne modele silników umożliwiające obliczenie przebiegu charakterystyk [3.9],
jednak opisy te nie są wygodne w użyciu i dlatego z reguły charakterystyki graniczne przedstawia się jako zależności graficzne wyznaczone na drodze doświadczalnej.
Rys. 3.11. Graniczne charakterystyki silnika skokowego z wirnikiem tarczowym [3.13]
3.1.2. Matematyczny model silnika skokowego [3.8, 3.9]
Napędy urządzeń mechatronicznych
10
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
Silniki skokowe zaliczamy do elektrycznych mikromaszyn synchronicznych. Główną
ich cechą jest niejednostajność wirowania pola magnetycznego i zasilanie impulsowe. Ciągi
impulsów sterujących są jedno lub dwubiegunowym sygnałem zasilającym określone pasma
uzwojeń. Kolejne impulsy powodują tzw. zmianę taktów komutacji, czyli zmianę rozpływu
prądów w uzwojeniach silnika. Towarzyszy temu zmiana kierunku pola magnetycznego maszyny, zaś skokowym zmianom rozkładu pola odpowiadają dyskretne przesunięcia kątowe
wirnika. Uzwojenia silnika skokowego mogą być zasilane w różnych kombinacjach.
Kątem mechanicznym γ są położenia kątowe wirnika wyrażane w radianach, a kąt
elektryczny γe to położenie kątowe wektora pola elektrycznego; pełny cykl komutacji odpowiada okresowi T = 2 radianów elektrycznych.
W przypadku silników magnetoelektrycznych (z magnesem trwałym) wzajemna relacja ww. kątów jest przedstawiona wzorem
p γ0 
2π
k
(3.6)
w którym: k –liczba taktów komutacji w cyklu, γ0 –podstawowy skok wirnika (mechaniczny),
p – liczba par biegunów wirnika. W przypadku silników reluktancyjnych i hybrydowych zależność ta przybiera postać
Z r γ0 
2π
k
(3.7)
gdzie Zr oznacza liczbę zębów wirnika.
Model „idealizowany”
W modelu tym przetwarzanie energii w silniku przybliżone jest sinusoidalną zależnością momentu od tzw. kąta niezgodności δ pól magnetycznych wirnika i stojana oraz współczynnikiem tłumienia Dm. W przypadku silnika hybrydowego na model ten składają się równania [11, 13, 15]:
 ruchu
J s  J red 
w którym

i wymuszenia
d2 
dt
2
 Dm
d
d  
 M F  M Fred sgn   M red  M e
dt
 dt 
,
(3.8)
M e  M m sin   ,
(3.9)
  Z r    u t 
(3.10)
 u (t )   u 0 E1  f k t ,
(3.11)
przy czym: E – funkcja „entier” (całkowita część wartości w nawiasie), fk – stała częstotliwość komutacji, Jred, MFred, Mred – mechaniczne obciążenia zredukowane do wałka silnika, Me
– moment elektromagnetyczny silnika, γ – kąt obrotu wirnika, γu – chwilowe położenie stabilnej równowagi wirnika, a pozostałe symbole oznaczają parametry silnika niezbędne do korzystania z powyższego modelu. Są to:
Napędy urządzeń mechatronicznych
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
1.
2.
3.
4.
5.
6.
11
moment bezwładności Js wirnika,
wewnętrzny momentu tarcia MF,
podstawowy kąt skoku γu0,
liczba Zr zębów wirnika,
maksymalny moment Mm,
współczynnik tłumienia Dm.
3.1.3. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie zasad doboru silników skokowych do pracy w obszarze rozruchowym oraz nabycie umiejętności samodzielnego przeprowadzenia takiego doboru.
3.2.
ALGORYTM DOBORU SILNIKA [3.13, 3.14]
Jeśli silnik obciążony stałym momentem Mmech ma przemieścić elementy o momencie
bezwładności wynoszącym Jmech na drodze kątowej Δγmech w czasie Tp, to w pierwszej kolejności należy sprawdzić, czy możliwe jest wykonanie tego zadania w obszarze rozruchowej
pracy silnika, bez konieczności stosowania specjalnych algorytmów rozpędzania i hamowania.
3.2.1. Napęd bezpośredni
3.2.1.2. Wyznaczenie częstotliwości taktowania
Obliczyć częstotliwość fk taktowania silnika niezbędną do zrealizowania ruchu w wyznaczonym czasie Tp
fk 
Δγ s 1
,
Θ Tp
(3.12)
przy czym: Δγs – kątowe przemieszczenie silnika, które w tym przypadku jest równe drodze
kątowej mechanizmu
Δγ s  Δγ mech ,
(3.13)
a Θ to założony kąt skoku silnika, który na ogół jest stały dla pewnej klasy silników. W przypadku silników hybrydowych można tu rozpatrywać typowe skoki o wartościach
Θ  0,9 °,1,8 °, 3,6 ° 
oznaczające odpowiednio 400, 200 i 100 skoków silnika na obrót wirnika.
3.2.1.3. Obliczenie granicznej częstotliwości obciążonego silnika
Wybrać z katalogu kilka silników o maksymalnym momencie rozruchowym większym od momentu Mmech (rys. 3.12). Dla silników tych obliczyć graniczne częstotliwości rozruchu f1 zgodnie z zależnością
f 1  f gp
Js  J p
J s  J mech
,
Napędy urządzeń mechatronicznych
(3.14)
12
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
w której: fgp - graniczna częstotliwość rozruchowa silnika obciążonego podczas pomiarów
masowym momentem bezwładności Jp (Hz), f1 - graniczna częstotliwość rozruchowa silnika
obciążonego masowym momentem bezwładności Jmech (Hz), Jp – masowy moment bezwładności obciążający silnik przy wyznaczaniu charakterystyk (kgm2), Jmech -masowy moment
bezwładności elementów obciążających (kgm2), Js - masowy moment bezwładności wirnika
(kgm2).
3.2.1.4. Określenie przybliżonego przebiegu charakterystyk rozruchowych
Dla wyznaczonych wartości częstotliwości granicznych należy narysować przybliżony
przebieg charakterystyki rozruchowej dla każdego z silników obciążonego inercyjnie momentem bezwładności Jmech (rys. 3.13).
Rys. 3.13. Przybliżony przebieg granicznej charakterystyki rozruchowej silnika wg [3.14]
3.2.1.5. Sprawdzenie warunku pracy kinematycznej
Jeśli wśród wybranych silników znajduje się taki, który przy danej częstotliwości taktowania może pracować pod obciążeniem Mmech, oznacza to, że stosując ten silnik pozycjonowanie można zrealizować bez przyspieszania i hamowania (rys. 3.14) .
Napędy urządzeń mechatronicznych
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
13
Rys. 3.14. Sprawdzenie momentu granicznego wg [3.14]
3.2.2. Napęd z przekładnią
Jeżeli okaże się, że napęd bezpośredni nie jest zdolny do wykonania zadania, wówczas
można rozpatrzyć możliwość zastosowania przekładni redukcyjnej, która zmniejszy inercyjne
obciążenie silnika.
3.2.2.1. Obliczenie przełożenia przekładni i częstotliwości granicznej
Zaleca się, aby zredukowany moment bezwładności obciążenia był równy masowemu
momentowi bezwładności wirnika. Wtedy przełożenie przekładni oblicza się ze wzoru
ip 
J mech
,
Js
(3.15)
w którym: Jmech – masowy moment bezwładności napędzanych elementów mechanizmu, Js –
masowy moment bezwładności wirnika silnika. W takiej sytuacji graniczna częstotliwość
rozruchowa silnika może być wyznaczona jako
f 1  f gp
Js  J p
2 Js
.
(3.16)
Obliczenia te należy wykonać dla wytypowanych silników.
3.2.2.2. Obliczenie częstotliwości taktowania
Wymaganą częstotliwość taktowania oblicza się ze wzoru (3.12), przy czym wyznaczając kątową drogę wirnika równanie (3.13) należy zastąpić zależnością
Δ s  Δ mech  i p .
3.2.2.3. Obliczenie zredukowanego momentu obciążającego silnik
Napędy urządzeń mechatronicznych
(3.17)
14
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
Moment obciążający silnik oblicza się korzystając ze znanego wzoru
M red 
M mech
i p p
(3.18)
gdzie: Mmech – moment potrzebny do napędzania mechanizmu, Mred – moment zredukowany
do wałka silnika, ip – przełożenie przekładni, ηp – sprawność przekładni.
3.2.2.4. Sprawdzenie doboru silnika
Dalszy tok postępowania jest analogiczny, jak przy napędzie bezpośrednim. Konieczne jest wyznaczenie przybliżonego przebiegu charakterystyki rozruchowej dla analizowanych
silników, a następnie sprawdzenie warunku
M red  M mechmax1 ,
(3.19)
przy wyznaczonej częstotliwości taktowania fk.
3.3.
WYKONANIE ĆWICZENIA
Ze wskazanego katalogu dobrać silnik skokowy, który będzie służył do napędzania
obrotowego stołu urządzenia technologicznego (rys. 3.15) wyposażonego w n równomiernie
rozmieszczonych gniazd. Ruch o podziałkę między gniazdową ma trwać nie dłużej niż Tp.
Masowy moment bezwładności stołu wynosi Jmech, a w jego łożyskowaniu występuje w przybliżeniu stały moment tarcia MFst. Silnik napędza stół za pośrednictwem redukcyjnej przekładni cięgnowej.
Rys. 3.15. Schemat układu napędowego stolika obrotowego
3.3.1. Odebranie i analiza danych indywidualnych
Zanotować przekazane przez prowadzącego dane dotyczące napędzanego mechanizmu
(zał. 3.1).
Napędy urządzeń mechatronicznych
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
15
3.3.2. Przeprowadzenie doboru silnika napędowego
Na podstawie danych indywidualnych dokonać doboru silnika skokowego stosując algorytm przedstawiony w p. 3.2 i korzystając ze wskazanego katalogu silników skokowych.
3.3.3. Opracowanie sprawozdania
W sprawozdaniu z ćwiczenia należy zamieścić:
a) temat zadania i dane indywidualne (p. 3.3.1),
b) opis doboru silnika skokowego wraz ze wszystkimi obliczeniami (p. 3.3.2),
c) kartę katalogową wybranego silnika wraz z jego charakterystykami i wyznaczonym punktem pracy silnika wrysowanym w obszar pracy rozruchowej,
d) wnioski dotyczące efektywności zastosowanego algorytmu.
3.4.
LITERATURA
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
3.8.
3.9.
3.10.
3.11.
3.12.
3.13.
3.14.
3.15.
3.16.
Acarnley P. P.: Stepping Motors: a guide to modern theory and practice. Peter
Peregrinus Ltd. New York 1982
Elektryczne maszynowe elementy automatyki. Praca zbiorowa pod red. J. Owczarka.
WNT. Warszawa 1983
Jaszczuk W., Wierciak J., Bodnicki M.: Napędy elektromechaniczne urządzeń precyzyjnych. Ćwiczenia laboratoryjne. OWPW. Warszawa 2000
Konstrukcja przyrządów i urządzeń precyzyjnych. Praca zbiorowa pod red. W.
Oleksiuka. WNT. Warszawa 1996
Market for Industrial Micromotors Enters Fullscale Growth. JEE. 1982, Nr 192,
v.19, s. 57
Micromotor Horizons Brighten with Electronics. JEE. 1982, Nr 192, v.19, s. 39-42
Mikrosilniki elektryczne. Badanie właściwości statycznych i dynamicznych. Praca
zbiorowa pod redakcją W. Jaszczuka. PWN. Warszawa 1991
Praca zbiorowa pod red. M. G. Czilikina. Dyskretne napędy elektryczne z silnikami
skokowymi. WNT. Warszawa 1975
Sochocki R.: Mikromaszyny elektryczne. OWPW. Warszawa 1996
Tetsugu Y.: The Expanding Applications of Precision Micromotors. JEE. 1981, Nr
179, v.18, s. 45-49
Wróbel T.: Silniki skokowe. WNT. Warszawa 1993
Żelazny M.: Podstawy automatyki. PWN. Warszawa 1976
API Portescap. Miniature High Performance Motors & Peripheral Components for
Motion Solutions. Katalog 1999
SHINANO KENSHI Corporation. Stepper Motors. Katalog silników skokowych
SIEMENS. Shrittmotoren. Katalog
VEXTA. DC stepping motors. Katalog
Napędy urządzeń mechatronicznych
1
Załącznik 3.1
Ćwiczenie 3
„Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym”
Lista danych indywidualnych
Nr
tematu
Jmech
gcm
2
MFst
n
Tp
Nmm
1
ms
1.
100
100
4
200
2.
100
100
5
160
3.
200
100
10
80
4.
250
100
20
40
5.
500
500
4
200
6.
1000
500
5
160
7.
1500
500
10
80
8.
2000
5000
20
40
9.
1500
1000
4
200
10.
2000
1000
5
160
11.
4000
1000
10
80
12.
6000
1000
20
40
13.
100
150
4
300
14.
100
150
5
240
15.
200
150
10
120
16.
250
150
20
60
17.
500
750
4
300
18.
1000
750
5
240
19.
1500
750
10
120
20.
2000
750
20
60
2
Nr
tematu
Jmech
gcm
2
MFst
n
Tp
Nmm
1
ms
21.
1500
1500
4
300
22.
2000
1500
5
240
23.
4000
1500
10
120
24.
6000
1500
20
60
25.
100
200
4
500
26.
100
200
5
400
27.
200
200
10
200
28.
250
200
20
100
29.
500
900
4
500
30.
1000
900
5
400
31.
1500
900
10
200
32.
2000
900
20
100
33.
1500
900
4
500
34.
2000
2000
5
400
35.
4000
2000
10
200
36.
6000
2000
20
100
37.
100
250
4
600
38.
100
250
5
450
39.
200
250
10
300
40.
250
250
20
150