Selectie van stappenmotoren in automatiseringsapparatuur

StappenmotorenDeze aandrijfoplossing kan worden gebruikt voor snelheids- en positioneringsregeling zonder gebruik van feedbackapparaten (oftewel open-lusregeling), waardoor deze oplossing zowel economisch als betrouwbaar is. Stappenmotoren worden veelvuldig gebruikt in automatiseringsapparatuur en instrumenten. Veel technici hebben echter vragen over de juiste keuze van een stappenmotor en hoe ze de beste prestaties uit een stappenmotoraandrijving kunnen halen. Dit artikel bespreekt de selectie van stappenmotoren, met de nadruk op de toepassing van enkele technische voorbeelden. Hopelijk draagt ​​dit artikel bij aan de popularisering van stappenmotoren in automatiseringsapparatuur.

 

1. Inleiding vanstappenmotor

De stappenmotor, ook wel pulsmotor of stepmotor genoemd, beweegt met een bepaalde hoek vooruit telkens wanneer de excitatietoestand verandert volgens het ingangspulssignaal. Wanneer de excitatietoestand onveranderd blijft, blijft de stappenmotor op een bepaalde positie staan. Hierdoor zet de stappenmotor het ingangspulssignaal om in een overeenkomstige hoekverplaatsing voor de uitgang. Door het aantal ingangspulsen te regelen, kan de hoekverplaatsing van de uitgang nauwkeurig worden bepaald voor een optimale positionering. Door de frequentie van de ingangspulsen te regelen, kan de hoeksnelheid van de uitgang nauwkeurig worden geregeld, wat resulteert in snelheidsregeling. Eind jaren 60 ontstonden diverse praktische stappenmotoren en de afgelopen 40 jaar hebben ze een snelle ontwikkeling doorgemaakt. Stappenmotoren hebben zich ontwikkeld tot gelijkstroommotoren, asynchrone motoren en synchrone motoren, en zijn uitgegroeid tot een basistype motor. Er zijn drie typen stappenmotoren: reactieve (VR-type), permanentmagneet (PM-type) en hybride (HB-type). De hybride stappenmotor combineert de voordelen van de eerste twee typen stappenmotoren. Een stappenmotor bestaat uit een rotor (rotorkern, permanente magneten, as, kogellagers), een stator (wikkeling, statorkern), voor- en achtereindkappen, enzovoort. De meest voorkomende tweefasige hybride stappenmotor heeft een stator met 8 grote tanden, 40 kleine tanden en een rotor met 50 kleine tanden; een driefasige motor heeft een stator met 9 grote tanden, 45 kleine tanden en een rotor met 50 kleine tanden.

 

2. Controleprincipe

DestappenmotorDe stappenmotor kan niet rechtstreeks op de voeding worden aangesloten en kan ook geen elektrische pulssignalen ontvangen. De communicatie tussen de voeding en de controller moet via een speciale interface verlopen: de stappenmotordriver. De stappenmotordriver bestaat doorgaans uit een ringverdeler en een eindversterker. De ringverdeler ontvangt de stuursignalen van de controller. Telkens wanneer een pulssignaal wordt ontvangen, wordt de uitgang van de ringverdeler één keer omgezet. De aanwezigheid of afwezigheid en de frequentie van het pulssignaal bepalen of de snelheid van de stappenmotor hoog of laag is, of dat de motor versnelt of vertraagt, start of stopt. De ringverdeler moet ook het stuursignaal van de controller controleren om te bepalen of de uitgangstoestanden positief of negatief zijn, en zo de aansturing van de stappenmotor te bepalen.

 

3. Belangrijkste parameters

① Bloknummer: voornamelijk 20, 28, 35, 42, 57, 60, 86, enz.

② Fasen: het aantal spoelen in de stappenmotor. Stappenmotoren hebben over het algemeen twee, drie of vijf fasen. In China worden voornamelijk tweefasige stappenmotoren gebruikt, maar driefasige worden ook wel toegepast. In Japan worden vaker vijffasige stappenmotoren gebruikt.

③ Staphoek: corresponderend met een pulssignaal, de hoekverdraaiing van de rotatie van de motorrotor. De formule voor het berekenen van de staphoek van een stappenmotor is als volgt:

Staphoek = 360° ÷ (2mz)

m het aantal fasen van een stappenmotor

Z is het aantal tanden van de rotor van een stappenmotor.

Volgens de bovenstaande formule is de staphoek van tweefasige, driefasige en vijffasige stappenmotoren respectievelijk 1,8°, 1,2° en 0,72°.

④ Houdkoppel: dit is het koppel van de statorwikkeling van de motor bij de nominale stroom, waarbij de rotor niet draait. De stator blokkeert de rotor. Het houdkoppel is de belangrijkste parameter van stappenmotoren en vormt de basis voor de motorselectie.

⑤ Positioneringskoppel: dit is het koppel dat nodig is om de rotor te laten draaien met een externe kracht wanneer er geen stroom door de motor loopt. Het koppel is een van de prestatie-indicatoren om de motor te evalueren. Bij gelijke andere parameters geldt: hoe kleiner het positioneringskoppel, hoe kleiner het "sleufeffect", wat gunstiger is voor de soepelheid van de motorloop bij lage snelheden. ⑤ Koppel-frequentiekarakteristiek: dit verwijst voornamelijk naar de koppel-frequentiekarakteristiek bij een bepaalde snelheid. De motor werkt stabiel bij een bepaalde snelheid en kan het maximale koppel zonder stapverlies leveren. De koppel-frequentiecurve beschrijft de relatie tussen het maximale koppel en de snelheid (frequentie) zonder stapverlies. De koppel-frequentiecurve is een belangrijke parameter voor de stappenmotor en vormt de basis voor de motorselectie.

⑥ Nominale stroom: de stroom door de motorwikkeling die nodig is om het nominale koppel te handhaven, de effectieve waarde

 

4. Punten selecteren

Industriële toepassingen gebruiken stappenmotoren met snelheden tot 600 ~ 1500 tpm. Voor hogere snelheden kunt u een closed-loop stappenmotoraansturing overwegen, of een meer geschikte servoaandrijving kiezen. De selectiestappen voor de stappenmotor worden hieronder weergegeven.

 

(1) Keuze van de staphoek

Afhankelijk van het aantal fasen van de motor zijn er drie soorten staphoeken: 1,8° (tweefasig), 1,2° (driefasig) en 0,72° (vijffasig). De vijffasige staphoek heeft uiteraard de hoogste nauwkeurigheid, maar de motor en driver zijn duurder, waardoor deze in China zelden wordt gebruikt. Bovendien maken de gangbare stappenmotordrivers tegenwoordig gebruik van subdivisie-aandrijftechnologie. Bij vier subdivisies kan de nauwkeurigheid van de staphoek nog steeds worden gegarandeerd. Dus als alleen de nauwkeurigheid van de staphoek als criterium wordt gebruikt, kan een vijffasige stappenmotor worden vervangen door een tweefasige of driefasige stappenmotor. Bijvoorbeeld, bij het aandrijven van een schroef met een diameter van 5 mm, met een tweefasige stappenmotor en een driver ingesteld op 4 onderverdelingen, is het aantal pulsen per omwenteling van de motor 200 x 4 = 800, en de pulsduur is 5 ÷ 800 = 0,00625 mm = 6,25 μm. Deze nauwkeurigheid voldoet aan de meeste toepassingsvereisten.

(2) Selectie van statisch koppel (houdkoppel)

Veelgebruikte mechanismen voor krachtoverbrenging zijn onder andere synchrone riemen, filamentstangen en tandwieloverbrengingen. Klanten berekenen eerst de belasting van hun machine (voornamelijk acceleratiekoppel plus wrijvingskoppel) en zetten dit om naar het benodigde koppel op de motoras. Vervolgens, afhankelijk van de maximale draaisnelheid die de elektrische stroming vereist, zijn er twee verschillende toepassingsscenario's om het juiste houdkoppel van de stappenmotor te kiezen: ① voor toepassingen waarbij een motorsnelheid van 300 tpm of minder vereist is: als de machinebelasting wordt omgezet naar het benodigde koppel T1 op de motoras, dan wordt dit koppel vermenigvuldigd met een veiligheidsfactor SF (doorgaans 1,5-2,0), dat wil zeggen, het vereiste houdkoppel Tn van de stappenmotor. ②2 Voor toepassingen waarbij een motorsnelheid van 300 tpm of meer vereist is: stel de maximale snelheid Nmax in, als de machinebelasting wordt omgezet naar de motoras, is het vereiste koppel T1, dan wordt dit koppel vermenigvuldigd met een veiligheidsfactor SF (meestal 2,5-3,5), wat het houdkoppel Tn oplevert. Raadpleeg figuur 4 en selecteer een geschikt model. Gebruik vervolgens de moment-frequentiecurve om te controleren en te vergelijken: op de moment-frequentiecurve komt de door de gebruiker vereiste maximale snelheid Nmax overeen met het maximale verlies aan stapkoppel T2. Het maximale verlies aan stapkoppel T2 moet dan meer dan 20% groter zijn dan T1. Zo niet, dan is het noodzakelijk om een ​​nieuwe motor met een hoger koppel te selecteren en de koppel-frequentiecurve van de nieuw geselecteerde motor opnieuw te controleren en te vergelijken.

(3) Hoe groter het motorbasisnummer, hoe groter het houdkoppel.

(4) op basis van de nominale stroomsterkte de bijbehorende stappenmotordriver selecteren.

Als de nominale stroomsterkte van een 57CM23-motor bijvoorbeeld 5A is, dan moet u een frequentieregelaar kiezen met een maximale stroomsterkte van meer dan 5A (let op: dit is de effectieve waarde, niet de piekwaarde). Als u bijvoorbeeld een frequentieregelaar kiest met een maximale stroomsterkte van slechts 3A, zal het maximale koppel van de motor slechts ongeveer 60% bedragen!

5. Toepassingservaring

(1) probleem van laagfrequente resonantie bij stappenmotoren

Subdivisie-aansturing van stappenmotoren is een effectieve manier om de laagfrequente resonantie van stappenmotoren te verminderen. Onder de 150 tpm is subdivisie-aansturing zeer effectief in het verminderen van de trillingen van de motor. Theoretisch gezien geldt: hoe groter de subdivisie, hoe beter het effect op het verminderen van de trillingen van de stappenmotor. In de praktijk blijkt echter dat een verhoging naar 8 of 16 subdivisies het maximale effect op de vermindering van de trillingen van de stappenmotor bereikt.

De afgelopen jaren zijn er in binnen- en buitenland stappenmotordrivers met anti-laagfrequente resonantietechnologie op de markt gekomen, zoals de DM- en DM-S-serie van Leisai. Deze drivers maken gebruik van harmonische compensatie, waarbij door middel van amplitude- en faseaanpassing de laagfrequente trillingen van de stappenmotor aanzienlijk worden verminderd, wat resulteert in een trillingsarme en geluidsarme werking van de motor.

(2) De invloed van de onderverdeling van de stappenmotor op de positioneringsnauwkeurigheid

Een stappenmotor-subdivisiecircuit kan niet alleen de soepelheid van de beweging van het apparaat verbeteren, maar ook de positioneringsnauwkeurigheid aanzienlijk verhogen. Tests tonen aan dat: in een synchroon riemaangedreven bewegingsplatform met een stappenmotor in vier subdivisies, de motor bij elke stap nauwkeurig gepositioneerd kan worden.