Silniki skokowe - cz. 2: rodzaje pracy i charakterystyki

Transkrypt

1 Jakub Wierciak Silniki skokowe - cz. 2: rodzaje pracy i charakterystyki Człowiek- najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Rodzaje pracy silników skokowych (Pochanke 1996) statyczna quasi statyczna kinematyczna dynamiczna

3 Praca statyczna silnika skokowego

4 Praca statyczna (Pochanke 1996) 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.

5 Przebieg kątowej charakterystyki momentu statycznego hybrydowego silnika skokowego (Czerwiec 1990) A Moment elektromagnetyczny M e M m D C M l γ es -π -π/2 0 π/2 π Kąt elektryczny γ e -M m B

6 Moment statyczny silnika skokowego (Pochanke 1996) Moment wzbudzeniowy M E IpΨ m sin p M sin p Em Moment reluktancyjny L M R I 2 Z 2 r d 2 L q sin Z M sin Zr r Rm I wartość prądu pasma stojana, p liczba par biegunów magnesu wirnika, L d, L q indukcyjność własna uzwojenia stojana odpowiadająca maksimum i minimum permeancji, Z r liczba zębów wirnika, Ψ m strumień pary biegunów magnesu wirnika, υ kąt obrotu wirnika względem stojana

7 Statyczne charakterystyki kątowe momentu przy różnych prądach pasma (Acarnley 2005) Moment statyczny Moment statyczny Charakterystyka przy prądzie znamionowym Charakterystyka przy 2/3 prądu znamionowego Charakterystyka przy 1/3 prądu znamionowego +1/2 podziałki zębów wirnika - 1/2 podziałki zębów wirnika Położenie równowagi Położenie wirnika

8 Pierwsza harmoniczna momentu silnika skokowego (Pochanke 1996) M e M m sin e M m maksymalny statyczny moment silnika υ e kąt obrotu wirnika wyrażony w mierze kątów elektrycznych Dla silników z magnesem trwałym e p Dla silników reluktancyjnych i hybrydowych Zr p - liczba par biegunów magnesu wirnika Z r liczba zębów wirnika υ mechaniczny kąt obrotu wirnika e

9 Pierwsza harmoniczna charakterystyki kątowej (Sochocki 1996) d M d e e 0 stabilne gałęzie charakterystyki

10 Powstawanie błędu położenia pod wpływem momentu obciążającego wirnik (Jaszczuk 2000) M e Δυ M e M h υ Δυ statyczny moment silnika, moment obciążający, kątowe położenie wirnika, statyczny błąd kątowy położenia wirnika -Δυ υ

11 Praca quasi statyczna silnika skokowego

12 Praca quasi statyczna (Pochanke 1996) Praca quasistatyczna występuje przy wykonywaniu przez silnik pojedynczego skoku lub ciągu skoków o dostatecznie małej częstotliwości. Odpowiada to przełączaniu uzwojeń z taka częstotliwością, przy której stan pracy przejściowy (najczęściej oscylacyjny), jaki na ogół występuje przy wykonywaniu skoku, zostaje zakończony przed wykonaniem następnego skoku. Największa częstotliwość f m pracy quasistatycznej silnika jest więc ograniczona czasem trwania stanu przejściowego elektromechanicznego.

13 Ruch wirnika przy quasi statycznej pracy silnika obciążonego momentem czynnym (Pochanke 1996) 3Θ Kąt obrotu wirnika 2 f m 1 5T r 2Θ 1Θ 1 f m maksymalna częstotliwość pracy quasi statycznej, T r - zastępcza stała czasowa aperiodycznego ruchu wirnika 0 1 takt 2 takt 3 takt Czas t 1 kątowe przemieszczenie wirnika, 2 położenia równowagi silnika nieobciążonego

14 Ilustracja pojęcia zapasu stabilności statycznej (Sochocki 1996) M e statyczny moment silnika, M el moment rozruchowy silnika, M obc moment obciążający wirnik, υ e θ e kątowe położenie wirnika w mierze elektrycznej, kąt skoku silnika

15 Charakterystyki kątowe momentu dla dwóch kolejnych taktów komutacji (Sochocki 1996) M m M el π+θ e -M m 1 charakterystyka dla taktu pierwszego, 2 charakterystyka dla taktu drugiego Moment rozruchowy silnika k liczba taktów komutacji w cyklu M m maksymalny moment statyczny silnika M el M m cos k

16 Moment trzymający i moment rozruchowy silnika skokowego (Pochanke 1995) Moment trzymający maksymalny moment synchronizujący (statyczny) silnika skokowego. Moment ten występuje przy wychyleniu wirnika zasilonego silnika o kąt równy jego skokowi. Moment rozruchowy maksymalny moment, jakim można obciążyć silnik skokowy, aby był on jeszcze zdolny do wykonania skoku w dowolnie wybranym kierunku. Moment ten można wyznaczyć na przecięciu się dwu charakterystyk statycznych odpowiadających dwóm kolejnym taktom komutacji.

17 Warunek poprawnej pracy silnika skokowego (Pochanke 1996) M obc k d M d e e k M e υ e liczba taktów komutacji w cyklu moment silnika kątowe położenie wirnika w mierze elektrycznej

18 Odpowiedź skokowa silnika skokowego (Sochocki 1996) T okres drgań własnych tłumionych, A 1, A 2 amplitudy kołysań wirnika wokół położenia równowagi

19 Droga kątowa pojedynczego skoku wirnika silnika skokowego (Wróbel 1993) a) bez tłumienia, b) z tłumieniem

20 Czas ustalania się położenia wirnika w zależności od rezystancji stojana (Wróbel 1993)

21 Czas ustalania się położenia wirnika silnika skokowego w funkcji rezystancji stojana (Wróbel 1993) R rezystancja stojana t czas ustalania się położenia wirnika

22 Wpływ obciążenia bezwładnościowego na dynamikę ruchu silnika skokowego (Jaszczuk 2000) Masowy moment obciążenia J 2 >J 1 >J 0, Czas rozruchu t r = const Czas ustalenia t p2 >t p1 >t p0 Czas dojścia Maksymalne... t d2 >t d1 > t d0 α 2 > α 1 > α 0 > α nom

23 Wpływ obciążenia tarciem suchym na dynamikę ruchu wirnika silnika skokowego (Jaszczuk 2000) Moment tarcia M t2 >M t1 >M t0, Czas rozruchu t r2 >t r1 >t r0 Czas ustalenia t p2 <t p1 <t p0 Czas dojścia t d1 >t d0 Statyczny błąd skoku (Δα) 2 > (Δα) 1 > (Δα) 0

24 Praca kinematyczna silnika skokowego

25 Praca kinematyczna silnika skokowego (Pochanke 1996) Praca kinematyczna silnika skokowego (zwana też ustaloną) występuje przy sterowaniu silnika impulsami o stałej częstotliwości, większej od częstotliwości maksymalnej w przypadku pracy quasi statycznej. Przy dostatecznie dużej częstotliwości wzrasta tłumienie wewnętrzne i maleją oscylacje wirnika przy przechodzeniu przez kolejne punkty równowagi. Również obciążenie silnika tłumi oscylacje jego ruchu. Silnik zachowuje się jak silnik synchroniczny, a jego właściwości opisuje charakterystyka momentu w funkcji częstotliwości komutacji.

26 Typowe rodzaje wymuszeń i odpowiedzi silników skokowych (Wróbel 1993) a) praca rozruchowa, b) ruch skokowy o średniej prędkości, c) ruch obrotowy z dużą prędkością

27 Charakterystyki mechaniczne silnika skokowego (Wróbel 1993) A krzywa momentu pracy, B krzywa momentu rozruchowego; f g0 częstotliwość graniczna przy biegu jałowym, f g częstotliwość graniczna (pod obciążeniem), f rmax0 maksymalna częstotliwość rozruchu (przy biegu jałowym), f rmax maksymalna częstotliwość rozruchu (pod obciążeniem), f r częstotliwość rozruchu, f p częstotliwość pracy silnika, M p moment pracy, M l moment obciążenia

28 Prędkość wirnika Moment Silniki skokowe Położenie wirnika w chwilach przełączania uzwojeń przy zerowym obciążeniu (Acarnley 2002) Położenie wirnika Θ Wymagana częstotliwość taktowania położenie równowagi A położenie równowagi C Położenie wirnika Θ

29 Prędkość wirnika Moment Silniki skokowe Położenie wirnika w chwilach przełączania uzwojeń przy maksymalnym obciążeniu (Acarnley 2002) Położenie wirnika Θ Wymagana częstotliwość taktowania położenie równowagi A położenie równowagi C Położenie wirnika Θ

30 Charakterystyki mechaniczne silnika skokowego (Jaszczuk 2000) A - graniczna charakterystyka rozruchowa silnika, B - graniczna charakterystyka pracy silnika; J 0 - masowy moment bezwładności wirnika J 2 > J 1 - masowe momenty bezwładności obciążenia

31 Częstotliwościowa charakterystyka momentu rozruchowego silnika (Jaszczuk 1996) M a) f 1 f 0 J 2J m m J 1 f 1 częstotliwość graniczna, J l J 1 A 1 A b) f t f 0 częstotliwość graniczna odczytana z charakterystyki, J m masowy moment bezwładności wirnika, J 1 masowy moment bezwładności obciążenia zredukowany do wałka silnika f t

32 Oscylacje wirnika silnika skokowego w czasie wykonywania skoków (Wróbel 1993) a) przy okresie przełączania zapewniającym całkowite wytłumienie kołysań, b) przy małej wartości stosunku T m /T, c) przy dużej wartości T m /T; T m stała czasowa elektromechaniczna silnika, T okres impulsów taktujących

33 Ruch wirnika przy taktowaniu bliskim częstotliwości drgań własnych (Acarnley 2002) częstotliwość taktowania = częstotliwość drgań własnych częstotliwość taktowania = 0,6 x częstotliwość drgań własnych

34 Położenie wirnika Silniki skokowe Zagrożenie rezonansem (Acarnley 2002) maksymalna dodatnia prędkość prędkość zerowa Czas Zagrożenie rezonansem przez przełączanie pasm w nieodpowiednich fazach odpowiedzi skokowej

35 moment graniczny M g [Nm] Silniki skokowe Charakterystyka graniczna pokazująca obszary: rezonansowe i niestabilnej pracy (Acarnley 2002) rezonans mechaniczny niestabilność wysokoczęstotliwościowa częstotliwość taktowania f k [Hz]

36 Ograniczanie zjawisk rezonansowych w napędach z silnikami skokowymi (Acarnley 2002) metody mechaniczne (z zastosowaniem tłumików bezwładnościowych) - z tarciem suchym, - z tarciem wiskotycznym, - z wykorzystaniem prądów wirowych metody elektryczne - wprowadzenie pośredniego skoku, - tłumienie elektromagnetyczne

37 Schemat zewnętrznego systemu tłumienia mechanicznego (Wróbel 1993)

38 Tłumik bezwładnościowy Lancastera (Wróbel 1993) 1 wał silnika, 2 krążki bezwładnościowe, 3 nakładki cierne z teflonu, 4 wkręty dociskowe

39 Tłumik bezwładnościowy wiroprądowy (Wróbel 1993) magnes

40 Bezwładnościowy tłumik zewnętrzny z tarciem lepkim cieczy w wąskiej szczelinie (Wróbel 1993) 1 ciecz, 2 element bezwładnościowy

41 Wpływ inercyjnego tłumika wiskotycznego na skokową odpowiedź silnika skokowego (Acarnley 2002) odpowiedź bez tłumika odpowiedź z tłumikiem

42 Bezwładnościowy tłumik z tarciem suchym (Lin Engineering 2009) Rysunek gabarytowy tłumika Hybrydowy silnik skokowy z tłumikiem Wpływ tłumika na odpowiedź silnika

43 Tłumienie drgań przez wprowadzenie dodatkowego półskoku (Acarnley 2002) Położenie wirnika 1 skok 1/2 skoku Zmiana wzbudzenia przy maksymalnym wychyleniu podczas sterowania 1/2 skokowego Czas odpowiedź dla pełnego skoku odpowiedź z dodatkowym półskokiem

44 Drgania rezonansowe wirnika (SGS 1996) Komutacja pełnoskokowa Komutacja półskokowa

45 Przebiegi prądu w obwodzie zasilania przy włączaniu i wyłączaniu pasma (Eriksson 1998)

46 Komutacja idealna i rzeczywista silnika skokowego (Jaszczuk 2000) Idealny przebieg komutacji Rzeczywisty przebieg komutacji

47 Przebiegi prądów sterujących w silniku trzypasmowym przy częstotliwości 50 Hz (Acarnley 2002) Elektryczna stała czasowa uzwojenia 1 ms

48 Przebiegi impulsów prądowych przy unipolarnej komutacji silnika skokowego (Acarnley 2002) Prąd pasma Czas a) mała prędkość, b) średnia prędkość, c) duża prędkość

49 Obwody zasilania pasm (Wróbel 1993) Zasilanie proste Zasilanie z forsowaniem Zasilanie kluczowane

50 Zmniejszanie elektrycznej stałej czasowej za pomocą rezystora dodatkowego (Eriksson 1998)

51 Charakterystyki silnika skokowego wielopasmowego o magnesach trwałych (Sochocki 1996) a) charakterystyki mechaniczne, b) uproszczony schemat układu forsującego; A, B charakterystyki bez forsowania, A, B charakterystyki z forsowaniem

52 Sterowanie z wykorzystaniem sterownika dwu napięciowego (Eriksson 1998)

53 Sterowanie dwu napięciowe (Acarnley 2002) V L napięcie dolne, V H napięcie górne, T1 tranzystor T2 tranzystor D1 dioda D2 dioda wdg. uzwojenie pasma Sterownik dwu napięciowy i jego schematy zastępcze w poszczególnych fazach pracy: a) włączanie pasma, b) ciągłe wzbudzenie, c) wyłączanie pasma

54 Napięcie sterujące u [V] Prąd pasma i [A] Silniki skokowe Zasada czoperowania (Pochanke 1996) Układ kluczujący Czas t [s]

55 Sterownik kluczujący silnika skokowego (Acarnley 2002) V H wysokie napięcie zasilania V C mierzone napięcie R C rezystor pomiarowy T1 tranzystor otwarty w czasie wzbudzenia T2 tranzystor kluczowany D1 dioda przeciwprzepięciowa w obwodzie kluczowanym D2 dioda przeciwprzepięciowa przy wyłączaniu pasma i prąd pasma wdg. uzwojenie pasma Schematy zastępcze sterownika w poszczególnych fazach jego pracy: a) prąd mniejszy od nominalnego, b) prąd większy od nominalnego, c) wyłączanie pasma

56 Przebieg prądu przy kluczowaniu i sposób przełączania tranzystora (Acarnley 2002) I - prąd nominalny zał. wył. czas zał. wył. zał. wył. czas czas V H V C 2e R C R T1 T2 i I wysokie napięcie zasilania napięcie mierzone histereza mierzonego napięcia mała rezystancja rezystora pomiarowego rezystancja pasma napięcie sterujące tranzystor T1 napięcie sterujące tranzystor T2 chwilowy prąd pasma nominalny prąd pasma

57 Charakterystyki silnika dwupasmowego przy różnych rodzajach sterowania (Wróbel 1993) 1 sterowanie unipolarne z rezystorem ograniczającym R s, 2 sterowanie bipolarne z rezystorem ograniczającym R s, 3 sterowanie unipolarne, elektroniczne ograniczenie czasu narastania prądu, 4 sterowanie bipolarne, elektroniczne ograniczenie narastania prądu, 5 sterowanie unipolarne z dodatkową rezystancją i pojemnością

58 Praca dynamiczna silnika skokowego

59 Charakterystyki mechaniczne silnika skokowego (Jaszczuk 2000) A - graniczna charakterystyka rozruchowa silnika, B - graniczna charakterystyka pracy silnika; J 0 - masowy moment bezwładności wirnika J 2 > J 1 - masowe momenty bezwładności obciążenia

60 Praca dynamiczna silnika skokowego (Pochanke 1996) Praca dynamiczna jest wykonywana w stanach przejściowych tj. podczas rozruchu, hamowania, nawrotu czy zmiany częstotliwości impulsów sterujących. Charakter stanów przejściowych zależy zarówno od właściwości samego silnika i obciążenia, jak i od warunków początkowych, przy których rozpoczął się rozpatrywany stan pracy.

61 Sterowanie silników skokowych (Acarnley 2002) 1. Praca w otwartym układzie sterowania 2. Praca ze sprzężeniem zwrotnym

62 Mikroprocesorowe sterowanie silnika w układzie otwartym (Acarnley 2002) Mikrokontroler Wzmacniacz mocy Silnik skokowy Napędzany mechanizm impulsy taktujące prądy pasm moment obrotowy

63 Rozpędzanie i hamowanie silnika skokowego podczas pozycjonowania (Acarnley 2002) Częstotliwość graniczna częstotliwość pracy graniczna częstotliwość rozruchowa rozpędzanie stała prędkość hamowanie czas Położenie położenie docelowe czas

64 moment silnika Silniki skokowe Kolejność wzbudzania pasm przy inicjowaniu hamowania (Acarnley 2002) położenie wirnika kolejność wzbudzania 2 skoki początek opóźniania

65 Sterowanie silnika skokowego przez pomijanie impulsów w układzie otwartym (Acarnley 2002) Zegar Układ usuwający impulsy taktujące Komutator Licznik rozpocznij hamowanie do wzmacniacza i silnika nastawy licznika zegar cel = 8 skoków impulsy taktujące początek opóźniania

66 do wzmacniacza i silnika Silniki skokowe Analogowe generowanie zboczy profilu prędkości (Acarnley 2002) Układ całkujący Generator sterowany napięciem Komutator wejście układu całkującego Licznik nastawy licznika sekwencja opóźniania wyjście układu całkującego impulsy taktujące R R A R D rezystor ograniczający maksymalną częstotliwość taktowania rezystor nastawiania przyspieszenia rezystor nastawiania opóźnienia

67 Sterowanie silnika skokowego z położeniowym sprzężeniem zwrotnym (Acarnley 2002) impulsy taktujące Kontroler Komutator Silnik Mechanizm Przetwornik położenia OPÓŹNIANIE Licznik STOP nastawy licznika

68 Sterowanie w celu maksymalizacji momentu granicznego (Acarnley 2002) wykryte położenie moment silnika położenie wirnika położenie równowagi pasma A skok = 15

69 Optymalny kąt przełączania pasm w funkcji częstości taktowania (Acarnley 2002) Kąt przełączenia maksymalizujący moment Częstość kątowa impulsów taktujących

70 Moment silnika [Nm] Silniki skokowe Charakterystyki mechaniczne silnika w zależności od kąta przełączania pasm (Acarnley 2002) kąt przełączenia Częstotliwość taktowania [1/s] Silnik trzypasmowy o kącie skoku 15

71 Karta katalogowa hybrydowego silnika skokowego (EADmotors 2008)

72 Karta katalogowa hybrydowego silnika skokowego c.d. (EADmotors 2008)

73 Katalogowe charakterystyki mechaniczne hybrydowego silnika skokowego c.d. (EADmotors 2008) (Graniczne charakterystyki pracy) (Sterowanie unipolarne) (Sterowanie bipolarne)

74 Graniczne charakterystyki silnika skokowego z wirnikiem tarczowym (API Portescap 2000) Moment Moc

75 Karta katalogowa bipolarnego sterownika dwupasmowych silników skokowych (EADmotors 2008)

76 Karta katalogowa bipolarnego sterownika dwupasmowych silników skokowych c.d. (EADmotors 2008)

77 Karta katalogowa bipolarnego sterownika dwupasmowych silników skokowych c.d. (EADmotors 2008)

78 Przykłady zastosowań silników skokowych - napęd pozycjonera głowic stacji HDD (Jaszczuk 2005)

79 Przykłady zastosowań miniaturowych silników skokowych - (Jaszczuk 2005)

80 Przykłady zastosowań silników skokowych - siłowniki liniowe (HSI, EADmotors 2008)

81 Cechy charakterystyczne silników skokowych - podsumowanie (Jaszczuk 1996) synchroniczne maszyny prądu stałego maszyny komutowane elektronicznie przy ustalonym systemie komutacji wirnik zajmuje określone, stałe położenia odległość kątowa (lub liniowa) między sąsiednimi położeniami jest stała i nazywa się skokiem moment napędowy jest we wszystkich położeniach równowagi równy 0 każda próba wychylenia wirnika z pozycji równowagi powoduje powstanie momentu synchronizującego skierowanego ku niej maksymalny moment synchronizujący nosi nazwę momentu trzymającego moment trzymający występuje po wychyleniu wirnika o wartość jednego skoku metodami elektronicznymi skok można dzielić na dowolną liczbę mikroskoków