Redukcja rezonansu w silnikach krokowych

masz pytania?

Rezonans w silnikach krokowych występuje, gdy częstotliwość komutacji zbiega się z naturalną częstotliwością drgań układu mechanicznego. Powoduje to niestabilności, gubienie kroków, zwiększony hałas, a nawet obrót wirnika w przeciwnym kierunku. Istnieje wiele metod, które pozwalają na redukcję lub eliminację rezonansu:

1. Unikanie naturalnej częstotliwości rezonansowej

Rezonans jest problematyczny tylko w określonym paśmie prędkości obrotowych, które odpowiada naturalnej częstotliwości rezonansowej układu mechanicznego (częstotliwości drgań własnych). Można temu zapobiegać, przechodząc przez ten zakres prędkości jak najszybciej podczas przyspieszania lub zmniejszając częstotliwość komutacji. Jednak takie rozwiązanie może nie być odpowiednie w każdej aplikacji.

2. Przesunięcie naturalnej częstotliwości

Naturalną częstotliwość układu można zmienić, modyfikując dwa kluczowe parametry:

Moment trzymający: Zmniejszenie prądu zasilającego silnik obniża moment trzymający i przesuwa częstotliwość rezonansową w dół. Należy jednak unikać długotrwałej pracy przy zmniejszonym prądzie w wymagających aplikacjach, aby nie obniżyć wydajności silnika.
Bezwładność: Zwiększenie bezwładności całkowitej (wirnika i obciążenia) przesuwa naturalną częstotliwość w dół, a jej zmniejszenie – w górę. Optymalne dopasowanie obciążenia do silnika jest kluczowe dla wydajności i stabilności.

3. Mikrokrokowanie

Stosowanie mikrokroków to jedna z najczęściej używanych metod redukcji rezonansu. Zmniejszenie kroku z pełnego do mikro (np. 2, 4, 8, 16 kroków) redukuje amplitudę oscylacji i przeregulowanie pozycji wirnika, co skutkuje płynniejszym ruchem, mniejszym hałasem i niższą wibracją.

4. Tarcie wiskotyczne

Wprowadzenie tarcia wiskotycznego pomaga tłumić oscylacje poprzez działanie hamujące. Tarcie to może być generowane w różny sposób:

Straty w żelazie: Prądy wirowe w żelazie stojana generują moment hamujący, proporcjonalny do prędkości silnika. Silniki z magnesami dyskowymi zwykle generują mniejsze straty w żelazie, co pozwala im osiągać wyższe prędkości, ale może wymagać dodatkowych metod tłumienia rezonansu.
Back-EMF (siła elektromotoryczna przeciwna): Napięcie indukowane w cewkach silnika powoduje przepływ prądu i moment hamujący. To zjawisko występuje, gdy faza silnika jest zwarte. Jednak sterowniki chopper (utrzymujące stały prąd) zwykle eliminują to tłumienie.
Elektroniczne tłumienie: Specjalne algorytmy sterowania pozwalają tłumić rezonans bez modyfikacji mechanicznych układu.
Zewnętrzny tłumik mechaniczny: Montaż tłumika na osi silnika lub w aplikacji pochłania energię wibracyjną i pomaga ustabilizować układ.

5. Redukcja dzwonienia (ringing) na końcu ruchu

Dzwonienie to niepożądane oscylacje wirnika po zakończeniu ruchu. Można je zredukować poprzez:

Zwiększenie tarcia w systemie,
Zastosowanie szybszych ramp przyspieszania i hamowania,
Dostosowanie stosunku bezwładności obciążenia do bezwładności silnika (optymalny stosunek to około 1:1).

6. Rekomendowany stosunek bezwładności

Optymalny stosunek bezwładności obciążenia do silnika wynosi około 1:1. Jeśli stosunek przekracza 10:1, podczas zatrzymania mogą pojawiać się znaczne wibracje i oscylacje. W takich przypadkach warto zastosować reduktor, który zmniejsza bezwładność obciążenia proporcjonalnie do kwadratu przełożenia.

7. Zastosowanie reduktora

Reduktory, oprócz zwiększenia momentu obrotowego, przesuwają pracę silnika na wyższe prędkości, poza zakres rezonansu. Dzięki temu można uniknąć problemów związanych z drganiami w naturalnej częstotliwości.

8. Zwiększenie liczby faz

Silniki wielofazowe mają mniejsze kąty kroków (np. 0,9° zamiast 1,8°). Dzięki temu energia potrzebna do przemieszczenia wirnika jest mniejsza, co ogranicza amplitudę oscylacji i minimalizuje rezonans.

Podsumowanie

Rezonans w silnikach krokowych jest istotnym problemem, ale istnieje wiele skutecznych metod jego eliminacji. Wybór odpowiedniej strategii zależy od aplikacji, parametrów silnika i obciążenia. Kombinacja mikrokrokowania, dopasowania bezwładności, zastosowania reduktorów oraz odpowiednich algorytmów sterowania może znacząco poprawić stabilność i wydajność układu.

Jeśli problem rezonansu występuje często, warto skonsultować się z dostawcą silnika, aby uzyskać precyzyjne wskazówki dotyczące optymalnych parametrów pracy. Właściwe rozwiązanie może znacząco zwiększyć trwałość i efektywność całego systemu.