• 28.07.2021

Устройство шагового двигателя: Шаговые двигатели. Принцип работы и управление

Содержание

Шаговые двигатели. Принцип работы и управление

При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.

Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определяется выражением:

αш = 360 / Kt * Zр

В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, так как изменение направления поля не влияет на положение ротора.

Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.

Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.

Повышения степени редукции шаговых двигателей как активного, так и реактивного типа, можно достичь применением двух-, трех- и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов — два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время, роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, то есть оси их полюсов полностью совпадают. Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной. Кроме того, она требует сложного коммутатора.

Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.

В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.

По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага — больший синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики.

Как работают шаговые двигатели | РОБОТОША

Использование шаговых двигателей является одним из самых простых, дешевых и легких решений для реализации систем точного позиционирования. Эти двигатели очень часто используются в различных станках ЧПУ и роботах. Сегодня я расскажу о том, как устроены шаговые двигатели и как они работают.

 
 
 

Что такое шаговый двигатель?

Прежде всего, шаговый двигатель — это двигатель. Это означает, что он преобразует электрическую энергию в механическую. Основное отличие между ним и всеми остальными типами двигателей состоит в способе, благодаря которому происходит вращение. В отличие от других моторов, шаговые двигатели вращаются НЕ непрерывно! Вместо этого, они вращаются шагами (отсюда и их название). Каждый шаг представляет собой часть полного оборота. Эта часть зависит, в основном, от механического устройства мотора и от выбранного способа управления им. Шаговые двигатели также различаются способами питания. В отличие от двигателей переменного или постоянного тока, обычно они управляются импульсами. Каждый импульс преобразуется в градус, на который происходит вращение. Например, 1.8º шаговый двигатель, поворачивает свой вал на 1.8° при каждом поступающем импульсе. Часто, из-за этой характеристики, шаговые двигатели еще называют цифровыми.

 

Основы работы шагового двигателя

Как и все моторы, шаговые двигатели состоят из статора и ротора. На роторе установлены постоянные магниты, а в состав статора входят катушки (обмотки). Шаговый двигатель, в общем случае, выглядит следующим образом:

Здесь мы видим 4 обмотки, расположенные под углом 90° по-отношению друг к другу, размещенные на статоре. Различия в способах подключения обмоток в конечном счете определяют тип подключения шагового двигателя. На рисунке выше, обмотки не соединяются вместе. Мотор по такой схеме имеет шаг поворота равный 90°. Обмотки задействуются по кругу — одна за другой. Направление вращения вала определяется порядком, в котором задействуются обмотки. Ниже показана работа такого мотора. Ток через обмотки протекает с интервалом в 1 секунду. Вал двигателя поворачивается на 90° каждый раз, когда через катушку протекает ток.

 

Режимы управления

Теперь рассмотрим различные способы подачи тока на обмотки и увидим, как в результате вращается вал мотора.

Волновое управление или полношаговое управление одной обмоткой

Этот способ описан выше и называется волновым управлением одной обмоткой. Это означает, что только через одну обмотку протекает электрический ток. Этот способ используется редко. В основном, к нему прибегают в целях снижения энергопотребления. Такой метод позволяет получить менее половины вращающего момента мотора, следовательно, нагрузка мотора не может быть значительной.

 У такого мотора будет 4 шага на оборот, что является номинальным числом шагов.

Полношаговый режим управления

Вторым, и наиболее часто используемым методом, является полношаговый метод. Для реализации этого способа, напряжение на обмотки подается попарно. В зависимости от способа подключения обмоток (последовательно или параллельно), мотору потребуется двойное напряжение или двойной ток для работы по отношению к необходимым при возбуждении одной обмотки. В этом случае мотор будет выдавать 100% номинального вращающего момента.

Такой мотор имеет 4 шага на полный оборот, что и является номинальным числом шагов для него.

Полушаговый режим

Это очень интересный способ получить удвоенную точность системы позиционирования, не меняя при этом ничего в «железе»! Для реализации этого метода, все пары обмоток могут запитываться одновременно, в результате чего, ротор повернется на половину своего нормального шага. Этот метод может быть также реализован с использованием одной или двух обмоток. Ниже показано, как это работает.

Однообмоточный режим

Двухобмоточный режим

Используя этот метод, тот же самый мотор сможет дать удвоенное число шагов на оборот, что означает двойную точность для системы позиционирования. Например, этот мотор даст 8 шагов на оборот!

Режим микрошага

Микрошаговый режим наиболее часто применяемый способ управления шаговыми двигателями на сегодняшний день. Идея микрошага состоит в подаче на обмотки мотора питания не импульсами, а сигнала, по своей форме, напоминающего синусоиду. Такой способ изменения положения при переходе от одного шага к другому позволяет получить более гладкое перемещение, делая шаговые моторы широко используемыми в таких приложениях как системы позиционирования в станках с ЧПУ. Кроме этого, рывки различных деталей, подключенных к мотору, также как и толчки самого мотора значительно снижаются. В режиме микрошага, шаговый мотор может вращаться также плавно как и обычные двигатели постоянного тока.

Форма тока, протекающего через обмотку похожа на синусоиду. Также могут использоваться формы цифровых сигналов. Вот некоторые примеры:

Метод микрошага является в действительности способом питания мотора, а не методом управления обмотками. Следовательно, микрошаг можно использовать и при волновом управлении и в полношаговом режиме управления. Ниже продемонстрирована работа этого метода:

Хотя кажется, что в режиме микрошага шаги становятся больше, но, на самом деле, этого не происходит. Для повышения точности часто используются трапецевидные шестерни. Этот метод используется для обеспечения плавного движения.

 

Типы шаговых двигателей

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Ротор такого мотора несет постоянный магнит в форме диска с двумя или большим количеством полюсов. Работает точно также как описано выше. Обмотки статора будут притягивать или отталкивать постоянный магнит на роторе и создавать тем самым крутящий момент. Ниже представлена схема шагового двигателя с постоянным магнитом.

Обычно, величина шага таких двигателей лежит в диапазоне 45-90°.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

У двигателей этого типа на роторе нет постоянного магнита. Вместо этого, ротор изготавливается из магнитомягкого металла в виде зубчатого диска, типа шестеренки. Статор имеет более четырех обмоток. Обмотки запитываются в противоположных парах и притягивают ротор. Отсутствие постоянного магнита отрицательно влияет на величину крутящего момента, он значительно снижается. Но есть и большой плюс.  У этих двигателей нет стопорящего момента. Стопорящий момент — это вращающий момент, создаваемый постоянными магнитами ротора, которые притягиваются к арматуре статора при отсутствии тока в обмотках. Можно легко понять, что это за момент, если попытаться повернуть рукой отключенный шаговый двигатель с постоянным магнитом. Вы почувствуете различимые щелчки на каждом шаге двигателя. В действительности то, что вы ощутите и будет фиксирующим моментом, который притягивает магниты к арматуре статора. Ниже показана работа шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением.

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют шаг, лежащий в диапазоне 5-15°.

Гибридный шаговый двигатель

Данный тип шаговых моторов получил название «гибридный» из-за того, что сочетает в себе характеристики шаговых двигателей и с постоянными магнитами и с переменным магнитным сопротивлением. Они обладают отличными удерживающим и динамическим крутящим моментами, а также очень маленькую величину шага, лежащую в пределах 0.9-5°, обеспечивая великолепную точность. Их механические части могут вращаться с большими скоростями, чем другие типы шаговых моторов. Этот тип двигателей используется в станках ЧПУ high-end класса и в роботах. Главный их недостаток — высокая стоимость.

Обычный мотор с 200 шагами на оборот будет иметь 50 положительных и 50 отрицательных полюсов с 8-ю обмотками (4-мя парами). Из-за того, что такой магнит нельзя произвести, было найдено элегантное решение. Берется два отдельных 50-зубых диска. Также используется цилиндрический постоянный магнит. Диски привариваются один с положительному, другой к отрицательному полюсам постоянного магнита. Таким образом, один диск имеет положительный полюс на своих зубьях, другой — отрицательный.

Два 50-зубых диска помещены сверху и снизу постоянного магнита

Фокус в том, что диски размещаются таким образом, что если посмотреть на них сверху, то они выглядят как один 100-зубый диск! Возвышения на одном диске совмещаются со впадинами на другом.

Впадины на одном диске выровнены с возвышениями на другом

Ниже показана работа гибридного шагового двигателя, имеющего 75 шагов на оборот (1.5° на шаг). Стоит заметить, что 6 обмоток спарены, каждая имеет обмотку с противоположной стороны. Вы наверняка ожидали, что катушки расположены под углом в 60° следом друг за другом, но, на самом деле, это не так. Если предположить, что первая пара — это самая верхняя и самая нижняя катушки, тогда вторая пара смещена под углом 60+5° по отношению к первой, и третья смещена на 60+5° по отношению ко второй. Угловая разница и является причиной вращения мотора. Режимы управления с полным и половинным шагом могут использоваться, впрочем как и волновое управление для снижения энергопотребления. Ниже продемонстрировано полношаговое управление. В полушаговом режиме, число шагов увеличится до 150!

Не пытайтесь следовать за обмотками, чтобы понаблюдать, как это работает. Просто сфокусируйтесь на одной обмотке и ждите.  Вы заметите, что всякий раз, когда обмотка задействована, есть 3 положительных полюса (красный) в 5° позади, которые притягиваются по направлению вращения и другие 3 отрицательных полюса (синий) в 5° впереди, которые толкаются в направлении вращения. Задействованная обмотка всегда находится между положительным и отрицательным полюсами.

 

Подключение обмоток

Шаговые двигатели относятся к многофазным моторам. Больше обмоток, значит, больше фаз. Больше фаз, более гладкая работа мотора и более выокая стоимость. Крутящий момент не связан с числом фаз. Наибольшее распространение получили двухфазные двигатели. Это минимальное количество необходимых для того, чтобы шаговый мотор функционировал. Здесь необходимо понять, что число фаз не обязательно определяет число обмоток. Например, если каждая фаза имеет 2 пары обмоток и мотор является двухфазным, то количество обмоток будет равно 8. Это определяет только механические характеристики мотора. Для упрощения, я рассмотрю простейший двухфазный двигатель с одной парой обмоток на фазу.

Существует три различных типа подключения для двухфазных шаговых двигателей. Обмотки соединяются между собой, и, в зависимости от подключения, используется различное число проводов для подключения мотора к контроллеру.

Биполярный двигатель

Это наиболее простая конфигурация. Используются 4 провода для подключения мотора к контроллеру. Обмотки соединяются внутри последовательно или параллельно. Пример биполярного двигателя:

Мотор имеет 4 клеммы. Два желтых терминала (цвета не соответствуют стандартным!) питают вертикальную обмотку, два розовых — горизонтальную обмотку. Проблема такой конфигурации состоит в том, что если кто-то захочет изменить магнитную полярность, то единственным способом будет изменение направления электрического тока. Это означает, что схема драйвера усложнится, например это будет H-мост.

Униполярный двигатель

В униполярном двигателе общий провод подключен к точке, где две обмотки соединены вместе:

Используя этот общий провод, можно легко изменить магнитные полюса. Предположим, например, что мы подключили общий провод к земле. Запитав сначала один вывод обмотки, а затем другой — мы изменяем магнитные полюса. Это означает, что схема для использования биполярного двигателя очень простая, как правило, состоит только из двух транзисторов на фазу. Основным недостатком является то, что каждый раз, используется только половина доступных катушечных обмоток. Это как при волновом управлении двигателем с возбуждением одной обмотки. Таким образом, крутящий момент всегда составляет около половины крутящего момента, который мог быть получен, если бы обе катушки были задействованы. Другими словами, униполярные электродвигатели должны быть в два раза более габаритными, по сравнению с биполярным двигателем, чтобы обеспечить такой же крутящий момент. Однополярный двигатель может использоваться как биполярный двигатель. Для этого нужно оставить общий провод неподключенным.

Униполярные двигатели могут иметь 5 или 6 выводов для подключения. На рисунке выше продемонстрирован униполярный мотор с 6 выводами. Существуют двигатели, в которых два общих провода соединены внутри. В этом случае, мотор имеет 5 клемм для подключения.

8-выводной шаговый двигатель

Это наиболее гибкий шаговый мотор в плане подключения. Все обмотки имеют выводы с двух сторон:

Этот двигатель может быть подключен любым из возможных способов. Он может быть подключен как:

  • 5 или 6-выводной униполярный,
  • биполярный с последовательно соединенными обмотками,
  • биполярный с параллельно соединенными обмотками,
  • биполярный с одним подключением на фазу для приложений с малым потреблением тока

 


Еще по этой теме

Вы можете пропустить чтение записи и оставить комментарий. Размещение ссылок запрещено.

Сравнение сервоприводов и шаговых двигателей

Рисунок 1 — Сервопривод

Физика процесса

Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту. Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и наоборот, электрическую энергию в механическую. Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую, называется генератором. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется двигателями.Принцип действия электрических машин основан на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов поместить проводник и под действием какой-либо силы F1 перемещать его, то в нем возникает Э.Д.С. равная:

E=B×I×vE= B times I times v

где В — магнитная индукция в месте, где находится проводник,
l — активная длина проводника (та его часть, которая находится в магнитном поле),
v — скорость перемещения проводника в магнитном поле.

Если этот проводник замкнуть на какой-либо приемник энергии, то в замкнутой цепи под действием Э.Д.С. будет протекать ток, совпадающий по направлению с Э.Д.С. в проводнике. В результате взаимодействия тока I в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Fэ, направление которой определяется по правилу левой руки; эта сила будет направлена навстречу силе, перемещающей проводник в магнитном поле. При равенстве сил F1 = Fэ проводник будет перемещаться с постоянной скоростью. Следовательно, в такой простейшей электрической машине механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в энергию электрическую, отдаваемую сопротивлению внешнего приемника энергии, т. е. машина работает генератором. Та же простейшая электрическая машина может работать двигателем. Если от постороннего источника электрической энергии через проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Рэ, под действием которой проводник начнет перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого-либо механического приемника энергии.

Рисунок 2 — Физика процесса

Таким образом, рассмотренная машина так же, как и любая электрическая машина, обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем. Для увеличения Э.Д.С. и электромеханических сил электрические машины снабжаются обмотками, состоящими из большого числа проводов, которые соединяются между собой так, чтобы Э.Д.С. в них имели одинаковое направление и складывались. Э.Д.С. в проводнике будет индуктирована также и в том случае, когда проводник неподвижен, а перемещается магнитное поле полюсов.

Асинхронные двигатели

Наиболее распространенные электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.Асинхронный двигатель имеет статор
(неподвижная часть) и ротор (подвижная часть), разделенные воздушным зазором, ротор крепится на подшипниках. Активными частями являются обмотки; все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жесткость, охлаждение, возможность вращения и т. п. По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из электротехнической стали и шихтованным. Фазный ротор используют когда необходимо создать большой пусковой момент. К ротору подводят ток и в результате уже возникает магнитный поток необходимый для создания момента.

На обмотку статора подается напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на стержни ротора и по закону магнитной индукции возникает электрический ток т. к. изменяется магнитный поток, проходящий через замкнутый контур ротора. Токи в стержнях ротора создают собственное магнитное поле стержней, которые вступают во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый стержень действует сила, которая складываясь по окружности создает вращающийся электромагнитный момент ротора из-за того, что индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре ротора, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток. Следовательно и возникает вращение.Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора Э.Д.С. и, в свою очередь, создавать крутящий момент.

Рисунок 3 — Вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе

На рисунке приведен вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе:

  • 1 — станина,
  • 2 — сердечник статора,
  • 3 — обмотка статора,
  • 4 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой,
  • 5 — вал.

Синхронные двигатели

Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктивных отличий от асинхронных. На статоре синхронного двигателя помещается трехфазная обмотка, при включении которой в сеть трехфазного переменного тока будет создано вращающееся магнитное поле, число оборотов в минуту которого n = 60f/p, где f — частота напряжения питания привода. На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, включаемая в сеть источника постоянного тока. Либо ротор выполнен из постоянного магнита. Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов или в случае с постоянным магнитом, магнитный поток уже создан. Вращающееся магнитное поле, полученное токами обмотки статора, увлекает за собой полюса ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной скоростью, т. е. со скоростью, равной скорости вращения поля статора. Таким образом, скорость синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.

Достоинством синхронных двигателей является меньшая, чем у асинхронных, чувствительность к изменению напряжения питающей сети. У синхронных двигателей вращающий момент пропорционален напряжению сети в первой степени, тогда как у асинхронных — квадрату напряжения. Вращающий момент синхронного двигателя создается в результате взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем полюсов. От напряжения питающей сети зависит только магнитный поток поля статора.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели — это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи. По сути шаговый двигатель является синхронным, но отличается подходом управления. Рассмотрим самые распространенные.

Двигатели с постоянными магнитами

Рисунок 4 — Ротор

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением. Такой двигатель имеет величину шага 30°. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48—24 шага на оборот (угол шага 7,5—15°). Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной Э.Д.С. со стороны ротора, котрая ограничивает максимальную скорость.

Гибридные двигатели

Рисунок 5 — Устройство гибридных двигателей

Являются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3,6…0,9°). Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3,6° двигателей и 8 основных полюсов для 1,8…0,9° двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними. Зависимость между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора и числом фаз определяет угол шага S двигателя:

S=360/(Nph×Ph)=360/NS= 360 / ( Nph times Ph ) = 360 / N

где Nph — число эквивалентных полюсов на фазу, равное числу полюсов ротора,
Ph — число фаз,
N — полное количество полюсов для всех фаз вместе.

Сервопривод

Рисунок 6 — График зависимости момента от скорости вращения двигателя

Сервопривод — общее название привода, синхронного, асинхронного либо любого другого, с отрицательной обратной связью по положению, моменту и др. параметрам, позволяющего точно управлять параметрами движения. Сервопривод – это комплекс технических средств. Состав сервопривода: привод – например, электромотор, датчик обратной связи – например, датчик угла поворота выходного вала редуктора (энкодер), блок питания и управления (он же преобразователь частоты\сервоусилитель\инвертор\servodrive). Мощность двигателей: 0,05…15 кВт. Существует понятие «вентильный двигатель». Это всего лишь названия для двигателя, управление которым осуществляется через «вентили» – ключи, переключатели и т. п. коммутационные элементы. Современными «вентилями» являются IGBT-транзисторы использующиеся в блоках управления приводами. Никакого конструктивного отличия нет. Основным достоинством сервоприводов является наличие обратной связи, благодаря которой такая система может поддерживать точность позиционирования на высоких скоростях и высоких моментах. Также систему отличает низкоинерционность и высокие динамические характеристики, например время переключения от скорости –3 000 об/мин до достижения 3 000 об/мин составляет всего 0,1 с. Современные блоки управления являются высокотехнологическими изделиями со сложной системой управления и могут обеспечить выполнение практически любой задачи.

Характеристики системы сервопривода рассмотрим основываясь на сервоприводах фирмы Delta elc. Серии блока управления ASDA-A и двигателем 400 Вт. Как видно поддержание момента линейное на всем диапазоне скоростей. Это достигается благодаря использованию синхронного двигателя в высококачественном исполнении. Величина шага перемещения определяется разрешающей способностью датчика обратной связи, энкодера, а так же блоком управления. Стандартные сервоприводы могут обеспечить шаг в 0,036° т. е. 1/10 000 от оборота, и это на скоростях до 5 000 об/мин.

Самые современные сервоприводы отрабатывают шаг в 1/2 500 000.

Внешний вид

Шаговый двигатель Серводвигатель
Рисунок 7 — Шаговый двигатель Рисунок 8 — Серводвигатель

Надежность

Шаговые двигатели обладают высокой надежностью, так как в их конструкции отсутствуют изнашивающиеся детали. Рабочий ресурс двигателя зависит только от ресурса примененных в нем подшипников. Большинство современных бесколлекторных сервоприводов от известных производителей (Mitsubishi, Siemens, Omron, Delta) отличаются высокой надежностью, порой сравнимой с надежностью шаговых двигателей, даже несмотря на значительно более сложное устройство сервопривода.

Эффект потери шагов

Всем шаговым двигателям присуще свойство потери шагов. Данный эффект проявляется в некотором неконтролируемом смещении траектории перемещения инструмента, от необходимой траектории. При изготовлении простых деталей, имеющих малую длину траектории перемещения инструмента и при невысоких требованиях к изделию, в большинстве случаем данным эффектом можно пренебречь. Но при обработке сложных изделий (пресс-формы, резьба и т. п.), где длина траектории может достигать километров!, данный эффект в большинстве случаев будет приводить к неисправимому браку. Данный эффект проявляется при выходе за допустимые характеристики двигателя, при неправильном управлении двигателем, а также при «проблемах» с механикой. Применение современных технологий управления шаговыми двигателями, с применением современной электроники, позволяет полностью устранить данный эффект, но стоимость возрастает. Эффект потери шагов у сервоприводов полностью отсутствует. Потому, что в каждом сервоприводе имеется датчик положения (энкодер), который постоянно отслеживает положение ротора двигателя и при необходимости выдает команды коррекции положения, на основании которых управляющая электроника, проанализировав данные, полученные с энкодера, вырабатывает необходимые сигналы управления на двигатель. Данный механизм называется обратной связью.

Скорость перемещения

При использовании шаговых двигателей в приводах подач в станках с ЧПУ можно добиться скорости 150…300 мм/сек (бывает и больше, но это уже «экзотика»). При максимальных скоростях и при превышении допустимой нагрузки возможно проявление эффекта потери шагов. Приводы подач станков с ЧПУ на основе серводвигателей позволяют достигать высоких скоростей. Скорость холостого перемещения 0,5…1 м/c является нормальным явлением для сервоприводов.

Динамическая точность

(Динамическая точность — максимальное отклонение реальной траектории перемещения инструмента от запрограммированной).

Динамическая точность является определяющей характеристикой при обработке сложноконтурных изделий (пресс-формы, резьба и т. п.). Шаговые двигатели отличаются высокой динамической точностью, которая является следствием принципов работы шагового двигателя. Обычно, на хорошей механике, рассогласование не превышает 20 мкм (1 мкм = 0,001 мм). Высококачественные сервоприводы имеют высокую динамическую точность до 1…2 мкм и выше! (1 мкм = 0,001 мм). Для получения высокой динамической точности необходимо применять сервоприводы, предназначенные для контурного управления, которые точно отрабатывают заданную траекторию.

Стоимость

В шаговых двигателях применяются дорогостоящие редкоземельные магниты, а также ротор и статор изготавливаются с прецизионной точностью, и поэтому по сравнению с общепромышленными электродвигателями шаговые двигатели имеют более высокую стоимость. Применение дорогостоящего датчика положения ротора, а также применение достаточно сложного блока управления обуславливает значительно более высокую стоимость, чем у шагового двигателя.

Стоимость систем для создания момента в 2 Нм.

Гибридный шаговый двигатель с шагом 1,8° – 12 000 р.
Блок управления – 9 600 р.
Привод с энкодером обеспечивающий шаг в 0,036°, максимальную скорость 3 000 об/мин — 12 704 р.
Блок управления – 13 000 р.

Ремонтопригодность

шагового двигателя может выйти из строя только обмотка статора, а ее замену может произвести только производитель двигателя, так как если двигатель даже только разобрать и снова собрать, он уже не будет работать! Потому, что при разборке двигателя происходит разрыв магнитных цепей внутри двигателя и происходит размагничивание магнитов. Поэтому после сборки двигателя требуется намагничивание внутренних магнитов на специальной установке. Поврежденный серводвигатель в большинстве случаев проще заменить, чем ремонтировать. Ремонту в основном подвергают только мощные двигатели, имеющие весьма высокую стоимость.

Столкновение с препятствием

Столкновение подвижных узлов станка с препятствием, в результате которого происходит остановка шагового двигателя, не взывает у него каких-либо повреждений. В станке на базе сервоприводов, при столкновении подвижных узлов с препятствием, управляющая электроника определяет, что произошло повышение нагрузки и для компенсации повышенной нагрузки повышает уровень тока, подаваемый на двигатель. При полной принудительной остановке на серводвигатель подается максимальный ток. Поэтому, если управляющая электроника не отслеживает подобную ситуацию, то возможно сгорание двигателя.

Преимущества

  • Высокая надежность
  • Относительно низкая цена
  • Высокие динамические характеристики
  • Отсутствие эффекта потери шагов
  • Высокая перегрузочная способность

Недостатки

  • Падение крутящего момента на высокой скорости
  • Низкая ремонтопригодность
  • Возможность эффекта потери шагов
  • Высокая цена, следствие использования сложной системы управления
  • Низкая ремонтопригодность
  • Требуется более бережное отношение к двигателю

Вывод

Сервопривод и шаговый двигатель не являются конкурентами, а каждый занимает свою определенную нишу. Сравним их на основе рынка станков с ЧПУ. Применение шаговых двигателей полностью оправданно для применения в
недорогих станках с ЧПУ (в ценовой категории до 10—12 тыс. USD), предназначенных для обработки дерева, пластиков, ДСП, МДФ, легких металлов и других материалов средней скорости.Применение высококачественных сервоприводов необходимо в высокопроизводительном оборудовании, где главным критерием является производительность. Единственный «недостаток» хорошего сервопривода – это его высокая стоимость. К примеру, станок ATS-760 на шаговых приводах стоит 11 000 $, а эта же модель, но на сервоприводах стоит 17 500 $. Однако возможности получения высокостабильного или точного управления, широкий диапазон регулирования скорости, высокая помехоустойчивость, малые габариты и вес часто являются решающими факторами их применения. Добившись одинаковых качеств от сервопривода и шагового их стоимости станут соизмеримыми при однозначном лидерстве сервопривода.

Устройство шагового двигателя

Шаговый электродвигатель относится к виду электрических машин постоянного тока. Принцип действия шагового электродвигателя основан на способе преобразования импульсной электрической энергии в механическое дискретное перемещение.

Шаговые электродвигатели классифицируются как бесколлекторные двигатели с высокой степенью надежности и большим сроком службы. Особенности этого типа электродвигателей делают их пригодными к эксплуатации даже в самых сложных производственных условиях.

Отличительной особенностью шаговых двигателей является большое значение крутящего момента на низких скоростях, в то время как в коллекторных двигателях значение крутящего момента возрастает только при увеличении скорости.

Конструкция шагового электродвигателя предполагает наличие более сложной схемы управления, обеспечивающей коммутацию обмоток, в сравнении с другими электродвигателями постоянного тока.

Шаговые электродвигатели подразделяются на три вида: с постоянными магнитами; с переменным магнитным сопротивлением; гибридные.

Двигатели с постоянными магнитами

Электродвигатели с постоянными магнитами включают в себя статор с обмотками и ротор, в конструкцию которого входят постоянные магниты.

Статор в таком электродвигателе имеет два противоположных полюса, на каждом из которых имеется независимая обмотка. При подаче электропитания в одну из обмоток ротор перемещается в положение, при котором его полюса располагаются напротив разноименных полюсов статора. Непрерывное вращение ротора достигается попеременным включением фаз.

Шаговые электродвигатели с постоянными магнитами, в силу конструктивных особенностей, подвержены влиянию обратной ЭДС, которая наводится в роторе и ограничивает скорость его вращения.

Высокая скорость вращения ротора возможна в электродвигателях, с переменным магнитным сопротивлением.

Двигатели с переменным магнитным сопротивлением

Статор шагового электродвигателя с переменным магнитным сопротивлением содержит несколько пар полюсов. Полюса каждой пары расположены напротив друг друга и имеют независимые одноименные обмотки. Ротор оборудован зубцами, сделанными из мягкого магнитного материала.

При подаче электропитания в одну из пар обмоток ротор перемещается в положение, при котором его зубцы располагаются напротив запитанных обмоток статора. При подаче электропитания на другую пару обмоток ротор перемещается в положение, при котором его зубцы располагаются напротив запитанной пары, и вновь замыкают магнитный поток. Непрерывное вращение ротора достигается попеременным включением фаз.

Гибридные шаговые двигатели

Гибридные шаговые электродвигатели имеют конструкцию, сочетающую в себе преимущества двух предыдущих типов электродвигателей. Гибридные электродвигатели являются более скоростными и обеспечивают шаг малой величины. Однако стоимость этих электродвигателей выше.

Ротор гибридного электродвигателя состоит из двух частей зубчатой формы, разделенных между собой цилиндрическим постоянным магнитом. Зубцы каждой составной части ротора являются одноименными полюсами: северными или южными. Угол поворота составных частей ротора относительно друг друга равен половине шагового угла зубцов.

Все зубчатые полюса ротора выполнены в виде пакетов пластин. Такая конструкция способствует снижению потерь, связанных с вихревыми токами.

Конструкция статора также содержит зубчатые полюсные наконечники для обеспечения нужного количества полюсов, эквивалентных роторным, при этом обмотками оборудованы только основные полюса.

Биполярные и униполярные шаговые двигатели

В зависимости от конфигурации обмоток шаговые электродвигатели могут быть биполярными и униполярными.

Биполярным называется электродвигатель, у которого каждая фаза оборудована только одной обмоткой, а переключение обмоток изменяет направление магнитного поля.

Униполярным называется электродвигатель, у которого каждая фаза также оборудована только одной обмоткой, но выводы сделаны от середины каждой обмотки. Переключение половинок обмотки изменяет направление магнитного поля.

Шаговыми электродвигатели оборудуются многие устройства: офисная техника (принтеры, факсы, сканеры и т.д), специальное промышленное оборудование, различные периферийные технические устройства.

Шаговые электродвигатели. Виды и работа. Особенности

Шаговые электродвигатели легко решают проблему точного позиционирования, не затратив больших средств. Моторы чаще применяются в роботах, станках с программным управлением. Рассмотрим устройство и действие двигателей.

Устройство

Шаговые электродвигатели являются двигателями переводящими электричество в механическое движение. Главным отличием его от других электромоторов в методе действия. Благодаря этому методу вал вращается. Моторы с шагом созданы для прерывистого вращения, этим они отличаются от других. Их вращение состоит из шагов, от этого получилось название.

Шаг является частью оборота вала мотора. Размер шага зависит от механической части двигателя и от метода управления. Шаговые двигатели подключаются к различным типам питания. В отличие от своих собратьев, шаговый мотор имеет управление импульсами, преобразующимися в градусы, а затем во вращение. Например, 2,20 шаговый мотор вращает вал на 2,20 при каждом поданном импульсе. Эта характеристика дает повод называть их цифровыми.

Метод действия

Обмотки в количестве 4-х штук стоят по кругу равномерно между собой на статоре. В зависимости от того, как подключены эти обмотки будет определяться тип шагового двигателя. В нашем случае обмотки разделены, мотор с шагом, углом поворота в 90 градусов. Обмотки подключены по кругу. Порядок подключения направление вращения двигателя с шагом. На рисунке видно, что вал вращается на 90 градусов в то время, как ток поступит в катушку, через 1 секунду.Стандартными составляющими шаговых двигателей являются ротор и статор. Ротор включает в себя сердечники, изготовленные из магнитов. Схематически дано изображение.

Режимы управления

При разной подаче тока на катушки вал двигателя вращается по-разному.

Волновое управление

Метод практически нами рассмотрен, волновое действие на катушку. Ток идет через одну катушку. Такой метод редко применяется, характерен пониженным потреблением энергии, дает возможность получения меньше 50% момента вращения двигателя. Большую нагрузку при таком управлении шаговые электродвигатели не выдержат. На один оборот вала приходится четыре шага.

Управление полным шагом

Широко применяемый метод — полношаговый. По этому способу напряжение питания на катушки подается попарно. От того, как подключены обмотки, двигателю необходим двойной ток. Электродвигатель при такой схеме выдаст 100% момента вращения по номиналу.

Полный оборот двигателя соответствует четырем шагам, число шагов по номинальному значению.

Режим полушага

Это оригинальный метод получения двойной точности позиционирования, не изменяя конструкцию двигателя. Чтобы работать по этому способу, подключают одновременно все имеющиеся пары. Ротор поворачивается на 0,5 шага. Такой способ имеет место при применении двух или одной катушки.

Режим с 1 обмоткой            Режим с 2 обмотками

По этому способу один и тот же мотор может выдать шагов в 2 раза больше на один оборот. Это значит, что система позиционирования работает с двойной точностью. Наш мотор выдает восемь шагов на один оборот.

Микрошаговый режим

Смысл микрошага заключается в подаче на катушки двигателя напряжения питания сигнала определенной формы, похожей на синус, а не импульсов. При таком методе изменения положения дает возможность получения плавного перемещения.

Благодаря микрошаговому режиму шаговые электродвигатели широко применяются в позиционировании, в программно управляемых станках. Рывки деталей, работающих с двигателем,  толчки самого механизма понижаются. В микрошаговом режиме двигатель вращается плавно, как моторы постоянного тока.

Конфигурация графика тока, проходящего по обмотке, сходна с синусоидой. В эксплуатации применяются цифровые сигналы. Их примеры показаны на рисунках.

Способ микрошага — подключение питания двигателя, не управления катушками.

Отсюда следует, что микрошаг применяется при волновом типе.

В микрошаговом типе шаги не увеличиваются, хотя визуально это представляется. Для увеличения точности механизма применяют шестерни с трапецеидальными зубьями, чтобы обеспечить плавный ход.

Типы моторов

Шаговые электродвигатели с постоянным магнитом

Ротор оборудован постоянным дисковым магнитом с несколькими полюсами. Действует по такому же принципу, как микрошаговый мотор. Катушки статора отталкивают и притягивают магнит, расположенный на роторе, образуя момент вращения.

Размер шага с постоянным магнитом находится в интервале от 45 до 90 градусов.

Шаговые электродвигатели с сопротивлением переменной величины

Ротор не имеет постоянных магнитов. Вместо них сердечник ротора производится из металла, похожего на диск с зубьями, или на шестерню. На статоре расположены обмотки в количестве более 4-х штук. Катушки подключаются в парах друг к другу.

Крутящий момент уменьшается, так как постоянные магниты отсутствуют. Однако, имеется положительная сторона — у шаговых моторов отсутствует момент стопорения. Стопорящий момент вращения создан постоянными магнитами, притягивающимися к корпусу статора при отключенном питании в катушках.

Можно просто определить, какой момент, если попробовать повернуть отсоединенный мотор. Сразу будут понятны ощутимые щелчки в двигателе при каждом шаге. Эти ощущения и будут являться моментом фиксации. Момент притягивает к себе магниты корпуса. На рисунке изображено действие мотора.

Шаг равен интервалу от 5 до 15 градусов.

Шаговый мотор гибридного типа

Шаговые электродвигатели называются «гибридными», потому что включают в себя разные типы характеристик. Они имеют хорошие моменты, малый размер шага, находящийся в интервале от 0,9 до 5 градусов. При этом он обеспечивает высокую точность.

Механическая конструкция вращается со значительными скоростями. Такие виды моторов применяются в станках с программным управлением, в роботах. Недостатком является высокая цена. Обыкновенный двигатель вместе с восьмью катушками.

Из-за невозможности изготовления магнита, нашли оригинальное решение. Взяли два диска с зубьями 50 штук, постоянный магнит. Приварили диски к полюсам. Получилось, что два диска имеют соответственно каждый полюс.

Оригинальность конструкции в том, что диски размещены так, что, смотря на них сверху, они похожи на один диск со 100 зубьями. Вершина зуба на одном диске совпадает со впадиной. На рисунке изображено действие гибридного мотора 75 шагов на один оборот. Шесть обмоток сделаны парами, которые имеют катушку на противоположных краях. Первая пара – это пара вверху и внизу обмотки, тогда 2-я пара смещена на угол 60+5 градусов от первой, а 3-я смещена на 65 градусов от второй.

Разница углов позволяет вращаться валу двигателя. Управляющие режимы применяются, как волновые для экономии электроэнергии.

Когда катушка задействована, имеется три положительных полюса в 5 градусов сзади, они притягиваются в сторону вращения, и три отрицательных полюса в 5 градусов впереди, толкают ротор в сторону вращения вала. Рабочая обмотка всегда расположена между отрицательным и положительным полюсами.

Схема подключения обмоток

Шаговые моторы принадлежат к моторам с несколькими фазами. Чем больше фаз, тем работа двигателя мягче, но и выше стоимость. Момент вращения не зависит от числа фаз. Большое применение получили двигатели с 2-мя фазами. Двигатели подключают тремя типами схем для 2-фазных шаговых моторов. Катушки соединены друг с другом, применено разное количество проводов для соединения двигателя с контроллером.

Биполярный двигатель

Это самая простая конструкция, применяется четыре провода для соединения мотора с контроллером. Катушки подключены параллельно или последовательно.

Параллельное или последовательное подключение

Двигатель имеет 4 контакта. Два желтых экрана подключают вертикальную катушку, два розовых – горизонтальную. Проблема в изменении полярности, можно изменить направление тока, драйвер станет сложнее.

Униполярный двигатель

Применяя общий провод, изменяют полюса магнитов. Если соединить общий провод с землей, один и другой вывод катушки к питанию, то полюса изменятся. Схема соединения двигателя биполярного типа простая для понимания, она обычно состоит из 2-х транзисторов на одну фазу.

Подключение с общим проводом

Недостаток – применение половины катушек, как при волновой управляемости электромотором. Момент вращения получается равным половине возможного значения. Униполярные электромоторы необходимо изготавливать по двойным размерам, для обеспечения сопоставимого момента. 1-полярный электромотор имеет возможность применяться в качестве биполярного мотора. Для этой цели необходимо провод отключить.

Униполярные шаговые электродвигатели имеют несколько вариантов подключения.

Общий провод соединен внутри

Шаговый мотор с 8-ю выводами

Это мотор с гибким подключением, обмотки оснащены выводами с обеих сторон. Можно подключать двигатель по любому методу:
  • Униполярный с 5 или 6 выводами.
  • Биполярный с последовательной схемой.
  • С параллельной схемой.
  • С малым током.

Подключение 4 обмоток

Шаговые электродвигатели Лавета

Моторы Лавета используются в электрических часах. Их конструкция сделана для эксплуатации с одним фазовым сигналом. Моторы Лавета обладают возможностью делать их конструкцию миниатюрной, применяются для исполнительной части часов ручного ношения. Этот тип моторов изобрел инженер Мариус Лавет. По его имени назвали тип шаговых двигателей.

Лавет – выпускник школы электрики изобрел двигатель, который дал ему известность во всем мире. Вид статора похож на статор электромотора с расщепленными полюсами. Имеется одна обмотка, полюса созданы витками с одним проводом из медной жилы толстого сечения, расположены на магнитном проводе, образуют необходимую фазу. Токи индукции образуют необходимый момент вращения.

Магнитное поле распространяется с задержкой, применяется для сдвига фаз, на прямой угол 90 градусов, чтобы имитировать напряжение из двух фаз. Конструкция ротора создана в виде постоянного магнита. Конструкции такого типа имеют широкую сферу применения в технике для быта (миксерах, блендерах). Моторы Лавета отличаются тем, что из-за зубцов вал стопорится с определенным шагом. Результатом этого возможно движение стрелки секунд. Разновидность двигателя Лавета не предназначена для реверсивной работы, как и большинство шаговых моторов.

 Похожие темы:

Шаговый двигатель — принцип работы, применение, виды, характеристики, особенности, конструкции

Главная

/ Реестр

/ Что такое шаговый двигатель, конструкция, где применяется?

Шаговый двигатель представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. По конструкции это бесколлекторный синхронный мотор с ротором, совершающим дискретные перемещения с фиксацией положения после каждого смещения. Величина шага строго определена, что позволяет вычислять абсолютную позицию ротора, подсчитав количество шагов.

Принципы действия биполярных и униполярных шаговых двигателей

Биполярный

Основные элементы шагового двигателя – ротор и статор. Первый представляет собой постоянный двухполюсный магнит. Он располагается на валу устройства. Статор – это замкнутый магнитопровод в виде кольца, он состоит из двух обмоток, половинки которых находятся на противоположных полюсах. На обмотке АВ – вертикально размещенные, на СD – горизонтально расположенные.

  1. При подаче напряжения на АВ появляется магнитное поле статора. Сверху полюс N, внизу S. Так как разноименные полюса притягиваются, ротор двигателя займет положение, при котором ось его магнитного поля совпадет с осью работающих АВ. Такое расположение ротора двигателя является очень устойчивым, если попытаться его сдвинуть, возникнет сила, которая будет его возвращать назад.
  2. Напряжение с обмотки АВ снимается и подается на обмотку CD, в результате чего возникает магнитное поле, в котором полюса расположены горизонтально – справа N, а слева S. Соответственно, постоянный магнит ротора расположится по горизонтальной оси, проделав минимальный путь – повернувшись на четверть оборота. Это будет шагом двигателя.
  3. Каждая последующая коммутация (со сменой полярности при подключении обмотки) заставит ротор поворачиваться на одну четвертую окружности. На полный оборот потребуется четыре шага. Частота вращения пропорциональна частоте переключения фазных обмоток. Если подключать фазы, меняя полярность в противоположной последовательности, ротор шагового двигателя будет вращаться в обратную сторону.

Униполярный

Выше был описан принцип работы биполярного шагового двигателя – у него для каждой фазы предусмотрено две обмотки. Чтобы менять магнитное поле, необходимо каждую обмотку:

  • отключить от источника электротока,
  • подключить в прямой полярности,
  • подключить в обратной полярности.

Осуществить коммутацию позволяет мостовой драйвер, который представляет собой сложную микросхему. Такой вариант подходит, если ток коммутации не превышает 2 А. Решить вопрос с управлением биполярным двигателем значительно сложнее при потребности в больших коммутационных токах. Значительно проще менять магнитное поле в статоре шагового двигателя, если использовать устройство с униполярными обмотками. В этом случае один вывод у всех четырех обмоток подсоединен к плюсовому выводу, а А, В, С и D последовательно подсоединяются к минусовому сигналу. В результате при каждой коммутации создается магнитное поле, заставляющее ротор двигателя повернуться. Коммутация по такому принципу обеспечивается четырьмя ключами, которые замыкают обмотки на землю. Управление ключами обычно осуществляется с выводов микроконтроллера.

При выборе шагового двигателя следует учитывать, что биполярный, при тех же габаритах, что и униполярный, обеспечивает больший крутящий момент. Выигрыш достигает 40 %. Это связано с тем, что в шаговом униполярном двигателе задействуется одна обмотка, а в биполярном две. Преимуществом устройства с одной обмоткой является простое управление.

Виды шаговых двигателей

Существует несколько разновидностей. К наиболее востребованным относятся модели с переменным магнитным сопротивлением, с постоянным магнитом и гибридные.

Устройства с переменным магнитным сопротивлением

Такие шаговые двигатели не имеют постоянных магнитов в роторе. Для изготовления ротора зубчатой формы используется магнитомягкий материал. Его вращение обеспечивается за счет замыкания магнитного поля статора через зубцы, располагающиеся вблизи полюсов. Зубцы к полюсам притягиваются и ротор поворачивается. Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют небольшой крутящий момент в сравнении с моделями других типов при тех же габаритах. Это ограничивает сферу их применения.

Устройства с постоянными магнитами

На примере такого устройства выше разъяснялся принцип работы шаговых двигателей. В реальности роторы таких двигателей имеют несколько постоянных магнитов. От их количества зависит число шагов, за которое ротор выполняет полный оборот. Максимальное значение – 48, угол шага при этом составляет 7,5 градусов.

Гибридные устройства

В конструкции шаговых гибридных двигателей присутствует и зубчатый ротор, и постоянные магниты. Функционирует устройство по тому же принципу, что и двигатель с постоянными магнитами, но гибридный вариант отличается большим числом полюсов. За счет такого количества полюсов у гибридных шаговых двигателей больший момент, выше скорость и меньше величина шага. Максимальное число на один оборот может доходить до 400, при этом угол шага составляет 0,9 градусов. Гибридные устройства сложнее в изготовлении и дороже шаговых устройств других типов, но благодаря высокой функциональности пользуются спросом.

Особенности управления

Для управления двигателем с дискретным движением ротора используются следующие режимы: полношаговый, полушаговый и микрошаговый.

Полношаговый режим

При таком способе двигателем производится попеременная коммутация фаз. При этом к источнику напряжения фазы подключаются попеременно без перекрытия. Точки равновесия ротора при таком управлении совпадают с полюсами статора. К недостаткам полношагового режима относят то, что в каждый момент времени у биполярного двигателя используется половина обмоток, а у униполярного лишь четверть. Если подключить две фазы на полный шаг, то ротор будет зафиксирован между полюсами статора благодаря подаче питания на все обмотки. При этом увеличивается крутящий момент шагового двигателя, а положение ротора в состоянии равновесия смещается на полшага. Угол шага при этом остается неизменным.

Полушаговый режим

Если каждый второй шаг включать одну фазу, а между этим включать сразу две, можно увеличить количество перемещений на один оборот в два раза. Такая коммутация, соответственно, в два раза уменьшает угол шага. При этом достичь полного момента в полушаговом режиме невозможно. Режим активно используется, так как позволяет простым способом вдвое увеличить число шагов двигателя. Важно учитывать, что при снятии напряжения со всех фаз в полношаговом и полушаговом режиме ротор остается в свободном состоянии и может произойти его смещение при механических воздействиях. Для фиксации ротора требуется в обмотках двигателя формировать ток удержания. Обычно его значение намного меньше номинального. Благодаря способности шагового двигателя фиксировать положение ротора при остановке отсутствует необходимость использовать тормозную систему, фиксаторы и иные приспособления.

Микрошаговый режим

Чтобы максимально увеличить число шагов двигателя, используется микрошаговый режим. Для этого требуется включить две фазы и распределить ток обмоток неравномерно. При смещении магнитного поля статора относительно полюсов смещается и сам ротор. У диспропорции токов между рабочими фазами двигателя обычно наблюдается дискретность, которая определяет величину микрошага. Количество микрошагов на один оборот ротора шагового двигателя может составлять более 1 000. Устройство, работающее в таком режиме, можно максимально точно позиционировать. Однако данный способ управления является достаточно сложным.

Основные достоинства

К достоинствам шаговых двигателей относят:

  • точное позиционирование, которое не требует обратной связи. Угол поворота определяется числом электрических импульсов;
  • полный крутящий момент, который двигатель обеспечивает при снижении скорости вращении и до полной остановки;
  • фиксацию положения шагового двигателя при помощи тока удержания;
  • высокую точность регулировки скорости вращения без необходимости использования обратной связи;
  • быстрый старт и остановку двигателя, реверс;
  • высокую надежность. Устройства долговечны благодаря отсутствию коллекторных щеток.

Основные недостатки

К недостаткам шаговых двигателей можно отнести:

  • относительно невысокие скорости вращения;
  • сложную систему управления;
  • риск эффекта резонанса;
  • риск потери позиционирования ротора шагового двигателя под воздействием механических перегрузок;
  • низкую удельную мощность.

Характеристики

Двигатель шагового типа является сложным механическим и электротехническим устройством. Список основных характеристик, которые следует учитывать при выборе устройства, включает:

  • сопротивление обмотки фазы. Показатель сопротивления обмотки при работе на постоянном токе;
  • число полных шагов за один оборот ротора. Это основной параметр шагового двигателя, который определяет точность позиционирования, плавность движения, разрешающую способность;
  • угол полного шага. Это величина угла, на который поворачивается ротор за одно перемещение. Для расчета можно разделить 360° на количество шагов;
  • номинальный ток. Наибольшее значение тока, при котором двигатель может работать неограниченно долгое время;
  • номинальное напряжение. Максимально допустимое постоянное напряжение на обмотке при статическом режиме шагового двигателя;
  • сопротивление изоляции. Величина сопротивления между корпусом и обмотками;
  • момент инерции ротора. Чем меньше инерционность ротора, тем он быстрее разгоняется;
  • крутящий момент. Для шагового двигателя это ключевой механический параметр. Указывается максимальное значение для конкретной модели двигателя;
  • пробивное напряжение. Показатель минимального напряжения, при котором возникает пробой изоляции между корпусом и обмотками;
  • индуктивность фазы. Данный параметр принимают во внимание, если от двигателя требуется высокая скорость вращения. От него зависит скорость увеличения тока в обмотке. Если фазы следует переключать с высокой частотой, необходимо увеличивать напряжение для быстрого нарастания тока;
  • удерживающий момент. Это показатель крутящего момента при остановленном шаговом двигателе и при двух фазах, запитанных номинальным током.

Сфера применения

Шаговые двигатели рассчитаны на использование в составе устройств с дискретным управлением, где необходимо точно позиционировать исполнительные механизмы. Также они применяются в промышленном оборудовании с программным управлением, где требуется обеспечить непрерывное движение по заданной траектории и импульсное влияние исполнительными механизмами. Ротор шагового двигателя способен поворачиваться на заданный угол и на определенное количество оборотов вокруг своей оси. Благодаря этому шаговые устройства позволяют позиционировать считывающие головки проигрывателей оптических дисков, дисковых накопителей, печатающих головок сканеров, принтеров и иных устройств. Такие двигатели широко используются не только на производстве и в составе бытовой техники. Эти устройства востребованы радиотехниками, робототехниками, мастерами-любителями, изготавливающими самодельные станки с ЧПУ, движущиеся устройства и т. д. Для управления применяются специально разработанные контроллеры либо сложные электронные схемы. Управлять импульсными сигналами, заставляющими двигатель работать в заданном режиме, также можно через порт компьютера.


Твитнуть

Поделиться

Поделиться

Плюсануть

Класснуть

Шаговый Двигатель — Принцип Работы для Чайников

Каким образом роботизированный манипулятор на предприятии повторяет одни и те же движения снова и снова? Как автоматический фрезерный станок может двигаться с такой точностью? Это возможно благодаря шаговому двигателю. Особенность шагового двигателя заключается в том, что он может контролировать угловое положение ротора без замкнутого контура обратной связи, это простая и точная разомкнутая система.

Как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Для начала давайте разберемся, как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением, который является самым простым. Позднее мы рассмотрим устройство высокоточного и широко используемого типа двигателя. У этого двигателя 6 зубьев на статоре, которые могут быть запитаны от трех отдельных источников постоянного тока. 

Ротор состоит из ряда стальных пластин. У него отличное от статора количество зубьев в данном случае их 4 это сделано намеренно, для того чтобы только одна пара зубьев ротора могла одновременно находиться напротив зубьев статора. 

Вы и сами можете объяснить, как работает этот шаговый двигатель. Если обесточить обмотку A и запитать обмотку B станет ясно, что ротор будет двигаться, как показано на модели. 

Из уроков геометрии понятно, что один шаг соответствует 30 градусам. Чтобы перейти к следующему шагу обесточим обмотку B и запитаем обмотку C. 

После этого вновь запитаем обмотку A. То есть ротор занимает позицию с наименьшим сопротивлением. 

Размер шага двигателя составляет 30 градусов, точность может быть доведена до 15 градусов при помощи одного простого приема, когда запитана обмотка A,  ротор находится в таком положении мы знаем, что если запитать обмотку B он повернется на 30 градусов. Но что произойдет если обмотки A и B будут запитаны одновременно? Ротор займет положение между двумя этими обмотками, то есть повернется на 15 градусов. 

После этого обесточим А. Когда ротор установится напротив обмотки B, запитаем обмотку С, такой тип работы называется режимом дробления шага. 

Как работает гибридный шаговый двигатель

Двигатель который мы рассматривали, называется двигателем с переменным магнитным сопротивлением. Наиболее универсальными и широко распространенными являются гибридные шаговые двигатели. Рассмотрим работу стандартного гибридного двигателя с величиной шага в 1.8 градуса. 

Гибридный двигатель имеет намагниченный по оси ротор со стальными зубчатыми наконечниками. Таким образом, одна сторона ротора является северным магнитным полюсом, а другая южным. 

Точность данного двигателя заключается в продуманном расположении зубьев ротора и статора. Разберемся, как это работает. Ротор имеет 50 зубьев, чтобы понять, как расположены зубья статора для начала, предположим, что у статора тоже 50 зубьев. Однако на самом деле их на 2 меньше, чем у ротора. Таким образом у статор остается 48 зубьев. 

Давайте разделим их на 4 группы попарно, как показано на модели (подробнее смотри на видео). 

Теперь давайте выровняем эти группы, зеленая группа сдвигается так что она оказывается наполовину выровнены с зубьями ротора. Зубья желтой группы полностью смещены относительно зубьев ротора. Синяя группа наполовину выровнена относительно зубьев ротора. Красная группа остается на своем месте, то есть красная группа зубьев полностью выровнена с ротором, а желтая группа смещена. Две другие группы смещены лишь наполовину. 

Следует помнить, что сторона ротора направленная к нам является южным магнитным полюсом. Обмотки статора соединяются следующим образом, они представляют собой две независимые группы обмоток. При подаче питания на обмотку A, статор образует следующую картину намагниченности. Одна пара полюсов статора действует как северный полюс, а другая как южный. Так как противоположные полюса притягиваются, они будут совмещены, полюса с одинаковой полярностью будут смещены. 

Смотрите, что произойдет с ротором при подаче питания на обмотку B, он совершит вращение на небольшой угол чтобы вы равняться с новым северным полюсом. Очевидно, что этот угол составляет одну четвертую часть углового шага. Другими словами, ротор поворачивается на 1,8 градуса, затем задействуется обмотка A с противоположной полярностью и вновь ротор поворачивается на одну целую восемь десятых градуса.

Данный процесс повторяется и двигатель совершает высокоточные движения. Разрешение угла шага может быть улучшено при помощи дробления шага. Интересно отметить, что северные зубчатые наконечники находятся между южными зубчатыми наконечниками, таким образом гарантируется выравнивание полюсов с противоположными полярностями.  

Вот так работает гибридный шаговый двигатель, такие двигатели идеально подходят для применения в областях, где необходимы четкие движения и простое управление.

Что такое шаговый двигатель и контроллеры? — Omega Engineering

Шаговый двигатель — это бесщеточный синхронный электродвигатель, который преобразует цифровые импульсы в механическое вращение вала. Каждый оборот шагового двигателя делится на дискретное количество шагов, во многих случаях 200 шагов, и для каждого шага двигателю необходимо посылать отдельный импульс. Шаговый двигатель может делать только один шаг за раз, и каждый шаг одинакового размера. Поскольку каждый импульс заставляет двигатель вращаться на точный угол, обычно 1.8 °, положение двигателя можно контролировать без какого-либо механизма обратной связи. По мере увеличения частоты цифровых импульсов шаговое движение переходит в непрерывное вращение, при этом скорость вращения прямо пропорциональна частоте импульсов. Шаговые двигатели используются каждый день как в промышленных, так и в коммерческих целях из-за их низкой стоимости, высокой надежности, высокого крутящего момента на низких скоростях и простой и прочной конструкции, которая работает практически в любых условиях.

Преимущества шагового двигателя

Преобразование нелинейного входного сигнала в линейный выходной сигнал.Это обычное дело для сигналов термопар.

Угол поворота двигателя пропорционален входному импульсу.
Двигатель имеет полный крутящий момент в состоянии покоя (если обмотки находятся под напряжением).
Точное позиционирование и повторяемость движения, так как хорошие шаговые двигатели имеют точность от 3 до 5% шага, и эта ошибка не накапливается от одного шага к другому.
Отличная реакция на пуск / остановку / движение задним ходом.
Очень надежен, так как в двигателе нет контактных щеток.Следовательно, срок службы шагового двигателя просто зависит от срока службы подшипника.
Шаговые двигатели, реагирующие на импульсы цифрового входа, обеспечивают управление без обратной связи, что упрощает управление двигателем и снижает его стоимость.
Можно добиться синхронного вращения на очень низкой скорости с нагрузкой, непосредственно связанной с валом.
Может быть реализован широкий диапазон скоростей вращения, поскольку скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Типы шаговых двигателей

Существует три основных типа шаговых двигателей: с регулируемым сопротивлением, с постоянным магнитом и гибридные.Это обсуждение будет сосредоточено на гибридном двигателе, поскольку эти шаговые двигатели сочетают в себе лучшие характеристики двигателей с переменным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Они сконструированы с полюсами статора с несколькими зубьями и ротором с постоянными магнитами. Стандартные гибридные двигатели имеют 200 зубцов ротора и вращаются с шагом 1,8 °. Поскольку они демонстрируют высокий статический и динамический крутящий момент и работают с очень высокой частотой шагов, гибридные шаговые двигатели используются в широком спектре коммерческих приложений, включая компьютерные дисководы, принтеры / плоттеры и проигрыватели компакт-дисков.Некоторые промышленные и научные применения шаговых двигателей включают робототехнику, станки, механизмы захвата и размещения, автоматизированные машины для резки и склеивания проволоки и даже точные устройства контроля жидкости.

Пошаговые режимы

«Шаговые режимы» шагового двигателя включают полный, половинный и микрошаговый. Тип выхода шагового режима любого шагового двигателя зависит от конструкции драйвера. OMEGA предлагает приводы с шаговыми двигателями с переключаемым полным и половинным шагами, а также микрошаговые приводы с переключаемым или программным выбором разрешения.

ПОЛНЫЙ ШАГ
Стандартные гибридные шаговые двигатели имеют 200 зубцов ротора или 200 полных шагов на оборот вала двигателя. Разделение 200 шагов на 360 ° вращения равняется полному углу шага 1,8 °. Обычно режим полного шага достигается за счет подачи питания на обе обмотки при попеременном реверсировании тока. По сути, один цифровой импульс от драйвера эквивалентен одному шагу.

HALF STEP
Полушаг просто означает, что шаговый двигатель вращается со скоростью 400 шагов за оборот.В этом режиме запитывается одна обмотка, а затем поочередно запитываются две обмотки, в результате чего ротор вращается на половину расстояния, или 0,9 °. Хотя он обеспечивает примерно на 30% меньший крутящий момент, полушаговый режим обеспечивает более плавное движение, чем полушаговый режим.

MICROSTEP
Microstepping — это относительно новая технология шагового двигателя, которая регулирует ток в обмотке двигателя до степени, которая дополнительно разделяет количество положений между полюсами. Микрошаговые приводы OMEGA способны делить полный шаг (1.8 °) на 256 микрошагов, что дает 51 200 шагов на оборот (0,007 ° / шаг). Микрошаг обычно используется в приложениях, требующих точного позиционирования и более плавного движения в широком диапазоне скоростей. Как и полушаговый режим, микрошаговый режим обеспечивает примерно на 30% меньше крутящего момента, чем полушаговый режим.

Linear Motion Control
Вращательное движение шагового двигателя может быть преобразовано в линейное движение с помощью системы привода ходового винта / червячной передачи. Шаг или шаг ходового винта — это линейное расстояние, пройденное за один оборот винта.Если шаг равен одному дюйму на оборот, и есть 200 полных шагов на оборот, то разрешение системы ходового винта составляет 0,005 дюйма на шаг. Еще более высокое разрешение возможно при использовании шагового двигателя / системы привода в микрошаговом режиме.

Серия

в сравнении с параллельным подключением Существует два способа подключения шагового двигателя: последовательно или параллельно. Последовательное соединение обеспечивает высокую индуктивность и, следовательно, больший крутящий момент на низких скоростях. Параллельное соединение снижает индуктивность, что приводит к увеличению крутящего момента на более высоких скоростях.

Обзор технологии драйвера

Драйвер шагового двигателя получает сигналы шага и направления от индексатора или системы управления и преобразует их в электрические сигналы для запуска шагового двигателя. На каждую ступень вала двигателя требуется один импульс. В полношаговом режиме со стандартным 200-шаговым двигателем требуется 200 шаговых импульсов для совершения одного оборота. Скорость вращения прямо пропорциональна частоте импульсов. Некоторые драйверы имеют встроенный генератор, который позволяет использовать внешний аналоговый сигнал или джойстик для установки скорости двигателя.

Скорость и крутящий момент шагового двигателя основаны на протекании тока от привода к обмотке двигателя. Фактор, который препятствует потоку или ограничивает время, необходимое току для возбуждения обмотки, известен как индуктивность. Влияние индуктивности, большинство типов схем драйвера предназначены для подачи большего количества напряжения, чем номинальное напряжение двигателя. Чем выше выходное напряжение от драйвера, тем выше уровень крутящего момента в зависимости от скорости. Как правило, выходное напряжение драйвера (напряжение на шине) должно быть в 5-20 раз выше номинального напряжения двигателя.Чтобы защитить двигатель от повреждения, привод шагового двигателя должен быть ограничен по току до номинального тока шагового двигателя.

Обзор индексатора

Индексатор или контроллер предоставляет драйверу выходные данные шага и направления. Для большинства приложений требуется, чтобы индексатор управлял и другими функциями управления, включая ускорение, замедление, количество шагов в секунду и расстояние. Индексатор также может взаимодействовать со многими другими внешними сигналами и управлять ими.

Связь с индексатором осуществляется через последовательный порт RS-232 и в некоторых случаях порт RS485.В любом случае индексатор способен принимать высокоуровневые команды от главного компьютера и генерировать необходимые импульсы шага и направления для драйвера.

Индексатор включает в себя вспомогательные входы / выходы для контроля входов от внешних источников, таких как переключатель Go, Jog, Home или Limit. Он также может запускать другие функции машины через выходные контакты ввода / вывода.

Автономная работа

В автономном режиме индексатор может работать независимо от главного компьютера.После загрузки в энергонезависимую память программы движения могут быть запущены с различных типов операторских интерфейсов, таких как клавиатура или сенсорный экран, или с переключателя через вспомогательные входы ввода / вывода. Автономная система управления шаговым двигателем часто комплектуется драйвером, источником питания и дополнительной обратной связью энкодера для приложений «замкнутого контура», требующих обнаружения опрокидывания и точной компенсации положения двигателя.

Многоосевое управление


В таких случаях доступна многокоординатная система управления.К сетевому концентратору HUB 444, например, может быть подключено до четырех шаговых приводов, причем каждый привод подключен к отдельному шаговому двигателю. Сетевой концентратор обеспечивает скоординированное перемещение приложений, требующих высокой степени синхронизации, например круговой или линейной интерполяции.

Выбор шагового двигателя и привода

Выбор шагового двигателя зависит от требований к крутящему моменту и скорости. Используйте кривую крутящего момента двигателя (указанную в технических характеристиках каждого привода), чтобы выбрать двигатель, который будет выполнять эту работу.Каждый шаговый привод в линейке OMEGA показывает кривые крутящий момент-скорость для рекомендуемых двигателей. Если ваши требования к крутящему моменту и скорости могут быть удовлетворены с помощью нескольких шаговых двигателей, выберите привод, основанный на потребностях вашей системы движения — шаг / направление, автономный программируемый, аналоговые входы, микрошаговый — затем выберите один из рекомендуемых двигателей для этого привода. . Список рекомендуемых двигателей основан на обширных испытаниях, проведенных производителем для обеспечения оптимальной производительности шагового двигателя и комбинации привода.

Выберите шаговый двигатель, подходящий для вашего приложения

Шаг и направление
Эти приводы шаговых двигателей принимают импульсы шага и сигналы направления / разрешения от контроллера, такого как ПЛК или ПК. Каждый шаговый импульс заставляет двигатель вращаться на определенный угол, а частота импульсов определяет скорость вращения. Сигнал направления определяет направление вращения (по часовой или против часовой стрелки), а разрешающий сигнал включает или выключает двигатель.

Учить больше

Генератор
Шаговые двигатели со встроенным цифровым генератором принимают аналоговый вход или джойстик для управления скоростью. Эти системы обычно используются в приложениях, требующих непрерывного движения, а не управления положением, таких как миксеры, блендеры и дозаторы.

Учить больше

Программируемый автономный
Все эти шаговые приводы можно запрограммировать для автономной работы; программа управления движением создается с помощью простого высокоуровневого программного интерфейса с перетаскиванием (входит в комплект бесплатно), затем загружается и запускается при включении питания.Программа управления движением обычно ожидает ввода, такого как замыкание переключателя или нажатие кнопки, перед выполнением запрограммированного движения.

Учить больше

Высокопроизводительные шаговые двигатели
Эти приводы шаговых двигателей предлагают расширенные функции, такие как самодиагностика, защита от сбоев, автонастройка, сглаживание пульсаций крутящего момента, сглаживание командных сигналов и антирезонансные алгоритмы. Некоторые приводы программируются отдельно, в то время как другие предлагают ступенчатые / направляющие и аналоговые входы.Высокопроизводительные приводы обеспечат наилучшую производительность вашей системы управления движением.

Учить больше

Техническое обучение

Техническое обучение

Просмотреть эту страницу на другом языке или в другом регионе

Шаговые двигатели

Шаговый двигатель — это бесщеточный синхронный электродвигатель, который преобразует цифровые импульсы в механическое вращение вала.Каждый оборот шагового двигателя делится на дискретное количество шагов, во многих случаях 200 шагов, и для каждого шага двигателю необходимо посылать отдельный импульс. Шаговый двигатель может делать только один шаг за раз, и каждый шаг одинакового размера. Поскольку каждый импульс заставляет двигатель вращаться на точный угол, обычно 1,8 °, положением двигателя можно управлять без какого-либо механизма обратной связи. По мере увеличения частоты цифровых импульсов шаговое движение переходит в непрерывное вращение, при этом скорость вращения прямо пропорциональна частоте импульсов.Шаговые двигатели используются каждый день как в промышленных, так и в коммерческих целях из-за их низкой стоимости, высокой надежности, высокого крутящего момента на низких скоростях и простой и прочной конструкции, которая работает практически в любых условиях.

OMEGA Engineering предлагает широкий ассортимент шаговых двигателей в Таиланде.

Преимущества шагового двигателя

Преобразование нелинейного входного сигнала в линейный выходной сигнал.Это обычное дело для сигналов термопар.

  • Угол поворота двигателя пропорционален входному импульсу.
  • Двигатель имеет полный крутящий момент в состоянии покоя (если обмотки находятся под напряжением).
  • Точное позиционирование и повторяемость движения, так как хорошие шаговые двигатели имеют точность от 3 до 5% шага, и эта ошибка не суммируется от одного шага к другому.
  • Отличная реакция на пуск / остановку / движение задним ходом.
  • Очень надежен, так как в двигателе нет контактных щеток. Следовательно, срок службы шагового двигателя просто зависит от срока службы подшипника.
  • Шаговые двигатели, реагирующие на импульсы цифрового входа, обеспечивают управление без обратной связи, что упрощает управление двигателем и снижает его стоимость.
  • Можно добиться синхронного вращения на очень низкой скорости с нагрузкой, непосредственно связанной с валом.
  • Может быть реализован широкий диапазон скоростей вращения, поскольку скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Типы шаговых двигателей

Существует три основных типа шаговых двигателей: с переменным сопротивлением, с постоянным магнитом и гибридные. Это обсуждение будет сосредоточено на гибридном двигателе, поскольку эти шаговые двигатели сочетают в себе лучшие характеристики двигателей с переменным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.Они сконструированы с полюсами статора с несколькими зубьями и ротором с постоянными магнитами. Стандартные гибридные двигатели имеют 200 зубцов ротора и вращаются с шагом 1,8 °. Поскольку они демонстрируют высокий статический и динамический крутящий момент и работают с очень высокой частотой шагов, гибридные шаговые двигатели используются в широком спектре коммерческих приложений, включая компьютерные дисководы, принтеры / плоттеры и проигрыватели компакт-дисков. Некоторые промышленные и научные применения шаговых двигателей включают робототехнику, станки, механизмы захвата и размещения, автоматизированные машины для резки и склеивания проволоки и даже точные устройства контроля жидкости.

Пошаговые режимы

«Шаговые режимы» шагового двигателя включают полный, половинный и микрошаговый. Тип выхода шагового режима любого шагового двигателя зависит от конструкции драйвера. Omegamation ™ предлагает приводы с шаговыми двигателями с переключаемыми полными и половинными шагами, а также микрошаговые приводы с выбираемым переключателем или программным выбором разрешения.

ПОЛНЫЙ ШАГ

Стандартные гибридные шаговые двигатели имеют 200 зубцов ротора или 200 полных шагов на оборот вала двигателя.Разделение 200 шагов на 360 ° вращения равняется полному углу шага 1,8 °. Обычно режим полного шага достигается за счет подачи питания на обе обмотки при попеременном реверсировании тока. По сути, один цифровой импульс от драйвера эквивалентен одному шагу.

ПОЛУШАГ
Полушаг просто означает, что шаговый двигатель вращается со скоростью 400 шагов за оборот. В этом режиме запитывается одна обмотка, а затем поочередно запитываются две обмотки, в результате чего ротор вращается на половину расстояния, или 0.9 °. Хотя он обеспечивает примерно на 30% меньший крутящий момент, полушаговый режим обеспечивает более плавное движение, чем полушаговый режим.

МИКРОСТ
Микрошаговый двигатель — это относительно новая технология шагового двигателя, которая регулирует ток в обмотке двигателя до такой степени, что дополнительно подразделяет количество позиций между полюсами. Микрошаговые приводы Omegamation способны разделять полный шаг (1,8 °) на 256 микрошагов, что дает 51 200 шагов на оборот (0,007 ° / шаг).Микрошаг обычно используется в приложениях, требующих точного позиционирования и более плавного движения в широком диапазоне скоростей. Как и полушаговый режим, микрошаговый режим обеспечивает примерно на 30% меньше крутящего момента, чем полушаговый режим.

Линейное управление перемещением
Вращательное движение шагового двигателя может быть преобразовано в линейное движение с помощью системы привода ходового винта / червячной передачи (см. Рисунок B). Шаг или шаг ходового винта — это линейное расстояние, пройденное за один оборот винта.Если шаг равен одному дюйму на оборот, и есть 200 полных шагов на оборот, то разрешение системы ходового винта составляет 0,005 дюйма на шаг. Еще более высокое разрешение возможно при использовании шагового двигателя / системы привода в микрошаговом режиме.

Серия

в сравнении с параллельным подключением
Есть два способа подключения шагового двигателя: последовательно или параллельно. Последовательное соединение обеспечивает высокую индуктивность и, следовательно, больший крутящий момент на низких скоростях.Параллельное соединение снижает индуктивность, что приводит к увеличению крутящего момента на более высоких скоростях.

Обзор технологии драйвера

Драйвер шагового двигателя получает сигналы шага и направления от индексатора или системы управления и преобразует их в электрические сигналы для запуска шагового двигателя. На каждую ступень вала двигателя требуется один импульс. В полношаговом режиме со стандартным 200-шаговым двигателем требуется 200 шаговых импульсов для совершения одного оборота.Скорость вращения прямо пропорциональна частоте импульсов. Некоторые драйверы имеют встроенный генератор, который позволяет использовать внешний аналоговый сигнал или джойстик для установки скорости двигателя.

Скорость и крутящий момент шагового двигателя основаны на протекании тока от привода к обмотке двигателя. Фактор, который препятствует потоку или ограничивает время, необходимое току для возбуждения обмотки, известен как индуктивность. Влияние индуктивности, большинство типов схем драйвера предназначены для подачи большего количества напряжения, чем номинальное напряжение двигателя.Чем выше выходное напряжение от драйвера, тем выше уровень крутящего момента в зависимости от скорости. Как правило, выходное напряжение драйвера (напряжение на шине) должно быть в 5-20 раз выше номинального напряжения двигателя. Чтобы защитить двигатель от повреждения, привод шагового двигателя должен быть ограничен по току до номинального тока шагового двигателя.

Обзор индексатора

Индексатор или контроллер предоставляет драйверу выходные данные шага и направления.Для большинства приложений требуется, чтобы индексатор управлял и другими функциями управления, включая ускорение, замедление, количество шагов в секунду и расстояние. Индексатор также может взаимодействовать со многими другими внешними сигналами и управлять ими.

Связь с индексатором осуществляется через последовательный порт RS-232 и в некоторых случаях порт RS485. В любом случае индексатор способен принимать высокоуровневые команды от главного компьютера и генерировать необходимые импульсы шага и направления для драйвера.

Индексатор включает в себя вспомогательные входы / выходы для контроля входов от внешних источников, таких как переключатель Go, Jog, Home или Limit. Он также может запускать другие функции машины через выходные контакты ввода / вывода.

Автономная работа

В автономном режиме индексатор может работать независимо от главного компьютера. После загрузки в энергонезависимую память программы движения могут быть запущены с различных типов операторских интерфейсов, таких как клавиатура или сенсорный экран, или с переключателя через вспомогательные входы ввода / вывода.Автономная система управления шаговым двигателем часто комплектуется драйвером, источником питания и дополнительной обратной связью энкодера для приложений «замкнутого контура», требующих обнаружения опрокидывания и точной компенсации положения двигателя.

Многоосевое управление

Многие приложения для управления движением требуют управления более чем одним шаговым двигателем. В таких случаях доступна многокоординатная система управления.К сетевому концентратору HUB 444, например, может быть подключено до четырех шаговых приводов, причем каждый привод подключен к отдельному шаговому двигателю. Сетевой концентратор обеспечивает скоординированное перемещение приложений, требующих высокой степени синхронизации, например круговой или линейной интерполяции.

Выбор шагового двигателя и привода

Выбор шагового двигателя зависит от требований к крутящему моменту и скорости.Используйте кривую крутящего момента двигателя (приведенную в технических характеристиках каждого привода, пример на рисунке C), чтобы выбрать двигатель, который будет выполнять эту работу. Каждый шаговый привод в линейке Omegamation показывает кривые крутящий момент-скорость для рекомендуемых двигателей. Если ваши требования к крутящему моменту и скорости могут быть удовлетворены с помощью нескольких шаговых двигателей, выберите привод, основанный на потребностях вашей системы движения — шаг / направление, автономный программируемый, аналоговые входы, микрошаговый — затем выберите один из рекомендуемых двигателей для этого привода. .Список рекомендуемых двигателей основан на обширных испытаниях, проведенных производителем для обеспечения оптимальной производительности шагового двигателя и комбинации привода.

Знакомство с шаговыми двигателями

Автор: DEXTER BAILEY
Инженер по полевым приложениям
FRANK PERAZELLA

Менеджер по продукту
Thompson Airpax Mechatronics
Los Gatos, California

EDED BY Stephen J. Mraz

Шприцевые насосы с шаговым двигателем автоматически дозируют точно контролируемые количества лекарств и растворов.В отличие от инъекции, вводимой врачом, которая выполняется быстро и за несколько секунд, линейный привод с микропроцессорным управлением может дозировать лекарства в течение длительных периодов времени с точными дозами и объемами. И в отличие от дозатора для внутривенного введения, который распределяет жидкости под действием силы тяжести, шприцевой насос регулирует поток с помощью давления. Два основных фактора, расход и количество, контролируются шаговыми двигателями.


Электронные пипетки — это устройства с линейным ходом, в которых используются цифровые линейные приводы для точного контроля количества распределяемой жидкости.Вал привода соединен с пипеткой, снабженной поршнем. Микропроцессор контролирует скорость шага привода и перемещает вал и поршень с точными и повторяемыми линейными приращениями. Многие электронные дозаторы представляют собой портативные портативные устройства со встроенными батареями и микрокомпьютерами.


Перистальтические насосы

обеспечивают больницам и медицинским лабораториям точную и воспроизводимую производительность откачки за счет использования шаговых двигателей с микропроцессорным управлением с редукторами или без них.Они используются для перекачивания крови в аппаратах искусственного кровообращения и диализных отделениях почек. Путем изменения диаметра трубки или скорости шага двигателя можно легко изменять и регулировать объем и скорость насоса. Используя один и тот же насос, можно обрабатывать различные жидкости, просто заменив трубки и перепрограммируя параметры насоса. Ничего, кроме трубки, соприкасается с жидкостью, что устраняет риск перекрестного загрязнения между насосом и жидкостью.


Начав скромно, шаговый двигатель с постоянными магнитами продолжает дополнять растущее число технологий, обеспечивая экономичное средство обеспечения инкрементного движения.А с сегодняшними крупносерийными недорогими ИС и вычислительной мощностью биомедицинским инженерам легко разрабатывать решения на основе шаговых двигателей для медицинского оборудования, которое должно измерять, дозировать или перекачивать жидкости. Они также могут использовать шаговые двигатели для создания аналитического оборудования с потребностями управления движением.

Системы с шаговыми двигателями обеспечивают точную скорость, положение, надежность и эффективность — характеристики, жизненно важные для медицинского рынка. По сравнению с альтернативами, такими как щеточные двигатели постоянного тока, шаговые двигатели не требуют энкодера или контура обратной связи, а время эксплуатации измеряется сроком службы подшипника, а не щеткой.Шаговые двигатели не создают грязи или твердых частиц, которые могут привести к загрязнению. И в качестве дополнительного преимущества шаговые двигатели генерируют низкий уровень электромагнитных помех, что является критически важным фактором в современных больницах, переполненных чувствительным электронным оборудованием.

ШАГОВЫЙ МОТОР PRIMER
Шаговые двигатели преобразуют электрические сигналы в дискретные механические вращательные движения, наиболее распространенные из которых можно разделить на два типа: гибридные и с постоянными магнитами (PM). Гибридные шаговые двигатели имеют ламинированные статоры и роторы с постоянными магнитами.В двигателях с постоянными магнитами используются штампованные статоры и радиально намагниченные роторы с постоянными магнитами. Современные материалы и драйверы сократили разрыв в производительности между этими двумя типами, но между ними есть различия.

Гибридные двигатели обычно выбираются для приложений, требующих малого шага на выходе 1,8 °. Они также более эффективны, чем шаговые двигатели с постоянными магнитами (PM), но также имеют более высокую стоимость. Шаговые двигатели PM обычно доступны с шагом шага от 3,6 до 18 ° и по своей природе более адаптируемы.Они часто дают более конкурентоспособное по стоимости решение и получили широкое распространение в различных приложениях для различного медицинского оборудования.

Шаговые двигатели PM обычно имеют диаметр от 15 до 70 мм. При определенных редукторах двигатели могут создавать выходной крутящий момент 10 фунт-фут или более.

Гибридные шаговые двигатели и шаговые двигатели PM являются двунаправленными и могут работать в широком диапазоне скоростей, от инкрементальных до скоростей до 1800 об / мин, причем скорости могут быть фиксированными или переменными.Управление поставляется в виде программируемых электронных входов. Инженеры могут изменять механические параметры системы шаговых двигателей, включая валы и конфигурации крепления, механизмы шестерен и шкивов, а также коробки передач в целом, в соответствии с потребностями приложения.

Настроить PM step-pers для конкретных требований приложения относительно просто. Разработчики могут настроить сопротивление и индуктивность катушки, например, в соответствии со схемой возбуждения и доступным напряжением. Приемники PM также принимают множество различных типов магнитов.

Есть также полные библиотеки стандартных и нестандартных деталей, которые могут использовать дизайнеры. Параметры приложения можно быстро проанализировать с помощью мощного программного обеспечения САПР и проектирования. Таким образом, с помощью двигателя рамы подходящего размера можно оптимизировать интерфейс с конечным продуктом. Это означает быстрое выполнение работ и более короткие сроки разработки.

В шаговых двигателях используются два основных типа обмоток катушек — однополярные или биполярные, — которые определяют тип необходимого драйвера.Униполярные катушки включают бифилярные обмотки с одним центральным выводом, общим для обеих катушек. Центральный отвод обычно подключается к положительному напряжению. Униполярная схема предпочтительна там, где программы большого объема требуют наименьшей стоимости. Биполярные катушки содержат только одну обмотку, каждая с примерно таким же количеством витков, как и в униполярных катушках, но с большим размером провода. Это дает биполярным катушкам примерно на 30% больший крутящий момент, особенно на более низких скоростях. Поскольку у них нет центрального отвода, биполярные катушки требуют дополнительных схем для переключения направления тока.Это достигается экономически эффективно с помощью современных однокристальных драйверов.

Существует множество вариантов драйверов интегральных схем для приложений малого и среднего объема. Инженеры могут выбирать между множеством одно- или двухчиповых решений с расширенными функциями, такими как ограничение тока ШИМ (широтно-импульсная модуляция), чоп-за, полушаговый и микрошаговый.

ОСНОВНАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ
Прежде чем инженеры выберут правильную ступенчатую систему, они обычно определяют, какую работу необходимо выполнить, ограничения по месту, напряжение и ток, а также доступные типы драйверов.Но также полезно понимать некоторую базовую терминологию.

Униполярные и биполярные обмотки. Эти термины описывают конфигурацию катушки двигателя. Это помогает определить подходящий драйвер, который будет использоваться. Изменение сопротивления катушки может оптимизировать реакцию крутящего момента, чтобы наилучшим образом соответствовать используемому драйверу, напряжению и току. Более низкое сопротивление может улучшить характеристики, но необходимо учитывать тепловыделение и рабочий цикл, чтобы избежать повреждения изоляции провода.

Момент. Крутящий момент, ключевой параметр в системах шаговых двигателей, зависит от нескольких факторов, включая скорость шага, ток возбуждения, подаваемый на обмотки, и конструкцию драйвера. Он может быть выражен как момент фиксации (или остаточный), удерживающий, втягивающий или вытягивающий момент.

Фиксирующий или остаточный крутящий момент — это крутящий момент без подачи энергии из-за влияния ротора с постоянными магнитами и трения в подшипниковой системе. Это преимущество во многих медицинских приложениях, поскольку оно позволяет двигателю удерживать нагрузку в нужном положении, даже когда на двигатель отсутствует питание.

Удерживающий момент — это момент, необходимый для отклонения ротора на один полный шаг, и измеряется при включенном двигателе в состоянии покоя.

Вращающий момент создается шаговым двигателем, запущенным с фиксированным шагом или частотой импульсов. Его также называют крутящим моментом при запуске без ошибки, и он обычно включается в большинство диаграмм характеристик. Он часто используется в начале и в конце работы двигателя для преодоления инерции нагрузки.

Вытягивающий момент создается шаговым двигателем после того, как он достиг рабочей или рабочей скорости.В диаграммах рабочих характеристик это может называться кривой нарастания, и, поскольку это фактический динамический крутящий момент, создаваемый двигателем во время работы, это ключ к выбору правильного двигателя для приложения.

Магниты. Значительное улучшение крутящего момента может быть достигнуто с помощью более сильных магнитов. Обновление керамических магнитов (анизотропной или изотропной формы) до редкоземельных материалов, таких как неодим, увеличивает характеристики двигателя. А силу редкоземельных магнитов можно регулировать, изменяя процентное содержание используемых наполнителей, обычно бора, кобальта или железа.Повышение доступности редкоземельных материалов в последнее время привело к тому, что цены на редкоземельные магниты достигли конкурентоспособного уровня. Однако магниты из редкоземельных элементов более восприимчивы к тепловым повреждениям, чем керамические магниты.

Угол шага. В то время как гибридные двигатели обычно идут с шагом шага от 0,9 до 3,6 °, шаговые двигатели PM изменяются от 3,6 до 18 ° в полношаговом режиме. Чем больше угол, тем меньше шагов нужно валу двигателя, чтобы сделать один оборот. Шаговые двигатели наиболее точны при включении четного числа шагов.Поскольку шаговая погрешность не накапливается, она обнуляется на каждом четвертом шаге, или на 360 электрических градусов. Полушаговый и микрошаговый режимы эффективны для более точного инкрементного позиционирования и плавной работы. (Микрошаговый режим позволяет двигателю работать в зоне резонанса, сводя к минимуму или уменьшая потребность в механическом демпфировании за счет дополнительного трения или инерции.)

Редукторы. Редукторы доступны для двигателей с постоянными магнитами большинства размеров. Они позволяют инженерам согласовывать инерцию между двигателями и приложениями, увеличивать крутящий момент и создавать более мелкие ступенчатые приращения, чем это возможно при использовании двигателя с прямым соединением.Они также могут сэкономить место и деньги, используя обычную приводную электронику в многофункциональных конструкциях. Стандартные сокращения доступны быстро, а индивидуальные соотношения могут быть разработаны в соответствии с требованиями к объему.

Цифровой линейный привод. DLA обеспечивает точный, воспроизводимый линейный ход до 0,0005 дюйма (полный шаг) с усилием до 30 фунтов. Ход может составлять от нескольких тысячных долей дюйма до нескольких футов. DLA имеют ротор с постоянными магнитами, поэтому они могут удерживать положение без напряжения при нагрузках до 16 фунтов.Они являются хорошим выбором для управления точным количеством жидкости или газа, как в шприцевых насосах и электронных пипетках. Они доступны в двух- или четырехфазной конфигурации и в диапазоне напряжений от 5 до 12 В постоянного тока. Размеры упаковки для DLA варьируются от 26 до 75 мм в диаметре. DLA также имеет встроенные упорные подшипники. Несмотря на распространение твердотельных устройств и оборудования, достижения в области технологий продолжают открывать новые возможности для инкрементального движения с шаговыми двигателями. Помимо медицинских приложений, такие разнообразные отрасли, как автоматизация офисов, автомобилестроение, HVAC, телекоммуникации и оборона, используют в своих последних продуктах прочные, надежные и экономичные степперы.

Увеличение скорости
Для тех, кто хочет быстро освоить разработку медицинских изделий с шаговыми двигателями, Thomson Airpax упростил процесс и сократил время обучения с помощью предварительно спроектированного комплекта двигатель / драйвер. Он оснащен микросхемой микрошагового контроллера, разработанной Allegro Microsystems. Плата драйвера двигателя может использоваться в конструкциях с малым объемом, в то время как большие объемы могут потребовать использования ИС в специальной печатной плате. В комплект также входит необходимый интерфейсный кабель и программное обеспечение.Программа, совместимая с Windows, помогает инженерам выбрать правильное направление, темп, время работы и время работы, которые можно изменить для конкретных приложений. Все, что требуется, кроме ПК, ноутбука или программируемого контроллера, — это небольшой блок питания.

Как работают шаговые двигатели

На рисунках ниже показаны два поперечных сечения 5-фазного шагового двигателя. Шаговый двигатель состоит в основном из двух частей: статора и ротора. Ротор состоит из трех компонентов: ротора 1, ротора 2 и постоянного магнита.Ротор намагничен в осевом направлении, так что, например, если ротор 1 поляризован на север, ротор 2 будет поляризован на юг.

Статор имеет десять магнитных полюсов с небольшими зубцами, каждый из которых снабжен обмоткой. Каждая обмотка подключена к обмотке противоположного полюса, так что оба полюса намагничиваются с одинаковой полярностью, когда ток проходит через пару обмоток. (Пропускание тока через данную обмотку намагничивает противоположную пару полюсов той же полярности, т.е.е., север или юг.)

Противоположная пара полюсов составляет одну фазу. Поскольку имеется пять фаз, от A до E, двигатель называется «5-фазным шаговым двигателем».

По внешнему периметру каждого ротора имеется 50 маленьких зубцов, при этом маленькие зубья ротора 1 и ротора 2 механически смещены друг относительно друга на половину шага зубьев.

Возбуждение: Для подачи тока через обмотку двигателя

Магнитный полюс: Выступающая часть статора, намагничиваемая возбуждением

Маленькие зубцы:
Зубья на роторе и статоре

Принцип работы

Ниже приводится объяснение взаимосвязи между маленькими зубцами намагниченного статора и маленькими зубьями ротора.

При возбуждении фазы «А»

Когда фаза A возбуждена, ее полюса поляризованы на юг. Это притягивает зубцы ротора 1, поляризованные на север, в то же время отталкивая зубцы ротора 2, поляризованные на юг. Таким образом, силы, действующие на весь блок в равновесии, удерживают ротор в неподвижном состоянии. В это время зубцы полюсов фазы B, которые не возбуждаются, смещены с зубьями ротора 2 с южной поляризацией, так что они смещены на 0,72˚. Это резюмирует взаимосвязь между зубьями статора и зубьями ротора при возбуждении фазы А.

Когда фаза «B» возбуждена

Когда возбуждение переключается с фазы A на B, полюса фазы B поляризованы на север, притягивая южную полярность ротора 2 и отталкивая северную полярность ротора 1.

Другими словами, когда возбуждение переключается с фазы A на B, ротор вращается на 0,72˚. Когда возбуждение переходит от фазы A к фазам B, C, D и E, а затем обратно к фазе A, шаговый двигатель вращается точно на 0.72 шага. Чтобы вращаться в обратном направлении, измените последовательность возбуждения на фазы A, E, D, C, B, а затем обратно на фазу A.

Высокое разрешение 0,72˚ присуще механическому смещению между статором и ротором, что позволяет достичь точного позиционирования без использования энкодера или других датчиков. Достигнута высокая точность остановки, составляющая 3 угловых минуты (без нагрузки), поскольку единственными факторами, влияющими на точность остановки, являются вариации в точности обработки статора и ротора, точности сборки и сопротивления обмоток постоянному току.

Драйвер выполняет функцию переключения фаз, и его синхронизация регулируется импульсным сигналом, подаваемым на драйвер. В приведенном выше примере показано, как возбуждение продвигается по одной фазе за раз, но в реальном шаговом двигателе эффективное использование обмоток достигается за счет одновременного возбуждения четырех или пяти фаз.

Основные характеристики шаговых двигателей

Важным моментом, который следует учитывать при применении шаговых двигателей, является соответствие характеристик двигателя условиям эксплуатации.
В следующих разделах описываются характеристики, которые следует учитывать при применении шаговых двигателей.
Две основные характеристики шагового двигателя:

  • Динамические характеристики: Это пусковые и вращательные характеристики шагового двигателя, в основном влияющие на движение механизма и время цикла.
  • Статические характеристики: Это характеристики, относящиеся к изменениям угла, которые происходят, когда шаговый двигатель находится в режиме покоя, что влияет на уровень точности оборудования.

Динамические характеристики

Скорость — характеристики крутящего момента На приведенном выше рисунке показан график характеристик, показывающий взаимосвязь между скоростью и крутящим моментом управляемого шагового двигателя. Эти характеристики всегда учитываются при выборе шагового двигателя. По горизонтальной оси отложена скорость на выходном валу двигателя, а по вертикальной оси — крутящий момент. Характеристики крутящего момента и скорости определяются двигателем и приводом и в значительной степени зависят от типа используемого привода.

  • Максимальный удерживающий момент (TH) Максимальный удерживающий момент — это максимальная удерживающая мощность (крутящий момент) шагового двигателя при подаче питания (при номинальном токе), когда двигатель не вращается.
  • Момент отрыва Момент отрыва — это максимальный крутящий момент, который может быть выдан при заданной скорости. При выборе двигателя убедитесь, что требуемый крутящий момент находится в пределах этой кривой.
  • Максимальная пусковая частота (fS) Это максимальная скорость импульса, при которой двигатель может запускаться или останавливаться мгновенно (без времени ускорения / замедления), когда фрикционная нагрузка и инерционная нагрузка шагового двигателя равны 0.Приведение двигателя в движение с импульсной скоростью, превышающей эту скорость, потребует постепенного ускорения или замедления. Эта частота будет уменьшаться при добавлении инерционной нагрузки к двигателю. Обратитесь к характеристикам инерционной нагрузки — пусковой частоты ниже.

Максимальная частота срабатывания (fr) Это максимальная импульсная скорость, при которой двигатель может работать с постепенным ускорением или замедлением, когда фрикционная нагрузка и инерционная нагрузка шагового двигателя равны 0.На приведенном ниже рисунке показаны скоростные характеристики 5-фазного шагового двигателя и блока драйвера.

Инерционная нагрузка — характеристики пусковой частоты Эти характеристики показывают изменения пусковой частоты, вызванные инерцией нагрузки. Поскольку ротор и нагрузка шагового двигателя имеют свой собственный момент инерции, во время мгновенного пуска и останова на оси двигателя возникают задержки и опережения. Эти значения изменяются в зависимости от скорости импульса, но двигатель не может следовать за скоростью импульса за пределами определенной точки, что приводит к ошибкам.Скорость импульса непосредственно перед возникновением ошибки называется начальной частотой.

Изменения максимальной пусковой частоты с инерционной нагрузкой можно приблизительно рассчитать по следующей формуле:

Вибрационные характеристики

Шаговый двигатель вращается за счет серии шаговых движений. Шаговое движение можно описать как одноступенчатую реакцию, как показано ниже:

1. Один импульсный вход на шаговый двигатель в состоянии покоя ускоряет двигатель до следующего положения остановки.

2. Ускоренный двигатель проходит через положение остановки, выходит за определенный угол и возвращается назад в обратном направлении.

3. Двигатель останавливается в заданном положении остановки после демпфирующих колебаний.

Вибрация на низких скоростях вызвана ступенчатым движением, которое вызывает этот тип демпфирующих колебаний. График вибрационных характеристик ниже представляет величину вибрации вращающегося двигателя. Чем ниже уровень вибрации, тем плавнее будет вращение двигателя.

Статические характеристики

Угловые характеристики крутящего момента: Угловые характеристики крутящего момента показывают взаимосвязь между угловым смещением ротора и крутящим моментом, приложенным извне к валу двигателя, когда двигатель возбуждается номинальным током. График этих характеристик показан ниже:

На следующих рисунках показано взаимное расположение зубцов ротора и статора в пронумерованных точках на схеме выше.Когда он удерживается в стабильном положении в точке (1), внешнее приложение силы к валу двигателя будет создавать крутящий момент T (+) в левом направлении, пытаясь вернуть вал в стабильную точку (1). Вал остановится, когда внешняя сила сравняется с этим крутящим моментом в точке (2).

Если приложить дополнительную внешнюю силу, существует угол, под которым создаваемый крутящий момент достигнет максимума в точке (3). Этот крутящий момент называется максимальным удерживающим крутящим моментом TH.

Приложение внешней силы, превышающей это значение, приведет к перемещению ротора в неустойчивую точку (5) и далее, создавая крутящий момент T (-) в том же направлении, что и внешняя сила, так что он перемещается в следующую устойчивую точку (1 ) и останавливается.

Точки устойчивости: Точки остановки ротора, при этом зубья статора и зубья ротора точно совмещены. Эти точки чрезвычайно устойчивы, и ротор всегда будет останавливаться в них, если не будет приложена внешняя сила.

Точки нестабильности: Точки, в которых зубья статора и ротора находятся на половине шага от совмещения. Ротор в этих точках переместится в следующую устойчивую точку влево или вправо, даже при малейшей внешней силе.

Точность угла

В условиях холостого хода шаговый двигатель имеет угловую точность в пределах ± 3 угловых минут (± 0,05 °). Небольшая погрешность возникает из-за разницы в механической точности статора и ротора и небольшого разброса сопротивления обмотки статора постоянному току. Как правило, угловая точность шагового двигателя выражается в точности положения остановки.

Точность положения остановки: Точность положения остановки — это разница между теоретическим положением остановки ротора и его фактическим положением остановки.Заданная точка остановки ротора принимается за начальную точку, тогда точность положения остановки — это разница между максимальным (+) значением и максимальным (-) значением в наборе измерений, сделанных для каждого шага полного вращения.

Точность положения остановки находится в пределах ± 3 угловых минуты (± 0,05˚), но только при отсутствии нагрузки. В реальных приложениях всегда присутствует одинаковая нагрузка на трение. Угловая точность в таких случаях обеспечивается угловым смещением, вызванным характеристиками угол — крутящий момент, основанными на фрикционной нагрузке.Если фрикционная нагрузка постоянна, угол смещения будет постоянным для однонаправленной работы.

Однако при работе в двух направлениях угол смещения увеличивается вдвое за один проход. Когда требуется высокая точность остановки, всегда выполняйте позиционирование в одном и том же направлении.

Последовательность возбуждения шагового двигателя и пакетов драйверов

Каждый 5-фазный двигатель и драйвер, перечисленные в нашем каталоге, состоят из нового пятиугольника, двигателя с пятью выводами и драйвера со специальной последовательностью возбуждения.Эта комбинация, запатентованная Oriental Motor, дает следующие преимущества:

  • Простые соединения для пяти выводов
  • Низкая вибрация

В следующих разделах описывается последовательность подключения и возбуждения.

Новый пятиугольник, 4-фазное возбуждение: система полного шага (0,72˚ / шаг)

Это уникальная система для 5-фазного двигателя, в которой возбуждаются четыре фазы. Угол шага составляет 0,72˚ (0,36˚).Он обеспечивает отличный демпфирующий эффект и, следовательно, стабильную работу.

Новый пятиугольник, 4-5-фазное возбуждение: полушаговая система (0,36˚ / шаг)

Последовательность шагов с чередованием 4-фазного и 5-фазного возбуждения обеспечивает вращение со скоростью 0,36˚ на шаг. Один оборот можно разделить на 1000 шагов.

Драйверы шагового двигателя

Есть две распространенные системы привода шагового двигателя: привод постоянного тока и привод постоянного напряжения.Схема для привода постоянного напряжения проще, но относительно труднее добиться характеристик крутящего момента на высоких скоростях.
Привод постоянного тока, с другой стороны, в настоящее время является наиболее часто используемым методом привода, поскольку он обеспечивает отличные характеристики крутящего момента на высоких скоростях. Все драйверы Oriental Motor используют систему привода постоянного тока.

Обзор системы привода постоянного тока

Шаговый двигатель вращается за счет последовательного переключения тока, протекающего через обмотки.Когда скорость увеличивается, скорость переключения также увеличивается, и рост тока замедляется, что приводит к потере крутящего момента. Прерывание постоянного напряжения, намного превышающего номинальное напряжение двигателя, гарантирует, что номинальный ток достигнет двигателя даже на более высоких скоростях.

Ток, протекающий к обмоткам двигателя, определяемый как напряжение через резистор для определения тока, сравнивается с опорным напряжением. Управление током осуществляется путем удержания переключающего транзистора Tr2 включенным, когда напряжение на резисторе обнаружения ниже опорного напряжения (когда оно не достигло номинального тока), или выключения Tr2, когда значение выше опорного напряжения ( когда он превышает номинальный ток), тем самым обеспечивая постоянный поток номинального тока.

Различия между характеристиками входа переменного и постоянного тока

Шаговый двигатель приводится в действие напряжением постоянного тока, подаваемым через драйвер. В двигателях и драйверах Oriental Motor с входным напряжением 24 В постоянного тока на двигатель подается 24 В постоянного тока. В двигателях и драйверах 100-115 В переменного тока вход выпрямляется до постоянного тока, а затем на двигатель подается примерно 140 В постоянного тока. (Некоторые продукты являются исключением.)

Эта разница в напряжениях, подаваемых на двигатели, проявляется как разница в характеристиках крутящего момента на высоких скоростях.Это связано с тем, что чем выше приложенное напряжение, тем быстрее будет нарастание тока через обмотки двигателя, что облегчает приложение номинального тока на более высоких скоростях.

Таким образом, двигатель с входом переменного тока и приводной блок имеют превосходные характеристики крутящего момента в широком диапазоне скоростей, от низких до высоких скоростей, обеспечивая большое передаточное отношение. Для ваших приложений рекомендуется использовать двигатель с входом переменного тока и пакеты драйверов, которые совместимы с более широким диапазоном условий эксплуатации.

Технология привода Microstep

Технология привода

Microstep используется для разделения основного угла шага (0,72˚) 5-фазного шагового двигателя на более мелкие шаги (максимум до 250 делений) без использования механизма снижения скорости.

◇ Microstep Drive Technology

Шаговый двигатель перемещается и останавливается с шагом шага, определяемым структурой явных полюсов ротора и статора,
легко обеспечивает высокую точность позиционирования.Шаговый двигатель, с другой стороны, вызывает изменение скорости ротора, потому что
двигатель вращается с шагом шага угла, что приводит к резонансу или большей вибрации при заданной скорости.

Microstepping — это технология, которая обеспечивает низкий резонанс и низкий уровень шума при работе на чрезвычайно низких скоростях за счет управления потоком электрического тока
, подаваемого на катушку двигателя, и тем самым деления основного угла шага двигателя на более мелкие ступени.

  • Угол основного шага двигателя (0.72˚ / полный шаг) можно разделить на более мелкие шаги от 1/1 до 1/250. Таким образом, микрошаг обеспечивает плавную работу.
  • Благодаря технологии плавного изменения тока привода двигателя, вибрация двигателя может быть сведена к минимуму для малошумной работы.

◇ До 250 микрошагов

Благодаря микрошаговому драйверу можно установить разные углы шага (от 16 шагов до 250 делений) с помощью двух переключателей установки угла шага. Управляя входным сигналом для переключения угла шага через внешний источник, можно переключать угол шага между уровнями, установленными для соответствующих переключателей.

Характеристики Microstep Drive

● Низкая вибрация
Технология привода Microstep с помощью электроники делит угол шага на более мелкие шаги, обеспечивая плавное пошаговое движение на низких скоростях и значительно снижая вибрацию. В то время как демпфер или подобное устройство обычно используется для уменьшения вибрации, конструкция с низким уровнем вибрации, используемая для самого двигателя, наряду с технологией микрошагового привода, минимизирует вибрацию более эффективно.Меры по защите от вибрации можно значительно упростить, поэтому он идеально подходит для большинства чувствительных к вибрации приложений и оборудования.

● Низкий уровень шума
Технология привода Microstep эффективно снижает уровень шума, связанный с вибрацией, на низких скоростях, обеспечивая низкий уровень шума. Двигатель демонстрирует выдающиеся характеристики даже в самых чувствительных к шуму условиях.

● Улучшенная управляемость
Новый микрошаговый драйвер Pentagon с превосходными характеристиками демпфирования сводит к минимуму перерегулирование и недорегулирование в ответ на скачкообразные изменения, точно следуя импульсной последовательности и обеспечивая улучшенную линейность.Кроме того, можно уменьшить шок, обычно возникающий в результате движений при запуске и остановке.

Шаговый двигатель и пакет драйверов

Обзор системы управления

◇ Датчик для определения положения ротора

Датчик положения ротора встроен в встречный конец выходного вала двигателя:

Обмотка датчика определяет изменение магнитного сопротивления из-за углового положения ротора.

с инновационным замкнутым контуром управления

Счетчик отклонения вычисляет отклонение (отставание / опережение) фактического углового положения ротора по отношению к команде положения по импульсному сигналу. Результат расчета используется для обнаружения «области ошибочного шага» и управления двигателем путем переключения между режимами разомкнутого и замкнутого контура.

  • Если отклонение позиционирования меньше} 1,8}, двигатель работает в режиме разомкнутого контура.
  • Если отклонение позиционирования составляет} 1,8˚ или более, двигатель работает в режиме замкнутого контура.

В режиме замкнутого контура возбуждение обмотки двигателя регулируется так, чтобы для данного углового положения ротора развивался максимальный крутящий момент. Такой метод управления позволяет исключить нестабильные точки (области ошибочного шага) в углово-крутящих характеристиках.

Особенности AlphaStep

◇ Повышенная производительность шагового двигателя

  • На высоких скоростях не будет «оплошностей».”Следовательно, в отличие от обычных шаговых двигателей, работа будет свободна от следующих ограничений:
  • Ограничения на скорости ускорения / замедления и коэффициент инерции, вытекающие из профиля импульсов контроллера.
  • Ограничение скорости стартового импульса, вызванное «ошибкой».
  • Используйте фильтр скорости для настройки скорости отклика при запуске / остановке. Чувствительность запуска / остановки может быть отрегулирована с помощью 16 настроек без изменения данных контроллера (пусковой импульс, скорость ускорения / замедления).Эта функция предназначена для уменьшения ударов при работе и вибрации при работе на низкой скорости.

Возврат к работе в механическом режиме с использованием сигнала синхронизации возбуждения

● Сигнал синхронизации возбуждения
Сигнал синхронизации возбуждения (TIM.) Выводится, когда драйвер первоначально возбуждает шаговый двигатель (шаг «0»). 5-фазный шаговый двигатель и драйверы Oriental Motor выполняют начальное возбуждение при включении питания и продвигают последовательность
возбуждения каждый раз, когда вводится импульсный сигнал, завершая один цикл, когда вал двигателя вращается 7.2˚.

Используйте эти временные сигналы, когда необходимо выполнить возврат к механическому дому с высокой воспроизводимостью. В следующих разделах описывается возврат шагового двигателя в механический исходный режим и использование сигналов синхронизации.

● Return to Mechanical Home Operation для шаговых двигателей

При включении питания для запуска автоматизированного оборудования или перезапуске оборудования после сбоя питания необходимо вернуть шаговые двигатели в их стандартное положение.Эта операция называется «возвращением к механическому домашнему режиму».

При возврате к механическому домашнему режиму для шаговых двигателей используются домашние датчики для обнаружения механического компонента, используемого для операции позиционирования. Когда обнаруженные сигналы подтверждаются, контроллер останавливает импульсный сигнал, и шаговый двигатель останавливается. Точность исходного положения при таком возврате к механическому домашнему режиму зависит от характеристик обнаружения домашних датчиков. Поскольку характеристики обнаружения домашних датчиков варьируются в зависимости от таких факторов, как температура окружающей среды и скорость приближения к зоне обнаружения механизма, необходимо уменьшить эти факторы для приложений, в которых требуется обнаружение механического исходного положения с высокой воспроизводимостью.

● Улучшенная воспроизводимость с использованием сигнала синхронизации возбуждения

Метод обеспечения того, чтобы механическое исходное положение не изменялось из-за изменений в характеристиках обнаружения датчиков исходного положения, заключается в остановке импульсного сигнала путем логического умножения на сигнал синхронизации. Поскольку синхронизирующий сигнал выводится при начальном возбуждении, если импульсный сигнал останавливается при выводе синхронизирующего сигнала, механическое исходное положение всегда будет определяться при начальном возбуждении.

Взаимосвязь между длиной кабеля и частотой передачи

По мере увеличения длины кабеля импульсной линии максимальная частота передачи уменьшается. В частности, резистивная составляющая и паразитная емкость кабеля вызывают формирование схемы CR, тем самым задерживая время нарастания и спада импульса. Паразитная емкость в кабеле возникает между электрическими проводами и плоскостями заземления. Однако трудно предоставить четкие числовые данные, поскольку условия различаются в зависимости от типа кабеля, его разводки, трассировки и других факторов.

Частота передачи при работе в сочетании с нашими продуктами (контрольные значения фактических измерений) показаны ниже:

Влияние жесткости муфты на оборудование

Технические характеристики, указывающие на характеристики муфты, включают допустимую нагрузку, допустимую скорость, жесткость пружины кручения, люфт (люфт) в муфте и допустимое смещение. На практике при выборе муфт для оборудования, которое требует высоких характеристик позиционирования или низкой вибрации, основным критерием выбора будет «жесткость, без люфта».«Однако в некоторых случаях жесткость муфты оказывает лишь незначительное влияние на общую жесткость оборудования.

В этом разделе приводится пример сравнения общей жесткости оборудования, состоящего из шарико-винтовой передачи, в двух приложениях, где используются кулачковая муфта, такая как MCS, и сильфонная муфта, обеспечивающая более высокую жесткость. (Данные взяты из технического документа KTR, по этой причине размеры муфт отличаются от продуктов, предлагаемых Oriental Motor.)

Обзор испытательного оборудования

Технические характеристики деталей

Жесткость пружины кручения кулачковой муфты
Cj = 21000 [Н м / рад]

Жесткость пружины кручения сильфонной муфты
Cb = 116000 [Н м / рад]

Жесткость серводвигателя
Cm =

[Н ・ м / рад]

Шаг шарико-винтовой передачи
h = 10 [мм]

Диаметр корневой окружности ШВП
d = 28.5 [мм]

Длина шарико-винтовой передачи
L = 800 [мм]

Жесткость подшипника в осевом направлении
Rbrg = 750 [Н / мкм]

Жесткость гайки шарико-винтовой передачи в осевом направлении
Rn = 1060 [Н / мкм]

Модуль упругости ШВП
Rf = 165000 [Н / мм2]

1. Получите жесткость на скручивание шарико-винтовой передачи, подшипника и гайки. Жесткость в осевом направлении шарико-винтовой передачи Rs рассчитывается следующим образом:

Следовательно, общая жесткость в осевом направлении шарико-винтовой передачи, подшипника и гайки Rt рассчитывается следующим образом:

Эта жесткость в осевом направлении применяется как жесткость на кручение Ct.

2. Обеспечьте общую жесткость оборудования C при использовании кулачковой муфты.

3. Обеспечьте общую жесткость оборудования C при использовании сильфонной муфты.

4. Результаты расчетов

Руководство по выбору шаговых двигателей

Два наиболее часто используемых типа шаговых двигателей — это двигатели с постоянным магнитом и гибридные двигатели. Вообще говоря, гибридный шаговый двигатель может быть лучшим выбором наряду со снижением стоимости, поскольку он обеспечивает лучшую производительность в отношении шагового разрешения, крутящего момента и скорости.

II. ВЫБОР ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Шаговый двигатель может быть хорошим выбором, когда требуется контролируемое движение. Их можно использовать в приложениях, где необходимо контролировать угол поворота, скорость, положение и синхронизм. Из-за присущих преимуществ, перечисленных ранее, шаговые двигатели нашли свое место во многих различных приложениях. Некоторые из них включают принтеры, плоттеры, столы X-Y, лазерные резаки, гравировальные машины, устройства для захвата и так далее.

При выборе шагового двигателя для вашего приложения необходимо учитывать несколько факторов:

  • Как двигатель будет связан с нагрузкой?
  • Как быстро груз должен двигаться или ускоряться?
  • Какой крутящий момент требуется для перемещения груза?
  • Какая степень точности требуется при позиционировании груза?

Фазы, полюса и шаговые углы

Обычно шаговые двигатели имеют две фазы, но также существуют трех- и пятифазные двигатели.Биполярный двигатель с двумя фазами имеет одну обмотку / фазу, а униполярный двигатель имеет одну обмотку с центральным отводом на фазу. Иногда шаговый двигатель называют «четырехфазным двигателем», хотя он имеет только две фазы. Двигатели с двумя отдельными обмотками на фазу могут работать как в биполярном, так и в униполярном режиме.

Полюс можно определить как одну из областей в намагниченном теле, где сосредоточена плотность магнитного потока. И ротор, и статор шагового двигателя имеют полюса.Шаговый двигатель гибридного типа имеет ротор с зубьями. Ротор разделен на две части, разделенные постоянным магнитом на половину южных полюсов зубцов и половину северных полюсов. Количество пар полюсов равно количеству зубьев на одной из половин ротора. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы для создания большего количества эквивалентных полюсов (меньший шаг полюсов, количество эквивалентных полюсов = 360 / шаг зубьев) по сравнению с основными полюсами, на которые намотаны катушки обмотки. Обычно 4 основных полюса используются для 3.6 ° гибридов и 8 для типов 1,8 ° и 0,9 °.

Следующее уравнение показывает взаимосвязь между количеством полюсов ротора, эквивалентными полюсами статора, количеством фаз и углом полного шага шагового двигателя.

Угол шага = 360 / (NPh / Ph) = 360 / N

Где:

NPh = Количество эквивалентных полюсов на фазу = количество полюсов ротора

Ph = Количество фаз

N = Общее количество полюсов для всех фаз вместе = NPh / Ph

Если шаг зубьев ротора и статора неравный, существует более сложная взаимосвязь.

Размер

Шаговые двигатели классифицируются не только по углу шага, но и по размеру корпуса, который соответствует размеру корпуса двигателя. Например, шаговый двигатель NEMA размера 11 имеет размер корпуса примерно 1,1 дюйма (28 мм). Подобным образом шаговый двигатель NEMA типоразмера 23 имеет размер корпуса 2,3 дюйма (57 мм) и т. Д. Однако длина корпуса может варьироваться от двигателя к двигателю в пределах одной и той же классификации размеров корпуса. Вообще говоря, доступный крутящий момент двигателя конкретного типоразмера будет увеличиваться с увеличением длины корпуса.

Момент

Выходной крутящий момент и мощность шагового двигателя зависят от размера двигателя, теплоотвода двигателя, рабочего цикла, обмотки двигателя и типа используемого привода. Если шаговый двигатель работает без нагрузки во всем диапазоне частот, одна или несколько точек резонанса собственных колебаний могут быть обнаружены звуком или датчиками вибрации. Полезный крутящий момент от шагового двигателя может быть резко снижен за счет резонансов. Следует избегать работы на резонансных частотах.Для уменьшения эффекта резонанса можно использовать внешнее демпфирование, добавленную инерцию или микрошаговый привод.

В шаговом двигателе крутящий момент создается, когда магнитные потоки ротора и статора смещаются друг от друга. Интенсивность магнитного потока и, следовательно, крутящий момент пропорциональны количеству витков обмотки и току и обратно пропорциональны длине пути магнитного потока. По мере увеличения скорости вращения время, необходимое для повышения тока, становится значительной частью интервала между шаговыми импульсами.Это снижает средний уровень тока, поэтому крутящий момент будет падать на более высоких скоростях.

Разрешение и точность позиционирования

На разрешение и точность позиционирования системы шагового двигателя влияют несколько факторов: угол шагового двигателя (длина полного шага шагового двигателя), выбранный режим привода (полный шаг, полушаг или микрошаг) и скорость передачи. . Это означает, что существует несколько различных комбинаций, которые можно использовать для получения желаемого разрешения.Из-за этого проблема разрешения шаговой конструкции обычно может быть решена после определения размера двигателя и типа привода.

III. НОРМАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ ВЫБОРА

1. Определение детали приводного механизма

Определите механизм и требуемые характеристики. Во-первых, определите некоторые особенности конструкции, такие как механизм, приблизительные размеры, пройденное расстояние и период позиционирования.

2. Рассчитайте необходимое разрешение

Найдите разрешение, необходимое двигателю.Исходя из требуемого разрешения, определите, будет ли использоваться только мотор или мотор-редуктор. Однако, используя технологию микрошага, добиться необходимого разрешения становится очень просто.

3. Определите режим работы

Определите режим работы, который соответствует требуемым спецификациям. Найдите период ускорения (замедления) и рабочую частоту импульсов, чтобы рассчитать момент ускорения.

4. Рассчитайте требуемый крутящий момент

Рассчитайте крутящий момент нагрузки и крутящий момент ускорения и найдите требуемый крутящий момент, требуемый двигателем.

5. Выберите двигатель

Сделайте предварительный выбор двигателя в зависимости от требуемого крутящего момента. Определите двигатель, который будет использоваться, по характеристикам скорости-момента.

6. Проверить выбранный двигатель

Подтвердите скорость ускорения / замедления и коэффициент инерции.

IV. ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ИЗДЕЛИЙ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ

Motion Control Products предлагает множество серий шаговых двигателей, таких как двухфазные шаговые двигатели и трехфазные шаговые двигатели (от типоразмера NEMA от 8 до 42).В наших шаговых двигателях используются передовые технологии из США, в которых используется высококачественная холоднокатаная медь и постоянный магнит, устойчивый к высоким температурам. Шаговые двигатели Motion Control отличаются высокой надежностью и малым нагревом. Благодаря своим внутренним характеристикам демпфирования наши шаговые двигатели могут работать очень плавно и не имеют явной области колебаний во всем диапазоне скоростей двигателей. В обзоре в формате PDF (который можно загрузить ниже) показаны типичные модели шаговых двигателей продуктов Motion Control.

Шаговый двигатель — обзор

Шаговый двигатель — это устройство, которое преобразует постоянный ток. последовательность импульсов напряжения превращается в пропорциональное механическое вращение ее вала. Таким образом, шаговый двигатель работает и как привод, и как датчик положения. Дискретное движение шагового двигателя делает его идеально подходящим для использования с цифровой системой управления, такой как микрокомпьютер.

Скорость шагового двигателя можно изменять, изменяя частоту входной последовательности импульсов.Таким образом, если шаговый двигатель требует 48 импульсов для одного полного оборота, то входной сигнал 96 импульсов в секунду заставит двигатель вращаться со скоростью 120 об / мин. На самом деле вращение осуществляется за конечные промежутки времени, но это визуально неразличимо на всех скоростях, кроме самых низких.

Принцип работы шагового двигателя можно проиллюстрировать на примере четырехфазной машины с переменным сопротивлением. Этот двигатель обычно имеет восемь зубцов статора и шесть зубцов ротора (см. Рисунок 2.57).

Рисунок 2.57. Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением

Если фаза 1 статора активирована отдельно, то два диаметрально противоположных зубца ротора совмещаются с зубцами фазы 1 статора. Следующий соседний набор зубцов ротора по часовой стрелке тогда на 15 ° не совпадает с зубьями статора. Активация обмотки фазы 2 сама по себе заставит ротор повернуться еще на 15 ° против часовой стрелки, чтобы выровнять соседнюю пару диаметрально противоположных зубцов ротора.Если обмотки статора возбуждаются в последовательности 1, 2, 3, 4, ротор будет двигаться последовательно с шагом 15 ° против часовой стрелки. Изменение последовательности возбуждения на обратное вызовет вращение ротора по часовой стрелке.

2.2.27.1 Терминология шагового двигателя

Вытягивающий момент : Максимальный крутящий момент, который может быть приложен к двигателю, работающему с заданной частотой шагов, без потери синхронизма.

Вращающий момент : Максимальный крутящий момент, при котором двигатель запускается с заданной частотой импульсов и достигает синхронизма без потери шага.

Динамический крутящий момент : крутящий момент, развиваемый двигателем при очень малых шаговых скоростях.

Удерживающий момент : Максимальный крутящий момент, который может быть приложен к неподвижному двигателю под напряжением, не вызывая вращения шпинделя.

Скорость отрыва : максимальная скорость переключения, при которой двигатель будет оставаться в синхронизированном состоянии, в то время как скорость переключения постепенно увеличивается.

Скорость втягивания : максимальная скорость переключения, при которой нагруженный двигатель может запускаться без потери шагов.

Диапазон поворота : Диапазон скоростей переключения между включением и выключением, при котором двигатель будет работать синхронно, но не может запускаться или реверсировать.

Общие характеристики типичного шагового двигателя приведены на Рисунке 2.58. Во время применения каждого последовательного импульса ротор шагового двигателя быстро ускоряется к новому положению шага. Однако при достижении нового положения будет некоторое перерегулирование и колебания, если не будет обеспечен достаточный тормозящий момент, чтобы предотвратить это.Эти колебания могут вызывать резонанс ротора на определенных частотах импульсов, что приводит к потере крутящего момента или, возможно, даже к условиям выдергивания. Поскольку двигатели с регулируемым магнитным сопротивлением обладают очень небольшим внутренним демпфированием, они более восприимчивы к резонансам, чем двигатели с постоянным магнитом или гибридные типы. Доступны механические и электронные демпферы, которые можно использовать для минимизации неблагоприятных эффектов резонанса ротора. Однако, если это вообще возможно, двигатель следует выбирать так, чтобы его резонансные частоты не были критичными для рассматриваемого приложения.

Рисунок 2.58. Характеристики шагового двигателя

Благодаря своим уникальным характеристикам шаговые двигатели широко используются в приложениях, включающих позиционирование, управление скоростью, синхронизацию и синхронизированное срабатывание. Они распространены в X-Y плоттерах, считывателях с перфолентой, приводах головок гибких дисков, приводах каретки принтера, приводах скольжения станков с числовым программным управлением и механизмах управления диафрагмой камеры.

Самым серьезным ограничением чисто электрического шагового двигателя является его мощность.В настоящее время это ограничено примерно 2,25 кВт.

Лучшие применения для шаговых двигателей

Шаговый двигатель, в самом основном определении, — это электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. В частности, это бесщеточный двигатель, который может разделять полное вращение на равное количество шагов и может точно управляться без механизма обратной связи, если размер двигателя соответствует условиям применения.

Основные типы шаговых двигателей включают шаговые двигатели с постоянными магнитами, шаговые двигатели с регулируемым сопротивлением и гибридные синхронные шаговые двигатели.Хотя эти три устройства различаются по своей работе, каждый из них дает ряд преимуществ для определенных приложений по сравнению с их аналогами с серводвигателями.

Преимущества шаговых двигателей

Шаговый двигатель может быть полезен не для всех приложений, но в правильных условиях шаговые двигатели могут быть идеальными. Во-первых, шаговые двигатели имеют полный крутящий момент в состоянии покоя, а угол поворота двигателя пропорционален входному импульсу. По сути, шаговые двигатели обеспечивают превосходное управление скоростью, точное позиционирование и повторяемость движений.

Кроме того, шаговые двигатели очень надежны, поскольку в двигателе нет контактных щеток. Это сводит к минимуму механические поломки и увеличивает срок службы двигателя. Эти двигатели могут использоваться в широком диапазоне условий, поскольку может быть достигнуто множество различных скоростей вращения, поскольку скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Применение шаговых двигателей

Шаговые двигатели разнообразны по своему применению, но некоторые из наиболее распространенных включают:

  • Оборудование для 3D-печати
  • Текстильные машины
  • Печатные машины
  • Игровые автоматы
  • Оборудование для медицинской визуализации
  • Малая робототехника
  • Фрезерные станки с ЧПУ
  • Сварочное оборудование

Хотя эти приложения являются наиболее распространенными, они представляют собой лишь малую часть того, для чего можно использовать шаговые двигатели.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.