Toyota-navi.ru

АвтоКлуб Toyota
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое шаговый двигатель и зачем он нужен

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, 2,2 0 шаговый мотор вращает вал на 2,2 0 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.

Читать еще:  Ваз 2114 датчики которые отвечают за запуск двигателя

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.

Обзор шаговых двигателей

В мире разработчиков шаговые двигатели широко распространены в технологии 3D печати. Все потребительские 3D принтеры оснащены ими. Шаговые двигатели также широко используются и в робототехнике.

Шаговые двигатели широко используются в робототехнике и 3D принтерах

Шаговые двигатели часто сравнивают с серводвигателями, поскольку эти оба типа двигателей используются в системах, требующих высокого уровня точности позиционирования.

Однако способы, которыми каждый тип двигателя отслеживает свое положение, сильно отличаются. Как обсуждалось в предыдущей статье, серводвигатель содержит в себе потенциометр, который измеряет абсолютное положение двигателя. Поэтому в любой момент времени сервопривод точно знает, как расположен вал двигателя. Шаговый двигатель не измеряет угол своего вала.

Читать еще:  Что можно сделать дизельному двигателю чтобы он застучал

Принцип работы шагового двигателя

Состоит это электромеханическое устройство из статора, где размещены катушки возбуждения, и вращающейся части с постоянными магнитами или обмотками. Такая конструкция ротора обеспечивает его фиксацию после отработки управляющей команды.

На статоре расположено несколько обмоток. При подаче напряжения на катушку, под воздействием магнитного поля ротор поворачивается на определенный угол в соответствии с пространственным положением обмотки. При ее обесточивании и подаче управляющего сигнала на другую катушку вращающаяся часть электродвигателя занимает другую позицию. Каждый поворот вала соответствует углу шага. При обратной последовательности подачи напряжения на катушки ротор вращается в противоположном направлении.

Для поворота ротора на меньший угол одновременно включаются 2 обмотки. Количество шагов ограничено и зависит от числа полюсов статора электромотора. Для обеспечения плавного вращения ротора на катушки статора подают разные токи, разность которых определяет положение ротора. Такой способ управления позволяет снизить дискретность и увеличить количество шагов до 400.

К числу недостатков шаговых двигателей можно отнести довольно низкую скорость, пропуск шагов при высокой (выше расчетной) нагрузке на валу, снижение момента при высокой частоте вращения и большое время разгона.

Основные режимы

Изделие функционирует в нескольких режимах, которые предварительно настраиваются в зависимости от потребностей человека. Наиболее распространенными считаются следующие:

  • Волновой режим предполагает протекание электрического тока только через одну обмотку. Сегодня он используется редко, для того чтобы снизить нагрузку на двигатель и количество потребляемой электроэнергии.
  • Полношаговый — используется гораздо чаще и считается стандартным режимом для этого типа двигателя. Напряжение на обмотке при такой работе одинаково и приспособлению требует максимальное напряжение для корректного функционирования.
  • Полушаговый режим — один из оригинальных способов изменить работу приспособления и при этом не затрагивать блок управления. Заключается в одновременном запитывании всех пар обмоток, что приводит к повороту ротора на половину своего обычного шага. Используя этот метод, можно получить двигатель с двойной мощностью при минимальных затратах электроэнергии. Он будет меньше изнашиваться и прослужит дольше, чем тот, что постоянно работает в полношаговом режиме.
  • Микрошаговый режим сегодня считается наиболее часто применяемым при использовании шагового двигателя. Принцип действия заключается в подаче на обмотку не импульса, а сигнала, напоминающего синусоиду по форме. Такой режим делает работу двигателя более плавной, а переход от одного шага к другому незаметным. Благодаря этому уменьшаются рывки и скачки приспособления, оно может функционировать как обычный двигатель постоянного тока.

Последний режим имеет преимущество, поскольку представляет собой скорее метод подпитки двигателя, а не управления обмотками. Именно поэтому может использоваться при волновом или полношаговом способе работы приспособления. Если рассмотреть схему функционирования прибора в микрошаговом режиме, может показаться, что шаги становятся больше. На самом деле это не так, но процесс все равно становится плавным и отсутствуют рывки.

Требования

Сколько рабочих циклов в минуту нужно сделать двигателю? Какой крутящий момент нужен? Какая максимальная скорость требуется?

Эти критические вопросы не могут быть решены просто путем выбора двигателя с заданной мощностью из каталога.

Выходная мощность электрической машины представляет собой комбинацию крутящего момента и скорости, которая может быть рассчитана путем умножения скорости, крутящего момента и констант, вносящих поправки в режим работы электрической машины (естественно это все очень поверхностно. Необходимы точные математические расчеты для каждого типа электродвигателя).

Однако из-за характера этого расчета существует множество различных комбинаций крутящего момента и скорости (кратковременная работа с перегрузкой или недогрузкой), которые влияют на выходную мощность. Таким образом, разные двигатели с одинаковой номинальной мощностью могут работать по-разному из-за комбинации скорости и крутящего момента.

Инженеры должны знать, насколько быстро должен двигаться груз определенного размера, прежде чем уверенно выбирать двигатель, который будет работать лучше. Выполняемая работа также должна попадать в кривую крутящего момента / скорости двигателя. Эта кривая (механическая характеристика электродвигателя) показывает, как крутящий момент двигателя изменяется в зависимости от скорости. Используя предположения «наихудшего случая» (другими словами, определяя максимальный / минимальный крутящий момент и скорость, которые потребуются для работы), инженеры могут быть уверены, что выбранный двигатель имеет механическую характеристику, способную приводить в движение груз при этом не выходить с номинального режима работы (например, перегрев, если мощность электрической машины занижена).

Инерция нагрузки является еще одним фактором, который следует учитывать, прежде чем погрузиться в процесс принятия решения о выборе двигателя. Необходимо рассчитать коэффициент инерции, который представляет собой сравнение инерции нагрузки и инерции двигателя. Одно эмпирическое правило гласит, что если инерция нагрузки в 10 раз превышает инерцию ротора, то настройка электрический машины может быть куда более сложной и производительность производственного механизма может ухудшиться. Но это правило варьируется не только от технологии к технологии, но и от поставщика к поставщику и даже от продукта к продукту. Важность точности позиционирования рабочего органа также повлияет на это решение. Некоторые механизмы поддерживают соотношение 30: 1, в то время как прямые привода работают до 200: 1. Многим инженерам не нравится определять размер двигателя, который превышает соотношение 10 к 1.

Читать еще:  Nissan almera classic сколько масла лить в двигатель

Наконец, существуют ли физические ограничения, которые ограничивают тип электродвигателя. Электрические машины бывают разных форм и размеров. В некоторых случаях электродвигатели являются большими и громоздкими, и есть определенные операции, которые не могут вместить двигатель определенного размера. Прежде чем принять обоснованное решение о наилучшем типе машины, ее массогабаритные показатели должны быть оценены и поняты.

Как только инженеры ответят на все эти вопросы — скорость, крутящий момент, мощность, инерция нагрузки и массогабаритные показатели, — они смогут сосредоточиться на наиболее эффективном по размеру двигателе. Однако процесс принятия решений на этом не заканчивается. Инженеры также должны выяснить, какой тип электродвигателя лучше всего подходит для применения. В течение многих лет выбор типа сводился к одному из двух вариантов для большинства применений: серводвигатель или шаговый двигатель с разомкнутым контуром управления.

Эксплуатационные свойства ШД

Шаговые двигатели как компоненты, используемые в автоматизации станков, обладают рядом важных эксплуатационных свойств, к которым относятся следующие.

1. Дискретность перемещений.
Это главное свойство, определяющее все остальные параметры шагового двигателя. Львиная доля шаговых двигателей выполняет 200 или 400 шагов за один оборот ротора. Однако благодаря возможности промежуточной фиксации ротора можно добиваться увеличенного количества шагов до 800 и более. В сверхточных моделях число дискретных перемещений может достигать 10 тысяч шагов за оборот.

2. Ограничения в точности установки ротора.
Погрешность установки ротора в большинстве выпускаемых сегодня ШД составляет 5% от размера шага. Таким образом, при шаге в 1.8° неточность установки будет равняться примерно 5.4´. На практике, при дроблении шага, например, 1 к 10, шаг будет равен погрешности установки, причём, увеличение количества делений не приведёт к повышению точности перемещения. Единственное, в чём это может оказаться эффективным, – в обеспечении плавности перемещения ротора.

3. Соотношение крутящего момента и скорости вращения ротора.
С большой степенью приближения можно говорить о том, что значение произведения момента и скорости вращения вала шагового двигателя является постоянным. При возрастании скорости вращения ротора величина крутящего момента уменьшается пропорционально.

Достоинства шаговых электродвигателей

В число основных достоинств, определяющих широкое применение этого типа электрических двигателей, входят следующие.

1. Зависимость угла поворота ротора от количества импульсов, поданных на обмотку двигателя.

2. Обеспечение полного момента при остановке двигателя (при подаче питания на обмотки).

3. Повторяемость. Точность шаговых двигателей составляет от 3 до 5% величины шага, причём, ошибка от шага к шагу не накапливается.

4. Быстрый старт, мгновенная остановка, минимальное время переключения на реверс.

5. Надёжность, обусловленная отсутствием щёток. В общем случае длительность срока исправной службы двигателя зависит только от надёжности подшипников.

6. Жёсткая зависимость положения ротора от входного сигнала позволяет позиционировать ротор, не прибегая к использованию обратной связи.

7. Возможность вращения полезной нагрузки, присоединенной напрямую к валу электромотора без редуктора, с предельно малой скоростью.

8. Широкий интервал скоростей.

9. Более доступная цена в сравнении с сервоприводами.

Недостатки шаговых электродвигателей

Однако при всех положительных моментах существует и ряд недостатков, присущих шаговым электрическим моторам. Их краткий перечень:

  • возникновение резонансных явлений при функционировании;
  • вероятность пропуска шагов, что из-за отсутствия обратной связи приводит к невозможности контроля положения ротора;
  • снижение момента и потеря стабильности при высокой скорости;
  • малое значение удельной мощности.

8. 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.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector