Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Как работает шаговый двигатель


устройство, принцип работы, типы, схемы подключения

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

  • В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
  • Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
  • Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
  • Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
  • Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
  • Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
  • Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
  • Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

  • Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
  • Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
  • Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
  • Сложности управления из-за особенности схемы

Устройство и принцип работы

Рис. 1. Принцип действия шагового двигателя

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие  с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется  из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора.  Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от  5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом
Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси.  Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

 

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть  деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему  легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта  можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс  или серию импульсов в определенной последовательности.  В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата.  При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

  • Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
  • Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
  • При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
  • При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
  • Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
  • Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый  — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Популярные схемы управления ШД

Схема управления от контроллера с дифференциальным выходом

Является одним из наиболее помехозащищенных способов работы. При этом прямой и инверсный сигнал напрямую подключается к соответствующим полюсам. В такой схемы должно применяться экранирование сигнального проводника. Прекрасно подходит для нагрузки с низкой мощностью.

Схема управления от контроллера с выходом типа «открытый коллектор»

В данной схеме происходит объединение положительных вводов контроллера, которые подключаются к положительному полюсу. В случае питания выше 9В требуется включение в схему специального резистора для ограничения тока. Позволяет задавать необходимое количество шагов со строго установленной скоростью, определить ускорение и т.д.

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль)  происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному  USB порту.

Полезное видео



Как работают шаговые двигатели?

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 9 апреля 2020 г.

Протяните руку и коснитесь кончиком пальца кончик твоего носа. Нет проблем! Попробуйте еще раз с закрытыми глазами и это все просто: никогда не скучаешь. Даже у таких неуклюжих людей, как я, Мозг в основном имеет контроль над телом. У спортсменов, художников, У артистов балета и хирургов «контроль» означает абсолютную точность. А теперь представьте, что вы пытаетесь построить робота с таким же степень механического совершенства, используя шестерни, колеса и рычаги для выполнить то, что делает тело с мышцами и костями.Это очень высокий порядок, который заставляет человеческое тело казаться еще более впечатляющим. Одна из больших трудностей создания роботов с хорошим поведением заключается в том, что простые электродвигатели невозможно двигать точно. Вот почему Многие роботы меняют обычные моторы на так называемые степперы двигатели (или, иногда, шаговые двигатели), которые могут поворачиваться через «ступеньки» - четко определенные углы - под точным электронным контролем. Что они, как делают они работают? Давайте внимательнее посмотрим!

Фото: пара типичных шаговых двигателей постоянного тока от старого струйного принтера.Откуда нам знать? Из них выходит несколько выводов (в отличие от простого двигателя постоянного тока, который имеет только два вывода). Еще один способ рассказать о шаговом двигателе - поднести его к уху и медленно вращать ось пальцами. Вы должны слышать и чувствовать отдельные шаги, как будто заводишь наручные часы.

Что не так с обычными электродвигателями?

Обычный электродвигатель основан на простом немного магнитной науки, которую мы все изучаем в школе: в отличие от полюсов, как полюсы отталкивают.Вот как работает основной мотор. Вы берете кольцевой магнит, поместите в него катушку с проволокой и подайте электричество через провод. Провод становится временным магнитом питание от электричества - электромагнит, другими словами, - и создаваемое им магнитное поле отталкивает поле от постоянного магнита это его окружает. Путем включения и выключения тока с умным небольшое устройство под названием коммутатор, а некоторые электрические контакты, называемые щетками, вы можете сделать проволоку вращаться в одно и то же направление до бесконечности.Подача электричества (электрической энергии) в него, и вы получаете движение (механическая энергия) обратно. Это Суть обычного двигателя, который использует постоянный ток (постоянный ток) электричество. Если вы не уверены, как работает такой двигатель, Вы можете проверить нашу вводную статью об электродвигателях.

Фото: мощный электродвигатель от старой газонокосилки. Прорези спереди являются частью коммутатора, который представляет собой оригинальное устройство, которое реверсирует электрический ток и поддерживает вращение ротора (вращающаяся центральная часть двигателя) в одном направлении.

Мы также можем изготовить двигатели, работающие на переменном токе. (переменный ток) вместо постоянного тока. Хотя они спроектированы в корне по-другому, они все еще основаны на "как полюса отталкивать, в отличие от полюсов притягивать ": электричество, которое питает двигатель создает магнитное притяжение и отталкивание, и сила, которая делает моторное вращение. Вы найдете больше о двигателях переменного тока, которые также называются асинхронные двигатели - в нашей статье об асинхронных двигателях переменного тока.

Независимо от того, питаются они от постоянного или переменного тока, обычные моторы - это скрытые электрические мускулы, которые питают современную жизнь: вы будете найти их во всех видах гаджетов и вещей в мире вокруг вас, от пищевых блендеров и холодильников до пылесосы и электрические поезда.Но во всех этих машинах роторы их двигателей вращаются непрерывно. Когда вы пылесосите ковер или добираетесь на работу на метро, ​​моторы которые работают на вас, оборачиваются произвольное количество раз: нет точного контроля, сколько раз они вращаются и что под углом они вращаются - и это действительно не имеет значения.

Фото: Моторный рот: у этого "эмоционального" робота есть лицо, которое может показывать разные выражения. Различные части приводятся в действие шаговыми двигателями, которые точно контролируются электронными цепями.

Теперь предположим, что вы хотите сделать электрический рука робота, которая поворачивается на точный угол (точное число градусов), так что он может успешно взять чашку кофе с вашего стола. Вы можете установить электродвигатель на деревянный или пластиковый рычаг для поверните его, когда вы включите питание, и вы можете щелкнуть включается очень кратко, так что рука проходит через определенный угол и затем останавливается. Проблема в том, что невозможно узнать, сколько Угол поворота двигателя (или руки): все зависит от мощность двигателя и электрический ток, ведущий его к вес руки и даже направление ветра.Мотор который движется таким произвольным образом, в робототехнике бесполезно: ваш кофе обязательно окажется на полу! Вот где шаговый двигатель входит: это особый вид двигателя постоянного тока, разработанный, чтобы вы могли сделать это вращаться на точный угол, а не вращаться вокруг случайным количество.

Что такое шаговый двигатель?

Фото: философия шагов: мы думаем о шагах как о способе подняться вверх, но они также способ разбить фиксированное расстояние на куски одинакового размера, чтобы мы лучше контролировали свои движения.Мы можем думать о них как о превращении неопределенных, переменных аналоговых величин расстояния в конкретные, дискретные, цифровые ломти. Фото проекта 16-ой авеню, Сан-Франциско, предоставлено коллекция калифорнийских фотографий Джона Б. Ловеласа в американском проекте Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

Шаговые двигатели

отличаются от обычных двигателей постоянного тока как минимум четырьмя важными способами.

Первое отличие, которое вы заметили, состоит в том, что у них нет щеток или коммутатора (частей двигателя постоянного тока, которые обратный электрический ток и удерживайте ротор - вращающуюся часть двигателя - постоянно вращается в одном направлении).В других слова, шаговые двигатели являются примерами того, что мы называем безщеточным моторы. (Вы также найдете бесщеточные моторы во многих электрических транспортные средства, спрятанные в ступицах колес; таким образом, они называется хаб моторы.)

Второе основное отличие заключается в том, что вращается. Помните, что в основной двигатель постоянного тока, есть внешний постоянный магнит или магниты, которые остается статичным, известным как статор, и внутренняя катушка или витки провода который вращается внутри него, который является ротором. В бесщеточном мотор-редукторе катушки проволоки статичны в центре и постоянные магниты вращаться вокруг них на улице.Шаговый двигатель снова отличается. На этот раз постоянные магниты находятся внутри и вращаются (составляя ротор), в то время как катушки находятся снаружи и остаются неподвижными (составляют статор).

Третья большая разница между обычным DC двигатель и шаговый двигатель в конструкции статора и ротор. Вместо одного большого магнита снаружи (статор) и одна большая катушка вращается внутри него (ротор), шаговый двигатель имеет внутренний магнит эффективно разделен на множество отдельных секций, которые выглядят как зубы на шестерне.Внешние катушки имеют соответствующие зубы, которые создают магнитные импульсы, притягивая, отталкивая и заставляя зубья внутреннего колеса вращаться шаги. Это станет ясно в тот момент, когда мы посмотрим на некоторые фотографии.

Последнее отличие состоит в том, что шаговый двигатель может оставаться неподвижным в определенной позиции, если он вращается через определенную угол. Это, безусловно, крайне важно, если вы хотите, чтобы двигатель приводил в действие что-то вроде руки робота, которая возможно, придется повернуть определенное количество, а затем оставаться именно в этом месте, в то время как другая часть робота делает что-то другое.Эту функцию иногда называют удерживающим моментом (крутящий момент является вращательным сила что-то имеет, так что «удерживающий момент» просто означает способность шагового двигателя оставаться на месте).

,

Как работает шаговый двигатель

В этой статье вы узнаете, как работает шаговый двигатель. Мы рассмотрим основные принципы работы шаговых двигателей, их режимы движения и типы шаговых двигателей по конструкции. Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать написанную статью.

Принцип работы


Шаговый двигатель - это бесщеточный двигатель постоянного тока, который вращается ступенчато. Это очень полезно, потому что его можно точно позиционировать без какого-либо датчика обратной связи, который представляет собой контроллер с разомкнутым контуром.Шаговый двигатель состоит из ротора, который обычно является постоянным магнитом, и он окружен обмотками статора. Когда мы постепенно активируем обмотки в определенном порядке и пропускаем через них ток, они намагничивают статор и создают электромагнитные полюса, соответственно, которые приводят двигатель в движение. Так что это основной принцип работы шаговых двигателей.

Режимы движения


Существует несколько различных способов управления шаговым двигателем.Первый - это волновой привод или возбуждение с одной катушкой. В этом режиме мы активируем только одну катушку за раз, что означает, что для этого примера двигателя с 4 катушками ротор совершит полный цикл за 4 шага.

Далее идет режим полного шагового привода, который обеспечивает намного более высокий выходной крутящий момент, потому что у нас всегда есть 2 активных катушки в данный момент времени. Однако это не улучшает разрешение шагового двигателя, и ротор снова совершает полный цикл за 4 шага.

Для увеличения разрешения шагового двигателя мы используем режим полушагового привода.Этот режим фактически является комбинацией двух предыдущих режимов.

Здесь у нас есть одна активная катушка, за которой следуют 2 активные катушки, а затем снова одна активная катушка, за которой следуют 2 активные катушки и так далее. Таким образом, в этом режиме мы получаем удвоенное разрешение при той же конструкции. Теперь ротор совершит полный цикл за 8 шагов.

Однако в настоящее время наиболее распространенным методом управления шаговыми двигателями является микрошаг. В этом режиме мы подаем переменный управляемый ток на катушки в виде синусоидальной волны.Это обеспечит плавное движение ротора, уменьшит напряжение деталей и повысит точность шагового двигателя.

Другим способом увеличения разрешения шагового двигателя является увеличение числа полюсов ротора и числа полюсов статора.

Типы шаговых двигателей по конструкции


По конструкции существуют 3 различных типа шаговых двигателей: шаговый двигатель с постоянным магнитом, шаговый двигатель с переменным сопротивлением и гибридный синхронный шаговый двигатель.

Степпер с постоянным магнитом имеет ротор с постоянным магнитом, который приводится в действие обмотками статора. Они создают противоположные полюса полярности по сравнению с полюсами ротора, который движет ротор.

В следующем типе шагового двигателя с переменным сопротивлением используется немагнитный ротор из мягкого железа. Ротор имеет зубья, которые смещены относительно статора, и когда мы активируем обмотки в определенном порядке, ротор перемещается соответственно, так что он имеет минимальный зазор между статором и зубьями ротора.

Гибридный синхронный двигатель модели это комбинации двух предыдущих степперов.Имеет зубчатый ротор с постоянными магнитами, а также зубчатый статор. Ротор имеет две секции, противоположные по полярности, и их зубья смещены, как показано здесь.

Это вид спереди широко используемого гибридного шагового двигателя, который имеет 8 полюсов на статоре, которые активируются 2 обмотками A и B. Поэтому, если мы активируем обмотку A, мы намагничиваем 4 полюса, из которых два из них будут иметь южную полярность, а два - северную.

Мы видим, что таким образом зубья роторов выровнены с зубьями полюсов A и выровнены с зубьями полюсов B.Это означает, что на следующем шаге, когда мы выключим полюса A и активируем полюса B, ротор будет двигаться против часовой стрелки, а его зубцы будут совмещены с зубцами полюсов B.

Если мы будем продолжать активировать полюса в определенном порядке, ротор будет двигаться непрерывно. Здесь мы также можем использовать различные режимы движения, такие как волновой привод, полный шаг, полушаг и микро шаг, чтобы еще больше увеличить разрешение шагового двигателя.

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 маленькими зубцами, каждый из которых снабжен обмоткой.Каждая обмотка соединена с обмоткой 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 с одинаковой полярностью, то есть с севера или юга.)

Пара противоположных полюсов составляет одну фазу. Поскольку существует пять фаз, от A до E, двигатель называется «5-фазный шаговый двигатель».

На внешнем периметре каждого ротора имеется 50 маленьких зубьев, причем маленькие зубья ротора 1 и ротора 2 механически смещены относительно друг друга на половину шага зубца.

Возбуждение: Для подачи тока через обмотку двигателя

Магнитный полюс: Выступающая часть статора, намагниченная возбуждением

Маленькие зубья:
Зубья на роторе и статоре

Принцип действия

Ниже приведено объяснение взаимосвязи между малыми зубцами намагниченного статора и малыми зубцами ротора.

При возбуждении фазы «А»

Когда фаза А возбуждена, ее полюса поляризованы на юг.Это притягивает зубцы ротора 1, которые поляризованы на север, и отталкивает зубья ротора 2, которые поляризованы на юг. Поэтому силы на весь агрегат в равновесии удерживают ротор неподвижным. В это время зубцы полюсов фазы B, которые не возбуждаются, смещены относительно зубьев ротора 2 с южной поляризацией, так что они смещены на 0,72 °. Это суммирует взаимосвязь между зубцами статора и зубцами ротора с возбужденной фазой А.

При возбуждении фазы "B"

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

Другими словами, когда возбуждение переключается с фазы А на В, ротор вращается на 0,72 °. Когда возбуждение переходит от фазы A к фазам B, C, D и E, а затем возвращается к фазе A, шаговый двигатель вращается точно с шагом 0,72 °. Чтобы повернуть в обратном направлении, поверните последовательность возбуждения в фазу A, E, D, C, B, затем вернитесь в фазу A.

Высокое разрешение 0,72˚ присуще механическому смещению между статором и ротором, что обеспечивает достижение точного позиционирования без использования датчика или других датчиков.Достигается высокая точность остановки в течение 3 минут дуги (без нагрузки), поскольку единственными факторами, влияющими на точность остановки, являются колебания точности обработки статора и ротора, точности сборки и сопротивления обмоток по постоянному току.

Драйвер выполняет роль переключения фазы, а его синхронизация контролируется импульсным сигналом, вводимым в драйвер. Приведенный выше пример показывает, что возбуждение продвигается по одной фазе за раз, но в реальном шаговом двигателе эффективное использование обмоток осуществляется путем возбуждения четырех или пяти фаз одновременно.

Основные характеристики шаговых двигателей

При применении шаговых двигателей важно учитывать, соответствуют ли характеристики двигателя условиям эксплуатации.
В следующих разделах описываются характеристики, которые следует учитывать при применении шаговых двигателей.
Две основные характеристики производительности шагового двигателя:

  • Динамические характеристики: Это пусковые и вращательные характеристики шагового двигателя, которые в основном влияют на движение машины и время цикла.
  • Статические характеристики: Это характеристики, относящиеся к изменениям угла, которые происходят, когда шаговый двигатель находится в режиме ожидания, влияя на уровень точности машины.

Динамические характеристики

Характеристики скорости - крутящего момента На рисунке выше приведен график характеристик, показывающий соотношение между скоростью и крутящим моментом ведомого шагового двигателя.Эти характеристики всегда упоминаются при выборе шагового двигателя. Горизонтальная ось представляет скорость на выходном валу двигателя, а вертикальная ось представляет крутящий момент. Характеристики скорости и крутящего момента определяются двигателем и водителем и сильно зависят от типа используемого водителя.

  • Максимальный удерживающий момент (TH) Максимальный удерживающий момент - это максимальная удерживающая мощность шагового двигателя (крутящий момент) при подаче питания (при номинальном токе), когда двигатель не вращается.
  • Крутящий момент на выходе Крутящий момент на выходе - это максимальный крутящий момент, который может быть выдан при данной скорости. При выборе двигателя убедитесь, что требуемый крутящий момент находится в пределах этой кривой.
  • Максимальная пусковая частота (фс) Это максимальная частота импульсов, при которой двигатель может мгновенно запускаться или останавливаться (без времени ускорения / замедления), когда фрикционная нагрузка шагового двигателя и инерционная нагрузка равны 0. Вождение двигателя при частота импульсов, превышающая эту частоту, потребует постепенного ускорения или замедления.Эта частота будет уменьшаться при добавлении инерционной нагрузки к двигателю. Обратитесь к характеристикам пусковой частоты инерционной нагрузки ниже.

Максимальная частота отклика (fr) Это максимальная частота импульсов, при которой двигатель может работать путем постепенного ускорения или замедления, когда фрикционная нагрузка шагового двигателя и инерционная нагрузка равны 0. На рисунке ниже показаны характеристики скорости - крутящего момента 5-фазный шаговый двигатель и пакет драйверов.

Инерционная нагрузка - характеристики начальной частоты Эти характеристики показывают изменения начальной частоты, вызванные инерцией нагрузки. Поскольку ротор и нагрузка шагового двигателя имеют собственный момент инерции, во время мгновенного пуска и останова на оси двигателя возникают задержки и опережения. Эти значения меняются в зависимости от скорости импульса, но двигатель не может следовать за частотой импульса за определенной точкой, так что это может привести к ошибкам. Скорость импульса непосредственно перед возникновением оплошности называется начальной частотой.

Изменения максимальной стартовой частоты с инерционной нагрузкой могут быть аппроксимированы по следующей формуле:

Вибрационные характеристики

Шаговый двигатель вращается через серию шаговых движений. Шаговое движение может быть описано как 1-шаговый ответ, как показано ниже:

1. Один импульсный вход для шагового двигателя в состоянии покоя ускоряет двигатель в направлении следующего останова.

2. Ускоренный двигатель вращается через положение остановки, отклоняется на определенный угол и возвращается назад.

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

Вибрация на низких скоростях вызвана ступенчатым движением, которое вызывает колебания этого типа. График вибрационных характеристик ниже представляет величину вибрации двигателя во вращении. Чем ниже уровень вибрации, тем более плавным будет вращение двигателя.

Статические характеристики

Характеристики угла - крутящего момента: Характеристики угла - крутящего момента показывают взаимосвязь между угловым смещением ротора и крутящим моментом, приложенным к валу двигателя, когда двигатель возбуждается при номинальном токе. Кривая для этих характеристик показана ниже:

На следующих рисунках показано взаимное расположение зубьев ротора и статора в пронумерованных точках на рисунке выше.Если удерживать устойчиво в точке (1), внешнее приложение силы к валу двигателя будет создавать крутящий момент T (+) в левом направлении, пытаясь вернуть вал в устойчивую точку (1). Вал остановится, когда внешняя сила будет равна этому моменту в точке (2).

Если приложено дополнительное внешнее усилие, существует угол, при котором создаваемый крутящий момент достигнет своего максимума в точке (3). Этот крутящий момент называется максимальным удерживающим моментом TH.

Применение внешней силы, превышающей это значение, приведет ротор к неустойчивой точке (5) и выше, создавая крутящий момент T (-) в том же направлении, что и внешняя сила, так что он перемещается к следующей устойчивой точке (1). ) и останавливается.

Стабильные точки: Точки, где ротор останавливается, с зубцами статора и зубьями ротора точно выровнены. Эти точки чрезвычайно устойчивы, и ротор всегда останавливается, если не приложено внешнее усилие.


Нестабильные точки: Точки, в которых зубцы статора и зубья ротора на половину шага не выровнены. Ротор в этих точках переместится в следующую устойчивую точку влево или вправо, даже под малейшим внешним воздействием.

Точность угла

При отсутствии нагрузки шаговый двигатель имеет угловую точность в пределах ± 3 угловых минут (± 0,05 °). Небольшая ошибка возникает из-за разницы в механической точности статора и ротора и небольшой разницы в сопротивлении постоянного тока обмотки статора. Как правило, угловая точность шагового двигателя выражается через точность положения остановки.

Точность положения остановки: Точность положения остановки - это разница между теоретическим положением остановки ротора и его фактическим положением остановки.В качестве начальной точки принимается заданная точка остановки ротора, тогда точность позиции остановки представляет собой разницу между максимальным (+) значением и максимальным (-) значением в наборе измерений, выполненных для каждого шага полного вращения.

Точность положения остановки находится в пределах ± 3 угловых минут (± 0,05 °), но только при отсутствии нагрузки. В реальных применениях всегда присутствует одинаковая величина фрикционной нагрузки. Точность угла в таких случаях определяется угловым смещением, вызванным характеристиками углового момента, основанными на фрикционной нагрузке.Если фрикционная нагрузка постоянна, угол смещения будет постоянным для однонаправленной работы.

Тем не менее, при двунаправленной работе двойной угол смещения создается в обоих направлениях. Когда требуется высокая точность остановки, всегда устанавливайте в одном направлении.

Последовательность возбуждения шаговых двигателей и пакетов драйверов

Каждый 5-фазный двигатель и пакет драйверов, перечисленные в нашем каталоге, состоят из нового Пентагона, двигателя с пятью проводами и драйвера с особой последовательностью возбуждения.Эта комбинация, которая является собственностью Oriental Motor, предлагает следующие преимущества:

  • Простые соединения для пяти отведений
  • Низкая вибрация

В следующих разделах описывается последовательность подключения и возбуждения.

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

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

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

Последовательность шагов чередования 4-фазного и 5-фазного возбуждения приводит к вращению со скоростью 0,36 ° на шаг. Один оборот можно разделить на 1000 шагов.

Драйверы с шаговым двигателем

Существует две распространенные системы управления шаговым двигателем: привод постоянного тока и привод постоянного напряжения.Схема для привода с постоянным напряжением проще, но сравнительно сложнее добиться крутящего момента на высоких скоростях.
Привод с постоянным током, с другой стороны, в настоящее время является наиболее часто используемым способом привода, поскольку он обеспечивает превосходные характеристики крутящего момента на высоких скоростях. Все драйверы Oriental Motor используют систему привода постоянного тока.

Обзор системы привода постоянного тока

Шаговый двигатель вращается путем последовательного переключения тока, протекающего через обмотки.Когда скорость увеличивается, скорость переключения также становится быстрее, а рост тока отстает, что приводит к потере крутящего момента. Прерывание постоянного напряжения, которое намного выше, чем номинальное напряжение двигателя, гарантирует, что номинальный ток достигает двигателя даже на более высоких скоростях.

Ток, протекающий по обмоткам двигателя, определяемый как напряжение через резистор для определения тока, сравнивается с опорным напряжением. Текущий контроль осуществляется путем проведения переключения транзистора TR2, когда напряжение через резистор обнаружения ниже, чем опорное напряжение (когда она еще не достигла номинального тока), или поворота TR2 OFF, когда значение выше, чем опорное напряжение ( когда он превышает номинальный ток), тем самым обеспечивая постоянный ток номинального тока.

Различия между характеристиками входа переменного и постоянного тока

Шаговый двигатель приводится в действие постоянным напряжением, подаваемым через драйвер. Во входных двигателях и драйверах Oriental Motor 24 В постоянного тока на двигатель подается 24 В постоянного тока. В пакетах двигателя и драйвера на 100-115 В переменного тока вход выпрямляется до постоянного тока, а затем на двигатель подается приблизительно 140 В постоянного тока. (Некоторые продукты являются исключениями.)

Эта разница в напряжениях, приложенных к двигателям, проявляется как разница в характеристиках крутящего момента на высоких скоростях.Это связано с тем, что чем выше приложенное напряжение, тем быстрее будет возрастать ток через обмотки двигателя, что облегчает подачу номинального тока на более высоких скоростях.

Таким образом, входной двигатель и блок питания переменного тока имеют превосходные характеристики крутящего момента в широком диапазоне скоростей, от низких до высоких скоростей, предлагая большое соотношение скоростей. Рекомендуется, чтобы входные двигатели переменного тока и пакеты драйверов, которые совместимы с более широким диапазоном рабочих условий, были рассмотрены для ваших применений.

Технология Microstep Drive

Технология привода

Microstep используется для разделения базового шага (0,72 °) 5-фазного шагового двигателя на более мелкие ступени (до 250 делений) без использования механизма снижения скорости.

Technology Технология Microstep Drive

Шаговый двигатель движется и останавливается с шагом угла наклона, определяемым структурой полюсов ротора и статора, легко
, достигая высокой степени точности позиционирования.Шаговый двигатель, с другой стороны, вызывает изменение скорости ротора, потому что
двигатель вращается с шагом приращения угла, что приводит к резонансу или большей вибрации при данной скорости.

Microstepping - это технология, которая обеспечивает работу с низким резонансом и низким уровнем шума на чрезвычайно низких скоростях, управляя потоком электрического тока
, подаваемого на катушку двигателя, и тем самым разделяя угол основного шага двигателя на более мелкие шаги.

  • Базовый угол шага двигателя (0.72˚ / полный шаг) можно разделить на меньшие шаги в диапазоне от 1/1 до 1/250. Таким образом, микрошаг обеспечивает бесперебойную работу.
  • Благодаря технологии плавного изменения тока привода двигателя вибрация двигателя может быть сведена к минимуму для работы с низким уровнем шума.

◇ До 250 микрошагов

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

Особенности Microstep Drive


● Низкая вибрация
Технология привода Microstep в электронном виде делит угол шага на более мелкие ступени, обеспечивая плавное поступательное движение на низких скоростях и значительно снижая вибрацию. Хотя для уменьшения вибрации обычно используется демпфер или аналогичное устройство, конструкция с низким уровнем вибрации, используемая для самого двигателя - вместе с технологией микропереходного привода - снижает вибрацию более эффективно.Меры против вибрации могут быть значительно упрощены, поэтому они идеально подходят для большинства чувствительных к вибрации приложений и оборудования.

● Низкий уровень шума
Технология микрошагового привода эффективно снижает уровень шума, связанного с вибрацией, на низких скоростях, достигая низкого уровня шума. Мотор демонстрирует выдающуюся производительность даже в самых чувствительных к шуму условиях.


● Улучшенная управляемость
Новый микрошаговый драйвер Пентагона, с его превосходными характеристиками демпфирования, минимизирует выбросы и недолеты в ответ на изменения шага, точно следуя схеме импульсов и обеспечивая улучшенную линейность.Кроме того, шок, обычно возникающий в результате движений запуска и остановки, может быть уменьшен.

Шаговый двигатель и пакет драйверов

Обзор системы управления

Sensor Датчик для определения положения ротора

Датчик положения ротора встроен во встречный конец выходного вала двигателя:

Обмотка датчика обнаруживает изменения магнитного сопротивления из-за углового положения ротора.

с инновационным замкнутым контуром управления

Счетчик отклонений рассчитывает отклонение (отставание / опережение) фактического углового положения ротора с учетом команды положения по импульсному сигналу. Результат расчета используется для обнаружения «области ошибки» и управления двигателем путем переключения между режимами разомкнутого и замкнутого контуров.

  • 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 таким образом, чтобы развился максимальный крутящий момент для данного углового положения ротора. Этот метод контроля устраняет нестабильные точки (область ошибки) в характеристиках угла - крутящего момента.

Особенности AlphaStep

◇ Улучшенная производительность шагового двигателя

  • На высоких скоростях не будет «оплошности».Поэтому, в отличие от обычных шаговых двигателей, работа будет свободна от следующих ограничений:
  • Ограничения на скорости ускорения / замедления и коэффициент инерции, вытекающие из профиля импульса контроллера.
  • Ограничения на начальную частоту пульса, вызванные «ошибкой».
  • Используйте фильтр скорости, чтобы отрегулировать отзывчивость при запуске / остановке. Чувствительность запуска / остановки может быть отрегулирована с помощью 16 настроек без изменения данных контроллера (пусковой импульс, скорости ускорения / замедления).Эта функция предназначена для снижения ударных нагрузок и вибрации при работе на низкой скорости.

Возврат к механической работе на дому с использованием сигнала синхронизации возбуждения

● Сигнал синхронизации возбуждения
Сигнал синхронизации возбуждения (TIM.) Выводится, когда драйвер первоначально возбуждает шаговый двигатель (шаг «0»). Пакеты 5-фазного шагового двигателя и привода Oriental Motor выполняют начальное возбуждение при включении питания и передают последовательность возбуждения
каждый раз, когда подается импульсный сигнал, выполняя один цикл, когда вал двигателя вращается 7.2˚.

Используйте эти синхронизирующие сигналы, когда необходимо выполнить высоко воспроизводимый возврат к механическому домашнему режиму. В следующих разделах описывается возврат шагового двигателя к механическому режиму работы дома и использование сигналов синхронизации.

● Возврат к механическому режиму работы с шаговыми двигателями

При включении питания для запуска автоматического оборудования или перезапуске оборудования после сбоя питания необходимо вернуть шаговые двигатели в их стандартное положение.Эта операция называется «возврат к механическому дому».

При возвращении к механическому домашнему режиму для шаговых двигателей используются домашние датчики для обнаружения механического компонента, используемого для позиционирования. Когда обнаруженные сигналы подтверждаются, контроллер останавливает импульсный сигнал, и шаговый двигатель останавливается. Точность исходного положения при таком возвращении к механическому домашнему режиму зависит от эффективности обнаружения домашних датчиков. Поскольку эффективность обнаружения домашних датчиков варьируется в зависимости от таких факторов, как температура окружающей среды и скорость приближения области обнаружения механизма, необходимо уменьшить эти факторы для применений, которые требуют очень воспроизводимого механического определения исходного положения.

● Улучшенная воспроизводимость благодаря сигналу синхронизации возбуждения

Способ обеспечения того, чтобы исходное механическое положение не изменялось из-за различий в характеристиках обнаружения домашних датчиков, заключается в остановке импульсного сигнала путем логического умножения на сигнал синхронизации. Поскольку синхронизирующий сигнал выводится при начальном возбуждении, если импульсный сигнал останавливается, когда выводится синхронизирующий сигнал, механическое исходное положение всегда будет определяться при первоначальном возбуждении.

Соотношение между длиной кабеля и частотой передачи

По мере удлинения кабеля импульсной линии максимальная частота передачи уменьшается. В частности, резистивный компонент и паразитная емкость кабеля вызывают формирование цепи CR, тем самым задерживая время нарастания и спада импульса. Паразитная емкость в кабеле возникает между электрическими проводами и заземлением. Однако трудно предоставить четкие числовые данные, поскольку условия варьируются в зависимости от типа кабеля, расположения, прокладки и других факторов.

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

Влияние жесткости муфты на оборудование

Технические характеристики, которые указывают рабочие характеристики муфты, включают допустимую нагрузку, допустимую скорость, постоянную крутильной пружины, люфт (люфт) в муфте и допустимое смещение. На практике при выборе муфт для оборудования, которое требует высоких характеристик позиционирования или низкой вибрации, первичные критерии выбора были бы «жесткими, без люфта».«Однако в некоторых случаях жесткость сцепления оказывает лишь незначительное влияние на общую жесткость оборудования.

В этом разделе приводится пример сравнения общей жесткости оборудования, состоящего из шарико-винтового привода, в двух применениях, где используются челюстные муфты, такие как MCS, и сильфонные муфты, обеспечивающие более высокую жесткость. (Данные взяты из технического документа KTR, поэтому размеры муфт отличаются от продуктов, предлагаемых Oriental Motor.)

Обзор испытательного оборудования

Технические характеристики деталей

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

Константа пружины кручения сильфонного соединения
Cb = 116000 [Нм / рад]

Жесткость серводвигателя
См =

[Нм / рад]

Шариковый ходовой винт
ч = 10 [мм]

Шариковый винт, диаметр корневого круга
d = 28.5 [мм]

Длина шарикового винта
L = 800 [мм]

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

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

Модуль упругости шарико-винтовой передачи
Rf = 165000 [Н / мм2]

1. Получить крутильную жесткость шарикового винта, подшипника и гайки. Жесткость в осевом направлении шарикового винта Rs рассчитывается следующим образом:

Следовательно, общая жесткость в осевом направлении шарикового винта, подшипника и гайки Rt рассчитывается следующим образом:

Эта жесткость в осевом направлении применяется как жесткость при кручении Ct.

2. Получите общую жесткость оборудования C при использовании челюстной муфты.


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

4. Результаты расчета

,

Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020