Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Как запустить шаговый двигатель с 4 проводами


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

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 на север или юг.)

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 угловых минут (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, и его время 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), когда подается мощность (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 пределами определенной точки, что приводит 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.

Приложение 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, электродвигателя 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 - минимизирует 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 эксплуатации шаговых двигателей

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 приложений, которые требуют очень воспроизводимого механического определения исходного положения.

● Улучшенная воспроизводимость благодаря сигналу синхронизации возбуждения

Способ обеспечения того, чтобы механическое исходное 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

Спецификации, 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 с диаметром круга корня
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

,

Выбор и подключение шаговых двигателей

На платах Duet используются двухполюсные драйверы шаговых двигателей. Это означает, что вы можете использовать шаговые двигатели, подходящие для биполярного привода, которые имеют 4, 6 или 8 проводов. Вы не можете использовать двигатели с 5 проводами, потому что они предназначены для работы только в однополярном режиме. (Некоторые однополярные двигатели можно превратить в биполярные двигатели, обрезав их на печатной плате.)

Самый простой для подключения 4-проводный двигатель. Внутри шагового двигателя находятся две катушки, каждая катушка имеет провод, соединенный с каждым концом.Пара проводов и катушек называется фазой. 4 провода соответствуют 4 выходным контактам каждого шагового драйвера в Duet (для определения фаз и подключения см. Ниже).

В 6-проводных шаговых двигателях по-прежнему есть 2 катушки, но у каждой катушки есть центральный отвод, который при необходимости эффективно разрезает ее пополам. Это создает дополнительный провод для каждой катушки. Вы можете использовать их в полукатушке, оставив два концевых провода не подключенными, или в режиме полной катушки, оставив центральные провода не подключенными. Обратитесь к спецификации двигателя, чтобы убедиться, что ваш Duet может подавать достаточный ток для того, как вы хотите их подключить.

8-проводный степпер имеет 4 катушки, поэтому с двумя проводами на катушку получается 8 проводов. Вы можете запустить 8-проводный шаговый двигатель в полукатушке (с подключением только 2 катушек) или в режиме полной катушки, а в режиме полной катушки вы можете выбрать подключение катушек последовательно или параллельно. В интернете есть много другой документации о том, как это сделать, просто убедитесь, что Duet справится с текущими требованиями. В конечном итоге нам нужно всего лишь 4 провода для подключения к Duet.

Это максимальный ток, который вы можете пропустить через обе обмотки одновременно.Максимальный ток через одну обмотку (который действительно имеет значение при использовании микрошагования) редко указывается и будет немного выше. Однако, даже если одна обмотка приводится в действие при указанном номинальном токе, двигатель сильно нагревается. Таким образом, обычной практикой является установка тока двигателя не более 85% от номинального тока. Поэтому, чтобы получить максимальный крутящий момент от ваших двигателей без их перегрева, вы должны выбирать двигатели с номинальным током не более чем на 25% выше, чем рекомендуемый максимальный ток привода шагового двигателя.Это дает:

  • Duet 0.6 и Duet 0.8.5 (рекомендуемый максимальный ток двигателя 1,5 A RMS) => Номинальный ток шагового двигателя <= 1,9 A
  • Duet 2 WiFi и Duet 2 Ethernet (максимальный ток двигателя 2,4 A RMS) => Номинальный шаговый двигатель ток <= 3.0A
  • Duet 2 Maestro (рекомендуемый максимальный ток двигателя 1.4A RMS с хорошим охлаждением вентилятора) => Номинальный ток шагового двигателя <= 1.7A. Однако, если вы используете двигатели с более низким номинальным током (например, от 1,0 до 1,2 А) и мощностью 24 В, драйверы будут работать холоднее.
  • Duet 3 Материнская плата 6HC и плата расширения 3HC (рекомендуемый максимальный ток двигателя 4.45A RMS) => Номинальный ток шагового двигателя <= 5.5A
  • Duet 3 Tooboard (рекомендуемый максимальный ток двигателя 1.4A RMS) => Номинальный ток шагового двигателя < = 1,75A

Это максимальный крутящий момент, который может обеспечить двигатель, когда обе обмотки находятся под напряжением при полном токе, прежде чем начнутся скачкообразные шаги. Удерживающий момент с одной обмоткой под напряжением при номинальном токе примерно в 1 / квт (2) раза больше.Крутящий момент пропорционален току (за исключением очень малых токов), поэтому, например, если вы установите драйверы на 85% от номинального тока двигателя, то максимальный крутящий момент составит 85% * 0,707 = 60% от указанного удерживающего момента.

Крутящий момент возникает, когда угол ротора отличается от идеального угла, который соответствует току в его обмотках. Когда шаговый двигатель ускоряется, он должен создавать крутящий момент, чтобы преодолеть собственную инерцию ротора и массу нагрузки, которую он движет. Чтобы создать этот крутящий момент, угол ротора должен отставать от идеального угла.В свою очередь, нагрузка будет отставать от положения, заданного прошивкой.

Иногда будет написано, что микрошаг снижает крутящий момент. Это на самом деле означает, что, когда предполагается, что угол запаздывания равен углу, соответствующему одному микрошагу (поскольку вы хотите, чтобы положение было с точностью до одного микрошага), более высокий микрошаг предполагает меньший угол запаздывания, а значит, и меньший крутящий момент. Крутящий момент на единицу угла запаздывания (что действительно имеет значение) не уменьшается при увеличении микроперехода.Иными словами, отправка мотора за один микрошаг 1/16 приводит к точно таким же фазовым токам (и, следовательно, к тем же силам), что и к отправке двух 1/32 микрошагов или четырех 1/64 микрошагов и так далее.

Существует два соответствующих размера: номер размера Nema и длина. Номер размера Nema определяет квадратный размер корпуса и положение монтажных отверстий. Самый популярный размер для 3D-принтеров - Nema 17, корпус которого имеет площадь не более 42,3 мм и фиксирующие отверстия в квадрате со стороны 31 мм.

Двигатели Nema 17 бывают различной длины: от 20-миллиметровых «блинных» двигателей до 60-миллиметровых. Как правило, чем длиннее двигатель, тем больше его удерживающий момент при номинальном токе. Более длинные шаговые двигатели также имеют большую инерцию ротора. Все дуэты должны иметь возможность управлять ими, хотя некоторые двигатели Nema 17 могут быть рассчитаны до 2 А, что является пределом для Duet 2 Maestro (хотя вы всегда можете запустить двигатели с меньшим током).

Двигатели Nema 23 имеют более высокий крутящий момент, чем двигатели Nema 17.Duet 2 (WiFi и Ethernet) может управлять ими, если вы выбираете их тщательно, в частности, в отношении номинального тока, максимум до 2,8A. Duet 3 должен иметь возможность управлять двигателями большего размера, до 5,5А. Вы должны использовать питание 24 В на Duet 2 и 32 В на Duet 3 для более крупных двигателей.

Двигатели Nema 34 еще больше, с большим крутящим моментом и обычно используются в приложениях с ЧПУ. Duet 3 также может управлять этими двигателями до 5,5А. Для достижения высоких скоростей с большими двигателями вам может потребоваться более высокое напряжение, чем максимум 32 В для Duet 3.Можно изменить Duet 3, чтобы увеличить это значение до 48 В и, возможно, до 60 В (что является ограничением драйвера шагового двигателя), хотя это аннулирует вашу гарантию; см. https://forum.duet3d.com/post/133293

Существует два общих угла шага: 0,9 и 1,8 градуса на полный шаг, что соответствует 400 и 200 шагам / оборот. Большинство 3D-принтеров используют двигатели с шагом 1,8 град / шаг.

Помимо очевидной разницы в угле шага:

  • Двигатели 0,9 градуса имеют немного более низкий удерживающий момент, чем аналогичные 1.8-градусные двигатели того же производителя
  • Однако для получения заданного крутящего момента угол запаздывания, необходимый для 0,9-градусного двигателя, немного больше половины угла запаздывания аналогичного 1,8-градусного двигателя. Или, другими словами, при малых углах запаздывания у двигателя 0,9 градуса крутящий момент почти в два раза больше, чем у двигателя 1,8 градуса при том же угле запаздывания.
  • При заданной скорости вращения 0,9-градусный двигатель производит вдвое больше индуктивной обратной эдс, чем 1,8-градусный двигатель. Таким образом, вам, как правило, нужно использовать питание 24 В для достижения высоких скоростей с 0.Моторы 9deg.
  • 0,9 градусным двигателям нужно, чтобы шаговые импульсы доставлялись водителям с удвоенной частотой 1,8 градусного двигателя. Если вы используете высокий микрошаг, тогда скорость может быть ограничена скоростью, с которой электроника может генерировать шаговые импульсы. Для решения этой проблемы можно использовать режим интерполяции с 16-кратным микропереходом драйверов TMC2660 в Duet 2 WiFi / Ethernet. Драйверы Duet 2 Maestro и Duet 3 могут интерполироваться при любой настройке микрошагов.

Индуктивность двигателя влияет на скорость, с которой водитель шагового двигателя может управлять двигателем до того, как крутящий момент падает.Если мы временно игнорируем противо-ЭДС из-за вращения (см. Далее), а номинальное напряжение двигателя намного меньше, чем напряжение питания привода, то максимальное число оборотов в секунду перед падением крутящего момента составляет:

revs_per_second = (2 * supply_voltage) / (steps_per_rev * pi * индуктивность * ток)

Если двигатель приводит ремень GT2 через шкив, это дает максимальную скорость в мм / с как:

скорость = (4 * pulley_teeth * supply_voltage) / (steps_per_rev * pi * индуктивность * ток)

Пример: 1.8-градусный двигатель (шаг 200 об / об) с индуктивностью 4 мГн работает при 1,5 А при напряжении питания 12 В, и привод ремня GT2 с 20-зубчатым шкивом начинает терять крутящий момент со скоростью около 250 мм / с. Это скорость ленты, которая на CoreXY или дельта-принтере не совпадает со скоростью головки.

На практике крутящий момент будет падать раньше, чем это из-за обратной ЭДС, вызванной движением, и потому, что вышеупомянутое не учитывает сопротивление обмотки. Моторы с низкой индуктивностью также имеют низкую ЭДС из-за вращения.

Это означает, что если мы хотим достичь высоких скоростей, нам нужны двигатели с низкой индуктивностью и высоким напряжением питания. Максимальное рекомендуемое напряжение питания для Duet 2 WiFi / Ethernet составляет 25 В, для Duet 2 Maestro - 28 В, а для Duet 3 - 32 В.

Это просто сопротивление на фазу и падение напряжения на каждой фазе, когда двигатель находится в неподвижном состоянии, и фаза передает свой номинальный ток (который является результатом сопротивления и номинального тока). Это неважно, за исключением того, что номинальное напряжение должно быть значительно ниже напряжения питания для шаговых драйверов.

Когда шаговый двигатель вращается, он создает обратную эдс. При идеальном нулевом угле запаздывания он на 90 градусов не в фазе с напряжением возбуждения, а в фазе с обратной ЭДС из-за индуктивности. Когда двигатель создает максимальный крутящий момент и находится на грани пропуска шага, он находится в фазе с током.

Обратный ЭДС из-за поворота обычно не указывается в спецификации, но мы можем оценить его по следующей формуле:

приблизительный_пак_бэк_emf_due_to_rotation = sqrt (2) * пи * оцененный_холдинг_торк

В формуле предполагается, что удерживающий момент указан для обеих фаз, находящихся под напряжением при номинальном токе.Если это указано только с одной фазой под напряжением, замените sqrt (2) на 2.

Пример: рассмотрим 200-шаговый двигатель, приводящий каретку через 20 зубчатый шкив и ремень GT2. Это движение 40 мм на оборот. Для достижения скорости 200 мм / сек нам нужно 5 об / сек. Если мы используем двигатель с удерживающим моментом 0,55 Нм, когда обе фазы работают при 1,68 А, пиковая обратная эдс из-за вращения составляет 1,414 * 3,142 * 0,55 * 5 / 1,68 = 7,3 В.

Насколько точна эта формула? dc42 измерил, а затем рассчитал обратную эдс для двух типов двигателей:

  • 17HS19-1684S: измерено 24 В, рассчитано 24.24 В при условии, что удерживающий момент указан для обеих фаз, находящихся под напряжением при номинальном токе.
  • JK42HS34-1334A: измерено 22 В, рассчитано 15,93 В с учетом удерживающего момента 0,22 Нм при подаче напряжения на обе фазы при номинальном токе. Возможно, удерживающий момент для этого двигателя указан только с одной фазой под напряжением, и в этом случае расчетное значение становится 22,53 В. Я также видел удерживающий момент для этого двигателя, приведенный в другой спецификации как 0,26 Нм, что увеличивает расчетное значение до 18,05 В.

Если у вас есть целевая скорость движения для вашего принтера, вы можете определить, по крайней мере, приблизительно, какое напряжение питания вам потребуется для драйверов двигателя. Вот как с примером расчета:

  1. Определите свою целевую скорость движения. Для этого примера я буду использовать 200 мм / сек.
  2. Исходя из целевой скорости движения, определите максимальную скорость ремня в худшем случае. Для декартовых принтеров наихудший случай - чистое движение X или Y, поэтому наихудшая скорость ленты равна скорости движения.Для принтера CoreXY худший случай - это диагональное движение, и соответствующая скорость ленты в 2 раза превышает скорость движения. Для дельта-принтера наихудший случай - это радиальное перемещение около края кровати, а наихудший случай - скорость движения, деленная на tan (theta), где theta - наименьший угол диагонального стержня к горизонтали. На практике мы не можем использовать целевую скорость перемещения для радиальных перемещений вплоть до края кровати из-за расстояния, необходимого для ускорения или замедления, поэтому примите значение тета в качестве угла, когда насадка находится примерно в 10 мм от края кровати напротив башни.Для моей дельты это 30 градусов, поэтому максимальная скорость ленты составляет 200 / загар (30 градусов) = 346 мм / сек.
  3. Отрегулируйте обороты двигателя в секунду на максимальной скорости ремня, разделив скорость ремня на шаг зубьев ремня (2 мм для ремней GT2) и количество зубьев на шкиве. Моя дельта использует шкивы с 20 зубцами, поэтому максимальное число оборотов в секунду составляет 346 / (2 * 20) = 8,7.
  4. Отработать пиковую ЭДС за счет индуктивности. Это revs_per_second * pi * motor_current * motor_inductance * N / 2, где N - количество полных шагов за оборот (так 200 для 1.8-градусные двигатели или 400 для 0,9-градусных двигателей). Мои двигатели имеют 0,9 градуса с индуктивностью 4,1 мГн, и я обычно использую их при 1А. Таким образом, обратная эдс из-за индуктивности составляет 8,7 * 3,142 * 1,0 * 4,1e-3 * 400/2 = 22,4 В.
  5. Вычислить примерную обратную ЭДС из-за вращения. По формуле, приведенной ранее, это sqrt (2) * pi * selected_holding_torque * revs_per_second / rating_current. Мои двигатели имеют номинальный ток 1,68 А и момент удержания 0,44 Нм, поэтому результат равен 1,414 * 3,142 * 0,44 * 8,7 / 1,68 = 10,1 В
  6. Предпочтительно, чтобы напряжение питания драйвера было не менее суммы этих двух обратных эдс , плюс еще несколько вольт.Если у вас есть два двигателя последовательно, требуемое напряжение удваивается.

В моем примере это дает 32,5 В, что выше рекомендованного входного напряжения 25 В для Duet 2. Но, по крайней мере, мы знаем, что для дельта-движения в худшем случае скорость движения 200 мм / с, если я использую 24 В тогда подача составляет более 2/3 от теоретического значения, поэтому крутящий момент, доступный для этого перемещения, не должен уменьшаться более чем на 1/3 от обычного доступного крутящего момента. С другой стороны, подача 12 В явно была бы недостаточной - это объясняет, почему я смог достичь только 150 мм / с до того, как обновил принтер до 24 В.

Существует онлайн-калькулятор, который делает это наоборот (то есть определяет скорость, с которой крутящий момент начинает падать) на https://www.reprapfirmware.org/.

  • Если вы не будете использовать внешние драйверы шаговых двигателей, выбирайте двигатели с номинальным током не менее 1,2 А и не более 2,0 А для Duet 0,6 и Duet 0,8,5, 3 А для Duet 2, 7 А для основного и двухпроводного Duet 3. платы расширения и 1,7 А для панелей инструментов Duet 3 или Duet 2 Maestro.
  • Запланируйте работу каждого шагового двигателя при 50–85% его номинального тока.
  • Размер: Nema 17 - самый популярный размер, используемый в 3D-принтерах. Nema 14 является альтернативой в экструдере с высокой редуктором. Используйте двигатели Nema 23, если вы не можете получить достаточный крутящий момент от длинных двигателей Nema 17. Duet 3 также может управлять двигателями Nema 34.
  • Избегайте двигателей с номинальным напряжением (или произведением номинального тока и фазового сопротивления)> 4 В или индуктивности> 4 мГн.
  • Выберите 0,9 град / шаг двигателя, где вы хотите дополнительную точность позиционирования, например, для башенных моторов дельта-принтера.В противном случае выберите двигатели 1,8 град / шаг.
  • Если вы используете какие-либо 0,9 град / шаговые двигатели или двигатели с высоким крутящим моментом, используйте мощность 24 В, чтобы вы могли поддерживать крутящий момент на более высоких скоростях.
  • При использовании экструдера с высокой редуктором (например, экструдера, в котором используется гибкий кабель привода для передачи крутящего момента от двигателя к червячному редуктору), используйте короткий 1,8-градусный двигатель с малой индуктивностью для его привода.

Номера дисков, используемые в G-коде, соответствуют следующим меткам драйверов на плате (ах):

Drive номер Duet 3
доска этикетки
Duet 2 WiFi / Ethernet
плата этикетка
Duet 2 Maestro
доска этикетки
0 DRIVER_0 X
1 DRIVER_1 Да
2 DRIVER_2 З.А. ZB (Два заголовки, подключенными последовательно)
3 DRIVER_3 Е0
4 DRIVER_4 Е1
5 DRIVER_5 E2 (On Duex 2/5) E2 (контакты для внешнего драйвера)
6 E3 (On Duex 2/5) E3 (контакты для внешнего драйвера)
7 E4 (On Duex 5)
8 E5 (On Duex 5)
9 E6 (On Duex 5)
10 На заголовке LCD_CONN
11 На заголовке LCD_CONN

Чтобы увидеть точное расположение выводов, проверьте схемы соединений здесь:

Электрическая схема Duet 3

Схема подключения Duet 2 WiFi / Ethernet

Электрическая схема Duet 2 Maestro

Duet 3 имеет 6 встроенных шаговых драйверов.Duet 2 WiFi, Ethernet и Maestro имеют 5 встроенных шаговых драйверов.

Для подключения шаговых двигателей к внутренним драйверам см. Схему подключения Duet 3, схему подключения Duet 2 WiFi / Ethernet или схему подключения Duet 2 Maestro. Схема контактов каждого разъема шагового двигателя такая же, как и у других популярных 3D-принтеров.

Для ВСЕХ ДУЭТОВ необходимо подключить два провода для одной фазы шагового двигателя к двум контактам на одном конце разъема, а провода для другой фазы к двум контактам на другом конце. См. Следующий раздел, чтобы определить фазы вашего двигателя.

Каждый разъем шагового двигателя имеет четыре контакта. На Duet 2 WiFi / Ethernet они обозначены «2B 2A 1A 1B» на задней панели и на электрической схеме. «1» и «2» относятся к катушке или фазе, «A» и «B» относятся к положительному и отрицательному.

На Duet 2 Maestro и Duet 3 четыре контакта разъема двигателя имеют маркировку «B1 B2 A1 A2» ​​на задней стороне платы и на электрической схеме.«A» и «B» относятся к катушке или фазе, «1» и «2» относятся к положительному и отрицательному. Это соглашение об именах, используемое большинством производителей шаговых двигателей.

Осторожно! Перепутывание фаз на 4-контактном разъеме может и часто приводит к повреждению шагового привода. Итак, убедитесь, что вы знаете, какие пары проводов принадлежат к одной фазе. Неважно, к какой фазе вы подключаетесь, к какой паре выводов или в какую сторону вы подключаете каждую фазу: переключение двух фаз или переключение пары проводов в фазе просто заставляет двигатель вращаться в другую сторону, которую вы можно исправить в конфиге.г файл.

Будьте особенно осторожны при использовании шаговых двигателей со съемными кабелями! Двигатель Nema 17 с отсоединяемым кабелем обычно имеет 6-контактный разъем JST, но разные производители используют разные выводы на этом разъеме. Всегда проверяйте фазы шагового двигателя (см. Следующий раздел) при использовании двигателей со съемными кабелями.

Настоятельно рекомендуется заземлить корпуса шагового двигателя , особенно в принтерах с ременным приводом.В противном случае движение ремней вызывает накопление статического заряда, который в конечном итоге изгибается в обмотках. Движение нити в экструдерах может также вызвать накопление статического заряда на приводном двигателе экструдера. Если двигатели прикручены к металлической раме, заземления рамы достаточно.

Вот два способа соединить провода шагового двигателя в фазы:

  1. Используйте мультиметр. Между двумя проводами, принадлежащими к одной фазе, должно быть сопротивление в несколько Ом, а между проводами, принадлежащими к разным фазам, не должно быть неразрывности.
  2. Если провода двигателя ни к чему не подключены, вращайте шпиндель между пальцами. Замкните два провода вместе, затем снова раскрутите шпиндель. Если вращение намного сложнее, чем раньше, эти два провода принадлежат одной и той же фазе. В противном случае попробуйте еще раз с другой парой проводов, замкнутых вместе.

Если у вас два шаговых двигателя Z, подключите их к разъемам ZA и ZB. Эти разъемы соединены последовательно, что лучше, чем их параллельное соединение для большинства типов шаговых двигателей, используемых в 3D-принтерах.

Если у вас только один шаговый двигатель Z, подключите его к разъему ZA и вставьте две перемычки в разъем ZB. Платы Duet 2 обычно поставляются с уже установленными перемычками.

Если у вас есть два шаговых двигателя Z, то для типов двигателей, обычно используемых в RepRaps (то есть с номинальным током в диапазоне от 1,2 до 2,0 А), лучше соединять их последовательно, чем параллельно. Google "проводные шаговые двигатели в серии" для инструкций, как это сделать, например:

http: // www.instructables.com/id/Wiring-Y ...]

Некоторые недавние китайские комплекты 3D-принтеров имеют слаботочные Z-шаговые двигатели, которые предназначены для параллельного подключения. Если двигатели имеют номинальный ток 1,0 А или ниже, подключите их параллельно.

Используйте команду M584 (см. Http: //reprap.org/wiki/G-code#M584: _Set _...), чтобы указать, какие драйверы используются для соответствующей оси. Вы должны использовать RepRapFirmware 1.14 или более позднюю версию.

См. Страницу использования внешних драйверов для более подробной информации.

Если ваши двигатели имеют рейтинг выше 2.8А, и вы используете Duet 2 (Wi-Fi или Ethernet), или выше около 2А, и вы используете Duet 2 Maestro, или устаревший Duet 0.6 или 0.8.5, или если им нужно более высокое напряжение, чем может обеспечить Duet, то вы нужны внешние драйверы шагового двигателя. Они обычно имеют оптически изолированные входы step / dir / enable. Например, драйверы шаговых двигателей с номиналом до 5 А, использующие чип шагового драйвера TB6600, широко доступны на eBay.

Если драйверам требуется не более 2 мА при напряжении 3 В на входе ступени, направления и разрешения, вы можете подключить их непосредственно от разъема расширения Duet.См. Схемы подключения Duet 2 WiFi / Ethernet для разводки разъемов расширения. В противном случае, вы должны использовать интегральные схемы с изменением уровня от 3,3 до 5 В, например, 74HCT04, чтобы повысить уровень сигнала до 5 В и управлять им. Для этой цели вы можете использовать разделительную доску расширения Duet.

Чтобы переназначить двигатели X, Y или Z на внешние драйверы в RepRapFirmware 1.14 или более поздней версии, используйте команду M584 (см. M-код G584). Сигналы включения на разъеме расширения по умолчанию активны, но вы можете изменить это с помощью команды M569 (см. M569 Gcode).Вы также можете установить минимальную ширину шага импульса в команде M569 (попробуйте 1us или 2us при использовании внешних драйверов) и настроить направление.

Перед выполнением этого шага временно разрешите перемещение оси без возврата в исходное положение, перейдя к консоли G-кода и введя: M564 S0 H0

Вернитесь на страницу управления машиной. В это время мы проверим работу наших шаговых двигателей.

Переместите каждый шаговый двигатель по отдельности на 1 мм в каждом направлении.

Обратите внимание, что шаговый механизм не может быть перемещен до возврата в исходное положение, если только команда M564 не используется для отмены этого безопасного значения по умолчанию.

Как работают бесщеточный двигатель и ESC

В этом уроке мы узнаем, как работают бесщеточный двигатель и ESC. Эта статья является первой частью следующего видео, где мы изучим принцип работы бесщеточного двигателя постоянного тока и ESC (Electronic Speed ​​Controller), а во второй части мы узнаем, как управлять двигателем BLDC с помощью Arduino.

Принцип работы


Двигатель BLDC состоит из двух основных частей: статора и ротора.Для этой иллюстрации ротор представляет собой постоянный магнит с двумя полюсами, а статор состоит из катушек, расположенных, как показано на рисунке ниже.

Мы все знаем, что если мы подадим ток через катушку, он создаст магнитное поле, а линии магнитного поля или полюса зависят от направления тока.

Таким образом, если мы подадим соответствующий ток, катушка создаст магнитное поле, которое привлечет постоянный магнит ротора.Теперь, если мы активируем каждую катушку одну за другой, ротор будет продолжать вращаться из-за силового взаимодействия между перманентом и электромагнитом.

Чтобы повысить эффективность двигателя, мы можем намотать две противоположные катушки как одну катушку таким образом, чтобы генерировать противоположные полюса к полюсам роторов, таким образом, мы получим двойную силу притяжения.

С помощью этой конфигурации мы можем генерировать шесть полюсов на статоре всего с тремя катушками или фазой.Мы можем еще больше повысить эффективность, запитав две катушки одновременно. Таким образом, одна катушка будет притягивать, а другая катушка будет отталкивать ротор.

Чтобы ротор совершил полный 360-градусный цикл, ему необходимо шесть шагов или интервалов.

Если мы посмотрим на форму волны тока, мы можем заметить, что в каждом интервале есть одна фаза с положительным током, одна фаза с отрицательным током и третья фаза выключена. Это дает представление о том, что мы можем соединить свободные конечные точки каждой из трех фаз вместе, и поэтому мы можем разделить ток между ними или использовать один ток для одновременного возбуждения двух фаз.

Вот пример. Если мы поднимаем фазу A High или подключаем его к положительному напряжению постоянного тока, с помощью какого-то переключателя, например, MOSFET, а с другой стороны, подключаем фазу B к земле, то ток будет течь от VCC через фаза А, нейтральная точка и фаза В, на землю. Таким образом, с помощью всего лишь одного потока тока мы создали четыре разных полюса, которые приводят ротор в движение.

В этой конфигурации мы фактически имеем соединение звездой фаз двигателя, где нейтральная точка соединена внутри, а остальные три конца фаз выходят из двигателя, и поэтому у бесщеточного двигателя есть три провода, выходящие из Это.

Итак, чтобы ротор совершил полный цикл, нам просто нужно активировать два правильных МОП-транзистора в каждом из 6 интервалов, и это то, чем на самом деле являются ESC.

Как работает шаговый двигатель

В этом руководстве вы узнаете, как работает шаговый двигатель. Мы рассмотрим основные принципы работы шаговых двигателей, их режимов движения и…

ESC или электронный регулятор скорости контролируют движение или скорость бесщеточного двигателя, активируя соответствующие полевые МОП-транзисторы для создания вращающегося магнитного поля, так что двигатель вращается.Чем выше частота или чем быстрее ESC пройдет через 6 интервалов, тем выше будет скорость двигателя.

Однако здесь возникает важный вопрос, и вот как мы узнаем, когда активировать какую фазу. Ответ заключается в том, что нам нужно знать положение ротора, и для определения положения ротора используются два распространенных метода.

Первый распространенный метод заключается в использовании встроенных в статор датчиков Холла, расположенных на 120 или 60 градусов друг от друга.

По мере вращения постоянных магнитов роторов датчики Холла воспринимают магнитное поле и генерируют логическую «высокую» для одного магнитного полюса или логическую «низкую» для противоположного полюса. Согласно этой информации ESC знает, когда активировать следующую последовательность коммутации или интервал.

Второй общий метод, используемый для определения положения ротора, заключается в измерении обратной электродвижущей силы или обратной ЭДС. Обратная ЭДС возникает в результате совершенно противоположного процесса генерации магнитного поля или когда движущееся или изменяющееся магнитное поле проходит через катушку, оно индуцирует ток в катушке.

Таким образом, когда движущееся магнитное поле ротора проходит через свободную катушку или неактивное, оно будет вызывать протекание тока в катушке и, как следствие, падение напряжения в этой катушке. ESC фиксирует эти падения напряжения по мере их возникновения и на основании них предсказывает или рассчитывает, когда должен произойти следующий интервал.

Так что это основной принцип работы бесщеточных двигателей постоянного тока и ESC, и он одинаков, даже если мы увеличим количество полюсов как ротора, так и статора.У нас все еще будет трехфазный двигатель, только количество интервалов увеличится, чтобы завершить полный цикл.

Здесь мы также можем упомянуть, что двигатели BLDC могут быть как опережающими, так и опережающими. Бесщеточный двигатель внутреннего хода имеет постоянные магниты внутри электромагнитов, и наоборот, двигатель внешнего запуска имеет постоянные магниты вне электромагнитов. Опять же, они используют один и тот же принцип работы, и у каждого из них есть свои сильные и слабые стороны.

Хорошо, хватит теории, так что теперь давайте продемонстрируем и посмотрим в реальной жизни то, что мы объяснили выше.Для этого мы подключим три фазы бесщеточного двигателя к осциллографу. Я подключил 3 резистора в одну точку, чтобы создать виртуальную нейтральную точку, а с другой стороны я подключил их к трем фазам двигателя BLDC.

Первое, что мы можем здесь заметить, - это три синусоиды. Эти синусоидальные волны на самом деле являются обратной EFM, генерируемой в фазах, когда они не активны.

Мы можем видеть, что при изменении частоты вращения двигателя частота синусоидальных колебаний изменяется, а также их амплитуда.Чем выше число оборотов в минуту, тем выше частота и амплитуда синусоидальных волн обратной ЭДС. Тем не менее, двигателем являются именно эти пики, которые являются активными фазами, которые генерируют изменяющееся магнитное поле.

Мы можем заметить, что на каждом интервале присутствуют две активные и одна неактивная фаза. Например, здесь у нас активны фазы A и B, а фаза C неактивна. Тогда у нас активны фазы A и C, а фаза B неактивна и так далее.

Здесь я хотел бы дать привет Banggood.ком за предоставление мне этого осциллографа. Это Rigol DS1054Z, и это один из лучших осциллографов начального уровня по своей цене. Он имеет четыре входных канала, полосу пропускания 50 МГц, которая может быть взломана до 100 МГц, имеет частоту дискретизации 1 ГГц / с и относительно большую глубину памяти 24 Мбит / с.

Дисплей 7 дюймов, и он действительно красивый и яркий. Он имеет различные математические функции, фильтры низких и высоких частот, декодирование SPI и I2C и многое другое. Итак, еще раз, большое спасибо Banggood.com и убедитесь, что вы проверите этот осциллограф в их магазине.

Тем не менее, это основной принцип работы бесщеточного двигателя. Если вам нужны более реальные примеры из жизни и вы научитесь управлять моторами, используя Arduino, вы должны проверить вторую часть этого урока.

Я надеюсь, вам понравился этот урок и вы узнали что-то новое. Не стесняйтесь задавать любые вопросы в разделе комментариев ниже и не забудьте проверить мою коллекцию проектов Arduino.


Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020
Карта сайта, XML.