Avtoargon.ru

АвтоАргон
6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое шаговый двигатель, зачем он нужен и как работает

Что такое шаговый двигатель, зачем он нужен и как работает

Шаговые двигатели постоянного тока получили широкое распространение в станках с числовым программным управлением и робототехнике. Основным отличием данного электромотора является принцип его работы. Вал шагового электродвигателя не вращается длительное время, а лишь поворачивается на определенный угол. Этим обеспечивается точное позиционирование рабочего элемента в пространстве. Электропитание такого двигателя дискретное, то есть осуществляются импульсами. Эти импульсы и поворачивают вал на определенный угол, каждый такой поворот называется шагом, отсюда и пошло название. Зачастую данные электромоторы работают в тандеме с редуктором для повышения точности установки и момента на валу, и с энкодером для отслеживания положения вала в текущий момент. Эти элементы необходимы для передачи и преобразования угла вращения. Если необходимо приобрести, то можно посмотреть тут https://grizlicnc.com.ua/nema23

Как устроен шаговый двигатель

По своему типу это бесколлекторный синхронный электродвигатель. Состоит из статора и ротора. На роторе обычно расположены секции, набранные из листов электротехнической стали (на фотографии это «зубчатая» часть), а те, в свою очередь, разделены постоянными магнитами. На статоре расположены обмотки, в виде отдельных катушек.

Принцип действия

Как работает шаговый электродвигатель можно рассмотреть на условной модели. В положении 1 на обмотки А и В подается напряжение определенной полярности. В результате в статоре образуется электромагнитное поле. Так как разные магнитные полюса притягиваются, ротор займет свое положения по оси магнитного поля. Более того, магнитное поле мотора будет препятствовать попыткам изменения положения ротора извне. Если говорить простыми словами, то магнитное поле статора будет работать на то, чтобы удержать ротор от изменения заданного положения (например, при механических нагрузках на вал).

Если напряжение той же полярности подается на обмотки D и C, электромагнитное поле сместится. Это заставит повернуться ротор с постоянным магнитом в положение 2. В этом случае угол поворота равен 90°. Этот угол и будет шагом поворота ротора.

Положение 3 достигается подачей напряжения обратной полярности на обмотки А и В. В этом случае электромагнитное поле станет противоположным положению 1, ротор двигатели сместится, и общий угол будет 180°.

При подаче напряжения обратной полярности на обмотки D и C, ротор повернется на угол до 270° относительно начальной позиции. При подключении положительного напряжения на обмотки А и В ротор займет первоначальное положение — закончит оборот на 360°. Следует учитывать, что передвижение ротора происходит по наименьшему пути, то есть из положения 1 в положение 4 по часовой стрелке ротор повернется только после прохождения промежуточных 2 и 3 положения. При подключении обмоток после 1 положения сразу в 4 положение ротор повернется против часовой стрелки.

Виды и типы по полярности или типу обмоток

В шаговых двигателях применяются биполярные и униполярные обмотки. Принцип работы был рассмотрен на базе биполярной машины. Такая конструкция предусматривает использование разных фаз для питания обмоток. Схема очень сложна и требует дорогостоящих и мощных плат управления.

Более простая схема управления в униполярных машинах. В такой схеме начало обмоток подключены к общему «плюсу». На вторые выводы обмоток поочередно подается «минус». Тем самым обеспечивается вращение ротора.

Биполярные шаговые двигатели более мощные, крутящий момент у них на 40% больше чем в униполярных. Униполярные электромоторы гораздо более удобны в управлении.

Типы двигателей по конструкции ротора

По типу исполнения ротора шаговые электродвигатели подразделяются на машины:

  • с постоянным магнитом;
  • с переменным магнитным сопротивлением;
  • гибридные.

ШД с постоянными магнитами на роторе устроен также, как и в рассмотренных выше примерах. Единственным отличием является то, что в реальных машинах количество магнитов гораздо больше. Распределены они обычно на общем диске. Количество полюсов в современных моторах доходит до 48. Один шаг в таких электромоторах составляет 7,5°.

Электромоторы с переменным магнитным сопротивлением. Ротор данных машин изготавливается из магнитомягких сплавов, их также называют «реактивный шаговый двигатель». Ротор собирается из отдельных пластин и в разрезе выглядит как зубчатое колесо. Такая конструкция необходима для того, чтобы через зубцы замыкался магнитный поток. Основным достоинством такой конструкции является отсутствие стопорящего момента. Дело в том, что ротор с постоянными магнитами притягивается к металлическим деталям электромотора. И провернуть вал при отсутствии напряжения на статоре достаточно тяжело. В шаговом двигателе с переменным магнитным сопротивлением такой проблемы нет. Однако существенным минусом является небольшой крутящий момент. Шаг подобных машин обычно составляет от 5° до 15°.

Гибридный ШД был разработан для объединения лучших характеристик двух предыдущих типов. Такие двигатели имеют маленький шаг в пределах от 0,9 до 5°, обладают высоким моментом и удерживающей способностью. Самым важным плюсом является высокая точность работы устройства. Такие электромоторы применяются в самом современном высокоточном оборудовании. К минусам можно отнести только их высокую стоимость. Конструктивно ротор данного устройства представляет собой намагниченный цилиндр, на котором расположены магнитомягкие зубцы.

Читать еще:  Шевроле круз почему громко работает двигатель

Для примера в ШД на 200 шагов используются два зубчатых диска с числом зубцов 50 штук на каждом. Диски смещены относительно друг друга на ползуба так, что впадина положительного полюса совпадает с выступом отрицательного и наоборот. Благодаря этому у ротора есть 100 полюсов с обратной полярностью.

То есть и южный, и северный полюс может сместиться относительно статора в 50 различных положений, а в сумме 100. А смещение фаз на четверть дает еще 100 позиций, производится это за счет последовательного возбуждения.

Управление ШД

Управление производится следующими методами:

  1. Волновой. В данном методе напряжение подается только на одну катушку, к которой и притягивается ротор. Так как задействована только одна обмотка крутящий момент ротора небольшой, и не подходит для передачи больших мощностей.
  2. Полношаговый. В данном варианте возбуждаются сразу две обмотки, благодаря чему обеспечивается максимальный момент.
  3. Полушаговый. Объединяет первые два метода. В данном варианте напряжение подается сначала на одну из обмоток, а затем на две. Таким образом реализуется большее количество шагов, и максимальная удерживающая сила, которая останавливает ротор при больших скоростях.
  4. Микрошаговое регулирование производится подачей микроступенчатых импульсов. Такой метод обеспечивает плавное вращение ротора и снижает рывки при работе.

Достоинства и недостатки шаговых электродвигателей

К достоинствам данного типа электрических машин можно отнести:

  • высокие скорости пуска, остановки, реверса;
  • вал поворачивается в соответствии с командой управляющего устройства на заданный угол;
  • четкая фиксация положения после остановки;
  • высокая точность позиционирования, без жестких требований к наличию обратной связи;
  • высокая надежность за счет отсутствия коллектора;
  • поддержание максимального крутящего момента на низких скоростях.
  • возможно нарушение позиционирования при механической нагрузке на вал выше допустимой для конкретной модели двигателя;
  • вероятность резонанса;
  • сложная схема управления;
  • невысокая скорость вращения, но это нельзя отнести к весомым недостаткам, поскольку шаговые двигатели не используются для простого вращения чего-либо, как бесколлекторные, например, а для позиционирования механизмов.

Шаговый двигатель также называют «электродвигатель с конечным числом положений ротора». Это и есть наиболее ёмкое и в то же время краткое определение таких электромашин. Они активно применяются в ЧПУ-станках, 3D-принтерах и роботах. Главным конкурентом шагового двигателя является сервопривод, но у каждого из них есть свои преимущества и недостатки, которые определяют уместность использования одного или другого в каждом конкретном случае.

Шаговый двигатель 4 провода подключение

Шаговый двигатель 6 проводов подключение

Генератор из шагового двигателя своими руками

Генератор для велосипеда из шагового двигателя

Может ли асинхронный двигатель работать как генератор

В чем разница между шаговым двигателем и сервоприводом?

В процессе работы электрический агрегат преобразует контролирующие сигналы в перемещение вала на определенный угол, фиксирует его в заданном положении. Объединяя в себе мотор и аппарат обратной связи позиционера, синхронный бесщеточный электродвигатель является идеальной электромеханической системой для промышленного оборудования. Кроме этого, привод используется в станках с числовым программным управлением, для разработки автоматизированных технических систем.

Сервопривод

Электромеханическая система, которая приводит в движение действующие механизмы, приводит вал к заданному положению, поддерживает скорость вращения рабочих машин. Привод работает в паре со специальной платой. Для управления серводрайвером используется ШИМ-сигнал. Частота следования импульсов сигнала STEP определяет градус вращения вала двигателя. А при помощи сигнала Dir задается определенное вращение мотора.

Сервоприводы созданы на принципиальной схеме следящей системы. При помощи автоматического контроля аппарата, в случае неправильной работы подаются сигналы на отработку. Импульсы поступают до тех пор, пока заданная скорость или положение вала не нормализуется. В качестве тахогенераторов в сервоприводах встроены абсолютные и относительные преобразователи угловых перемещений разных типов и конструкций. Такие приводы отличаются сложной системой подключения и управления.

Сходство агрегатов

Оба привода передают импульсы к рабочим механизмам, заставляя работать промышленные станки. Устройства защищают оборудование от самозапуска, предохраняют электродвигатель от перегрузки и короткого замыкания. В обоих агрегатах предусмотрено автоматическое выключение мотора при помощи электромагнитного пускателя в случае исчезновения напряжения в сети. Благодаря встроенной коммутации элементов электрической схемы с задержкой времени шаговый двигатель, как и сервопривод, после появления электричества включаются самостоятельно.

Аппараты эксплуатируются в крупных промышленных отраслях и для бытовых нужд:

  • При изготовлении высокоточных станков с жесткой станиной для обработки металла и резки лазером.
  • При создании станков быстрого прототипирования: принтеров с 3D-печатью, шлифовальных машинок для полировки и гравировки.
  • В разработке автоматизированных технических систем и создании роботов.
  • При изготовлении интерактивных игрушек: машинок, зверей, кукол.
Читать еще:  Датчик температуры головки блока двигателя

Различия электроприводов

В отличие от шагового двигателя, сервопривод может очень сильно ускоряться даже при изменении графика нагрузки. Характеристики агрегатов различаются. Поэтому нужный двигатель подбирается, исходя из следующих особенностей:

  1. Эффективность работы. Производительность сервоприводов гораздо выше шаговых преобразователей. На оборудование с числовым программным обеспечением для обработки больших деталей или заготовок из металла больше подойдет привод с серводрайвером. Агрегаты как: ESDA FX-800W, Auter ASM104 F12, Estun-1000 обеспечат высокую скорость обработки твердых металлов, дерева. Для станков со средней точностью, которые обрабатывают мягкие детали, подойдет шаговый мотор.
  2. Затраты на обеспечение работоспособности. Настроить и задать необходимый набор инструкций приводу с сервером на оборудовании с числовым программным обеспечением сможет только специалист. Сервис этого устройства намного дороже, чем шагового преобразователя. Поэтому, связанные с ним эксплуатационные расходы будут выше в несколько раз.
  3. Непосредственная работа. Сервопривод очень быстро ускоряется за счет изменения тока обмотки на полюсах ротора, его крутящий момент можно отрегулировать. Шаговый двигатель набирает скорость медленнее в несколько раз, показатель силы вращения коленчатого вала при ее наборе падает.
  4. Корректировка. Шаговый мотор нельзя отрегулировать по позиции, привод с серводрайвером в этом плане более «пластичен». Кроме того, последний аппарат отличается очень точным позиционированием.
  5. Безопасность. Преобразователь с сервером требует точности при проектировке и настройке программ управления. Так, если у шагового двигателя сойдет с оси коленчатый вал, он просто начнет пропускать ход. Сервопривод при такой неприятности может перегреться, повысить силу подаваемого на станок тока, перегореть или повредить оборудование.

Каждый из двигателей имеет свои плюсы, минусы и предназначение. Для работы компаний или людей, работающих с небольшим объемом продукции, подойдет установка шагового двигателя. Несмотря на маленькую скорость и производительность, оборудования с шаговыми преобразователями будет достаточно. Если производство работает с большими объемами и в быстром темпе – переоборудование станков сервоприводами окупит себя в разы.

Преимущества и недостатки серводвигателей и шаговых двигателей

Для осуществления выбора приводного двигателя с целью установки на системе ЧПУ может потребоваться дополнительное время, так как следует детально изучить преимущества и недостатки каждого из двух возможных вариантов — серводвигателя либо шагового двигателя.

Касательно правильного применения терминов — привод с обратной связью и встроенным управлением можно считать сервоприводом, что касается шагового двигателя с обратной связью и встроенным управлением — такой механизм можно совершенно справедливо считать шаговым сервоприводом.

Однако в нашей стране такой термин как сервопривод применяют для обозначения привода бесколлекторного двигателя, оснащенного датчиком обратной связи — так называемым энкодером, и управлением при помощи контроллёра.

Рассмотрим и сравним два вида этих двигателей, исходя из того, что шаговым приводом правильно всё-таки считать привод с шаговым двигателем, а сервоприводом — привод с наличием обратной связи и бесколлекторного двигателя.

Сравнение

Несомненное достоинство шаговых приводов — невысокая цена по сравнению с сервоприводами. Однако при этом у шаговых двигателей есть существенный недостаток — неточность в работе и пропуск шагов из-за резонанса, возникновение которого возможно при большом рабочем поле станка (больше одного метра по каждой из осей), таким образом, крупным станкам весом более 100 кг предпочтительнее устанавливать серводвигатели.

Ещё один существенный плюс шаговых двигателей — их легко настраивать, достаточно всего лишь установить контроллёр и нажать кнопку «старт». В сравнении с ним, для подключения и настройки сервопривода понадобится как минимум программист, а также подключение дополнительных внешних устройств с интерфейсом типа MODBUS.

Работа шаговых двигателей в режиме удержания более стабильна, благодаря его дискретности шагов — порядка двухсот (или четырёхсот) шагов наоборот.

Но по сравнению с сервоприводом, у шагового гораздо медленнее старт и прекращение работы, возможно, что по инерции произойдет пропуск шагов. Поэтому в случае выбора двигателя на, к примеру, станок по монтажу печатных плат, стоит выбрать сервопривод, учитывая его высокий КПД.

Кроме того работа шагового двигателя является достаточно шумной.

Преимущества и недостатки

Подводя итоги по сравнению двух видов двигателей, стоит перечислить их преимущества и недостатки:

Преимущества серводвигателей:

1) Высокий КПД работы станка в результате точного выполнения операций и быстроте исполнения;

2) Бесшумность работы;

3) Работа без резонанса;

4) Способность работы при повышенных нагрузках в течение короткого промежутка времени.

Недостатки серводвигателей:

1) Высокая стоимость таких двигателей;

2) Система является достаточно сложной в управлении.

Читать еще:  Что такое разминусовка двигателя и кузова

Преимущества шаговых двигателей:

1) При условии правильной настройки блока управления, гарантирована высокая точность работы;

3) При работе устройства на частоте меньше 15 кГц, сохраняется высокий уровень крутящего момента;

4) Низкий уровень стоимости.

Недостатки шаговых двигателей:

1) Уровень крутящего момента уменьшается при работе на высоких оборотах, даже несмотря на увеличение уровня напряжения;

2) Под действием резонанса устройство начинает работать со сбоем;

3) Отсутствует обратная связь, однако есть возможность установить энкодер;

4) При длительной работе происходит нагревание двигателя;

5) Издаёт достаточно сильный шум в процессе работы.

Самодельный ЧПУ станок

Самодельный ЧПУ станок

Разделы сайта
  • Самодельный ЧПУ станок
  • 3D принтер
  • Чертежи 3D принтеров
  • Чертежи ЧПУ станков
  • 3D модели
  • Механика
  • Электроника
  • Книги по ЧПУ
  • Софт для ЧПУ станка
  • Обзоры
  • Видео
  • Лазерные граверы
Интересное предложение
Лучшее
  • Домашний 3D принтер
  • Простой контроллер для ЧПУ станка
  • Самодельный ЧПУ станок моделиста
  • Чертеж самодельного ЧПУ станка
  • Самодельный ЧПУ станок из МДФ
Статистика

Наверное каждый кто имел дело с утилизацией старой техники не однократно ломал голову — а как использовать все то, что собираются выкидывать.

Сегодня речь пойдет о старых принтерах. Лучше всего на разбор идут матричные принтеры и МФУ устройства, в них много полезного для самодельщика или желающего сделать ЧПУ станок или 3D принтер своими руками.

Но, даже обычный дешевенький струйный принтер может послужить донором весьма полезных деталей, которые в ином случае придется закупать отдельно.

Давайте посмотрим, что можно извлечь из старого 3D принтера такого, что заинтересует желающего собрать самодельный ЧПУ станок или 3D принтер своими руками.

Для начала стоит максимально разобрать старый принтер на комплектующие.

Болтики, винтики, гаечки, шестеренки, электроника — все это может пригодится в хозяйстве самодельщика. Вроде бы копеечные детали, но иной раз, когда нет под рукой нужного болтика или гаечки — это весьма удручает.

Первое, что есть ценного в любом принтере — это стальная каленая направляющая. Не секрет, что в китайских 3D принтерах часто экономят на направляющих и они могут изгибаться даже под натяжением приводного ремня. Но в старых принтерах направляющие стоят каленые и согнуть их проблематично.

Стальные шлифованные направляющие подходят как для ЧПУ станков, так и для самодельных 3D принтеров.

Вместе с направляющими идет и узел скольжения головки принтера, на струйных принтерах он полностью пластиковый и подходит только для не нагруженных осей 3D принтеров или ЧПУ граверов. В старых матричных принтерах в узел скольжения запрессована бронзовая втулка, такой узел можно использовать и на самодельных ЧПУ станках обрабатывающих пластик и цветные металлы.

Зубчатый ремень привода — это очень полезная штука. С помощью нее можно передавать движение с вала шагового двигателя на площадку оси.

Стоит отметить, что все эти детали можно найти не только в принтерах, но и в других устройствах. Например можно купить мфу лазерный или старый копир через газету бесплатных объявлений за самовывоз. Особенно, если это устройство в неработающем виде. Чаще всего в них сгорает электроника управления, а все остальное вполне готово к извлечению и дальнейшей эксплуатации.

Шаговые двигатели в принтерах используются на движении бумаги и передвижении головки принтера. На фотографии те, что стояли в старом струйнике, на матричных принтерах двигатели гораздо мощнее, из лазерных МФУ можно извлечь шаговики вполне пригодные для изготовления хоббийного ЧПУ фрезера.

Вместе с шаговыми двигателями идут и драйвера и контроллер управления шаговиками.

Еще одним замечательным устройством являются концевые выключатели. В принтерах, копирах и прочей технике они отвечают за контроль наличия бумаги. Концевые выключатели бывают двух типов — механические и оптические. В деле изготовления 3D принтеров и ЧПУ станков концевики обычно ставят на края каждой оси — что бы какой либо сбой не заставил мотор гнать каретку оси до ограничителя и не повредил конструкцию.

Как видите — разобрав несколько старых принтеров можно получить почти полный набор компонентов для изготовления 3D принтера или ЧПУ станка своими руками.

Так же интересно:

— ЧПУ станок своими руками из старых принтеров.

roboforum.ru

Технический форум по робототехнике.

  • Список форумовМастерская3D печать
  • Изменить размер шрифта
  • Версия для печати
  • Магазин
  • Правила
  • Wiki
  • FAQ
  • Регистрация
  • Вход

Выбор шаговика для принтера.

Выбор шаговика для принтера.

timerkhan » 27 дек 2012, 23:01

Re: Выбор шаговика для принтера.

denim » 27 дек 2012, 23:03

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector