Avtoargon.ru

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

Шаговый двигатель для; чайников

Шаговый двигатель для «чайников»

Как и все двигатели, шаговые двигатели состоит из статора, ротора. Ротор представляет собой набор постоянных магнитов, а статор имеет катушки. схематично шаговый двигатель будет выглядеть следующим образом:

Это 4 катушки расположенные под углом 90 ° между собой. В приведенном выше рисунке, катушки не связаны друг с другом. 1 шаг такого двигателя будет равен 90 градусов. ток на катушки подается в циклическом порядке, один за другим. Направление вращения вала определяется в какой последовательности запитываются катушки. Следующая анимация показывает шаговый двигатель в работе. на катушки подается напряжением с интервалом 1 с. Вал вращается 90 градусов каждый раз, когда очередной виток включается:

Режимы работы
В этом разделе я объясню более подробно.
Волновой Привод или Single-Coil (подключение одной обмотки)
Single-Coil означает, что только одна катушка находится под напряжением. Этот метод используется редко, как правило, когда не требуется экономия энергии. данный режим включения обеспечивает менее половины номинального крутящего момента двигателя.

Этот мотор будет иметь 4 шага на полный оборот, то есть номинальное количество шагов в цикле.

Полный шаг
Второй и наиболее часто используемый метод, Полный шаг. Согласно этому методу, катушки запитываются попарно. т.к. соединение обмоток (последовательно или параллельно) двигателя потребуется удвоить напряжение или ток в два раза для работы, которую необходимо при движении с Single-Coil возбуждения. Данный метод дает 100% номинального момента двигателя.
Этот мотор будет иметь 4 шага на полный цикл, то есть номинальный ряд шагов в цикле.

Полушаг
Это очень интересный способ для достижения двойной точности системы позиционирования, не меняя ничего из оборудования! Согласно этому методу, все катушки могут находиться под напряжением, одновременно, заставляет ротор занимать промежуточное положение. Следующие картинка пояснит:
вращение шагового двигателя

полушаг две катушки запитываются

С помощью этого метода, так же двигатель будет иметь в два раза больше шагов, таким образом удвоить точность позиционирования. Например, этот мотор будет иметь 8 шагов в цикле!

Микрошаговый
Microstepping является наиболее распространенным методом управления шаговыми двигателями в настоящее время. Идея микрошагового режима, заключается в том что напряжение подается не импульсами, но сигналом похожим на ступенчатую синусоиду. Таким образом, позиционирование от одного шага к другому более плавным, что делает двигатель шаговый подходит для использования для приложений с высокой точностью, таких как системы с ЧПУ позиционирования. Кроме того, шаговый двигатель работает более плавно. С микрошагом, шаговый двигатель может вращаться почти непрерывно, как и простые двигатели постоянного тока.
Вот несколько примеров:

Шаговые двигатели: принцип действия и отличия от двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами Lenze начинают работать сразу, как только к якорной обмотке будет приложено постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором — коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре.

Шаговый двигатель (ШД) может быть рассмотрен как ДПТ без коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.

Принято различать шаговые двигатели (Autonics, Motionking, Fulling motor) и серводвигатели (Lenze). Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом (дискретном) режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора) и плавности вращения синхронного двигателя. Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению, в качестве которого обычно используется резольвер или sin/cos энкодер. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении. В то время как синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.

Читать еще:  Давление в системе охлаждения и нагрев двигателя

Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис. 1).

Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рис. 2).

За это упрощение приходится платить более сложным реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.

Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ-модуляции.

Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.

Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.

Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных применений.

Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.

На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.

На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.

Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.

В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя.

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро%аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.

Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота. Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.

Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.

Шаговый электродвигатель

Ша́говый электродви́гатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

Читать еще:  Где находится датчик температуры на 16 клапанном двигателе ваз

Содержание

Описание

Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнито-мягкого (ферромагнитного) материала или из магнито-твёрдого (магнитного) материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать бо́льший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.

Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3.6 град. двигателей и 8 основных полюсов для 1.8 — 0.9 град. двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.

Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.

Использование

В машиностроении наибольшее распространение получили высокомоментные двухфазные гибридные шаговые электродвигатели с угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или 0,9°/шаг (400 шаг/об). Точность выставления шага определяется качеством механической обработки ротора и статора электродвигателя. Производители современных шаговых электродвигателей гарантируют точность выставления шага без нагрузки до 5 % от величины шага.

Дискретность шага создаёт существенные вибрации, которые в ряде случаев могут приводить к снижению крутящего момента и возбуждению механических резонансов в системе. Уровень вибраций удаётся снижать при использовании режима дробления шага или при увеличении количества фаз.

Режим дробления шага (микрошаг) реализуется при независимом управлении током обмоток шагового электродвигателя. Управляя соотношением токов в обмотках можно зафиксировать ротор в промежуточном положении между шагами. Таким образом можно повысить плавность вращения ротора и добиться высокой точности позиционирования. Качество изготовления современных шаговых двигателей позволяет повысить точность позиционирования в 10-20 раз.

Шаговые двигатели стандартизованы по посадочным размерам и размеру фланца: NEMA 17, NEMA 23, NEMA 34, … — размер фланца 42 мм, 57 мм, 86 мм, 110 мм соответственно. Шаговые электродвигатели NEMA 23 могут создавать крутящий момент до 30 кгс*см, NEMA 34 до 120 кгс*см и до 210кгс*см для двигателей с фланцем 110 мм.

Шаговые двигатели создают сравнительно высокий момент при низких скоростях вращения. Момент существенно падает при увеличении скорости вращения. Однако, динамические характеристики двигателя могут быть существенно улучшены при использовании драйверов со стабилизацией тока на основе ШИМ.

Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме, или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задаётся последовательностью электрических импульсов, например, в станках с ЧПУ. В отличие от сервоприводов, шаговые приводы позволяют получать точное позиционирование без использования обратной связи от датчиков углового положения.

Шаговые двигатели применяются в устройствах компьютерной памяти — НГМД, НЖМД, устройствах чтения оптических дисков.

Датчик поворота

Шаговые двигатели с постоянными магнитами могут использоваться в качестве датчиков угла поворота благодаря возникновению ЭДС на обмотках при вращении ротора.

Преимущества

Главное преимущество шаговых приводов — точность. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. К приятным моментам можно отнести стоимость шаговых приводов, в среднем в 1,5-2 раза дешевле сервоприводов. Шаговый привод, как недорогая альтернатива сервоприводу, наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика.

Читать еще:  Что такое если двигатель гонит масло через горловину

Принцип действия шаговых двигателей Комментировать

Шаговым электродвигателем принято называть синхронное силовое устройство, включающее в себя статор, ротор и обмотки на статоре.

Принцип действия шаговых двигателей заключается в подаче электрического тока на обмотку статора, далее происходит фиксация ротора, в случае последовательной подачи тока – шаговое движение ротора силовой установки.

Более дорогие силовые установки с ротором, выполненным из магнитотвердых материалов, позволяют осуществлять фиксацию позиционирования ротора без подачи тока на обмотки, а также генерируют повышенные значения крутящего момента (по сравнению с аналогичными машинами без магнитов).

NEMA 08 FL20STH30-0604 A Шаговый двигатель

NEMA 11 FL28STH32-0956 A Шаговый двигатель

NEMA 14 FL35ST26-0284 A Шаговый двигатель

NEMA 16 FL39ST20-0404 A Шаговый двигатель

NEMA 17 FL42STH25-0404 A Шаговый двигатель

NEMA 23 FL57ST41-1106 A Шаговый двигатель

NEMA 42 FL110STH99-5504 A Шаговый двигатель

Какие бывают шаговые двигатели?

В зависимости от типа исполнения роторной части шагового двигателя можно разделить ШД на следующие типы:

Реактивные шаговые двигатели

Шаговые двигатели с постоянными магнитами

Гибридные шаговые двигатели

Биполярные и униполярные шаговые двигатели

Если первые два типа силовых установок отличаются типом исполнения ротора (магнитотвердый или магнитомягкий материал), то гибридные силовые установки являются обладателями и тех и других характеристик, благодаря чему имеют улучшения тактико-технические характеристики, а также пониженные значения потерь. Условное разделение роторной части гибридной установки на две половины производится посредствам специального магнита. Благодаря зубцам, имеющим пониженные значения сопротивления в точечных положениях, системы обладают улучшенными значениями момента.

Биполярный шаговый двигатель

Силовые установки биполярного типа обладают двумя обмотками (одна – на одну фазу) и четырьмя выводами. Чтобы управлять направлением магнитного поля, используется специальный драйвер, обеспечивающий управление направлением движения электрического тока. Биполярная силовая установка обладают повышенными показателями удельной мощности и момента в сравнении с униполярными.

Униполярный шаговый двигатель

В конструкции униполярной установки используется одна обмотка на фазу, из каждой фазы исходит отвод. Таким образом управление магнитным полем значительно упрощено, в прочем, как и сам драйвер. Предусмотрено объединение средних выводов во внутренней части силовой системы. Общее количество обмоток может достигать восьми. Используя различные типы соединения обмоток униполярный двигатель может работать в режиме биполярного. Какой бы режим работы фиговой системы не был выбран, важно соблюдать предельную мощность.

Конструкция униполярной системы подразумевает использование 50% всей обмотки в любой момент работы. Оставшаяся часть обмотки в сердечнике не используется, таким образом толщина провода должна быть сужена, как минимум, на 50%. Достичь повышенных значений магнитного поля можно путем наращивания значения тока и физического увеличения количества витков в обмотке. Однако любое подобное «раскачивание» установки должно учитывать возникающие потери на обмотке, которые в униполярных моделях из-за тонкости обмотки являются распространенным явлением.

Преимущества

В первую очередь, популярность всех шаговых силовых машин следует обуславливать точностью исполнения поставленной задачи. При повороте на заданный угол соблюдается абсолютная точность работы. Динамичный и недорогой шаговый двигатель – это идеальное решение для организации автоматизации процессов выделенных систем и ее субчастей, для которых не принципиальна динамичность исполнения.

Недостатки

Зачастую, во время исполнения рабочего цикла существует вероятность возникновения широко известной проблемы, когда проскальзывает ротор. Как правило, это явление обусловлено некорректно выполненными настройками программного обеспечения, а также достижения пограничной с резонансной скорости вращения.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector