Шаговые двигатели относятся к бесщеточным устройствам. Изготавливаются они с несколькими обмотками. Основными параметрами устройств можно назвать пороговое напряжение и количество полюсов. Также модели различаются по показателю сопротивления обмотки. Однофазные модификации изготавливаются с зубчатыми статорами. Магниты чаще всего используются цилиндрического типа.
Для ЧПУ шаговые двигатели подходят идеально. Однако в данном случае многое зависит от оборудования. В частности, модификации устанавливаются на принтерах, станках и лазерных резаках. Также их можно встретить на приводах. Однако это касается только линейных конфигураций. Стоит в среднем качественный шаговый двигатель в районе 4500 руб.
Как выбрать двигатель?
Как подобрать для ЧПУ? В первую очередь следует определиться с типом модификации. Если рассматривать варианты для станков, то на них часто используются двухфазные модели. Магнитопроводы у них устанавливаются с хорошей проводимостью тока. Непосредственно роторы применяются из стали. Чашки для статоров выполнены с выступом.
В данном случае обмотки используются из магнитно-мягкого материала. Статоры в представленных устройствах применяются с зубцами. Показатель удержания обязан составлять не менее 3 кг/см. Параметр сопротивления обмотки зависит от типа ЧПУ. Если говорить про модификации с контролером, то вышеуказанный показатель обязан равняться 7 Ом.
Устройства для станков
Как подобрать для Если рассматривать обычную фрезерную модель, то в первую очередь важно обращать внимание на тип вала. В среднем он устанавливается с диаметром в 5 мм. В данном случае статор обязан находиться над ротором в чашке, а непосредственно ток обмотки должен равняться 2 А. Для более стабильной работы двигателя применяются магнитопроводы с высокой проводимостью.
Также перед покупкой следует оценить индуктивность обмотки. Указанный параметр у двигателей колеблется в районе 6 мГн. В данном случае драйверы для устройств должны быть биполярного типа. Стоит в среднем шаговый двигатель для ЧПУ станка в районе 3 тыс. руб.
Модели для приводов
Как выбрать шаговый двигатель для ЧПУ привода? В данном случае многие потребители отдают предпочтение двухфазным модификациям. Статоры у них чаще всего встречаются зубчатые. По типу ротора модели довольно сильно отличаются. Часто они делаются из шихтовой стали. В среднем диаметр вала равняется 5.5 мм. Угол шага моделей для приводов составляет 1.2 градуса. Ток обмотки в данном случае должен равняться минимум 3 А. Если рассматривать однофазные модификации, то драйвер для двигателей подходит однополярного типа.
Сопротивление обмотки в среднем колеблется в районе 5 Ом. Также важно обращать внимание на пороговое напряжение двигателей. Данный параметр, как правило, не превышает 6 В. Однако есть и более мощные модели на рынке. Максимальная индуктивность обмотки у них равняется 10 мГн. При этом показатель токовой перегрузки находится на уровне 4 А. Обойдется качественный шаговый двигатель для привода в районе 4500 руб.
Двигатели для принтеров
Выбор шагового двигателя для ЧПУ принтера производится только среди трехфазных модификаций. Статоры целесообразнее подбирать зубчатого типа. Магнитопроводы должны иметь высокую проводимость тока. Благодаря им обороты двигатель будет набирать плавно. Если говорить про параметры, то момент удерживания модификаций для принтеров в среднем равняется 4 кг/см. Непосредственно пороговое напряжение колеблется в районе 10 В.
Минимальная индуктивность обмотки обязана составлять 8.5 мГн. Угол шага устройства должен быть на уровне 1.3 градуса. Магниты в представленных модификациях часто используются постоянные и по форме являются цилиндрическими. устройств зависит от типа ротора. Для однополярных драйверов модели на рынке встречаются довольно редко. Купить хороший двигатель для принтера пользователь способен по цене от 3 тыс. руб.
Модификации для лазерных резаков
Какой выбрать двигатель для Многие специалисты в этой ситуации отдают предпочтение моделям на 10 В. Чаще всего они изготавливаются со статорами зубчатого типа. Магнитопроводы у них проводимость имеют довольно высокую. Непосредственно роторы в двигателях располагаются в специальных чашах. Модификации двухполюсного типа на рынке встречаются редко.
В среднем угол шага у моделей не превышает 2 градуса. Предельную токовую нагрузку устройства выдерживают на уровне 5 А. Максимальная индуктивность обмотки зависит от количества шагов за оборот. Диаметр вала в двигателе должен составлять 5.5 мм. На сегодняшний день качественные устройства для резаков продаются по цене от 4 тыс. руб.
Однофазные модификации
Однофазные модели больше всего подходят для В среднем показатель угла шага у них равняется 2.5 градусов. Максимальную индуктивность устройства выдерживают в 7 мГн. По количеству шагов за оборот модели довольно сильно отличаются. На рынке представлено множество модификаций на 5 и 10 В. Передаточное число у них примерно составляет 1:54.
Двухполюсные модификации способны похвастаться высокой проводимостью тока. Роторы чаще всего устанавливаются из шихтовой стали. Чашки под них делаются с выступами разной длины. Приобрести в магазинах набор шаговых двигателей для ЧПУ на 5 В можно за 4500 руб.
Двухфазные устройства
Двухфазный двигатель подходит хорошо для принтеров. По мощности модели довольно сильно отличаются. Модификации для однополярных драйверов выделяются повышенной проводимостью тока. Показатель порогового напряжения у них в среднем равняется 5 В. Ротор стандартно располагается в чашке. Валы у моделей устанавливаются диметром от 5 мм. Угол шага в представленных конфигурациях не превышает 2 градуса.
Ток обмотки в данном случае равняется 4.5 А. Непосредственно момент удержания двигателя зависит о магнитопровода. Если рассматривать модели с высоковольтной обмоткой, то этот параметр составляет в среднем 3 кг/см. Передаточное число устройств не превышает 1:60. Сопротивление обмотки в среднем равняется 8 Ом. На статоре в представленных модификациях для подключения предусмотрено четыре вывода. Контроллер шагового двигателя для ЧПУ встречается только биполярного типа. Стоит хорошая двухфазная модификация около 5 тыс. руб.
Трехфазные модели
Трехфазный двигатель часто используется для линейных приводов. Показатель порогового напряжения у него колеблется в районе 5 В. Модификации с зубчатыми статорами попадаются на рынке довольно часто. Магнитопроводы у этих моделей показатель проводимости тока имеют на уровне 6 мк. Роторы делаются, как правило, из шихтовой стали. Угол шага у моделей не превышает 2.4 градуса. Момент удержания в данном случае зависит от проводимости магнитопровода. В среднем указанный параметр колеблется в районе 4 кг/см.
Передаточное число моделей равняется 1:63. По параметру сопротивления обмотки устройства сильно отличаются. Показатель минимальной индуктивности двигателей равняется 8.5 мГн. Изготавливаются устройства на четыре и шесть выводов. Купить трехфазную модификацию на рынке можно всего за 5 тыс. руб.
Двигатели с драйвером ULN2003
Шаговый двигатель для ЧПУ данного типа используется для Ротор у него сделан из шихтовой стали. Непосредственно чашка ротора изготавливается с высоким выступом. Магнитопровод установлен с проводимостью тока на уровне 4 мк. Статор в устройстве находится зубчатого типа, а обмотка на нем предусмотрена низковольтная. Угол шага в данном случае равняется 2.3 градуса. Модификаций двухфазного типа на рынке имеется много. Показатель сопротивления обмотки у них не превышает 8 Ом. Параметр минимальной индуктивности составляет 10 мГн. Купить модель данного типа можно за 3500 руб.
Модификации на 5 В
Шаговый двигатель для ЧПУ на 5 В может изготавливаться с однополярным и биполярным драйвером. Магнитопроводы в устройствах используются различные. Показатель проводимости тока у них в среднем равняется 5.5 мк. Чашки статора чаще всего делаются с выступами. Таким образом, вал обороты набирает плавно. Угол шага моделей в среднем не превышает 1.2 градуса.
Предельный ток обмотки устройства выдерживают на уровне 6 А. Показатель момента удерживания двигателей составляет в среднем 2 кг/см. При этом минимальная индуктивность обмотки не превышает 6 мГн. Стоит хороший шаговый двигатель для ЧПУ на 5 В районе 4200 руб.
Двигатели на 10 В
Шаговый двигатель для ЧПУ на 10 В часто подбирается для принтеров, которые работают на однополярных драйверах. В данном случае выводов в устройствах предусмотрено четыре. Непосредственно проводимость тока колеблется в районе 6 мк. Максимальный угол шага в устройствах равняется 2.5 градуса. Показатель индуктивности обмотки составляет минимум 8 мГн.
Также следует отметить, что представленные конфигурации могут применяться для работы с линейными приводами. Статоры в устройствах используются чашечного типа. Магниты подходят лишь постоянные. По форме они делаются цилиндрического вида. Момент задерживания двигателей на 10 В в среднем составляет 4.5 кг/см. Приобрести хорошую модель для принтера в специализированных магазинах можно по цене 5 тыс. руб.
Приведеные примеры расчета применимы не только к шаговым, но и к другим типам двигателей. При учете скорости нужно учитывать, что для шаговых двигателей указывается частота - шаги/сек.
| Выбор шагового двигателя для грузоподъемной установки | |
| Выбор шагового двигателя для транспортной тележки |  |
| Определение крутящего момента шагового двигателя в устройстве с использованием винтовых передач |  |
| Момент, требуемый от шагового привода в системе с вращающимися цилиндрами |  |
| Определение момента в механизмах с реечной передачей |  |
Особенности работы ШД предъявляют весьма жесткие требования к согласованию параметров выбираемого двигателя с заданной нагрузкой. Это особенно актуально в разомкнутых системах дискретного привода, когда пропуск двигателем хотя бы одного управляющего импульса приводит к ошибке преобразования электрического сигнала управления в угол, который система исправить не в состоянии. Проверку на нагрев шаговых двигателей обычно не производят, так как они рассчитаны на длительный режим прохождения импульсов тока по обмоткам управления.
При выборе шагового двигателя, прежде всего, следует ориентироваться на потребляемую приводом (двигатель + блок управления) из сети мощность, величину напряжения питания, требуемый крутящий момент на выходном валу, скорость вращения вала и момент инерции нагрузки. Для одного и того же привода, при разных величинах напряжения питания, потребляемая мощность привода P=U*I (напряжение*ток) различается. Например, привод D5779 при напряжении питания 50В потребляет из сети 150Вт, при напряжении питания 30В – 90Вт. КПД шаговых приводов в диапазоне частот 1 - 5КГц, как и КПД синхронных двигателей с постоянными магнитами составляет 80-90%.
Мощность на выходном валу привода P=M*ω (крутящий момент*угловая скорость). Очевидно, что мощность на выходном валу не может превышать потребляемую из сети мощность.
Закон сохранения энергии для системы, состоящей из двигателя и нагрузки на валу, повернувшейся на один полушаг, выглядит следующим образом:
M двигателя *φ=0,5*J*ω 2 + M нагрузки *φ + М магн *φ +М трения *φ
где φ - угол поворота
J – приведенный к валу момент инерции системы
ω – угловая скорость
M нагрузки – момент нагрузки
М магн – момент сопротивления, создаваемый постоянными магнитами двигателя, примерно 5% от величины M двигателя
М трения – момент трения в системе
Отсюда максимальная скорость, с которой может сделать первый шаг шаговый двигатель в системе с приведенным к валу моментом инерции J и нагруженный моментом M нагрузки:
ω =(2*φ*(M двигателя – M нагрузки – М магн – М трения)/J) 1/2
На практике необходимо также учитывать электрические переходные процессы в фазах двигателей, которые зависят как от напряжения питания и индуктивности фаз двигателей, так и от способа управления двигателем. Самыми динамичными являются двигатели с минимальной индуктивностью. Обычно стартовые частоты лежат в диапазоне 800-1000Гц (2-2,5 об/сек в полушаговом режиме). Исходя из этого для шагового двигателя, работающего в полушаговом режиме, величина ускорения не должна превышать 4рад/сек 2 .
Когда требуемый момент, определен, выбор шагового двигателя зависит от предпочтительных габаритов, присоединительных размеров, цены двигателя и блока управления для него.
Если блок управления уже есть (или выбран), необходимо, чтобы ток фазы шагового двигателя не превышал возможности блока управления. Также нужно иметь ввиду число выводов, которые можно подключить к имеющемуся блоку управления.
Недавно я уже писал о том, что поимел большую головную боль в виде необходимости выбирать себе новые шаговые движки. Когда-то давно, когда трава была зеленее... Ну, в общем, закупил себе набор движков, который валялся до поры до времени. Закупал их особо не заморачиваясь и не разбираясь, как их выбирать и на что сомтреть. Не повторяйте моих ошибок, изучите вопрос. Ниже я опишу подробно, что мне удалось с тех пор узнать о шаговых движках, а в частности о том, как грамотно подойти к вопросу их выбора.
Но сначала, для того, чтобы лучше понимать вопрос - давайте разберёмся,- "что же такое шаговый электродвигатель?".
Так говорит нам википедия, хотя я бы назвал его не "бесщёточный", а "бесколлекторный", но с википедией спорить не будем, её всё таки "умные" люди пишут. Да и суть от этого не сильно меняется, это, по сути своей, такой же двигатель, что и другие. Как, например, на дорогой гоночной машинке с БК движком. Такой же, да вот не такой!Шаговый электродвигатель - 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.
И вот тут мы в плотную подходим к двум парам важных характеристик шагового электродвигателя. Первая пара это удерживающий момент и номинальный ток, а вторая угол поворота (шаг) и погрешность шага. Пройдёмся по каждой паре подробно.Шаговый двигатель в первую очередь спроектирован не для того, что бы он просто вращался и передавал свой вращающий момент исполнительному механизму. Он должен обеспечивать высокую точность позиционирования и достаточный момент удержания.
Если ток завышен, то двигатель греется, если ток занижен, то снижается сила, с которой он сопротивляется проворачиванию, и двигатель может начать (и начнёт) пропускать шаги. Так же необходимо помнить, что самый распространённые драйверы для шаговых двигателей A4998 и DRV8825 могут обеспечить только 2А и 2.2А соответственно. Не нужно гоняться за заоблачными показателями. 4000 г/см и 1.7-1.8А хватит за глаза и уши даже для такой брутальной кинематики, как H-Bot.Удерживающий момент - это то, с какой силой двигатель, если на него подан номинальный ток, будет сопротивляться попыткам его провернуть. Если подать на двигатель ток равный номинальном, это обеспечивает максимальный момент удержания.
Выходит, что чем мельче шаг, тем круче и точнее? Нет! Шаг в 1.8 градуса это всё, что вам нужно. Не буду сейчас приводить таблицы и примеры расчёта перемещений исполнительных механизмов на разных моделях принтеров и разных кинематиках. Поверьте мне на слово, лучше смотрите на погрешность шага, пользы будет больше. 5% - очень и очень хороший показатель.Угол поворота - это угол поворота, на который двигатель поворачивается за один шаг (кто бы мог подумать?). Потому, иногда, его просто называют шагом и не парятся. А погрешность шага - это максимальное отклонение от заданного угла поворота в процентах.
И тут можно задаться вопросом, - "а как же напряжение?". Напряжение особой роли не играет, т.к. его регулирует драйвер шагового двигателя, что бы поддерживать необходимый ток. Но знайте меру. 3V - 5V вполне достаточно, 3.4V, наверное, в самый раз.
Есть ещё такой параметр, как количество фаз. Ну, если совсем просто, то это сколько контактов/проводов торчит из двигателя. По хорошему, нам для принтера нужны биполярные двигатели с 4-мя фазами (проводами). Но существуют и с 6-тью и, даже, с 8-мью. Последние - экзотика в наших краях (ну я по крайней мере вообще их в руках не держал). А вот те, что с 6-тью проводами - те встречаются. Если просто, то это тоже самое, что и с 4-мя, но на обеих обмотках есть центральный отвод. Более наглядно можно посмотреть на иллюстрации, которую я честно где-то стырил.
Но я так и не сказал, что брать? Если есть 4-выводной, берём его, если нет, не расстраиваемся и берём 6-выводной. Но лучше берите 4-выводной (мороки меньше). Кстати, на картинке 8-выводной двигатель показан в режиме, когда у него пары обмоток подключены параллельно.
Любая разработка начинается с выбора компонентов. При разработке ЧПУ станка очень важно правильно подобрать шаговые двигателя . Если у вас есть деньги на покупку новых двигателей, в таком случае нужно определить рабочее напряжения и мощность двигателя. Я купил себе для второго ЧПУ станка шаговые двигателя вот такие: Nema17 1.7 А .
Если у вас нет достаточно денег или вы просто пробуете свои силы в данной сфере. То вы скорее всего будите использовать двигателя из принтеров . Это самый недорогой вариант. Но тут Вы столкнетесь с рядом проблем. У двигателя может быть 4, 5, 6, 8 - проводов для подключения. Как их подключить к драйверам L298n и .
Давайте разберемся по порядку. Какие шаговые двигателя бывают. Если вы видите четное количество выводов это биполярный шаговый двигатель . Расположение обмотки для данного двигателя вот такое.
Если
у двигателя
5 выводов, это
униполярный шаговый
двигатель
. Вот так выгладит
его схема.
Наши драйвера рассчитаны на двигателя с 4 выводами . Как быть? Как их подключить?
Биполярные
ШД с 6-ю выводами подключаются к драйверу
двумя способами:
В
данном случае ШД имеет момент в 1.4 раза
больше. Момент более стабилен на низких
частотах.
При
таком типе подключения нужно уменьшить
ток, подаваемый на обмотки двигателя
в √2 раз. Например, если номинальный
рабочий ток двигателя составляет 2 А,
то при последовательном включении
обмоток требуемый ток - 1.4 А, то есть в
1.4 раза меньше.
Это можно легко понять из следующих рассуждений.
Номинальный рабочий ток, указанный в каталоге, рассчитан на сопротивление одной обмотки (R - именно оно приведено в каталоге). При последовательном включении обмоток сопротивление объединенной обмотки возрастает в два раза (2R).
Потребляемая мощность ШД - I*2 * R
При последовательном включении обмоток потребляемая мощность становится Iпосл.*2 * 2 * R
Потребляемая мощность не зависит от типа подключения, поэтому I*2 * R = Iпосл.*2 * 2* R, откуда
Iпосл.= I/ √2, т.е.
Iпосл.= 0.707 *I.
Так как крутящий момент двигателя прямо пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора, то он возрастает с увеличением числа витков обмотки и убывает с уменьшением ток, пропускаемого через обмотки. Но так как ток уменьшился в √2 раз, а число витков обмотки увеличилось в 2 раза, то крутящий момент возрастет в √2 раз.
Tпосл. = 1.4 * T.
Во втором случае момент более стабилен на высоких частотах. Параметры ШД при таком подключении соответствуют заявленным в datasheet, (момент, ток), момент более стабилен на высоких частотах .
Униполярный шаговый двигатель можно переделать.
Для этого нужно разобрать шаговый
двигатель и перерезать провод соединяющий
центр обмоток. И при подключении общий
провод подключать ни куда не нужно.
В итоге у нас получается биполярный двигатель с 4 выводами.
Шаговые
двигателя с 8-ю выводами можно подключить
тремя способами.
Подключение А - шаговик работает с характеристиками, заявленными в описании (момент, ток), момент более стабилен на высоких частотах.
Подключение B – момент 1.4 раза, момент более стабилен на низких частотах (относительно А).
Подключение C – момент 1.96 раза, момент более стабилен на высоких частотах (относительно А).
Вот мы и решили проблему подключения шаговых двигателей. Но не все двигателя у нас заработают. Нужно еще определить рабочее напряжение двигателей. Самый правильный способ это найти datasheet. Так все параметры есть. Но не ко все двигателя из принтера можно найти datasheet. В таких случаях я пользуюсь вот такой таблицой.
Не знаю на сколько данная таблица верная но у меня все сходиться и работает как надо.
Двигателя я выбираю чтобы рабочее напряжение было меньше или равно напряжению источника питания. Для двигателей рассчитанных на меньшее напряжения необходимо настроить ток ниже.
Настраивать будем в следующей статье. Не пропустите !
Подписывайтесь на мой канал на Youtube и вступайте в группы в
В статье содержатся базовые сведения о работе шагового двигателя и рекомендации по способу подбора.
Шаговый двигатель - устройство с постоянной мощностью, если мощность определить как момент, умноженный на скорость. Это означает, что крутящий момент обратно пропорционален скорости. Чтобы уяснить, почему мощность мотора не зависит от скорости, представим себе идеальный шаговый двигатель.
В настоящее время рынок наполнен предложениями самых разнообразных двигателей, для самых разнообразных приложений, что немудрено запутаться при выборе шагового двигателя, даже если вы подготовились и изучили свойства шаговых моторов, узнали их основное свойство терять момент с ростом скорости вращения и, оценив момент инерции нагрузки, приведенной к валу, примерно определили какой крутящий момент на каких скоростях нужно получить от шаговика. Так как все же выбрать шаговый двигатель и на что необходимо первым делом посмотреть при покупке?
1. Тип двигателя - биполярный, униполярный, 3-фазный и т.п.
Ни один из типов двигателей не имеет каких-то радикальных преимуществ перед другими. Но у каждого из них есть свои небольшие особенности. Так, 3-фазные двигатели более скоростные - имеют меньший момент, чем биполярные такого же размера, но сохраняют его лучше, тем самым их хорошо использовать с редукторами, в скоростных передачах. Биполярные - наиболее распространенные, дают высокий удельный на малых оборотах, под них легко купить драйвер взамен вышедшего из строя. Униполярные - представляют собой гибкое решение, по сути заключают в себе несколько видов биполярных двигателей (в зависимости от того, как подключить обмотки), а также собственно униполярный 6-выводной мотор. В подавляющем большинстве биполярных достаточно, а если нужна высокая скорость вращения - имеет смысл использовать 3-фазный двигатель.
2. График зависимости момента от скорости
Основная характеристика. С этим графиком можно свериться и проверить, может ли данный шаговый двигатель вообще удовлетворить условиям вашего техзадания.
3. Индуктивность
Вычислите квадратный корень из индуктивности обмотки и умножьте на 32, полученное число сравните с напряжением вашего источника питания для драйвера. Эти числа не должны сильно отличаться - если напряжение питания сильно(30 и более %) превышает полученное число, двигатель будет шуметь и греться; если же сильно не дотягивает - крутящий момент будет убывать со скоростью слишком быстро.
4. Геометрические параметры
Фланец, диаметр вала - важны как присоединительные размеры. Фланец вкупе с длиной двигателя также обрисовывает "мощность" шагового двигателя.
Теоретические сведения о режимах работы шагового двигателя
В идеальном двигателе нет трения, его момент пропорционален амперо-виткам обмоток и единственной электрической характеристикой является индуктивность. Индуктивность L характеризует способность обмотки запасать энергию в магнитном поле. Индуктивности обладают свойством индуктивного сопротивления, т.е. сопротивления переменному току, которое тем больше, чем быстрее меняется ток, а значит, индуктивное сопротивление возрастает вместе со скоростью вращения двигателя. По закону Ома ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален полному сопротивлению, откуда следует, что ток обмотки уменьшается при увеличении скорости вращения. Т.к. момент пропорционален амперо-виткам, а ток обратно пропорционален скорости, то момент также будет обратно пропорционален скорости. Т.е. при нулевой скорости момент стремится к бесконечности, при увеличении скорости момент(и ток) начинает стремиться к нулю.
Электрически, реальный двигатель отличается от идеального в основном ненулевым сопротивлением обмотки, а также ферромагнитными составляющими, которым свойствоенно насыщаться магнитным полем, что приводит к гистерезисным потерям и потерям на вихревые токи. Насыщение ограничивает момент, а вихревые токи и гистерезисные потери вызывают нагрев мотора. Рассмотрим кривую зависимости крутящего момента шагового двигателя от скорости.
Как видно из графика, при скорости ниже определенного предела, момент, а следовательно и ток, возрастают очень быстро, вплоть до уровней, приводящих к повреждению мотора. Чтобы этого избежать, драйвер должен ограничивать нарастание тока до определенной величины. Поскольку момент пропорционален току, момент будет постоянен начиная с момента удержания до порогового значения скорости, а при скорости выше порога - ток будет ограничен индуктивностью обмоток.
В результате, скорость-моментная характеристика идеального двигателя будет начинаться с отрезка, где момент постоянный, до точки, когда мотор перестанет генерировать и потреблять реактивную мощность. Реальный шаговый двигатель обладает потерями, которые изменяют идеальную скорость-моментную характеристику. Особенно велик вклад момента от зубцовых гармоник магнитного поля(его иногда указывают в документации на двигатель). Потери в двигателе есть всегда, и чем быстрее вращается вал шагового мотора, тем больше потери, и их также необходимо вычитать из идеальной характеристики
Обратите внимание, как реальная мощность падает вместе с ростом скорости, в том числе и на отрезке "постоянной мощности". Скругление на переходной точке обусловлено переходным процессом в цепи - драйвер постепенно превращается из источника тока в источник напряжения.
Резонанс на средних частотах
Шаговый двигатель сильно подвержен резонансу, являясь по факту аналогом маятника "подвешенный на пружине груз", где грузом является ротор, а пружиной - магнитное поле, и имеет частоту собственных колебаний, зависящую от силы тока и инерции ротора. В момент, когда разность фаз момента и скорости достигает величины 180 град., возникает резонанс – изменение магнитного поля начинает совпадать со скоростью, и скорость ротора при позиционировании на новый шаг становится слишком велика. При резонансе значительная часть энергии магнитного поля уходит на преодоление инерции ротора при колебании около положения равновесия, что выражается в значительном падении крутящего момента на валу. Накопленная кинетическая энергия ротора расходуется при возникновении резонанса примерно за 1-10 сек, поэтому разогнать двигатель можно, пройдя зону резонанса без последствий, но работать сколь-нибудь продолжительное время не удастся – вал остановится. Для устранения этого явления в драйверах используются различные антирезонансные алгоритмы.
Мощность двигателя
Выходная мощность двигателя (скорость×момент) пропорциональна напряжению, деленному на квадратный корень из индуктивности. Если мы увеличим вдвое напряжение ШИМ, то получим другую кривую СМХ, лежащую выше, и мощность на участке постоянной мощности вырастет вдвое. С током иная картина. Рисунок ниже показывает, что будет при выставлении на драйвере тока в 2 раза больше номинального для двигателя. Мотор начинает выделять в 4 раза больше тепла, а момент на низких оборотах увеличивается менее чем в 2 раза из-за насыщения сердечников обмоток.
Как можно видеть, мощность не увеличивается вовсе. Всегда рекомендуется выставлять ток на драйвере равным номинальному значению для двигателя. Это в том числе снизит вибрации на низких частотах, улучшит характеристики хода в микрошаговом режиме.
Напряжение питания и нагрев двигателя
Основные причины нагрева двигателя: потери на сопротивлении обмоток и ферромагнитные потери. Первая часть всем знакома – это тепловая энергия, выделяющяяся на активном сопротивлении проводов обмоток, равная I2R. Вклад этого слагаемого велик только когда двигатель находится в режиме удержания, и резко уменьшается с возрастанием скорости двигателя. Ферромагнитными потерями назваются потери на токи Фуко и гистерезисные потери. Они зависят от изменения тока и, следовательно, от питающего напряжения, и выделяются в виде тепла. Как было сказано выше, мощность двигателя растет прямо пропорционально напряжению, однако ферромагнитные потери тоже растут, причем, в отличие от мощности, - нелинейно, что и ограничивает максимальное напряжения, которое можно использовать для драйвера. Можно сказать, что максимальная полезная мощность шагового двигателя определяется количеством тепла, которое может на нем безопасно выделяться. Поэтому не следует стараться выжать полкиловатта из двигателя 57 серии, подключив драйвер к источнику в 10 кВ – у напряжения есть разумные пределы. Их можно рассчитывать разными способами. Эмпирически было получено несколько оценок сверху для максимального питающего напряжения ШИМ-драйвера: оно не должно превышать номинальное напряжение обмоток более чем в 25 раз или величину 32√ L, где L – индуктивность обмотки.
Для наглядности ниже показан график, показывающий ферромагнитные потери для двигателя с номинальными характеристиками 4 А, 3 В.
Кратко о мощности шагового двигателя
Выбор двигателя и питающего напряжения целиком зависят от задач. В идеале, двигатель должен выдавать достаточный момент на максимальной планируемой скорости. Необходимо отличать момент от мощности двигателя: большой момент на низких скоростях не означает, что двигатель мощный. Выходная мощность – другой, более важный параметр, её примерно можно оценить по кривой скорости-момента. Теоретически, максимальная мощность, которую можно стабильно получать с драйвера, питаемого напряжением 80 В и выходным током 7 А примерно 250 Ватт(1/3 л.с.), в реальности же для этого потребуется 2 или 3 двигателя NEMA 34. Двигатели NEMA 23 слишком малы для отвода тепла, а NEMA 42 из-за размера не подходят по импедансу: если их номинальный ток меньше, чем 7 А, то напряжение будет больше 80 В, и наоборот. Момент от зубцовых гармоник в моторах NEMA 42 существенно больше, чем в малых моторах, и обязательно должен быть учтен при расчете выходной мощности. Другими словами, выходная мощность двигателей NEMA 42 падает быстрее, чем у меньших двигателей. NEMA 42 следует использовать, если требуется получить высокий момент на низких скоростях и нет смысла использовать мотор-редуктор.
О ЧЕМ ГОВОРЯТ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Если вы опустили все, написанное выше, или прочитали, но мало что поняли, данная глава поможет разобраться, как перейти к практической части. Несколько слов о размере двигателя. Развитие производства шаговых двигателей достигло больших успехов, и теперь шаговые двигатели одного размера разных производителей обладают очень схожими характеристиками. Именно размер двигателя задает рамки, в которых может изменяться его главная характеристика - кривая скорости-момента. Индуктивность обмотки показывает, насколько крута будет кривая СМХ при одинаковом напряжении питания драйвера с ШИМ: если мы возьмем 2 двигателя индентичного размера с разной индуктивностью, и будем управлять ими одним драйвером с одним и тем же питающим напряжением, полученные кривые СМХ будут отличаться крутизной:
Большая индуктивность потенциально дает вам возможность получить больший крутящий момент, но чтобы произвести такую конверсию, потребуется драйвер с большим напряжением питания - тогда кривая СМХ поднимется вверх пропорционально увеличению напряжения. На практике почти все фирмы производят моторы одного размера в двух исполнениях - "медленный" и "быстрый", с большой и малой индуктивностью. Причем "быстрые" модели пользуются большей популярностью - для них на высоких оборотах требуется меньшее напряжение, а значит более дешевые драйверы и источник питания. А если вдруг не хватает мощности - можно взять двигатель побольше. "Медленные" модели остаются для специфических применений - в случаях, когда от шагового привода не требуется больших скоростей, нужен большой момент удержания и т.п.
Ток обмотки косвенно связан с крутящим моментом, но в основном он говорит о том, какой драйвер нужно будет подобрать к этому двигателю - он должен быть способен выдавать именно такой уровень тока.
Напряжения питания обмотки показывает, какое постоянное(не ШИМ) напряжение можно подавать на обмотку - таково значение напряжения, используемое драйверами постоянного напряжения. Оно пригодится при вычислении максимально допустимого напряжения питания драйвера с ШИМ, и тоже косвенно связано с максимальным крутящим моментом.
АЛГОРИТМ ПОДБОРА ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Так как же выбрать двигатель? Зависит от того, какими вы данными обладаете. По большому счету, выбор двигателя сводится к выбору 5 вещей - производителя, вида двигателя, размера, тока фазы и индуктивности. Первый параметр поддается оценке с трудом - мало у кого репрезентативная выборка образцов от разных поставщиков. Что касается вида двигателя, мы рекомендуем всегда, когда есть неопределенность в выборе, использовать биполярные шаговые двигатели с 4 выводами и малой индуктивностью. Т.е. выбор в основном заключается в выборе размера двигателя(в пределах одного размера характеристики двигателей с одной индуктивностью почти всех производителей практически совпадают). Для выбора конкретной модели можно использовать следующий алгоритм:
- Рассчитайте максимальную скорость вращения V в об/сек, которую хотите получить от привода, и момент M, который необходимо получить от него на этой скорости(закладывайте в это значение запас в 25-40%).
- Переведите скорость вращения в частоту полных шагов PPS, для стандартного двигателя с шагом 1.8 град PPS = 200 * V.
- Выберите примерно подходящий на первый взгляд размер двигателя, из числа доступных моделей этого размера выберите двигатель с не самой большой индуктивностью.
- Воспользуйтесь кривой СМХ, приводимой производителем, найдите на ней ваше значение PPS. Сверьтесь, достаточен ли момент, указанный на кривой.
- Если момент, указанный на кривой слишком мал, рассмотрите двигатель размером побольше, если слишком велик - размером поменьше.
Однако, часто этот способ дает неверные результаты по причине большого количества факторов и допущений при расчете момента. Запросто можно получить, что для управления небольшим портальным фрезером с порталом весом 15 кг вдруг потребуются двигатели ST86-114. Чаще используют эмпирические способы, и они оказываются точнее. Один из таких способов - определение двигателей по весу портала и размеру рабочего поля. Например, выбор шагового мотора для горизонтальной передачи(оси X и Y) можно осуществить исходя из веса подвижной части, передачи, направляющих и материалов, планируемых к обработке. Для портальных станков классической компоновки, с передачей ШВП, шагом 5 мм на оборот, для обработки дерева и пластика, скорость холостого хода до 4000 мм/мин, в предположении, что направляющие оси без преднатяга и отъюстированы так, что подвижная часть ходит по ним без какого-либо сопротивления, можно порекомендовать следующие значения:
Еще один распространенный подход заключается в анализе готовых станков на рынке, которые близки к конструируемому по размерам и характеристикам - проверенная конструкция означает, что двигатели уже подобраны оптимальным образом, и можно взять их характеристики за основу.