Шаговый двигатель
Шаговый двигатель
Шаговые электродвигатели (ШД) используются там, где нужно позиционирование повышенной точности.
Что такое шаговый двигатель? Это синхронный двигатель без щеток, имеющий несколько обмоток. Для фиксации ротора в определенной позиции ток подается в одну из обмоток статора. По поступлении тока в другую обмотку ротор меняет позицию. Это и есть «шаг».
Типы ШД и их устройство
- С переменным магнитным сопротивлением. На статичной части таких ШД есть несколько полюсов. Ротор – зубчатой формы из мягкого материала, ненамагниченный. Если, к примеру, статор 6-полюсный, а ротор из 4 зубцов, то независимых обмоток на двух противоположных статорных полюсах будет 3. Шаг мотора будет равен 30 ° .
- С постоянными магнитами в роторе. Прямолинейные полюсы параллельны оси двигателя. Поскольку магнитный поток мощнее, крутящий момент на порядок выше, чем в ШД первого типа. Шаг такого мотора – от 7,5 до 15°.Может быть от 24 до 48 шагов на оборот.
- Гибридные ШД (ГШД). Установка зубцов в направлении оси сокращает величину шага. Крутящий момент и скорость возрастают. Обычно бывает от 100 до 400 шагов за оборот при угле шага 0,9-3,6°. Наиболее распространен биполярный ШД nema. Только в гибридных ШД применяется режим микрошага. Управление обмотками независимое. Плавность вращения подвижной части повышена. Возможны 51200 шагов за оборот. Точность позиционирования оптимальна. Обеспечивается более низкая магнитная проводимость зазоров относительно удельной проводимости зубцов.
ШД по типу обмоток подразделяются на:
- Биполярные с одной обмоткой для каждой фазы. Переплюсовка драйвером изменяет направление магнитного поля.
- Униполярные. В каждой фазе одна обмотка, но из середины каждой обмотки имеется отвод. Направление поля меняется за счет переключения используемой половины обмотки. Драйвер имеет только 4 ключа.
Характеристики ШД
- Крутящий момент. Его измеряют в кг-сила-см. Чем выше показатель зависимости вращательного момента от частоты вращения, тем быстрее ШД набирает обороты после включения.
- Удерживающий момент или сила блокирования ротора статором при включенном, но не запущенном моторе. Его измеряют в унциях-на-дюйм.
- Тормозящий или стопорный момент, т.е. сила, которая удерживает ротор от вращения без подачи тока. В ГШД эта величина в 10 раз меньше величины силы удерживания ротора от вращения при полной подаче тока. Измеряется в унциях-на-дюйм.
- Номинальное напряжение, зависящее от индуктивности обмоток. Указывается в вольтах. По нему определяют оптимальное напряжение для подачи в мотор. Наилучшее напряжение превышает номинальное. Превышение силы подаваемого тока ведет к перегреву и поломке двигателя. При недостаточном напряжении он не запустится. Оптимальную силу тока определяют по формуле U = 32 x√ L. L – индуктивность обмотки, а U – искомое значение.
- Диэлектрические испытания. По максимальному напряжению, которое выдерживает обмотка в течение определенного времени, определяют сопротивление мотора перегрузкам.
- Момент инерции ротора – это скорость разгона ШД, которую измеряют в грамм-квадратных см.
- Число полных шагов за оборот. Чем оно больше, тем мощнее и быстрее мотор.
- Длина корпуса без учета вала и общая масса или вес изделия. По габаритам и массе определяют, когда нужен компактный двигатель, а когда – крупнее и мощнее.
К примеру, в ШД PL57H41 PL57 – ширина-высота (диаметр) по квадратному фланцу 57 мм, H41 – длина двигателя без вала, равная 41 мм. Диаметр двигателя влияет на все его моменты больше, чем длина.
Инкодеры, драйверы и подключение
Специальные драйверы подключают к компьютерному LTP-порту и посредством их управляют ШД. Драйвер – это практически блок управления ШД. В шаговых двигателях для ЧПУ к драйверу присоединяют 4 вывода ШД и управляющие провода с контроллера ЧПУ, и плюс и минус с блока питания. Поступая в драйвер, сигналы контроллера управляют переключением ключей силовой схемы питающего напряжения. Через эти ключи питающее напряжение идет на двигатель.
Максимальный выдаваемый на выводы для обмоток мотора ток нужного напряжения – основной критерий подбора драйвера. Идущий с драйвера ток не должен быть ниже тока, потребляемого мотором. Параметры выходного напряжения выставляются переключателями на драйвере.
В двигателе может быть от 4 до 6 проводов, и от их количества зависит порядок подключения ШД. Биполярные механизмы сочетаются только с 4-проводными двигателями.
На каждые 2 обмотки приходится 2 провода. Самые мощные 6-проводные моторы могут подключаться и к биполярным, и к униполярным устройствам, и в них на каждую обмотку приходится средний провод или центр-кран и 2 провода. В униполярных моторах на каждую обмотку приходятся 3 провода. Два из них подсоединяют к транзисторам, а центр-кран – к источнику питания.
В 5-проводных ШД центральные провода вместе с остальными входят в общий кабель. Предпочтительно найти средний провод и соединить его с другими проводниками.
Датчики, подающие сигналы программному обеспечению, называют энкодерами и часто применяют с ШД. Энкодер нужен, когда налицо нелинейная зависимость от количества шагов.
Области использования, достоинства и недостатки
Шаговые двигатели для ЧПУ широко применяются в координатных столах и системах автоматизации. Панелям управления, программирования и станкам с ЧПУ не обойтись без ШД.
ШД – достойная альтернатива серводвигателю, поскольку, в отличие от него:
- Хорошо работает при весьма разнообразных нагрузках.
- Имеет постоянный угол поворота и стандартизированные габариты.
- Имеет низкую стоимость.
- Прост в монтаже и эксплуатации, долговечен и надежен.
- Пропуская шаги, не сгорает при крайне высоких оборотах.
Тем не менее, ШД уступает серводвигателю в том, что:
- У него мал КПД и велико энергопотребление.
- Увеличение частоты оборотов резко снижает крутящий момент.
- Мощность слишком мала для таких габаритов и веса.
- Велик нагрев двигателя при работе.
- Мотор слишком шумит на высокой и средней частотах.
Шаговый двигателя как моторчик
Шаговый двигатель — это электромеханичское устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Так, пожалуй, можно дать строгое определение. Наверное, каждый видел, как выглядит шаговый двигатель внешне: он практически ничем не отличается от двигателей других типов. Чаще всего это круглый корпус, вал, несколько выводов (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид шаговых двигателей семейства ДШИ-200.
Однако шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает порой их исключительно удобными для применения или даже незаменимыми.
Чем же хорош шаговый двигатель?
- угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель
- двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны)
- прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу
- возможность быстрого старта/остановки/реверсирования
- высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников
- однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи
- возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора
- может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов
Но не все так хорошо.
- шаговым двигателем присуще явление резонанса
- возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи
- потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки
- затруднена работа на высоких скоростях
- невысокая удельная мощность
- относительно сложная схема управления
Шаговые двигатели относятся к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Как и любые бесколлекторные двигатели, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в критичных, например, индустриальных применениях. По сравнению с обычными двигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют значительно более сложных схем управления, которые должны выполнять все коммутации обмоток при работе двигателя. Кроме того, сам шаговый двигатель — дорогостоящее устройство, поэтому там, где точное позиционирование не требуется, обычные коллекторные двигатели имеют заметное преимущество. Справедливости ради следует отметить, что в последнее время для управления коллекторными двигателями все чаще применяют контроллеры, которые по сложности практически не уступают контроллерам шаговых двигателей.
Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, так как такие датчики могут стоить намного больше самого двигателя. Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация о положении ротора теряется и система требует базирования с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика. Системы с обратной связью не имеют подобного недостатка.
При проектировании конкретных систем приходится делать выбор между сервомотором и шаговым двигателем. Когда требуется прецизионное позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый двигатель является наиболее экономичным решением. Как и для обычных двигателей, для повышения момента может быть использован понижающий редуктор. Однако для шаговых двигателей редуктор не всегда подходит. В отличие от коллекторных двигателей, у котрых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигатель имеет больший момент на низких скоростях. К тому же, шаговые двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными двигателями, что ограничивает максимальное передаточное число и, соответственно, увеличение момента с помощью редуктора. Готовые шаговые двигатели с редукторами хотя и существуют, однако являются экзотикой. Еще одним фактом, ограничивающим применение редуктора, является присущий ему люфт.
Мотор шаговый Nema 17 OK42STH33-0956A 1.8° 0.95A
Описание товара
Мотор шаговый гибридный NEMA 17
- Модель OK42STH33-0956A
- Угол шага 1.8°
- Погрешность шага: ± 5% (полный шаг, без нагрузки)
- Tок обмоток: 0.95 А
- Сопротивление фазы: 4.2 Ом ± 10%
- Индуктивность фазы: 2.5 мГн ± 20%
- Удерживающий момент * : 1.6 кг/см
- Максимальная радиальная сила на вал: 28 Н
- Максимальная осевая сила на вал: 10 Н
- Сопротивление изоляции: 100 МОм / 1 мин., 500 В постоянного напряжения
- Диэлектрическая прочность: 500 В переменного напряжения / 1 мин.
- Выводов: 6 (четырехфазный, униполярный, четыре обмотки)
- Диаметр вала: 5 мм
- Вылет вала: 22 мм / 14 мм
- Размеры ДхШхВ: 42.0 х 42.0 х 33 мм
- Вес: 220 гр
- Рабочая температура: -20°С. +50°С
- Максимальный нагрев мотора: 80°С (номинальный ток, подключены 2 фазы)
Шаговый мотор подключение
Подключение шагового мотора осуществляется не напрямую к постоянным напряжению и току, как можно было бы подумать, а к специальному контроллеру, обычно называемому «драйвером шагового двигателя». В зависимости от технических возможностей и характеристик двигателя, из его корпуса могут быть выведены 4, 5, 6 или 8 проводов для соединения с контроллером.
Биполярный шаговый мотор
Шаговый двигатель с четырьмя проводами имеет две независимые электрические катушки и называется «биполярным». Определение того, какой вывод к какой катушке относиться, процесс не сложный. Достаточно воспользоваться простым бытовым электроизмерительным тестером (мультиметром) для «прозвонки» проводов.
Униполярный шаговый мотор
Моторы с шестью проводами в своей конструкции имеют по две полноценные независимые обмотки, каждая из которых разделена пополам в её средней точке. Простыми словами, такая обмотка представляет из себя две катушки с одним соединённым общим выводом. Чаще всего, шестивыводные моторы подключаются к драйверам по биполярной схеме, используя по паре проводов для каждой обмотки. Определение выводов обмоток не должно вызвать затруднений. С помощью тестера, все выводы делятся на две группы по три провода, замкнутых между собой. Общий вывод для каждой группы вычисляется замером сопротивления двух проводов из каждой группы.
Встречаются двигатели и с пятью проводами. В таких моторах две независимые катушки разделены пополам общими выводами (как в шестипроводных). Оба общих вывода совмещены в один.
Восьмипроводные шаговые моторы обладают четырьмя независимыми обмотками, по два вывода на каждую. В зависимости от типа подключения выводов, предоставляется возможность регулировать мотор по механическим показателям. Последовательная или параллельная схемы подключения позволяют увеличивать/снижать значения максимальной скорости или вращательного момента.
Контроллер шагового двигателя
Контроллер способен управлять электрическими обмотками двигателя, вращая ротор и вал мотора в разных направлениях. Принцип работы контроллера незамысловат — он п осылает на катушки двигателя импульсы постоянного тока, генерируемые с нужной частотой и продолжительностью. На статоре двигателя, в определённом положении создаётся магнитное поле, с усилием притягивающее постоянный внутренний магнит ротора мотора. Изменяя значения тока на обмотках, драйвер перемещает ось вала на заданный угол с последующим удержанием её в новом положении. Каждый минимально возможный поворот ротора с последующим его удержанием называется «шагом» двигателя. Вдобавок, контроллер «умеет» поворачивать и фиксировать вал на угол, значительно меньшим от основного. Такая возможность называется «дроблением шага».
Удерживающим моментом называют момент, который необходимо приложить к валу двигателя для его «проворачивания» в режиме удержания при подключенном номинальном токе фазы. Простыми словами, если мотор имеет значение удерживающего момента 10 кг/см, и к валу двигателя прикреплён рычаг 1 см (1 кг с рычагом 10 см или 0.1 кг с рычагом 100 см), то, при увеличении нагрузки на рычаг, вал двигателя провернётся. В случае превышения номинального тока двигатель начнёт греться. При снижении тока от номинала, снизится и сила сопротивления проворачиванию вала, и мотор начнёт пропускать шаги.
Возможности второго вала
В большинстве случаев второй, более короткий вал мотора, используется для установки на него различных электромеханических приспособлений, контролирующих работу самого мотора. На второй вал могут быть установлены разнообразные «энкодеры», самостоятельно создающие собственные электрические импульсы для подсчёта оборотов двигателя. Или так называемые «электрические блокираторы вала шагового мотора», способные почти моментально остановить вращение вала при больших нагрузках, а также помочь мотору удерживать вал от возможных проворотов.
Шаговые электродвигатели. Виды и работа. Особенности
Шаговые электродвигатели легко решают проблему точного позиционирования, не затратив больших средств. Моторы чаще применяются в роботах, станках с программным управлением. Рассмотрим устройство и действие двигателей.
Устройство
Шаговые электродвигатели являются двигателями переводящими электричество в механическое движение. Главным отличием его от других электромоторов в методе действия. Благодаря этому методу вал вращается. Моторы с шагом созданы для прерывистого вращения, этим они отличаются от других. Их вращение состоит из шагов, от этого получилось название.
Шаг является частью оборота вала мотора . Размер шага зависит от механической части двигателя и от метода управления. Шаговые двигатели подключаются к различным типам питания. В отличие от своих собратьев, шаговый мотор имеет управление импульсами, преобразующимися в градусы, а затем во вращение. Например, 2,2 0 шаговый мотор вращает вал на 2,2 0 при каждом поданном импульсе. Эта характеристика дает повод называть их цифровыми.
Метод действия
Обмотки в количестве 4-х штук стоят по кругу равномерно между собой на статоре. В зависимости от того, как подключены эти обмотки будет определяться тип шагового двигателя. В нашем случае обмотки разделены, мотор с шагом, углом поворота в 90 градусов. Обмотки подключены по кругу. Порядок подключения направление вращения двигателя с шагом. На рисунке видно, что вал вращается на 90 градусов в то время, как ток поступит в катушку, через 1 секунду.Стандартными составляющими шаговых двигателей являются ротор и статор. Ротор включает в себя сердечники, изготовленные из магнитов. Схематически дано изображение.
Режимы управления
При разной подаче тока на катушки вал двигателя вращается по-разному.
Волновое управление
Метод практически нами рассмотрен, волновое действие на катушку. Ток идет через одну катушку. Такой метод редко применяется, характерен пониженным потреблением энергии, дает возможность получения меньше 50% момента вращения двигателя. Большую нагрузку при таком управлении шаговые электродвигатели не выдержат. На один оборот вала приходится четыре шага.
Управление полным шагом
Широко применяемый метод — полношаговый. По этому способу напряжение питания на катушки подается попарно. От того, как подключены обмотки, двигателю необходим двойной ток. Электродвигатель при такой схеме выдаст 100% момента вращения по номиналу.
Полный оборот двигателя соответствует четырем шагам, число шагов по номинальному значению.
Режим полушага
Это оригинальный метод получения двойной точности позиционирования, не изменяя конструкцию двигателя. Чтобы работать по этому способу, подключают одновременно все имеющиеся пары. Ротор поворачивается на 0,5 шага. Такой способ имеет место при применении двух или одной катушки.
Режим с 1 обмоткой Режим с 2 обмотками
По этому способу один и тот же мотор может выдать шагов в 2 раза больше на один оборот. Это значит, что система позиционирования работает с двойной точностью. Наш мотор выдает восемь шагов на один оборот.
Микрошаговый режим
Смысл микрошага заключается в подаче на катушки двигателя напряжения питания сигнала определенной формы, похожей на синус, а не импульсов. При таком методе изменения положения дает возможность получения плавного перемещения.
Благодаря микрошаговому режиму шаговые электродвигатели широко применяются в позиционировании, в программно управляемых станках. Рывки деталей, работающих с двигателем, толчки самого механизма понижаются. В микрошаговом режиме двигатель вращается плавно, как моторы постоянного тока.
Конфигурация графика тока, проходящего по обмотке, сходна с синусоидой. В эксплуатации применяются цифровые сигналы. Их примеры показаны на рисунках.
Способ микрошага — подключение питания двигателя, не управления катушками.
Отсюда следует, что микрошаг применяется при волновом типе.
В микрошаговом типе шаги не увеличиваются, хотя визуально это представляется. Для увеличения точности механизма применяют шестерни с трапецеидальными зубьями, чтобы обеспечить плавный ход.
Типы моторов
Шаговые электродвигатели с постоянным магнитом
Ротор оборудован постоянным дисковым магнитом с несколькими полюсами. Действует по такому же принципу, как микрошаговый мотор. Катушки статора отталкивают и притягивают магнит, расположенный на роторе, образуя момент вращения.
Размер шага с постоянным магнитом находится в интервале от 45 до 90 градусов.
Шаговые электродвигатели с сопротивлением переменной величины
Ротор не имеет постоянных магнитов. Вместо них сердечник ротора производится из металла, похожего на диск с зубьями, или на шестерню. На статоре расположены обмотки в количестве более 4-х штук. Катушки подключаются в парах друг к другу.
Крутящий момент уменьшается, так как постоянные магниты отсутствуют. Однако, имеется положительная сторона — у шаговых моторов отсутствует момент стопорения. Стопорящий момент вращения создан постоянными магнитами, притягивающимися к корпусу статора при отключенном питании в катушках.
Можно просто определить, какой момент, если попробовать повернуть отсоединенный мотор. Сразу будут понятны ощутимые щелчки в двигателе при каждом шаге. Эти ощущения и будут являться моментом фиксации. Момент притягивает к себе магниты корпуса. На рисунке изображено действие мотора.
Шаг равен интервалу от 5 до 15 градусов.
Шаговый мотор гибридного типа
Шаговые электродвигатели называются «гибридными», потому что включают в себя разные типы характеристик. Они имеют хорошие моменты, малый размер шага, находящийся в интервале от 0,9 до 5 градусов. При этом он обеспечивает высокую точность.
Механическая конструкция вращается со значительными скоростями. Такие виды моторов применяются в станках с программным управлением, в роботах. Недостатком является высокая цена. Обыкновенный двигатель вместе с восьмью катушками.
Из-за невозможности изготовления магнита, нашли оригинальное решение. Взяли два диска с зубьями 50 штук, постоянный магнит. Приварили диски к полюсам. Получилось, что два диска имеют соответственно каждый полюс.
Оригинальность конструкции в том, что диски размещены так, что, смотря на них сверху, они похожи на один диск со 100 зубьями. Вершина зуба на одном диске совпадает со впадиной. На рисунке изображено действие гибридного мотора 75 шагов на один оборот. Шесть обмоток сделаны парами, которые имеют катушку на противоположных краях. Первая пара – это пара вверху и внизу обмотки, тогда 2-я пара смещена на угол 60+5 градусов от первой, а 3-я смещена на 65 градусов от второй.
Разница углов позволяет вращаться валу двигателя. Управляющие режимы применяются, как волновые для экономии электроэнергии.
Когда катушка задействована, имеется три положительных полюса в 5 градусов сзади, они притягиваются в сторону вращения, и три отрицательных полюса в 5 градусов впереди, толкают ротор в сторону вращения вала. Рабочая обмотка всегда расположена между отрицательным и положительным полюсами.
Схема подключения обмоток
Шаговые моторы принадлежат к моторам с несколькими фазами. Чем больше фаз, тем работа двигателя мягче, но и выше стоимость. Момент вращения не зависит от числа фаз. Большое применение получили двигатели с 2-мя фазами. Двигатели подключают тремя типами схем для 2-фазных шаговых моторов. Катушки соединены друг с другом, применено разное количество проводов для соединения двигателя с контроллером.
Биполярный двигатель
Это самая простая конструкция, применяется четыре провода для соединения мотора с контроллером. Катушки подключены параллельно или последовательно.
Параллельное или последовательное подключение
Двигатель имеет 4 контакта. Два желтых экрана подключают вертикальную катушку, два розовых – горизонтальную. Проблема в изменении полярности, можно изменить направление тока, драйвер станет сложнее.
Униполярный двигатель
Применяя общий провод, изменяют полюса магнитов. Если соединить общий провод с землей, один и другой вывод катушки к питанию, то полюса изменятся. Схема соединения двигателя биполярного типа простая для понимания, она обычно состоит из 2-х транзисторов на одну фазу.
Подключение с общим проводом
Недостаток – применение половины катушек, как при волновой управляемости электромотором. Момент вращения получается равным половине возможного значения. Униполярные электромоторы необходимо изготавливать по двойным размерам, для обеспечения сопоставимого момента. 1-полярный электромотор имеет возможность применяться в качестве биполярного мотора. Для этой цели необходимо провод отключить.
Униполярные шаговые электродвигатели имеют несколько вариантов подключения.
Общий провод соединен внутри
Шаговый мотор с 8-ю выводами
Это мотор с гибким подключением, обмотки оснащены выводами с обеих сторон. Можно подключать двигатель по любому методу:
- Униполярный с 5 или 6 выводами.
- Биполярный с последовательной схемой.
- С параллельной схемой.
- С малым током.
Подключение 4 обмоток
Шаговые электродвигатели Лавета
Моторы Лавета используются в электрических часах. Их конструкция сделана для эксплуатации с одним фазовым сигналом. Моторы Лавета обладают возможностью делать их конструкцию миниатюрной, применяются для исполнительной части часов ручного ношения. Этот тип моторов изобрел инженер Мариус Лавет . По его имени назвали тип шаговых двигателей.
Лавет – выпускник школы электрики изобрел двигатель, который дал ему известность во всем мире. Вид статора похож на статор электромотора с расщепленными полюсами. Имеется одна обмотка, полюса созданы витками с одним проводом из медной жилы толстого сечения, расположены на магнитном проводе, образуют необходимую фазу. Токи индукции образуют необходимый момент вращения.
Магнитное поле распространяется с задержкой, применяется для сдвига фаз, на прямой угол 90 градусов, чтобы имитировать напряжение из двух фаз. Конструкция ротора создана в виде постоянного магнита. Конструкции такого типа имеют широкую сферу применения в технике для быта (миксерах, блендерах). Моторы Лавета отличаются тем, что из-за зубцов вал стопорится с определенным шагом. Результатом этого возможно движение стрелки секунд. Разновидность двигателя Лавета не предназначена для реверсивной работы, как и большинство шаговых моторов.
