Характеристики биполярного шагового двигателя

Биполярные и униполярные шаговые двигатели

Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовывается драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода (рис. а).

Технические характеристики шаговых двигателей (крутящий момент, номинальный ток, габаритные и присоединительные размеры) приведены здесь. цены на биполярные и униполярные шаговые двигатели опубликованя в разделе «Price».

Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов (рис. б) . Иногда униполярные двигатели имеют раздельные 4 обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8 (рис. в). При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярный двигатель с двумя обмоткими и отводами тоже можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными. В любом случае ток обмоток следует выбирать так, чтобы не превысить максимальной рассеиваемой мощности.

Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность. При одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент.

Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путь для повышения магнитного поля – это увеличение тока или числа витков обмоток. Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника. Однако на практике это ограничение действует редко. Гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя вследствии омических потерь в обмотках. Как раз этот факт и демонстрирует одно из преимуществ биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток. Другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки, т.е. их использование оптимально. В таком двигателе сечение отдельных обмоток вдвое больше, а омическое сопротивление – соответственно вдвое меньше. Это позволяет увеличить ток в корень из двух раз при тех же потерях, что дает выигрыш в моменте примерно 40%. Если же повышенного момента не требуется, униполярный двигатель позволяет уменьшить габариты или просто работать с меньшими потерями. На практике все же часто применяют униполярные двигатели, так как они требуют значительно более простых схем управления обмотками.

Подписка

Подпишись на наши новости

Получайте первыми актуальную информацию ООО «Электропривод»

Характеристики биполярного шагового двигателя

Типичная система шагового двигателя состоит из двигателя и приводного устройства, которое включает в себя блок управления, ступень мощности и источник питания. Блок управления управляет каждой фазой двигателя для получения правильного тока в нужный момент, а ступень мощности подает ток от источника напряжения. Двигатель управляется импульсами возбуждения, а направление сигнала — от индексатора или программируемой системы управления. Они генерируют ряд импульсов, где частота определяет частоту вращения двигателя и количество импульсов положения двигателя.

Шаговый двигатель преобразует цифровые импульсы в последовательный поворот вала двигателя. Количество инкрементных шагов пропорционально генерируемым импульсам, а число оборотов — это функция частоты входных импульсов.

Эти импульсы генерируются просто микропроцессором, логическими схемами или даже реле. Приводная электроника действует как коллектор, где каждый импульс преобразуется в последовательный ток в отдельные обмотки двигателя. Обычно один импульс вращает ротор на один шаг.

Обычно простая модель состоит из ротора, который образует постоянный магнит. Магнит имеет северный полюс (N) и южный полюс (S) и вращается в 4-полюсном статоре. Обмотка медной проволоки расположена вокруг каждого полюса статора. Предположим, что N1 и S1 намагничены. Ротор вращается на 90 градусов, чтобы достичь положения 1b. После последовательного намагничивания полюсов статора ротор достигает положений 1c и 1d. Эти режимы являются дискретными и стабильными, и двигатель будет иметь пошаговое вращение.

Магнитное поле генерируется ступенчатой подачей каждой пары полюсов. Движение шагового ротора прерывисто на низких скоростях, ротор движется между устойчивыми положениями под определенным углом — мы говорим о движении по ступеням. Количество шагов (стабильные положения простоя) определяется числом пар полюсов, а также может влиять на то, как вы им управляете. Управляющая электроника — контроллер шагового двигателя — всегда должна приводиться в движение этим двигателем. Механический контакт минимальный, следовательно истирание не происходит в шаговых двигателях, кроме подшипников. Поэтому они характеризуются большой механической прочностью, долговечностью и практически без обслуживания. Недостатком шаговых двигателей является так называемая ступенчатая потеря, которая возникает при превышении предельной нагрузки и тенденции к механической облитерации, она может привести к нестабильности в движении. Обе эти отрицательные характеристики могут быть исключены путем выбора подходящего двигателя и контроллера с учетом характеристик крутящего момента привода.

Контроллер шагового двигателя

Контроллер шагового двигателя представляет собой специальную электронную схему, которая генерирует импульсы в определенной последовательности и длине. Эти импульсы, последовательно через силовую секцию, вращают отдельные витки ротора в точном порядке. Частота, порядок и длительность импульсов от цепи управления контролируют число, скорость вращения ротора и крутящий момент машины.

Читать еще:  Двигатель hr15de технические характеристики

Параметры двигателя

Этап — реакция шагового ротора на управляющий импульс. Ротор перемещается из начального положения (состояние холостого хода) в следующее положение магнитного покоя за один шаг.

Угол поворота

Угол наклона представляет собой номинальный угол, который соответствует изменению положения ротора после прибытия одного импульса. На воздействие конструкции двигателя, то есть на количество фаз статора, количество полюсов ротора и управление шаговым двигателем, влияет угол шага. Отношение, действующее для размера шага: где m — количество фаз статора, а N — число зубьев ротора.

Ближайшие зубцы ротора притягиваются к полюсу статора. Если ток до первой пары полюсов прерывается, а другая пара полюсов намагничена, ротор вращается на один шаг. Чтобы повернуть двигатель, последовательность импульсов направляется к парам ротора в противоположном направлении. Двигатель VR может достигать высокой скорости, но с относительно низким крутящим моментом.

В 1970-е годы немецкий Berger Lahr получил патент на 5-фазный шаговый двигатель, который был намного лучше всех существующих двухфазных систем. Двигатель был сильнее, не имел резонансных проблем и имел угол тангажа всего 0,72 (примечание 500 шагов и 5 мм шаг болта позволило получить разрешение 0,01 мм). 1992 год патент истек. Berger Lahr, Oriental Motors и Sanyo Denkioriental Motors, Sanyo Denki все еще выпускают крупногабаритные 5-фазные двигатели. Благодаря лучшей электронике привода сегодняшние двухфазные шаговые двигатели имеют почти одинаковые результаты, но по гораздо более низкой цене. Купить сервопривод можно через интернет. Купить серводвигатель несложно, достаточно выбрать подходящую модель и сделать заказ.

Тем не менее существует ряд приложений для измерительных приборов или медицинских технологий, где требуется мягкая работа 5-фазного двигателя почти без резонанса. Недостатком является то, что, необходимо дополнение для заключительной стадии, и это делает общее решение дорогостоящим.

Преимущества шагового двигателя:

• Полностью цифровой двигатель.

• Легко управляемый из всех систем

• Простые и дешевые

• Отсутствие угловой ошибки, которая будет накапливаться

• Он полностью отличается на минимальной скорости

• Очень высокий крутящий момент

• Крутящий момент при нулевых оборотах точный

• Он не может быть механически перегружен

• Отсутствие обратной связи

• Вращается в обоих направлениях

• Совместимость с различными производителями.

Недостатки шагового двигателя

• Чрезвычайно чувствительный при перегрузке

• Отсутствует резервная информация о фактической позиции

• Не отличается при разных нагрузках

• При перегрузке потеряет позицию без предупреждения

• Макс. вращение редко более 1500 об / мин

• Не может дать дополнительный стартовый момент

• Удерживает крутящий момент при нарастающей скорости

Биполярный шаговый двигатель типоразмер 110 мм

Шаговый двигатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками электрический двигатель, в котором подача электрического тока на одну из обмоток приводит к тому, что его ротор фиксируется в строго определённом положении. Последовательное подключение обмоток приводит к вращательному движению на заданный угол. Благодаря этому, угол поворота ротора зависит от количества последовательных переключений обмоток, а скорость вращения ротора равна частоте переключения обмоток умноженной на угол поворота ротора за одно переключение.

Наибольшее распространение получили двухфазные(биполярные) шаговые электродвигатели с угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или 0,9°/шаг (400 шаг/об). Производитель гарантирует точность шага без нагрузки до 5 % от величины шага. Шаговые двигатели, в зависимости от конструкции и режима управления могут выполненять от доли оборота в секунду до нескольких тысяч оборотов в секунду.

Преимущества и недостатки шагового двигателя:

Преимущества:

  • Главное преимущество шаговых приводов — точность. При подаче тока в обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Ошибка позиционирования в пределах 3 — 5% шага и эта ошибка не накапливается от шага к шагу.
  • Зависимость оборотов двигателя от дискретных импульсов позволяет управлять двигателем без обратной связи.
  • 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.

Недостатки:

  • 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.
  • 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.

Основные характеристики

  • Погрешность шага — 5% (полный шаг, без нагрузки)
  • Погрешность сопротивления ±10%
  • Погрешность индуктивности ±20%
  • Максимальная температура 80º С max (номинальный ток, 2 фазы)
  • Рабочий диапазон температур от -20º С до +50ºС
  • Сопротивление изоляции 100МΩ Min., 500VDC
  • Диэлектрическая стойкость 500VAC в одну минуту
  • Радиальное биение вала 0,02 мм (при нагрузке 450 г)
  • Осевое биение вала 0,08 мм (при нагрузке 450 г)
Модель Шаг
(угол поворота), °
Напряжение, V Ток/
фаза, А
Сопротивление
фаза, Ω
Индуктивности
фаза, mH
Момент
удержания,
кг.см
Кол-во
выходов
Масса, кг Цена за шт.
с НДС, грн*
110J18165-460 1,8 6,0 0,80 14 240 4 9,5 6684.46
Читать еще:  Двигатель sa6d170e технические характеристики
Модель Шаг
(угол поворота), °
Напряжение, V Ток/
фаза, А
Сопротивление
фаза, Ω
Индуктивности
фаза, mH
Момент
удержания,
кг.см
Кол-во
выходов
Масса, кг Цена за шт.
с НДС, грн*
SM110HT150-6504A 1,8 3,9 6,5 0,8 15 210 4 8,4
SM110HT201-8004A 1,8 4,0 8 0,67 12 280 4 11,7 10475.50
CW110BHH154-650A-55 1,8 5,5 6,5 0,85 16 210 4 8,5

* — указанные цены не являются публичной офертой, носят исключительно информационный характер и могут отличаться от действительных цен.

Характеристики биполярного шагового двигателя

Комплексные поставки комплектующих для ЧПУ и автоматизации

Расчёт проекта

Консультация

Устройство шагового двигателя и его управление

Устройство шагового двигателя и управление им
Шаговый двигатель (ШД)- это бесколлекторный синхронный электромотор, оснащённый несколькими обмотками. Подача напряжения на одну из обмоток статора вызывает остановку ротора. При последовательной активации обмоток ротор начинает дискретно поворачиваться. То есть, ротор совершает отдельные угловые перемещения – шаги. Отсюда и название этого типа электродвигателей.

Управление шаговым двигателем гораздо более сложное, нежели стандартным коллекторным аналогом. Сложность определяется необходимостью переключения в строгой последовательности напряжения в обмотках. При этом нужно ещё контролировать и силу тока. Обычно ШД управляются с помощью устройств, называемых драйверами.

Типы шаговых двигателей
Конфигурация обмоток определяет деление ШД на биполярные и униполярные.

У биполярного двигателя одна обмотка на каждую фазу. Всего их в биполярном двигателе две. Выводов, соответственно, четыре. Для изменения направления силовых линий магнитного поля драйвер переполюсовывает обмотку.

Типы шаговых двигателей

Конфигурация обмоток определяет деление ШД на биполярные и униполярные.

У биполярного двигателя одна обмотка на каждую фазу. Всего их в биполярном двигателе две. Выводов, соответственно, четыре. Для изменения направления силовых линий магнитного поля драйвер переполюсовывает обмотку.

Аналогично описанному устройству на каждую фазу униполярного двигателя также приходится одна обмотка. Отличием является отвод из середины обмотки. Это решение позволяет изменять направление силовых линий магнитного поля, просто переключая части обмотки. Выводы из срединной части обмоток иногда объединяются внутри корпуса мотора, поэтому выводов может насчитываться и пять, и шесть.

В ряде случаев униполярные двигатели оснащаются четырьмя раздельными обмотками. Из-за этого неопытные пользователи часто неправильно называют эти моторы 4-х фазными. От каждой обмотки идут свои выводы, и поэтому общее их количество равняется восьми. Такой ШД при соответствующей схеме соединения обмоток может стать как биполярным, так и униполярным. Нижеприведённые иллюстрации наглядно демонстрируют этот момент. На рис. а) изображена схема биполярного ШД, на рис. б) – схема униполярного, на рис. в) четырёхобмоточного.

Эксплуатационные свойства ШД

Шаговые двигатели как компоненты, используемые в автоматизации станков, обладают рядом важных эксплуатационных свойств, к которым относятся следующие.

1. Дискретность перемещений.
Это главное свойство, определяющее все остальные параметры шагового двигателя. Львиная доля шаговых двигателей выполняет 200 или 400 шагов за один оборот ротора. Однако благодаря возможности промежуточной фиксации ротора можно добиваться увеличенного количества шагов до 800 и более. В сверхточных моделях число дискретных перемещений может достигать 10 тысяч шагов за оборот.

2. Ограничения в точности установки ротора.
Погрешность установки ротора в большинстве выпускаемых сегодня ШД составляет 5% от размера шага. Таким образом, при шаге в 1.8° неточность установки будет равняться примерно 5.4´. На практике, при дроблении шага, например, 1 к 10, шаг будет равен погрешности установки, причём, увеличение количества делений не приведёт к повышению точности перемещения. Единственное, в чём это может оказаться эффективным, – в обеспечении плавности перемещения ротора.

3. Соотношение крутящего момента и скорости вращения ротора.
С большой степенью приближения можно говорить о том, что значение произведения момента и скорости вращения вала шагового двигателя является постоянным. При возрастании скорости вращения ротора величина крутящего момента уменьшается пропорционально.

Достоинства шаговых электродвигателей

В число основных достоинств, определяющих широкое применение этого типа электрических двигателей, входят следующие.

1. Зависимость угла поворота ротора от количества импульсов, поданных на обмотку двигателя.

2. Обеспечение полного момента при остановке двигателя (при подаче питания на обмотки).

3. Повторяемость. Точность шаговых двигателей составляет от 3 до 5% величины шага, причём, ошибка от шага к шагу не накапливается.

4. Быстрый старт, мгновенная остановка, минимальное время переключения на реверс.

5. Надёжность, обусловленная отсутствием щёток. В общем случае длительность срока исправной службы двигателя зависит только от надёжности подшипников.

6. Жёсткая зависимость положения ротора от входного сигнала позволяет позиционировать ротор, не прибегая к использованию обратной связи.

7. Возможность вращения полезной нагрузки, присоединенной напрямую к валу электромотора без редуктора, с предельно малой скоростью.

8. Широкий интервал скоростей.

9. Более доступная цена в сравнении с сервоприводами.

Недостатки шаговых электродвигателей

Однако при всех положительных моментах существует и ряд недостатков, присущих шаговым электрическим моторам. Их краткий перечень:

  • возникновение резонансных явлений при функционировании;
  • вероятность пропуска шагов, что из-за отсутствия обратной связи приводит к невозможности контроля положения ротора;
  • снижение момента и потеря стабильности при высокой скорости;
  • малое значение удельной мощности.

Организация управления шаговым двигателем

Наиболее простым вариантом является следующий.

В составе двигателя 4 электромагнитные катушки A, B, C и D. Если подавать на них напряжение, то они превращаются в магниты. При этом катушки А и В активны при протекании тока в прямом направлении, а C и D — в обратном. Предположим, что полезной нагрузкой для данного двигателя является зубчатое колесо, зубчики которого притягиваются к катушкам при подаче на них напряжения.

Читать еще:  Где указатель температуры двигателя фольксваген

Таким образом, при последовательном включении тока в катушках колесо начнёт вращаться. Для обеспечения плавности движения в общем случае можно увеличить либо число зубчиков, либо количество катушек. Принцип управления мотором при этом останется неизменным. Изменяться будут лишь усилие и угол поворота за один цикл включения-отключения питания. В обычных условиях применяется такая конфигурация, когда располагают по четыре катушки вдоль траектории вращения, и на каждую группу катушек приходится по зубчику. Система выглядит как шестерня, окружённая катушками.

Для простоты понимания принципа управления рассмотрим упрощённую модель – 4 катушки и 1 зубчик (стрелка на колесе). Предположим, что перед включением двигателя зубчик находился возле катушки D.

1. Самое очевидное решение для запуска вращения – подать питание на катушку А. Колесо провернётся, и стрелка замрёт возле этой катушки. Отключаем А и подаём питание на В. Стрелка движется к В и встаёт рядом с этой катушкой. Отключаем В, и подключаем C. Стрелка останавливается около неё. Отключаем C, включаем D – стрелка останавливается на D. Отключаем D, включаем A, и процесс повторяется.

За каждый цикл включения-отключения питания колесо поворачивается на угол в 90°. Следовательно, на полный круг потребуется четыре цикла, что обуславливает довольно высокую угловую скорость. Если масса колеса будет высокой, то скоростной поворот вызовет возникновение значительной инерции. Инерционное ускорение может снизить точность поворота колеса, так как разогнавшееся колесо не сможет остановиться мгновенно. Всё это может привести к потере контроля вращения, а при самом неблагоприятном сценарии к отрыву колеса и разрушению системы.

Достоинством данного принципа управления является сравнительная простота реализации.

2. Не таким очевидным, но достаточно эффективным является следующее решение. Подаём питание на катушки А и D. Колесо проворачивается, и стрелка фиксируется между А и D. Отключаем D, подключаем В. Стрелка замирает между катушками А и В. Отключаем А, подключаем C. Стрелка встаёт между В и C. Отключаем В, подключаем D. Стрелка между C и D. Отключаем C, подключаем А. Стрелка фиксируется между D и А. Далее процесс повторяется. За один цикл включения-отключения те же 90°, полный круг за те же четыре цикла. Кажется, что всё то же самое? Однако отличием является увеличенный крутящий момент, поскольку «в силе» оказывается одновременно две катушки. Следовательно, пороговое значение скорости, при которой инерция становится неуправляемой, повышается, что выгодно отличает этот принцип от первого.

3. Дробление шага. Допустим, что реализована схема не только включения и отключения катушек, а и подачи на них промежуточных значений напряжения питания – 0, 25, 50, 75, 100%. При этом схема подаёт питание в такой последовательности (для пары A и C):

C100%, А 0% – C 75%, А 25% – C 50%, А 50% – C 25%, А 75% – C 0% и А 100%.

По тому же правилу напряжение питания подаётся на пары катушек А-В, В-D, D-Cи C-В.

Дробление шага позволяет снизить уровень шума и избавиться от дребезжания. Кроме того, обеспечивается плавность движения. Инерция пренебрежимо мала, и управление не теряется. Недостатком является сложность реализации.

4. Подача напряжения аналоговым способом. Концептуально принцип напоминает дробление шага на бесконечное количество положений. Напряжение, подаваемое на катушку C, плавно снижаем со 100% до 0. Для катушки А напряжение, напротив, плавно увеличиваем с 0% до 100. Точно так же поступаем с парами А-В, В-C, C-Dи D-В. Обеспечивается плавное вращение, надёжный контроль, отличный крутящий момент. Главный недостаток – отсутствие точности, присущее аналоговым схемам.

5. Этот принцип обеспечивает более высокий крутящий момент. Реализуется он следующим образом. Подключается D и А: стрелка между D и А. Выключаем D: стрелка у А. Включаем В: стрелка между А и В. Выключаем А: стрелка у В. Включаем: стрелка между C и В. Выключаем В: стрелка у C. Включаем D: стрелка между D и C. Отключаем C – стрелка находится у D. Подключаем А – стрелка перемещается в точку между D и А. Процесс повторяется. Отличается от вышеописанного способа дробления шага (п.3) более высоким крутящим моментом.

Принципы 1, 2, 3 и 5 являются типовыми и применяются очень часто. Для них разработаны даже свои обозначения. Если принять положение «рядом с катушкой» за 1, а положение «между катушками» за 2, то обозначения будут следующими.

1 – «1 phase» (полношаговый). Стрелка фиксируется лишь на фазе «1». Данный метод используется редко, поскольку при нём обеспечивается недостаточный крутящий момент.

2 – «2 phase» (полношаговый). Стрелка фиксируется лишь на фазе «2».

3 – так как число фаз зависит от частоты дробления шага, то обозначений существует несколько. Например, «4: 2W1-2 phase» (2×2=4) обозначает, что переход из положения «перед катушкой» в «перед следующей катушкой» выполняется за 4 шага. А обозначение «8: 4W1-2 phase» (4×2=8) расшифровывается так же, только количество шагов равняется 8. Иначе такой механизм называется микрошаговым.

5 – «1-2 phase» (полушаговый). Стрелка фиксируется на обеих фазах – на «1» и «2».

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector