Шаг двигателя что это

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 (также называемые шаговые двигатели) представляют собой электронные двигатели, которые предлагают точный контроль вращения. Шаговые двигатели отличаются высокой точностью (в среднем шаговый двигатель может превратиться в 0,9 до 1,8 градусов в каждую сторону) и в относительно высокой скорости вращения.

Шаговые двигатели могут быть найдены в различных типах аппаратных компонентов: принтеры (головка принтера перемещается влево и вправо с помощью шагового двигателя), сканеры, компьютерные жесткие диски, и так далее.

Демонстрация шагового двигателя

В этом видео вы можете увидеть короткая демонстрация возможностей движение шаговым двигателем. Обратите внимание на точную регулировку скорости и направления — это достигается за счет способности двигатели для перемещения в очень малых шагов.

Характеристики и преимущества шаговых двигателей

Есть несколько характеристик шаговых двигателей, которые сделали их привода выбора в большом числе приложений:

  1. Устройство может работать как в открытом цикле с точностью позиционирования + -1 шаг. Таким образом, чтобы вращаться в определенном угловом расстоянии, двигатель может быть приказано повернуть определенное количество шагов и механический элемент связан с валом будет двигаться требуемое расстояние.
  2. Шаговые двигатели обладают высокой крутящий момент на малых угловых скоростей. Это полезно для ускорения полезную нагрузку до скорости.
  3. Шаговые двигатели имеют высокую удерживающий момент-они имеют свойство быть «самостоятельной блокировки», когда ротор находится на стоянке.
  4. Шаговые двигатели непосредственно совместим с цифровыми методами контроля, и может быть легко сопряжен с цифровыми Шаг Направление контроллер, микропроцессор или компьютер.
  5. Шаговые двигатели демонстрируют великолепную точность позиционирования, а тем более важно, ошибки не являются кумулятивными.
  6. Двигатель конструкция проста и надежная. Есть правило, только два подшипника и двигателя в целом имеет длительную необслуживаемые жизни. По этой причине, это экономически эффективным приводом.
Читать еще:  Горячий запуск двигателя это

Многие из этих преимущества делают двигатель шаговый полезно в некоторых типах роботов или машин. Разница в цене Серводвигатели также дает шаговых двигателей преимущество.

Недостатки шаговых двигателей

Основным недостатком шаговые двигатели разомкнутой операции — отсутствие обратной связи на должность двигателя (сигнал обратной связи) и его скорость (скорость обратной связи). Этот недостаток имеет критическое влияние на способность достигать высокой точности, и это снижает общий «безопасности» системы.

Как шагового двигателя построены?

Шаговые двигатели имеют много катушки помещены в круг форму. Когда ток проходит через одну из катушек, она становится магнитных (электромагнитных принцип) и, следовательно, перемещает вал двигателя, чтобы это направление. Например анимации:

Типы шаговых двигателей

Существуют два основных вида шаговых двигателей: униполярный и биполярный. Разница между двумя видами заключается в способе электромагнитов связаны между собой. Преимущество однополярного двигатели их упрощенному контролю, но, с другой стороны, их крутящего момента (силы) меньше, чем у биполярного motors.The преимущество биполярных двигателей больше крутящего момента для того же размера двигателя, но с другой стороны более сложные схемы управления необходимо, тот, который может изменить направление тока в каждом шаге.

Существуют гибридные двигатели, которые могут работать как в униполярных и биполярных режимов, с помощью проводов двигателя по-разному.

Управление шагового двигателя

В отличие от регулярных двигатели постоянного тока, управления шаговых двигателей является гораздо более сложным. Здесь Есть не два провода, которые должны быть подключены к источнику питания для того, чтобы спина двигателя. Для того чтобы перейти двигателя в определенном направлении, Stepping последовательности должен быть сформирован. Степпинг последовательность управляемой коммутации обмоток двигателей. Когда катушка, ток течет через катушки провода, и это становится электромагнита. Затем глава двигателя в настоящее время намагниченных до катушки, и движение будет создан.

Пошаговое Последовательности

Есть 4 вида активизации последовательности: Полный Stepping (также называемый пошагового, Double Stepping, Half степпинг, и Micro степпинг.

Управление шагового двигателя с помощью «пошаговое» степпинг метод

Это самый основной метод — включение одного электромагнита каждый раз.

Шаг номер
Катушка 1
Катушка 2
Катушка 3
Катушка 4
1 На От От От
2 От На От От
3 От От На От
4 От От От На

Эта последовательность требует наименьшего количества энергии и генерирует гладкую движения.

Управление шаговым двигателем с помощью «Дважды Шаг» степпинг метод

В этом методе две катушки включены одновременно.

מספר צעד Катушка 1
Катушка 2
Катушка 3
Катушка 4
1 На На От От
2 От На На От
3 От От На На
4 На От От На

Этот метод не создает плавное движение, как и предыдущий метод, и он требует удвоить текущий, но и как вернуть его порождает двойные крутящего момента.

Управление шаговым двигателем с помощью «Half-Шаг» степпинг метод
מספר צעד Катушка 1
Катушка 2
Катушка 3
Катушка 4
1 На От От От
2 На На От От
3 От На От От
4 От На На От
5 От От На От
6 От От На На
7 От От От На
8 На От От На

Этот метод двойников Основная погрешность (в градусах) двигатель может двигаться. Например, является ли двигатель может двигаться в 1,8 градуса за каждый шаг, чем при использовании Half-Stepping можно двигать мотор в 0,9 градуса / шаг. Недостатком в этом способе управления является то, что в половине последовательности, дважды тока требуется (когда две катушки находятся на вместо одной).

Строительство шагового двигателя Контроллер цепи

Самый простой способ для управления шаговым двигателем использует Шаг / Направление контроллера. Такой контроллер получает только два входа — нужное направление вращения (1 = по часовой стрелке, 0 = против часовой стрелки), а также указание о том, чтобы шаг или остаться в текущей позиции (шаг = 1, шаг = 0, соответственно). Сам контроллер генерирует активизации последовательности, как описано в предыдущем разделе.

Контроллер использует мощные транзисторы MOSFET для переключения тока в катушках.

Контроллер имеет 5 входов и 6 выходов:

  • 2 входа для логики источник напряжения (5 В, земля)
  • 2 входа для источника напряжения двигателей (до 50V 10ampere, земля)
  • 2 входа для контроля шага и направления
  • 5 выходов для подключения шаговых двигателей

Электронная схема Схема для шагового двигателя Контроллер цепи

CAD-модель

Здесь вы можете увидеть простой компьютер CAD модель контроллера — для этого используется простой микроконтроллер, который генерирует последовательность активизации и 4 мощных транзисторов MOSTFET.

Микрошаговый режим шагового двигателя

Микрошаг шагового двигателя

Микрошаг — режим деления шага шагового двигателя, когда обмотки мотора запитаны не полным током, а его уровнями, изменяющимися по закону sin в одной фазе и cos во второй.

В общем случае под микрошагом понимают микрошаговый режим управления шаговым двигателем, иначе говоря — режим деления шага. Микрошаговый режим отличается от штатного режима управления двигателем тем, что в каждый момент времени обмотки шагового мотора запитаны не полным током, а некими его уровнями, изменяющимися по закону sin в одной фазе и cos во второй. Такой метод дает возможность фиксировать вал в промежуточных положениях между шагами. Количество таких положений задается настройками драйвера. Скажем, режим микрошага 1:8 означает, что с каждым поданным импульсом STEP драйвер будет перемещать вал примерно на 1/8 полного шага, и для полного оборота вала потребуется подать в 8 раз больше импульсов, чем для режима полного шага.

Применение микрошагового режима

У микрошагового режима может быть несколько применений.
Вначале разберем несколько заблуждений относительно микрошага:

  1. Микрошаг позволяет увеличить точность привода.
    На самом деле это не так. Во-первых, этому мешает геометрическая неидеальность ротора и статора двигателя, неидеальные обмотки, зазоры в подшипниках вала и т.п. В результате двигатель выполняет шаги всегда с некоторой погрешностью(как правило, 5% от величины полного шага), причем абсолютное значение погрешности постоянно для любого выбранного микрошагового режима! Кроме того, во многих драйверах управление двигателем также далеко от идеального, что приводит к дополнительной неравномерности перемещения в режиме микрошага. Дальнейшее деление шага более чем на 5-10 микрошагов приводит только к увеличению разрешающей способности привода, но не точности. То есть вы сможете более дискретно задавать позицию в ЧПУ системе, но не сможете её получить с заданной точностью.
  2. Микрошаг значительно снижает момент двигателя(относительно полношагового режима).
    Момент действительно снижается. Однако, использование микрошага одновременно увеличивает плавность хода двигателя, и снижает резонансные явления, что способствует увеличению момента. Два противоположных влияния на момент в среднем более-менее уравновешивают друг друга. В многих случаях применение микрошага на самом деле увеличивает момент, поэтому целесообразность отказа от микрошагового режима должна определяться в каждом конкретном случае.

Основным применением микрошагового режима является борьба с резонансом, снижение вибрации шагового двигателя и повышения плавности хода передачи. Достигается это благодаря тому, что при использовании микрошагового режима на вал мотора действуют более кратковременные усилия разгона-торможения, сам вал совершает шаги меньшей амплитуды, в результате инерционные явления проявлены слабее.

Выбор оптимального режима деления шага

Оптимальный режим деления шага необходимо выбирать в зависимости от конкретного станка и стоящих задач. Основными факторами являются необходимость снизить резонанс двигателей, уменьшить шум, разрешающую способность станка. В большинстве случаев имеет смысл использовать наибольшее деление шага, при котором станок сможет развивать расчетную максимальную скорость. Ограничением в данном случае будет максимальная частота входных импульсов у драйвера или максимальная частота генерации управляющих импульсов ЧПУ-системой. Скажем, скорость вращения 10 об/сек стандартного двигателя с шагом 1.8 град требует подавать импульсы STEP с частотой 2000 Гц для режима полного шага и с частотой 256 КГц для деления шага 1:128, тогда как, например, программа Mach3 максимально может генерировать импульсы с частотой 100 Гц.

Микрошаговый режим драйверов Leadshine

Цифровые драйверы Leadshine построены с применением особой технологии — драйверы всегда используют максимальный режим деления шага. Установка микрошагового режима на самом деле указывает множитель — сколько микрошагов надо совершить на каждый импульс STEP. Такая технология позволяет добиться максимальной плавности движения при любых установках режима деления шага и максимально устранить вибрации шагового двигателя.

Сервопривод или шаговый двигатель?

В случаях, когда необходима высокая точность работы исполнительных механизмов, используют асинхронный электродвигатель с энкодером обратной связи. Однако в промышленных станках с особыми требованиями к точности позиционирования подобное оборудование не справится с задачами в силу ряда конструктивных недостатков — низкого момента на малых скоростях, проскальзывания ротора, инерции при разгоне и торможении. В таких случаях используются сервоприводы и шаговые двигатели. Рассмотрим преимущества и недостатки обоих типов приводов.

Сервоприводы

В состав сервопривода входят серводвигатель и электронный блок управления (сервоусилитель или сервопреобразователь). В качестве серводвигателей наиболее широко применяют синхронные трехфазные электродвигатели, в которых установлены мощные постоянные магниты для улучшения динамических характеристик. Обязательным компонентом сервопривода также является энкодер. Как правило, он превосходит по своим параметрам обычные энкодеры, поставляемые отдельно. Его разрешение может достигать сотен тысяч импульсов на оборот, за счет чего достигается сверхточное позиционирование. Для примера, разрешение встроенных энкодеров сервоприводов Delta ASD-A2 составляет 1 280 000 имп/об.

Сервоусилитель получает два сигнала управления — сигнал задания скорости (или угла поворота) и сигнал обратной связи с энкодера. В результате сервопривод обеспечивает движение какой-либо механической нагрузки с большой точностью не только по скорости вращения, но и по углу поворота, который может быть выдержан до долей градуса.

Шаговые двигатели

Шаговый двигатель — это особый вид многофазного синхронного двигателя, дискретное вращение которого производится путем подачи импульсов напряжения на нужные обмотки статора. При этом ротор не имеет обмоток и состоит из магнитного материала.

Основной параметр шагового двигателя — его шаг, или количество шагов на оборот. Для одного полного оборота ротора необходимо строго определенное количество импульсов. Чем меньше шаг, тем большую точность позиционирования может обеспечить данный шаговый двигатель.

Управляющие импульсы формируются специальным драйвером, который получает задание с контроллера. При этом обратной связи не требуется, поскольку путем подсчета импульсов всегда можно узнать, на какой угол повернулся вал шагового двигателя, и сколько оборотов он сделал.

Преимущества сервоприводов

  • Мощность серводвигателей может достигать 15 кВт, в то время как мощность шагового электродвигателя, как правило, не превышает 1 кВт.
  • Бесшумность работы благодаря принципу действия и сверхточному исполнению конструкции.
  • Скорость вращения в сервоприводах может достигать 10000 об/мин, в некоторых случаях и больше. У шаговых двигателей номинальная скорость вращения обычно не превышает 1000 об/мин вследствие падения момента и увеличения вероятности ошибок.
  • Высокая энергоэффективность. Потребляемая мощность сервопривода пропорциональна нагрузке на валу. Для шагового электродвигателя потребляемая мощность одинакова вне зависимости от нагрузки.
  • Наличие обратной связи обеспечивает точной информацией о повороте вала в любой момент времени. В шаговых двигателях возможно проскальзывание при перегрузке, накопление ошибки и потеря позиционирования.
  • Большая плавность хода. В шаговых двигателях добиться плавности можно только путем применения специальных методов управления.

Преимущества шаговых двигателей

  • Меньшая цена при одинаковой мощности в силу более простой конструкции двигателя и драйвера.
  • Возможность работы на экстремально низких оборотах без ухудшения характеристик и применения редукторов.
  • Более точное позиционирование, обусловленное конструкцией двигателя.
  • Отсутствие необходимости в обратной связи.
  • Для фиксации вала двигателя при останове достаточно снять с него напряжение. При останове серводвигателя необходимо расходовать мощность на удержание либо использовать электромеханический тормоз.

Применение

В промышленном оборудовании для выполнения задач позиционирования имеет смысл использовать и асинхронные двигатели с обратной связью, и сервоприводы, и шаговые двигатели.

Сервоприводы устанавливаются в тех узлах оборудования, где требуется точное позиционирование механизмов для их синхронизации с другими узлами. В частности сервоприводы широко используют в обрабатывающих станках.

Шаговые двигатели нашли наибольшее применение в станках с ЧПУ и в робототехнике.

На практике встречаются производственные линии, в которых в различных узлах используются все три типа электродвигателей.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector