Шаговые двигателиШаговые двигатели могут использоваться для регулирования скорости и позиционирования без применения устройств обратной связи (т.е. с разомкнутым контуром управления), поэтому это решение является одновременно экономичным и надежным. В автоматизированном оборудовании и приборах шаговые приводы получили широкое распространение. Однако у многих пользователей и технических специалистов возникают вопросы о том, как выбрать подходящий шаговый двигатель, как добиться наилучших характеристик привода и другие. В данной статье рассматриваются вопросы выбора шаговых двигателей, с акцентом на применение некоторых инженерных решений в этой области. Надеюсь, что эта статья поможет популяризировать шаговые двигатели в автоматизированном оборудовании и станет полезным справочным материалом.
1. Введение вшаговый двигатель
Шаговый двигатель также известен как импульсный двигатель или шаговый двигатель. Он перемещается на определенный угол каждый раз, когда состояние возбуждения изменяется в соответствии с входным импульсным сигналом, и остается неподвижным в определенном положении, когда состояние возбуждения остается неизменным. Это позволяет шаговому двигателю преобразовывать входной импульсный сигнал в соответствующее угловое смещение на выходе. Управляя количеством входных импульсов, можно точно определить угловое смещение на выходе для достижения наилучшего позиционирования; а управляя частотой входных импульсов, можно точно контролировать угловую скорость на выходе и достичь цели регулирования скорости. В конце 1960-х годов появилось множество практичных шаговых двигателей, и за последние 40 лет наблюдалось стремительное развитие. Шаговые двигатели смогли составить конкуренцию двигателям постоянного тока, асинхронным двигателям, а также синхронным двигателям, став базовым типом двигателей. Существует три типа шаговых двигателей: реактивный (тип VR), с постоянными магнитами (тип PM) и гибридный (тип HB). Гибридный шаговый двигатель сочетает в себе преимущества первых двух типов шаговых двигателей. Шаговый двигатель состоит из ротора (сердечник ротора, постоянные магниты, вал, шарикоподшипники), статора (обмотка, сердечник статора), передней и задней торцевых крышек и т. д. Наиболее типичный двухфазный гибридный шаговый двигатель имеет статор с 8 большими зубьями, 40 малыми зубьями и ротор с 50 малыми зубьями; трехфазный двигатель имеет статор с 9 большими зубьями, 45 малыми зубьями и ротор с 50 малыми зубьями.
2. Принцип управления
Оншаговый двигательШаговый двигатель не может быть напрямую подключен к источнику питания и не может напрямую принимать импульсные электрические сигналы; для взаимодействия с источником питания и контроллером необходимо использовать специальный интерфейс — драйвер шагового двигателя. Драйвер шагового двигателя обычно состоит из кольцевого распределителя и схемы усилителя мощности. Кольцевой делитель принимает управляющие сигналы от контроллера. Каждый раз, когда принимается импульсный сигнал, выход кольцевого делителя преобразуется один раз, поэтому наличие или отсутствие и частота импульсного сигнала определяют, высокая или низкая скорость шагового двигателя, ускорение или замедление, запуск или остановка. Кольцевой делитель также должен контролировать сигнал направления от контроллера, чтобы определить, происходят ли переходы его выходного состояния в положительном или отрицательном порядке, и, таким образом, определять направление движения шагового двигателя.
3. Основные параметры
①Номер блока: в основном 20, 28, 35, 42, 57, 60, 86 и т. д.
② Количество фаз: число витков внутри шагового двигателя. Шаговые двигатели обычно бывают двухфазными, трехфазными и пятифазными. В Китае в основном используются двухфазные шаговые двигатели, но трехфазные также находят применение. В Японии чаще используются пятифазные шаговые двигатели.
③Угол шага: соответствует импульсному сигналу, угловому перемещению вращения ротора двигателя. Формула расчета угла шага шагового двигателя выглядит следующим образом.
Угол шага = 360° ÷ (2 мЗ)
m — количество фаз шагового двигателя
Z — количество зубьев ротора шагового двигателя.
Согласно приведенной выше формуле, шаг двухфазных, трехфазных и пятифазных шаговых двигателей составляет 1,8°, 1,2° и 0,72° соответственно.
④ Момент удержания: это момент, возникающий при прохождении тока через обмотку статора двигателя, но при этом ротор не вращается, статор блокирует его. Момент удержания является важнейшим параметром шаговых двигателей и основной основой для выбора двигателя.
⑤ Позиционирующий момент: это момент, необходимый для вращения ротора под действием внешней силы, когда через двигатель не проходит ток. Крутящий момент является одним из показателей производительности двигателя; при прочих равных условиях, чем меньше позиционирующий момент, тем меньше «эффект паза», что способствует плавной работе двигателя на низких скоростях. Частотная характеристика крутящего момента: в основном относится к частотной характеристике крутящего момента. Двигатель, стабильно работающий на определенной скорости, может выдерживать максимальный крутящий момент без потери шага. Кривая момент-частота используется для описания зависимости максимального крутящего момента от скорости (частоты) без потери шага. Кривая крутящего момента-частоты является важным параметром шагового двигателя и основной основой для выбора двигателя.
⑥ Номинальный ток: ток обмотки двигателя, необходимый для поддержания номинального крутящего момента, эффективное значение.
4. Выбор точек
В промышленных приложениях шаговые двигатели работают со скоростью до 600–1500 об/мин, а при более высоких скоростях можно рассмотреть вариант управления шаговым двигателем с замкнутым контуром или выбрать более подходящую программу сервопривода (см. рисунок ниже).
(1) Выбор угла шага
В зависимости от количества фаз двигателя существует три типа углов шага: 1,8° (двухфазный), 1,2° (трехфазный) и 0,72° (пятифазный). Конечно, пятифазный угол шага обладает наибольшей точностью, но его двигатель и драйвер стоят дороже, поэтому он редко используется в Китае. Кроме того, в настоящее время в основных драйверах шаговых двигателей используется технология деления шага, и даже при делении на 4 фазы точность угла шага может быть гарантирована. Поэтому, если учитывать только точность угла шага, пятифазный шаговый двигатель можно заменить двухфазным или трехфазным шаговым двигателем. Например, при использовании шагового винта диаметром 5 мм, если применяется двухфазный шаговый двигатель, а драйвер настроен на 4 деления, то количество импульсов на оборот двигателя составляет 200 x 4 = 800, а эквивалентное значение импульса равно 5 ÷ 800 = 0,00625 мм = 6,25 мкм. Такая точность может удовлетворить большинство требований применения.
(2) Выбор статического момента (удерживающего момента)
К распространенным механизмам передачи нагрузки относятся синхронные ремни, стержни, реечные передачи и т. д. Сначала заказчики рассчитывают нагрузку на свою машину (в основном, момент ускорения плюс момент трения), преобразованный в требуемый момент нагрузки на валу двигателя. Затем, в зависимости от максимальной требуемой скорости вращения электроцветов, для двух различных вариантов использования следует выбрать соответствующий момент удержания шагового двигателя ① для требуемой скорости вращения двигателя 300 пм или менее: если нагрузка машины преобразуется в требуемый момент нагрузки на вал двигателя T1, то этот момент нагрузки умножается на коэффициент запаса прочности SF (обычно принимается равным 1,5-2,0), то есть требуемый момент удержания шагового двигателя Tn ②2 для применений, требующих скорости вращения двигателя 300 пм или более: установите максимальную скорость Nmax, если нагрузка машины преобразуется на вал двигателя, требуемый момент нагрузки равен T1, то этот момент нагрузки умножается на коэффициент запаса прочности SF (обычно 2,5-3,5), что дает момент удержания Tn. Обратитесь к рисунку 4 и выберите подходящую модель. Затем используйте частотно-моментную кривую для проверки и сравнения: на частотно-моментной кривой максимальная требуемая пользователем скорость Nmax соответствует максимальному потерянному моменту T2, тогда максимальный потерянный момент T2 должен быть более чем на 20% больше, чем T1. В противном случае необходимо выбрать новый двигатель с большим крутящим моментом и снова проверить и сравнить его по частотно-моментной кривой крутящего момента выбранного двигателя.
(3) Чем больше номер базы двигателя, тем больше удерживающий момент.
(4) в соответствии с номинальным током выбрать соответствующий драйвер шагового двигателя.
Например, если номинальный ток двигателя 57CM23 составляет 5 А, то необходимо выбрать привод с максимально допустимым током более 5 А (обратите внимание, что это эффективное значение, а не пиковое), иначе, если выбрать привод с максимальным током всего 3 А, максимальный выходной крутящий момент двигателя составит лишь около 60%!
5. Опыт применения
(1) проблема низкочастотного резонанса шагового двигателя
Использование маломощного привода шагового двигателя — эффективный способ снижения низкочастотного резонанса шаговых двигателей. При оборотах ниже 150 об/мин маломощный привод очень эффективен в снижении вибрации двигателя. Теоретически, чем больше деление, тем лучше эффект снижения вибрации шагового двигателя, но на практике увеличение деления до 8 или 16 приводит к тому, что эффект повышения вибрации шагового двигателя достигает своего максимума.
В последние годы в стране и за рубежом появились драйверы шаговых двигателей с защитой от низкочастотного резонанса. Серии DM и DM-S от Leisai используют технологию подавления низкочастотного резонанса. В этих драйверах применяется гармоническая компенсация, которая, благодаря согласованию амплитуды и фазы, позволяет значительно снизить низкочастотные вибрации шагового двигателя, обеспечивая работу двигателя с низким уровнем вибрации и шума.
(2) Влияние деления шагового двигателя на точность позиционирования
Схема управления с делением шагового двигателя позволяет не только улучшить плавность движения устройства, но и эффективно повысить точность позиционирования оборудования. Тесты показывают, что на платформе с синхронным ременным приводом шаговый двигатель с 4 делениями обеспечивает точное позиционирование на каждом шаге.
Дата публикации: 11 июня 2023 г.