Шаговые двигателиможет использоваться для управления скоростью и позиционированием без использования устройств обратной связи (т. е. управление с разомкнутым контуром), поэтому это решение привода является как экономичным, так и надежным. В оборудовании для автоматизации, приборах шаговый привод очень широко используется. Но многие пользователи технического персонала о том, как выбрать подходящий шаговый двигатель, как добиться наилучшей производительности шагового привода или имеют больше вопросов. В этой статье обсуждается выбор шаговых двигателей, уделяя особое внимание применению некоторого опыта в области проектирования шаговых двигателей, я надеюсь, что популяризация шаговых двигателей в оборудовании для автоматизации сыграет свою роль в справке.
1、Введениешаговый двигатель
Шаговый двигатель также известен как импульсный двигатель или шаговый двигатель. Он продвигается 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 для выхода. Управляя количеством входных импульсов, вы можете точно определить угловое смещение выхода, чтобы достичь наилучшего позиционирования; а управляя частотой входных импульсов, вы можете точно контролировать угловую скорость выхода и достигать цели регулирования скорости. В конце 1960-х годов появилось множество практических шаговых двигателей, и последние 40 лет стали свидетелями быстрого развития. Шаговые двигатели смогли стать двигателями постоянного тока, асинхронными двигателями, а также синхронными двигателями наряду с ними, став основным типом двигателя. 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 форм шагового двигателя. 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 зубцами, 40 малыми зубцами и ротор с 50 малыми зубцами; трехфазный двигатель имеет статор с 9 большими зубцами, 45 малыми зубцами и ротор с 50 малыми зубцами.
2. Принцип управления
Theшаговый двигательне может быть напрямую подключен к источнику питания, и не может напрямую получать электрические импульсные сигналы, это должно быть реализовано через специальный интерфейс - драйвер шагового двигателя для взаимодействия с источником питания и контроллером. Драйвер шагового двигателя обычно состоит из кольцевого распределителя и схемы усилителя мощности. Кольцевой делитель получает управляющие сигналы от контроллера. Каждый раз, когда принимается импульсный сигнал, выход кольцевого делителя преобразуется один раз, поэтому наличие или отсутствие и частота импульсного сигнала могут определить, является ли скорость шагового двигателя высокой или низкой, ускоряется или замедляется для запуска или остановки. Кольцевой распределитель также должен контролировать сигнал направления от контроллера, чтобы определить, находятся ли его переходы выходного состояния в положительном или отрицательном порядке, и, таким образом, определять управление шаговым двигателем.
3. Основные параметры
①Номер блока: в основном 20, 28, 35, 42, 57, 60, 86 и т. д.
②Количество фаз: количество катушек внутри шагового двигателя, количество фаз шагового двигателя обычно бывает двухфазным, трехфазным, пятифазным. В Китае в основном используются двухфазные шаговые двигатели, трехфазные также имеют некоторые применения. В Японии чаще используются пятифазные шаговые двигатели
③Угол шага: соответствующий импульсному сигналу, угловое смещение вращения ротора двигателя. Формула расчета угла шага шагового двигателя следующая
Угол шага = 360° ÷ (2мз)
m число фаз шагового двигателя
Z — число зубцов ротора шагового двигателя.
Согласно приведенной выше формуле, угол шага двухфазных, трехфазных и пятифазных шаговых двигателей составляет 1,8°, 1,2° и 0,72° соответственно.
④ Удерживающий момент: это крутящий момент статорной обмотки двигателя через номинальный ток, но ротор не вращается, статор блокирует ротор. Удерживающий момент является важнейшим параметром шаговых двигателей и является основной основой для выбора двигателя
⑤ Крутящий момент позиционирования: крутящий момент, необходимый для поворота ротора с помощью внешней силы, когда двигатель не пропускает ток. Крутящий момент является одним из показателей производительности для оценки двигателя, в случае, если другие параметры одинаковы, чем меньше крутящий момент позиционирования, тем меньше «эффект паза», тем более выгодно для плавности работы двигателя на низкой скорости характеристики частоты крутящего момента: в основном относится к характеристикам частоты вытянутого крутящего момента, стабильная работа двигателя на определенной скорости может выдерживать максимальный крутящий момент без потери шага. Кривая момента-частоты используется для описания связи между максимальным крутящим моментом и скоростью (частотой) без потери шага. Кривая частоты крутящего момента является важным параметром шагового двигателя и является 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 используются шаговые двигатели со скоростью до 600 ~ 1500 об/мин, при более высокой скорости можно рассмотреть привод шагового двигателя с замкнутым контуром или выбрать более подходящую программу сервопривода для выбора шагов шагового двигателя (см. рисунок ниже).
(1) Выбор угла наклона ступеньки
В зависимости от количества фаз двигателя существует три вида угла шага: 1,8° (двухфазный), 1,2° (трехфазный), 0,72° (пятифазный). Конечно, пятифазный угол шага имеет самую высокую точность, но его двигатель и драйвер дороже, поэтому он редко используется в Китае. Кроме того, основные драйверы шаговых двигателей теперь используют технологию привода с подразделением, в 4 подразделах ниже точность угла шага с подразделением все еще может быть гарантирована, поэтому, если рассматривать только показатели точности угла шага, пятифазный шаговый двигатель можно заменить двухфазным или трехфазным шаговым двигателем. Например, при применении какого-либо типа вывода для винтовой нагрузки 5 мм, если используется двухфазный шаговый двигатель и драйвер настроен на 4 деления, количество импульсов на оборот двигателя составляет 200 x 4 = 800, а эквивалент импульса составляет 5 ÷ 800 = 0,00625 мм = 6,25 мкм, такая точность может удовлетворить большинство требований приложения.
(2) Выбор статического крутящего момента (удерживающего момента)
Обычно используемые механизмы передачи нагрузки включают в себя зубчатые ремни, стержни, реечную передачу и т. д. Сначала клиенты рассчитывают нагрузку на свою машину (в основном крутящий момент ускорения плюс момент трения), преобразованную в требуемый крутящий момент нагрузки на валу двигателя. Затем, в соответствии с максимальной скоростью работы, требуемой электрическими потоками, следующие два различных варианта использования для выбора соответствующего удерживающего момента шагового двигателя ① для применения требуемой скорости двигателя 300 об/мин или меньше: если нагрузка машины преобразуется в требуемый момент нагрузки вала двигателя T1, то этот момент нагрузки умножается на коэффициент безопасности SF (обычно принимается равным 1,5-2,0), то есть требуемый удерживающий момент шагового двигателя Tn ②2 для Для применений, требующих скорости двигателя 300 об/мин или больше: установите максимальную скорость Nmax, если нагрузка машины преобразуется в вал двигателя, требуемый момент нагрузки равен T1, то этот момент нагрузки умножается на коэффициент безопасности SF (обычно 2,5-3,5), что дает удерживающий момент Tn. Обратитесь к рисунку 4 и выберите подходящую модель. Затем используйте кривую момент-частота для проверки и сравнения: на кривой момент-частота максимальная скорость Nmax, требуемая пользователем, соответствует максимальному потерянному крутящему моменту шага T2, тогда максимальный потерянный крутящий момент шага 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 в соответствии с кривой крутящего момента частоты нового выбранного двигателя.
(3) Чем больше базовое число двигателя, тем больше удерживающий момент.
(4) в соответствии с номинальным током выбрать соответствующий шаговый драйвер.
Например, номинальный ток двигателя 57CM23 составляет 5 А, значит, вы подбираете максимально допустимый ток привода более 5 А (обратите внимание, что это эффективное значение, а не пиковое), в противном случае, если вы выберете максимальный ток привода всего 3 А, максимальный выходной крутящий момент двигателя может составить всего около 60%!
5, опыт применения
(1) проблема резонанса на низких частотах шагового двигателя
Шаговый привод с подразделением — эффективный способ снижения низкочастотного резонанса шаговых двигателей. Ниже 150 об/мин привод с подразделением очень эффективен для снижения вибрации двигателя. Теоретически, чем больше подразделение, тем лучше эффект снижения вибрации шагового двигателя, но фактическая ситуация такова, что подразделение увеличивается до 8 или 16 после того, как эффект улучшения снижения вибрации шагового двигателя достигнет экстремального значения
В последние годы в стране и за рубежом были представлены антирезонансные шаговые драйверы, серия Leisai DM, DM-S, технология антирезонансных низкочастотных драйверов. Эта серия драйверов использует гармоническую компенсацию, посредством амплитудной и фазовой компенсации согласования, может значительно снизить низкочастотную вибрацию шагового двигателя, чтобы добиться низкой вибрации и низкого шума работы двигателя.
(2) Влияние подразделения шагового двигателя на точность позиционирования
Схема привода подразделения шагового двигателя может не только улучшить плавность движения устройства, но и может эффективно улучшить точность позиционирования оборудования. Испытания показывают, что: в платформе движения синхронного ременного привода, подразделение шагового двигателя 4, двигатель может быть точно позиционирован на каждом шаге.
Время публикации: 11 июня 2023 г.