Шаговые двигателиМожет использоваться для управления скоростью и позиционированием без использования устройств обратной связи (т.е. с разомкнутым контуром), поэтому такое решение привода экономично и надежно. Шаговый привод широко используется в системах автоматизации и измерительных приборах. Однако многие пользователи и технические специалисты задаются вопросом о выборе подходящего шагового двигателя, о том, как добиться максимальной производительности шагового привода, а также о других проблемах. В данной статье рассматривается выбор шаговых двигателей с упором на применение опыта инженеров в области шаговых двигателей. Надеюсь, что популяризация шаговых двигателей в системах автоматизации сыграет свою роль.
1. Введениешаговый двигатель
Шаговый двигатель также известен как импульсный двигатель или шаговый двигатель. Он перемещается на определённый угол каждый раз при изменении состояния возбуждения в соответствии с входным импульсным сигналом и остаётся неподвижным в определённом положении, когда состояние возбуждения остаётся неизменным. Это позволяет шаговому двигателю преобразовывать входной импульсный сигнал в соответствующее угловое смещение выходного сигнала. Управляя числом входных импульсов, можно точно определить угловое смещение выходного сигнала для достижения наилучшего позиционирования; а управляя частотой входных импульсов, можно точно контролировать угловую скорость выходного сигнала и достигать цели регулирования скорости. В конце 1960-х годов появилось множество практичных шаговых двигателей, и последние 40 лет они получили бурное развитие. Шаговые двигатели стали основным типом двигателей, наряду с двигателями постоянного тока, асинхронными и синхронными двигателями. 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 (сердечника ротора, постоянных магнитов, вала, шарикоподшипников), статора (обмотки, сердечника 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; трёхфазный двигатель имеет статор с 9 большими зубьями, 45 малыми зубьями и ротор с 50 малыми зубьями.
2. Принцип управления
Theшаговый двигательНевозможно напрямую подключиться к источнику питания и напрямую получать электрические импульсные 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 получает управляющие сигналы от контроллера. Каждый раз при получении импульсного сигнала выходной сигнал кольцевого делителя преобразуется один раз, поэтому наличие или отсутствие импульсного сигнала, а также его частота могут определить, является ли скорость шагового двигателя высокой или низкой, ускоряется или замедляется для запуска или остановки. Кольцевой распределитель также должен отслеживать сигнал направления от контроллера, чтобы определить, находятся ли его выходные 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.
② Число фаз: количество обмоток внутри шагового двигателя. Число фаз шагового двигателя обычно бывает двухфазным, трёхфазным и пятифазным. В Китае в основном используются двухфазные шаговые двигатели, трёхфазные также встречаются в некоторых областях. В Японии чаще используются пятифазные шаговые двигатели.
3. Шаговый угол: соответствующий импульсному сигналу, угловое смещение вращения ротора двигателя. Формула расчета шагового угла шагового двигателя выглядит следующим образом:
Угол шага = 360° ÷ (2мз)
m число фаз шагового двигателя
Z число зубцов ротора шагового двигателя.
Согласно приведенной выше формуле, угол шага двухфазного, трехфазного и пятифазного шаговых двигателей составляет 1,8°, 1,2° и 0,72° соответственно.
4. Удерживающий момент: крутящий момент статорной обмотки двигателя при номинальном токе, но ротор не вращается, статор блокирует ротор. Удерживающий момент — важнейший параметр шаговых двигателей, определяющий их выбор.
⑤ Крутящий момент позиционирования: крутящий момент, необходимый для вращения ротора под действием внешней силы, когда двигатель не пропускает ток. Крутящий момент является одним из показателей производительности двигателя. При прочих равных параметрах, чем меньше крутящий момент позиционирования, тем меньше «эффект паза», что положительно сказывается на плавности работы двигателя на низкой скорости. Частотная характеристика крутящего момента: в основном относится к частотной характеристике крутящего момента, двигатель стабильно работает на определенной скорости, выдерживая максимальный крутящий момент без потери шага. Кривая момент-частота используется для описания соотношения между максимальным крутящим моментом и скоростью (частотой) без потери шага. Частотная характеристика 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 вращения до 600 ~ 1500 об/мин, при более высокой скорости можно рассмотреть привод шагового двигателя с замкнутым контуром или выбрать более подходящую программу сервопривода с выбором шагов шагового двигателя (см. рисунок ниже).
(1) Выбор угла шага
В зависимости от количества фаз двигателя различают три типа угла шага: 1,8° (двухфазный), 1,2° (трёхфазный) и 0,72° (пятифазный). Конечно, пятифазный шаговый двигатель обладает наибольшей точностью, но его двигатель и драйвер дороже, поэтому он редко используется в Китае. Кроме того, в основных шаговых двигателях теперь используется технология дробления. При 4-кратном дроблении точность дробления угла шага всё ещё может быть гарантирована. Поэтому, если учитывать только точность угла шага, пятифазный шаговый двигатель можно заменить двухфазным или трёхфазным. 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 один оборот двигателя составляет 200 x 4 = 800, а эквивалент импульса составляет 5 ÷ 800 = 0,00625 мм = 6,25 мкм; такая точность может удовлетворить требованиям большинства приложений.
(2) Выбор статического крутящего момента (удерживающего момента)
Обычно используемые механизмы передачи нагрузки включают зубчатые ремни, ременные передачи, реечные передачи и т. д. Сначала заказчики 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, чтобы выбрать соответствующий удерживающий момент шагового двигателя ① для применения требуемой скорости двигателя 300 пм 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 пм 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 моменту шага T2, при этом максимальный потерянный 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 данные по кривой «момент-частота» 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 5А, значит, вы подбираете для привода максимально допустимый ток более 5А (обратите внимание, что это эффективное значение, а не пиковое), в противном случае, если вы выберете для привода максимальный ток всего 3А, максимальный выходной крутящий момент двигателя может составить всего около 60%!
5, опыт применения
(1) проблема низкочастотного резонанса шагового двигателя
Шаговый привод с разделением частоты — эффективный способ снижения низкочастотного резонанса шаговых двигателей. При частоте вращения ниже 150 об/мин такой привод очень эффективен для снижения вибрации двигателя. Теоретически, чем больше разделение частоты, тем лучше эффект снижения вибрации шагового двигателя, но на практике разделение частоты увеличивается до 8 или 16 после того, как эффект снижения вибрации шагового двигателя достигает максимального значения.
В последние годы на отечественном и зарубежном рынке появились драйверы для шаговых двигателей, препятствующие низкочастотному резонансу. Компания Leisai выпустила серию DM и DM-S, разработанную с применением технологии, препятствующей низкочастотному резонансу. В этих драйверах используется гармоническая компенсация, основанная на гармоническом согласовании амплитуды и фазы, что позволяет значительно снизить низкочастотную вибрацию шагового двигателя, обеспечивая низкий уровень вибрации и шума.
(2) Влияние шагового двигателя на точность позиционирования
Схема управления с использованием шагового двигателя позволяет не только повысить плавность перемещения устройства, но и эффективно повысить точность позиционирования оборудования. Испытания показали, что: в платформе с синхронным ременным приводом шаговый двигатель с четырьмя секциями обеспечивает точное позиционирование на каждом шаге.
Время публикации: 11 июня 2023 г.