Гибридные шаговые двигатели – техническая вводная статья
Гибридные двигатели являются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3.6 – 0.9 град.). Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении (рис. 1).
Рис. 1. Гибридный двигательРотор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3.6 град. двигателей и 8 основных полюсов для 1.8- и 0.9 град. двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними. Зависимость между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора и числом фаз определяет угол шага S двигателя:
S = 360/(Nph*Ph) = 360/N,
где Nph – чило эквивалентных полюсов на фазу = число полюсов ротора,
Ph – число фаз,
N – полное количество полюсов для всех фаз вместе.
Ротор показанного на рисунке двигателя имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель имеет 2 фазы, поэтому полное количество полюсов – 200, а шаг, соответственно, 1.8 град. Продольное сечение гибридного шагового двигателя показано на рис. 2. Стрелками показано направление магнитного потока постоянного магнита ротора. Часть потока (на рисунке показана черной линией) проходит через полюсные наконечники ротора, воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании момента.
Рис. 2. Продольный разрез гибридного шагового двигателяВеличина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая – типично 0.1 мм. Это требует высокой точности при сборке, поэтому шаговый двигатель не стоит разбирать ради удовлетворения любопытства, иначе на этом его срок службы может закончиться.
Чтобы магнитный поток не замыкался через вал, который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных марок стали. Они обычно обладают повышенной хрупкостью, поэтому с валом, особенно малого диаметра, следует обращаться с осторожностью.
Для получения больших моментов необходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и поле постоянного магнита . При этом требуется больший диаметр ротора, что ухудшает отношение крутящего момента к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногда конструктивно выполняют из нескольких секций в виде этажерки. Крутящий момент и момент инерции увеличиваются пропорционально количеству секций, а их отношение не ухудшается.
Большинство современных шаговых двигателей являются гибридными. По сути гибридный двигатель является двигателем с постоянными магнитами, но с большим числом полюсов. По способу управления такие двигатели одинаковы, дальше будут рассматриваться только такие двигатели. Чаще всего на практике двигатели имеют 100 или 200 шагов на оборот, соответственно шаг равен 3.6 грд или 1.8 грд. Большинство контроллеров позволяют работать в полушаговом режиме, где этот угол вдвое меньше, а некоторые контроллеры обеспечивают микрошаговый режим.
о компании | |||||||
Приводные Технологии – развивающаяся компания малого бизнеса, основным видом деятельности которой является производство, маркетинг и промоушинг, бытовой и промышленной, доступной и надежной приводной техники. Интеграция новейших технологий современного редукторостроения к отечественным условиям производства, – особенность наших технических решений, предлагаемых рынку. Современные запросы приводов стали более требовательны к механической передаточной части, к подводимому электрическому оборудованию, к последующим приводным муфтам и др. Наши предложения редукторных мини-моторов, редукторных узлов и силовых передаточных машин предназначены для эксплуатации в разных отраслях, для достижения различных целей, с любым набором требований и т.д. Помимо всего этого, имеется широкий выбор электрических устройств для оперативного контроля и регулирования режимов работы привода, – так называемая, область приводной электроники. подробнее | |||||||
|
Управление шаговым двигателем. Схема и описание
Шаговые двигатели не сильно отличаются от многих классических двигателей. Для управления шаговым двигателем необходимо подавать постоянное напряжение на обмотки в точной последовательности. Благодаря этому принципу, можно обеспечить точный угол поворота оси.
Блок питания 0…30 В / 3A
Набор для сборки регулируемого блока питания…
Более того, оставив напряжение питания на одной или нескольких обмотках двигателя, мы переводим двигатель в режим удержания. Шаговые двигатели получили широкое распространение в технике, к примеру, их можно найти в гибких дисководах, сканерах и принтерах. Существует несколько типов шаговых двигателей.
Типы шаговых двигателей
Существуют три основных типа шаговых двигателей:
- Двигатель с постоянным магнитом
- Двигатель с переменным магнитным сопротивлением
- Гибридный двигатель
Шаговый двигатель с постоянными магнитами применяется наиболее часто в устройствах бытового назначения, нежели в промышленных устройствах. Это недорогой двигатель, имеющий низкий крутящий момент и низкую скорость вращения. Он идеально подходит для устройств компьютерной периферии.
Производство шагового двигателя с постоянными магнитами несложно и экономически оправдано, когда дело касается производства больших объемов. Однако из-за его относительной инертности, применение ограничено в устройствах, где требуется точное позиционирование по времени.
Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлениемВ шаговом двигателе с переменным магнитным сопротивлением нет постоянного магнита, и как результат этого — ротор вращается свободно, без остаточного крутящего момента. Этот тип двигателя часто используется в малогабаритных устройствах, например, в системах микро-позиционирования. Они не чувствительны к полярности тока и требуют систему управления отличную от других типов двигателей.
Гибридный шаговый двигательГибридный двигатель, на сегодняшний день, является самым популярным двигателем в промышленной сфере. Его название происходит от того, что он сочетает в себе принципы работы двух других типов двигателя (с постоянными магнитами и переменным магнитным сопротивлением). Большинство гибридных двигателей имеют две фазы.
Как работает гибридный двигатель
Работу гибридного шагового двигателя легко понять, глядя на очень простую модель, которая производит 12 шагов за один оборот.
Ротор этой машины состоит из двух частей, каждая из которых имеет три зуба. Между двумя частями находится постоянный магнит, намагниченный в направлении оси ротора, создавая, таким образом, южный полюс на одной части детали, и северного полюса на другой. Статор состоит из трубки, имеющей четыре зуба внутри нее. Обмотки статора намотаны вокруг каждого такого зуба.
Когда ток протекает через одну из обмоток, ротор занимает одно из положений, показанных на рисунках. Это связано с тем что, постоянный магнит ротора пытается минимизировать магнитное сопротивление обмотки. Крутящий момент, что стремится держать ротор в этих положениях, как правило, небольшой и называется «релаксация крутящего момента». Ниже изображена схема работы двигателя с 12 шагами.
Если ток течет по двум обмоткам статора, результирующие полюса будут притягивать зубы обратной полярности на каждом конце ротора. Есть три устойчивых позиций для ротора, столько же, сколько количество зубьев на роторе. Момент, необходимый для перемещения ротора от его стабильного положения во вращательное движение называется «удержание крутящего момента»
Изменяя ток первой до второй обмотки (В), магнитное поле статора поворачивается на 90 градусов и притягивает новую пару полюсов ротора. В результате этого ротор поворачивается на 30 градусов, что соответствует полному шагу. Возвращение к первому набору обмоток статора, но с питанием обратной полярности, изменяет магнитное поле статора еще на 90 градусов, и ротор поворачивается на 30 градусов (С).
Наконец, второй набор обмоток работает в противоположном направлении, обеспечивая третье положение ротора (еще 30 градусов). Теперь мы можем вернуться снова к первому этапу (А), и после прохождения заново всех этих четырех этапов, ротор будет перемещен еще на один зуб.
Очевидно, что если полярность питания обмоток будет противоположной описанной, то вращение двигателя так же сменится на противоположное.
Режим полшага
Подавая питание поочередно на одну обмотку, а затем на две, ротор будет совершать вращение на 15 градусов в каждом шаге и таким образом количество шагов на один оборот увеличится в два раза. Этот режим называется режимом «полшага», и большинство промышленных устройств применяют этот режим. Даже если это иногда вызывает небольшую потерю крутящего момента, режим в полшага намного плавнее на низких скоростях и вызывает меньший резонанс в конце каждого шага.
Когда шаговый двигатель находится под контролем в режиме «неполного шага», две фазы одновременно находятся под напряжением и крутящий момент обеспечивается на каждом шаге. В режиме полушага, питание чередуется между двумя фазами, и отдельной обмоткой, как показано на рисунке.
Биполярные и униполярные шаговые двигатели
От того какая у шагового двигателя форма обмоток, двигатели делятся на униполярные и биполярные. У биполярного двигателя по 1 обмотке в каждой фазе. Всего две обмотки и соответственно 4 вывода (рис. а). Для обеспечения вращения вала на эти обмотки должно подаваться напряжение с изменяемой полярностью. Поэтому для биполярного двигателя необходим полумостовой либо мостовой драйвер, снабженный двухполярным питанием.
Униполярный двигатель также как и биполярный, для каждой фазы имеет по одной обмотке, но каждая обмотка содержит отвод от середины. В связи с этим, путем переключения половинок обмотки шагового двигателя, появляется возможность менять направление магнитного поля.
В данном случае значительно упрощается структура драйвера двигателя. Он должен обладать всего лишь четырьмя силовыми ключами. Соответственно, в униполярном двигателе применяется иной метод изменения направления магнитного поля. Отводы обмоток зачастую объединяются внутри двигателя, вследствие этого данный тип двигателя может обладать пятью или шестью проводами (рис. б).
Порой униполярные двигатели снабжаются четырьмя обмотками, каждая из которых содержит собственные выводы – то есть их всего восемь (рис. в). При определенном соединении этих обмоток подобный шаговый двигатель возможно использовать как биполярный либо униполярный. Кстати, униполярный двигатель, имеющий две обмотки с отводами по середине, возможно использовать и как биполярный. В этом случае провода, идущие от середины обмоток не используются.
Управление шаговым двигателем
В качестве примера управления шаговым двигателем возьмем униполярный шаговый двигатель ШД-1ЕМ, имеющий характеристики: количество шагов — 200/об., ток обмотки – 0,5А, мощность — 12 Ватт.
Драйвером, управляющим обмотками шагового двигателя выберем микросхему ULN2003A. Эта уникальная микросхема, не что иное, как транзисторная сборка по схеме Дарлингтона с открытым коллектором, снабженная диодом, защищающим цепь питания нагрузки. ULN2003A имеет семь каналов управления с током нагрузки 500мА каждый.
Входы микросхемы ULN2003A можно напрямую подключать к выходам цифровых микросхем, поскольку она имеет резисторы, подключенные к базам транзисторов. Еще одним немаловажным моментом является то, что выходы ULN2003A снабжены диодами, которые защищают микросхему от индукционных выбросов в момент коммутации обмоток шагового двигателя.
Вывод 9 микросхемы ULN2003A подведен к источнику питания через стабилитрон, который защищает схему от ЭДС самоиндукции, появляющейся в момент выключения блока питания схемы. Управление шаговым двигателем производится с помощью компьютера через LPT порт при помощи программы:
Скачать программу управления шаговым двигателем (204,1 KiB, скачано: 2 129)
Цифровой мультиметр AN8009
Большой ЖК-дисплей с подсветкой, 9999 отсчетов, измерение TrueRMS…
Что выбрать: сервопривод или шаговый двигатель? | RuAut
Шаговые двигатели представляют собой электромеханические устройства, задача которых состоит в преобразовании сигналов управления в линейное или угловое перемещение ротора, при этом фиксируя ротор в требуемом положении без использования специальных устройств обратной связи. По большому счету шаговый двигатель – это синхронный двигатель, но его отличительной чертой является подход управления. Ниже будет приведено описание самых распространенных шаговых двигателей.
Одним из типов шаговых двигателей являются шаговые двигатели с постоянными магнитами. В их состав входят: статор, который обладает обмотками, и ротор, который и содержит постоянные магниты. Полюса ротора чередуются и обладают прямолинейной формой. Полюсы располагаются относительно оси двигателя параллельно. В связи с присутствующей намагниченностью ротора в шаговых двигателях рассматриваемого типа становится возможным обеспечить больший магнитный поток. А, соответственно, и больший момент, если проводить сравнение с двигателями с переменным магнитным сопротивлением. Двигатель шагового типа с постоянными магнитами обладает шагом, величина которого составляет 30°. Когда происходит включение тока в какой-либо одной из катушек, тогда ротор начинает пытаться занять определенное такое положение, при котором бы разноименные полюса статора и ротора стали бы находиться напротив друг друга. Для того, чтобы осуществить постоянное непрерывное вращение, требуется включать фазы попеременно. На практике рассматриваемые двигатели, как правило, имеют от 24 до 48 шагов на один оборот, при этом угол шага составляет от 7,5° до 15°. Максимальная скорость ограничивается обратной электродвижущей силй со стороны ротора, влиянию которой подвержены шаговые двигатели с постоянными магнитами.
Гибридный тип двигателей является более дорогим, нежели двигатели с постоянными магнитами. Но они способны обеспечить большую скорость, больший момент и меньший размер шага. Характерное число шагов для гибридных двигателей на один оборот составляет 100-400 шагов, при этом угол шага равен от 0,9° до 3,6°. У гибридных же двигателей ротор имеет зубцы, которые расположены в осевом направлении. Ротор подразделяется на две части таким образом, что между этими частями располагается цилиндрический постоянный магнит. Иными словами, получается, что зубцы верхней половинки ротора выступают как северный полюс, зубцы же нижней половинки – как южный. Наряду с этим, нижняя и верхняя половинки ротора повернуты таким образом, что поворот друг относительно друга равен половине от угла шага зубцов. Количество пар полюсов ротора такое же, как и число зубцов на одной из его половинок. Полюсные зубчатые наконечники ротора, впрочем, как и статор, состоят из отдельных пластин. Такая конструкция способствует уменьшению потерь на вихревые токи. Статор у гибридного двигателя тоже имеет зубцы. Благодаря этому обеспечивается достаточно большое число эквивалентных полюсов, что нельзя сказать об основных полюсах, на которых расположены обмотки. Как правило, на практике используются 4 основных полюса для 3,6° двигателей и 8 основных полюсов для 0,9°-1,8° двигателей. В некоторых определенных положениях ротора его зубцы обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи. Это ведет к улучшению динамического и статического момента. Это свойство удалось обеспечить за счет особо соответствующего расположения зубцов. А именно за счет положения, при котором одна часть зубцов ротора располагается строго напротив зубцов статора, а другая часть между ними.
Сервоприводом обобщенно называют привод, асинхронного, синхронного либо какого-либо другого типа, который имеет отрицательную обратную связь по моменту, положению и другим параметрам. Благодаря такому приводу можно осуществлять точное управление всеми параметрами движения. Итак, сервопривод представляет собой целый комплекс специальных технических средств. Ниже приведен состав сервопривода в виде списка. В него входит:
- привод, к примеру, электромотор;
- датчик обратной связи, к примеру, датчик угла поворота выходного вала редуктора – энкодер;
- блок управления и питания. Он же выступает в роли сервоусилителя.
Мощностная характеристика двигателей составляет от 0,05 кВт до 15 кВт.
Часто применяется такое понятие, как «вентильный двигатель». Следует понимать, что под этим названием понимается всего-навсего двигатель, который управляется посредством «вентилей» – специальных переключателей, ключей и разнообразные аналогичные коммутационные элементы. В роли современных «вентилей» могут также выступать и IGBT-транзисторы, которые применяются в блоках управления приводами. При этом никакого конструктивного отличия не наблюдается.
К главному достоинству сервоприводов относится наличие обратной связи. С ее помощью такая система вполне может поддерживать высокую точность позиционирования на достаточно больших скоростях и больших моментах. Кроме этого система имеет такие отличительные особенности, как низкоинерционность и высокие динамические характеристики. К примеру, время, которое необходимо для переключения от скорости -3000 об/мин до того момента, когда скорость достигнет значения в 3000 об/мин, будет равняться всего-навсего 0,1 с. Блоки управления, которые используются на сегодняшний день, можно назвать высокотехнологическими изделиями с достаточно сложной системой управления. Эти блоки способны обеспечивать выполнение практически любой задачи.
Сервопривод обеспечивает линейное поддержание момента на всем диапазоне изменения скоростей. Это свойство получилась достигнуть благодаря применению двигателя синхронного типа в высококачественном исполнении. Разрешающая способность датчика обратной связи, энкодера, а так же блок управления определяют величину шага перемещения. Традиционные стандартные сервоприводы вполне способны обеспечивать шаг в 0,036°, то есть 1/10000 часть от одного оборота, и это на скоростях до 5000 об/мин. Наиболее современные на сегодняшний момент сервоприводы отрабатывают шаг в 1/2500000 от одного оборота.
Итак, подытожим. Шаговый привод и сервопривод нельзя рассматривать как конкурентов, так как каждый из них занимает свою конкретную нишу на современном рынке. Выполним сравнение сервопривода и шагового привода, основываясь на рынке станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Использование шаговых двигателей полностью целесообразно для применения в относительно недорогих станках с ЧПУ, которые предназначены для обработки легких металлов, дерева, древесно-стружечных плит (ДСП), пластиков, древесноволокнистых плит (МДФ) и других различных материалов средней скорости.
Использование высококачественных сервоприводов целесообразно в высокопроизводительном оборудовании, в котором основным критерием выступает уровень производительности. Единственным «недостатком» хорошего сервопривода является его достаточно высокая стоимость. Однако, сервоприводы обладаю рядом превосходных характеристик, которые достаточно часто играют решающую роль при выборе сервоприводов. К таким характеристикам можно отнести следующие:
- возможность получения точного и высокостабильного управления;
- наличие достаточно широкого диапазона регулирования скоростей;
- высокий уровень помехоустойчивости;
- компактные размеры;
- маленький вес.
Если добиться одинаковых качественных характеристик от шагового привода и сервопривода, то их стоимости начнут быть соизмеримыми, но при этом, безусловно, лидером окажется сервопривод.
Сравнение сервоприводов и шаговых двигателей
Рисунок 1 — СервоприводФизика процесса
Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту. Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и наоборот, электрическую энергию в механическую. Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую, называется генератором. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется двигателями.Принцип действия электрических машин основан на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов поместить проводник и под действием какой-либо силы F1 перемещать его, то в нем возникает Э.Д.С. равная:
E=B×I×vE= B times I times vгде В — магнитная индукция в месте, где находится проводник,
l — активная длина проводника (та его часть, которая находится в магнитном поле),
v — скорость перемещения проводника в магнитном поле.
Если этот проводник замкнуть на какой-либо приемник энергии, то в замкнутой цепи под действием Э.Д.С. будет протекать ток, совпадающий по направлению с Э.Д.С. в проводнике. В результате взаимодействия тока I в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Fэ, направление которой определяется по правилу левой руки; эта сила будет направлена навстречу силе, перемещающей проводник в магнитном поле. При равенстве сил F1 = Fэ проводник будет перемещаться с постоянной скоростью. Следовательно, в такой простейшей электрической машине механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в энергию электрическую, отдаваемую сопротивлению внешнего приемника энергии, т. е. машина работает генератором. Та же простейшая электрическая машина может работать двигателем. Если от постороннего источника электрической энергии через проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Рэ, под действием которой проводник начнет перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого-либо механического приемника энергии.
Рисунок 2 — Физика процессаТаким образом, рассмотренная машина так же, как и любая электрическая машина, обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем. Для увеличения Э.Д.С. и электромеханических сил электрические машины снабжаются обмотками, состоящими из большого числа проводов, которые соединяются между собой так, чтобы Э.Д.С. в них имели одинаковое направление и складывались. Э.Д.С. в проводнике будет индуктирована также и в том случае, когда проводник неподвижен, а перемещается магнитное поле полюсов.
Асинхронные двигатели
Наиболее распространенные электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.Асинхронный двигатель имеет статор (неподвижная часть) и ротор (подвижная часть), разделенные воздушным зазором, ротор крепится на подшипниках. Активными частями являются обмотки; все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жесткость, охлаждение, возможность вращения и т. п. По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из электротехнической стали и шихтованным. Фазный ротор используют когда необходимо создать большой пусковой момент. К ротору подводят ток и в результате уже возникает магнитный поток необходимый для создания момента.
На обмотку статора подается напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на стержни ротора и по закону магнитной индукции возникает электрический ток т. к. изменяется магнитный поток, проходящий через замкнутый контур ротора. Токи в стержнях ротора создают собственное магнитное поле стержней, которые вступают во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый стержень действует сила, которая складываясь по окружности создает вращающийся электромагнитный момент ротора из-за того, что индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре ротора, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток. Следовательно и возникает вращение.Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора Э.Д.С. и, в свою очередь, создавать крутящий момент.
Рисунок 3 — Вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезеНа рисунке приведен вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе:
- 1 — станина,
- 2 — сердечник статора,
- 3 — обмотка статора,
- 4 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой,
- 5 — вал.
Синхронные двигатели
Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктивных отличий от асинхронных. На статоре синхронного двигателя помещается трехфазная обмотка, при включении которой в сеть трехфазного переменного тока будет создано вращающееся магнитное поле, число оборотов в минуту которого n = 60f/p, где f — частота напряжения питания привода. На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, включаемая в сеть источника постоянного тока. Либо ротор выполнен из постоянного магнита. Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов или в случае с постоянным магнитом, магнитный поток уже создан. Вращающееся магнитное поле, полученное токами обмотки статора, увлекает за собой полюса ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной скоростью, т. е. со скоростью, равной скорости вращения поля статора. Таким образом, скорость синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.
Достоинством синхронных двигателей является меньшая, чем у асинхронных, чувствительность к изменению напряжения питающей сети. У синхронных двигателей вращающий момент пропорционален напряжению сети в первой степени, тогда как у асинхронных — квадрату напряжения. Вращающий момент синхронного двигателя создается в результате взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем полюсов. От напряжения питающей сети зависит только магнитный поток поля статора.
Шаговые двигатели
Шаговые двигатели — это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи. По сути шаговый двигатель является синхронным, но отличается подходом управления. Рассмотрим самые распространенные.
Двигатели с постоянными магнитами
Рисунок 4 — РоторДвигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением. Такой двигатель имеет величину шага 30°. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48—24 шага на оборот (угол шага 7,5—15°). Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной Э.Д.С. со стороны ротора, котрая ограничивает максимальную скорость.
Гибридные двигатели
Рисунок 5 — Устройство гибридных двигателейЯвляются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3,6…0,9°). Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3,6° двигателей и 8 основных полюсов для 1,8…0,9° двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними. Зависимость между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора и числом фаз определяет угол шага S двигателя:
S=360/(Nph×Ph)=360/NS= 360 / ( Nph times Ph ) = 360 / Nгде Nph — число эквивалентных полюсов на фазу, равное числу полюсов ротора,
Ph — число фаз,
N — полное количество полюсов для всех фаз вместе.
Сервопривод
Рисунок 6 — График зависимости момента от скорости вращения двигателяСервопривод — общее название привода, синхронного, асинхронного либо любого другого, с отрицательной обратной связью по положению, моменту и др. параметрам, позволяющего точно управлять параметрами движения. Сервопривод – это комплекс технических средств. Состав сервопривода: привод – например, электромотор, датчик обратной связи – например, датчик угла поворота выходного вала редуктора (энкодер), блок питания и управления (он же преобразователь частоты\сервоусилитель\инвертор\servodrive). Мощность двигателей: 0,05…15 кВт. Существует понятие «вентильный двигатель». Это всего лишь названия для двигателя, управление которым осуществляется через «вентили» – ключи, переключатели и т. п. коммутационные элементы. Современными «вентилями» являются IGBT-транзисторы использующиеся в блоках управления приводами. Никакого конструктивного отличия нет. Основным достоинством сервоприводов является наличие обратной связи, благодаря которой такая система может поддерживать точность позиционирования на высоких скоростях и высоких моментах. Также систему отличает низкоинерционность и высокие динамические характеристики, например время переключения от скорости –3 000 об/мин до достижения 3 000 об/мин составляет всего 0,1 с. Современные блоки управления являются высокотехнологическими изделиями со сложной системой управления и могут обеспечить выполнение практически любой задачи.
Характеристики системы сервопривода рассмотрим основываясь на сервоприводах фирмы Delta elc. Серии блока управления ASDA-A и двигателем 400 Вт. Как видно поддержание момента линейное на всем диапазоне скоростей. Это достигается благодаря использованию синхронного двигателя в высококачественном исполнении. Величина шага перемещения определяется разрешающей способностью датчика обратной связи, энкодера, а так же блоком управления. Стандартные сервоприводы могут обеспечить шаг в 0,036° т. е. 1/10 000 от оборота, и это на скоростях до 5 000 об/мин.
Самые современные сервоприводы отрабатывают шаг в 1/2 500 000.
Внешний вид
Шаговый двигатель | Серводвигатель |
---|---|
Рисунок 7 — Шаговый двигатель | Рисунок 8 — Серводвигатель |
Надежность
Шаговые двигатели обладают высокой надежностью, так как в их конструкции отсутствуют изнашивающиеся детали. Рабочий ресурс двигателя зависит только от ресурса примененных в нем подшипников. | Большинство современных бесколлекторных сервоприводов от известных производителей (Mitsubishi, Siemens, Omron, Delta) отличаются высокой надежностью, порой сравнимой с надежностью шаговых двигателей, даже несмотря на значительно более сложное устройство сервопривода. |
Эффект потери шагов
Всем шаговым двигателям присуще свойство потери шагов. Данный эффект проявляется в некотором неконтролируемом смещении траектории перемещения инструмента, от необходимой траектории. При изготовлении простых деталей, имеющих малую длину траектории перемещения инструмента и при невысоких требованиях к изделию, в большинстве случаем данным эффектом можно пренебречь. Но при обработке сложных изделий (пресс-формы, резьба и т. п.), где длина траектории может достигать километров!, данный эффект в большинстве случаев будет приводить к неисправимому браку. Данный эффект проявляется при выходе за допустимые характеристики двигателя, при неправильном управлении двигателем, а также при «проблемах» с механикой. Применение современных технологий управления шаговыми двигателями, с применением современной электроники, позволяет полностью устранить данный эффект, но стоимость возрастает. | Эффект потери шагов у сервоприводов полностью отсутствует. Потому, что в каждом сервоприводе имеется датчик положения (энкодер), который постоянно отслеживает положение ротора двигателя и при необходимости выдает команды коррекции положения, на основании которых управляющая электроника, проанализировав данные, полученные с энкодера, вырабатывает необходимые сигналы управления на двигатель. Данный механизм называется обратной связью. |
Скорость перемещения
При использовании шаговых двигателей в приводах подач в станках с ЧПУ можно добиться скорости 150…300 мм/сек (бывает и больше, но это уже «экзотика»). При максимальных скоростях и при превышении допустимой нагрузки возможно проявление эффекта потери шагов. | Приводы подач станков с ЧПУ на основе серводвигателей позволяют достигать высоких скоростей. Скорость холостого перемещения 0,5…1 м/c является нормальным явлением для сервоприводов. |
Динамическая точность
(Динамическая точность — максимальное отклонение реальной траектории перемещения инструмента от запрограммированной).
Динамическая точность является определяющей характеристикой при обработке сложноконтурных изделий (пресс-формы, резьба и т. п.). Шаговые двигатели отличаются высокой динамической точностью, которая является следствием принципов работы шагового двигателя. Обычно, на хорошей механике, рассогласование не превышает 20 мкм (1 мкм = 0,001 мм). | Высококачественные сервоприводы имеют высокую динамическую точность до 1…2 мкм и выше! (1 мкм = 0,001 мм). Для получения высокой динамической точности необходимо применять сервоприводы, предназначенные для контурного управления, которые точно отрабатывают заданную траекторию. |
Стоимость
В шаговых двигателях применяются дорогостоящие редкоземельные магниты, а также ротор и статор изготавливаются с прецизионной точностью, и поэтому по сравнению с общепромышленными электродвигателями шаговые двигатели имеют более высокую стоимость. | Применение дорогостоящего датчика положения ротора, а также применение достаточно сложного блока управления обуславливает значительно более высокую стоимость, чем у шагового двигателя. |
Стоимость систем для создания момента в 2 Нм.
Гибридный шаговый двигатель с шагом 1,8° – 12 000 р. Блок управления – 9 600 р. | Привод с энкодером обеспечивающий шаг в 0,036°, максимальную скорость 3 000 об/мин — 12 704 р. Блок управления – 13 000 р. |
Ремонтопригодность
шагового двигателя может выйти из строя только обмотка статора, а ее замену может произвести только производитель двигателя, так как если двигатель даже только разобрать и снова собрать, он уже не будет работать! Потому, что при разборке двигателя происходит разрыв магнитных цепей внутри двигателя и происходит размагничивание магнитов. Поэтому после сборки двигателя требуется намагничивание внутренних магнитов на специальной установке. | Поврежденный серводвигатель в большинстве случаев проще заменить, чем ремонтировать. Ремонту в основном подвергают только мощные двигатели, имеющие весьма высокую стоимость. |
Столкновение с препятствием
Столкновение подвижных узлов станка с препятствием, в результате которого происходит остановка шагового двигателя, не взывает у него каких-либо повреждений. | В станке на базе сервоприводов, при столкновении подвижных узлов с препятствием, управляющая электроника определяет, что произошло повышение нагрузки и для компенсации повышенной нагрузки повышает уровень тока, подаваемый на двигатель. При полной принудительной остановке на серводвигатель подается максимальный ток. Поэтому, если управляющая электроника не отслеживает подобную ситуацию, то возможно сгорание двигателя. |
Преимущества
|
|
Недостатки
|
|
Вывод
Сервопривод и шаговый двигатель не являются конкурентами, а каждый занимает свою определенную нишу. Сравним их на основе рынка станков с ЧПУ. Применение шаговых двигателей полностью оправданно для применения в недорогих станках с ЧПУ (в ценовой категории до 10—12 тыс. USD), предназначенных для обработки дерева, пластиков, ДСП, МДФ, легких металлов и других материалов средней скорости.Применение высококачественных сервоприводов необходимо в высокопроизводительном оборудовании, где главным критерием является производительность. Единственный «недостаток» хорошего сервопривода – это его высокая стоимость. К примеру, станок ATS-760 на шаговых приводах стоит 11 000 $, а эта же модель, но на сервоприводах стоит 17 500 $. Однако возможности получения высокостабильного или точного управления, широкий диапазон регулирования скорости, высокая помехоустойчивость, малые габариты и вес часто являются решающими факторами их применения. Добившись одинаковых качеств от сервопривода и шагового их стоимости станут соизмеримыми при однозначном лидерстве сервопривода.
Шаговый двигатель
Simscape / Электрический / Специализированные Энергосистемы / Электрические Машины
Описание
Блок Stepper Motor (STM) реализует типовую модель, которая представляет два самых популярных семейства шаговых двигателей:
Модель Stepper Motor состоит из электрических и механических разделов. Электрический раздел представлен эквивалентной схемой, настройка которой зависит от моторного типа. Эквивалентные схемы принимают, что магнитная схема линейна (никакое насыщение), и взаимная индуктивность между фазами незначительна. Механический раздел представлен моделью в пространстве состояний на основе момента инерции и коэффициента вязкого трения.
Этот рисунок показывает эквивалентную схему для одной фазы в шаговом двигателе переменного нежелания.
В этой модели Ra и La (θ), соответственно, представляют сопротивление и индуктивность фазы обмотка. Извилистая индуктивность варьируется как функция положения ротора:
La (θ) = L 0 + L 1cos (Nrθ),
где,
L 0 является средней индуктивностью.
L 1 является максимальным изменением индуктивности.
Nr является зубным номером ротора.
В ссылочном положении (θ = 0), зуб ротора полностью выравнивается с полюсом A-оси, чтобы достигнуть максимальной A-фазы извилистая индуктивность.
Общий электромагнитный крутящий момент, произведенный двигателем, является суммой крутящих моментов, произведенных моторными фазами:
где,
m является количеством фаз.
ix является обмоткой, текущей в фазе x.
Lx является функцией индуктивности обмотки фазы x.
Этот рисунок показывает эквивалентную схему для одной фазы в постоянном магните (PM), или гибридный шаговый двигатель.
В этой модели Ra и La, соответственно, представляют сопротивление и индуктивность обмотки A-фазы. Из-за большого значения воздушного зазора, введенного магнитами, извилистая индуктивность премьер-министра или гибридного шагового двигателя может считаться независимой от положения ротора. Исходный ea напряжения (θ) представляет моторную противоэлектродвижущую силу (EMF), который является синусоидальной функцией положения ротора:
где,
p является количеством пар полюса. Количество пар полюса p дано p = Nr/2.
ψm является моторным максимальным магнитным потоком.
Обратите внимание на то, что в ссылочном положении (θ = 0), Северный полюс на роторе полностью выравнивается с полюсом A-оси, чтобы достигнуть нулевого значения коэффициента противо-ЭДС A-фазы.
Электромагнитный крутящий момент, произведенный двухфазным PM или гибридным шаговым двигателем, равен сумме крутящего момента, следующего из взаимодействия токов фазы и магнитных потоков, созданных магнитами и крутящим моментом стопора, который следует из выступа ротора:
Te = –pψmiasin(pθ) – sin pψmib (pθ – π/2) – T dmsin (m Nrθ).
где,
Как получить параметры шагового двигателя
Параметры, используемые в модели степпера, обычно получаются из таблиц данных производителя. В случае, если параметры не доступны, можно определить их из экспериментальных измерений.
Параметры шагового двигателя переменного нежелания
Параметры, обеспеченные таблицами данных производителя, обычно: количество фаз, содержа крутящий момент, угол шага, напряжение на фазу, текущую на фазу, сопротивление обмотки, Ra, максимальную индуктивность, Lmax, среднюю индуктивность, L0, и инерцию ротора, J.
Параметры Шагового двигателя постоянного магнита/Гибрида
Параметры, обеспеченные таблицами данных производителя, обычно:
количество фаз
содержание крутящего момента
угол шага
напряжение на фазу
текущий на фазу
сопротивление обмотки, Ra
извилистая индуктивность, La
инерция ротора, J
Максимальный крутящий момент стопора, Tdm, не всегда задается. Этот параметр может быть принят, чтобы быть равным 1-10% максимального крутящего момента содержания.
Максимальное потокосцепление, ψm, не всегда задается. Этот параметр может быть получен экспериментально путем управления двигателем к постоянной скорости, N, в об/мин, и путем измерения максимальной разомкнутой цепи извилистое напряжение, Em, в V.
Параметр ψm затем вычисляется следующим отношением:
где p является количеством пар полюса, данных p =360 / (2m · шаг. Здесь m = номер фазы, продвиньтесь = угол шага в градусах.
Ссылки
[1] Т. Кенджо, А. Сугоара, шаговые двигатели и их микропроцессорные управления, 2-й выпуск, издательство Оксфордского университета, Оксфорд, 2003.
[2] П. Акарнли, Шаговые двигатели – руководство по теории и практике, 4-му Выпуску, Учреждению Инженеров-электриков, Лондона, 2002.
Коэффициент | 3 | 7.5 | 12.5 | 15 | 25 | 30 | 50 | 75 | 90 | 100 | 120 | 150 | ||||
FL57STh51-60JB | Кручение (Нм) (при 300 об/мин) | 1.02 | 2.55 | 4.25 | 5.1 | 7.66 | 9.19 | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
скорость (об/мин) | 100 | 40 | 24 | 20 | 12 | 10 | — | — | — | — | — | — | — | — | ||
FL57STH51-60JB | Кручение (Нм) (при 300 об/мин) | 1.78 | 4.25 | 7.08 | 8.5 | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
скорость (об/мин) | 100 | 40 | 24 | 20 | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | |
FL57STH56-60JB | Кручение (Нм) (при 300 об/мин) | 1.84 | 4.61 | 7.69 | 9.23 | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
скорость (об/мин) | 100 | 40 | 24 | 20 | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | |
FL57STH76-60JB | Кручение(Нм) (при 300об/мин) | 2.91 | 7.29 | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
скорость(об/мин) | 100 | 40 | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
– гибридные шаговые двигатели и гибридное управление с замкнутым контуром AlphaStep
Все двигатели преобразуют электрическую мощность, вольт и ампер, в механическую мощность, крутящий момент и скорость. Уникальная особенность шаговых двигателей заключается в том, что ими можно очень точно управлять скоростью и углом поворота. Шаговые двигатели – это бесщеточные двигатели постоянного тока, и поэтому для коммутации обмоток требуется электронный драйвер. Чтобы управлять вращением, в драйвер вводятся электрические импульсы, и двигатель вращается на один шаг для каждого импульса.Превосходная стабильность двигателя обеспечивает простую схему управления, поскольку двигатель может работать без обратной связи и никакой обратной связи не требуется.
Есть три типа шаговых двигателей; переменное магнитное сопротивление, двигатели с постоянными магнитами и гибридные шаговые двигатели. В этой статье речь пойдет о гибридных шаговых двигателях, а также о гибридной системе управления AlphaStep от Oriental Motor для шаговых двигателей.
Что такое гибридный шаговый двигатель?
Гибридный шаговый двигатель представляет собой комбинацию двигателей с переменным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.Ротор гибридного шагового двигателя намагничен в осевом направлении, как шаговый двигатель с постоянным магнитом, а на статор подается электромагнитное питание, как у шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением. И статор, и ротор имеют несколько зубьев.
Гибридный шаговый двигатель имеет намагниченный в осевом направлении ротор, что означает, что один конец намагничен как северный полюс, а другой конец – как южный полюс. Чашки зубчатого ротора размещены на каждом конце магнита, и чашки смещены на половину шага зубьев.
Сравнение типов шаговых двигателей
Oriental Motor предлагает три типа гибридных шаговых двигателей:
Гибридные системы управления
Гибридная система управления AlphaStepOriental Motor – это гибридный шаговый двигатель и пакет драйверов, обеспечивающий улучшенный отклик и надежность.AlphaStep имеет уникальную систему управления, сочетающую в себе преимущества «управления без обратной связи» и «управления с обратной связью».
В системе управления AlphaStep всегда отслеживается положение двигателя, а затем водитель автоматически переключается между двумя типами управления в зависимости от ситуации. В нормальных условиях работа двигателя контролируется, и управление осуществляется с использованием разомкнутого контура, как у стандартного шагового двигателя. Если возникает ошибка между командой и положением двигателя из-за нагрузки или чего-либо подобного, система немедленно переключается на управление с обратной связью, как серводвигатель.Это исправляет положение и скорость, поддерживая желаемую работу. Комбинация этих двух методов управления обеспечивает высокую надежность и производительность.
Гибридная система управления AlphaStep доступна для стандартных и редукторных шаговых двигателей AlphaStep, поворотных приводов AlphaStep, линейных направляющих и цилиндров AlphaStep и компактных линейных приводов AlphaStep.
Обычно работает в режиме управления разомкнутым контуром для той же простоты использования, что и шаговый двигатель
Высокий отклик
Благодаря высокой чувствительности шагового двигателя возможно перемещение на небольшое расстояние за короткое время.Двигатели могут выполнять команды без задержек.
Удержание позиции остановки без охоты
Во время позиционирования двигатель останавливается с собственной удерживающей силой без рывков. Благодаря этому он идеально подходит для применений, где низкая жесткость механизма требует отсутствия вибрации при остановке.
Без тюнинга
Поскольку он обычно работает с разомкнутым контуром управления, позиционирование все еще возможно без регулировки усиления, даже когда нагрузка колеблется из-за использования ременного механизма, кулачкового или цепного привода и т. Д.
Переключение на управление по замкнутому контуру во время перегрузки для более надежной работы, как серводвигатель
продолжает работу даже при резких колебаниях нагрузки и резком ускорении
Он работает синхронно с командами, использующими управление без обратной связи в нормальных условиях. В условиях перегрузки он немедленно переключается на управление с обратной связью для корректировки положения.
Выходной сигнал тревоги в случае отклонения от нормы
Если перегрузка действует постоянно, выдается аварийный сигнал.Когда позиционирование завершено, выводится сигнал КОНЕЦ. Это обеспечивает тот же уровень надежности, что и серводвигатель.
Подробнее о системе управления AlphaStep
Что такое гибридные шаговые двигатели?
Гибридные шаговые двигатели сочетают в себе аспекты шаговых двигателей с постоянным магнитом (PM) и с переменным магнитным сопротивлением (VR). Как и двигатели с постоянными магнитами, они содержат постоянный магнит в зубцах ротора. Ротор образует два набора зубцов, называемых чашечками.Одно кольцо – это все южные полюса, а другое кольцо – все северные полюса.
Подобно двигателям VR, гибридные шаговые двигатели имеют полюса статора. Обратите внимание, что полюса статора в гибридных двигателях иногда называют зубцами. (Для получения дополнительной информации прочтите FAQ по : Что такое количество полюсов и почему это важно? ) Больше после прыжка.
Здесь показаны ротор и статор гибридного шагового двигателя. Две чашки из мягкого железа оснащены зубьями для направления потока от постоянного магнита к воздушному зазору ротора и статора.Чтобы проиллюстрировать, как работают эти двигатели, рассмотрим 1.Гибридный шаговый двигатель 8 °. Зубья одного кольца смещены относительно зубьев другого кольца на 3,6 °. Полюса статора смещены на 90 ° и имеют противоположную полярность, так что каждые 180 ° полюса статора имеют одинаковую полярность. Полюса ротора существуют в наборах по четыре, два из которых являются северными полюсами, а два – южными. Полюса ротора поочередно выравниваются с зубьями и чашками ротора, так что один набор полюсов ротора полностью притягивается, а другой притягивает и отталкивает ¾, ½ или зуба. Если зубцов 50, угол наклона равен 7.2 °… поэтому на следующем шаге двигатель поворачивается к следующему ближайшему шагу, который равен 7,2 ° × ¼ = 1,8 °.
При изменении тока ротор может немного вращаться – это улучшение по сравнению с базовыми двигателями с постоянными магнитами и двигателями VR. Новые методы управления, такие как полушаговый и микрошаговый, позволяют дизайнерам получать еще более тонкие движения вращения, которые обеспечивают более точный результат, чем у шаговых двигателей VR (которые обычно не могут быть микрошаговыми). Гибридные шаговые двигатели также имеют более высокое отношение крутящего момента к размеру и более высокую выходную скорость, чем другие типы шаговых двигателей.Кроме того, они тише шаговых двигателей VR.
Одно предостережение заключается в том, что гибридные шаговые двигатели дороже других шаговых двигателей. Таким образом, проектировщики должны взвесить более высокую стоимость и преимущества бесшумной работы, меньших шагов и выходного крутящего момента, прежде чем делать окончательный выбор шагового двигателя.
Для получения дополнительной информации прочтите:
Постоянный магнит в двигателях – конструкция и теория эксплуатации
Гибридные шаговые двигатели с управлением движением, стр.
Динамика гибридных шаговых двигателей
Майк Лефевр
Инженер по приложениям
PennEngineering Motion Technologies Харлейсвилл, Пенсильвания.
Гибридные шаговые двигатели очень похожи на обычные двигатели. Одно из основных различий заключается в сборке ротора и статора. Обе накладки состоят из примерно 50 точно обработанных зубьев, улучшающих крутящий момент двигателя за счет перенаправления магнитных полей внутри шагового двигателя. |
Гибридные шаговые двигатели сочетают в себе принципы работы переменного магнитного сопротивления с шаговыми двигателями с постоянными магнитами.Вал ротора удерживает одну или несколько пар уложенных друг на друга пластин, содержащих множество зубцов по внешнему диаметру. Постоянный магнит между каждой парой многослойных стеков создает северный и южный полюсы, ориентированные вдоль оси вала двигателя.
Обычные электродвигатели вращаются непрерывно, но шаговые двигатели вращаются или шагают с фиксированными угловыми приращениями. Один оборот включает в себя выполнение двигателем определенного количества шагов, определяемых количеством зубьев, конструкцией двигателя и типом схемы привода, используемой для управления.Это измерение, называемое углом шага или разрешением шага, может быть указано как угловое измерение или определенное количество шагов. Наиболее часто задаваемое разрешение шага составляет 1,8 ° / шаг или 200 шагов / оборот.
Преимущество гибридных шаговых двигателей по сравнению с серводвигателями – прочная и простая конструкция; надежность при минимальном обслуживании; высокий крутящий момент на малых оборотах; и нет необходимости в устройствах обратной связи по положению или скорости. Сравнительные недостатки включают пониженный крутящий момент на высоких скоростях; резонанс и шум; и высокое потребление тока.Там, где точное позиционирование является обязательным, гибридные шаговые двигатели лучше всего подходят для приложений, характеризующихся стабильными нагрузками и скоростями менее 1000 об / мин.
МОМЕНТ И СКОРОСТЬ
Разработчики должны понимать такие термины, как рабочий крутящий момент, крутящий момент отрыва, крутящий момент втягивания, максимальная скорость и скорость отсечки, как часть принятия проектных решений. Крутящий момент двигателя минимален, когда ротор находится на полпути от одного положения шага к другому. Этот минимум определяет рабочий крутящий момент, максимальный крутящий момент, который двигатель может развивать при медленном шаге вперед.Рабочий момент иногда определяется как момент отрыва при более высоких скоростях шага. Двигатели, приводящие в действие нагрузки, превышающие их номинальный крутящий момент отрыва, будут выведены из строя. Ротор пропускает шаг вместо того, чтобы продвигаться вперед, и может даже повернуться назад на короткое расстояние. Пропущенные шаги нарушают точность положения двигателя.
В некоторых технических паспортах двигателей указано второе значение крутящего момента, называемое крутящим моментом при втягивании. Это максимальный момент трения, который двигатель может преодолеть, чтобы разогнать остановленную нагрузку до синхронной скорости.Попытка ускориться с использованием большего крутящего момента, чем номинальное значение втягивания, снова заставит ротор пропускать шаги.
Максимальная скорость определяется как скорость, при которой доступный крутящий момент падает до нуля. Проблемы с резонансом затрудняют измерение максимальной скорости, поскольку крутящий момент преждевременно падает до нуля.
Скорость отсечки – это скорость, выше которой крутящий момент начинает падать. Когда двигатель работает со скоростью ниже отсечки, времена нарастания и спада тока через обмотки двигателя занимают незначительную долю каждого шага.При скорости отсечки длительность шага будет сопоставима с суммой времен нарастания и спада.
ВЛИЯНИЕ НА РАБОЧИЙ МОМЕНТ
Способ встраивания компонентов двигателя влияет на работу, надежность и срок службы двигателя. Ротор гибридного шагового двигателя получает определенные преимущества от типа и качества пластин, остроты зубцов и материалов магнитов.
Ламинирование. Пакеты роторов обычно содержат до 80 пластин кремнистой стали (состоящих из двух или четырех пакетов), хотя это может варьироваться.Чем длиннее ламинация, тем выше крутящий момент.
Традиционно ламинаты склеивали с помощью клея или скрепляли булавками. Инновационные производственные процессы теперь исключают вторичные операции, связанные с клеем или выпечкой, что способствует производству в больших объемах. Один процесс включает в себя штамповку участков каждой пластинки, которые теперь блокируются во время сборки. Тонкие слои изоляции между слоями уменьшают наведенные токи, чтобы минимизировать потери энергии и повысить производительность.
Зубья: Зубья на роторе должны точно совпадать с зубьями на статоре. Их углы должны быть острыми для получения максимального крутящего момента. По этой причине зубы обычно шлифуются с высокой точностью.
Магниты: Каждый материал магнитов для гибридных шаговых двигателей обладает своими особыми качествами, преимуществами и недостатками. Требования к применению определяют, какой материал магнита подходит для работы.
Магниты из AlNiCoобладают стабильной прочностью при изменении температуры, но могут размагнититься при снятии с узла.В качестве альтернативы в большинстве гибридных шаговых двигателей используются магниты из неодима, железа и бора. Эти магниты сильнее, чем AlNiCo, но их сила больше изменяется в расширенных температурных диапазонах.
В целом, существует множество опций, которые могут быть адаптированы к требованиям конкретных приложений. Эти варианты позволяют производителям двигателей предлагать OEM-производителям специализированный дизайн и производственный опыт для разработки двигателей для различных применений.
Резонанс шагового двигателя
При определенной скорости шага шаговые двигатели часто испытывают нежелательную реакцию, называемую резонансом.Признаки – внезапная потеря крутящего момента с возможными пропущенными шагами и потеря синхронизации.
Резонанс присущ конструкции и работе всех шаговых двигателей. Низкие темпы шага в сочетании с высокой инерцией ротора и повышенным крутящим моментом вызывают звон, когда ротор выходит за пределы желаемого углового смещения и возвращается в исходное положение. Резонанс возникает, когда частота шагов совпадает со звоном ротора, обычно от 100 до 200 шагов в секунду. Неспособный преодолеть комбинированные эффекты как инерции нагрузки, так и звона, двигатель пропускает шаги и теряет крутящий момент и синхронизацию.
Изменение любого из трех параметров – инерционной нагрузки, скорости шага или крутящего момента – уменьшит или устранит резонанс. На практике проще всего изменить только крутящий момент, используя технику, называемую микрошагом.
Microstepping подает мощность на обмотки статора двигателя с приращениями. Крутящий момент увеличивается медленно, уменьшая перерегулирование и устраняя резонанс.
СВЯЗАТЬСЯ С НАМИ
PennEngineering Motion Technologies ,
(877) 748-8626,
pennmotion.com
– его рабочие преимущества и недостатки
Слово «гибрид» означает комбинацию или смесь. Гибридный шаговый двигатель представляет собой комбинацию характеристик шагового двигателя с переменным сопротивлением и шагового двигателя с постоянным магнитом. В центре ротора расположен осевой постоянный магнит. Он намагничивается для образования пары полюсов, таких как Север (N) и Юг (S), как показано на рисунке ниже.
На обоих концах осевого магнита предусмотрены торцевые крышки, которые содержат равное количество зубцов, намагничиваемых магнитом.Рисунок поперечного сечения двух торцевых крышек ротора показан ниже.
Статор имеет 8 полюсов, каждый из которых имеет одну катушку и количество зубцов S. На статоре 40 полюсов, каждая торцевая крышка имеет 50 зубцов. Поскольку зубья статора и ротора имеют размер 40 и 50 соответственно, угол шага выражен, как показано ниже.
Зубья ротора идеально совмещены с зубьями статора. Зубцы двух торцевых крышек смещены друг от друга на половину шага полюсов.Поскольку магнит намагничен в осевом направлении, все зубцы на левой и правой торцевой крышке приобретают полярность как южный и северный полюс соответственно.
Катушки на полюсах 1, 3, 5 и 7 соединены последовательно, чтобы сформировать фазу A. Аналогичным образом катушки на полюсах 2, 4, 6 и 8 соединены последовательно, чтобы сформировать фазу B.
Когда фаза возбуждается путем подачи положительного тока, полюса статора 1 и 5 становятся южными полюсами, а полюсы статора 3 и 7 становятся северными полюсами.
Теперь, когда фаза A обесточена, а фаза B возбуждена, ротор повернется на полный шаг угла 1.8⁰ против часовой стрелки. Фаза A теперь находится под напряжением отрицательно; ротор перемещается дальше на 1,8 ° в том же направлении против часовой стрелки. Дальнейшее вращение ротора требует отрицательного возбуждения фазы B.
Таким образом, чтобы вызвать движение ротора против часовой стрелки, фазы активируются в следующей последовательности + A, + B, -A, -B, + B, + A …… .. Для вращения по часовой стрелке последовательность + A, -B, + B, + A …… ..
Одним из основных преимуществ гибридного шагового двигателя является то, что, если возбуждение двигателя снимается, ротор продолжает оставаться заблокированным в том же положении, что и до отключения возбуждения.Это из-за крутящего момента фиксации, создаваемого постоянным магнитом.
Преимущества гибридного шагового двигателя
Преимущества гибридного шагового двигателя следующие: –
- Длина ступеньки меньше.
- Он имеет больший крутящий момент.
- Обеспечивает фиксирующий момент с обесточенными обмотками.
- Более высокая эффективность при более низкой скорости.
- Пониженная частота шагов.
Недостатки гибридного шагового двигателя
Гибридный шаговый двигатель имеет следующие недостатки.
- Повышенная инерция.
- Вес двигателя больше из-за наличия магнита ротора.
- Если магнитная сила изменяется, производительность двигателя изменяется.
- Стоимость гибридного двигателя больше по сравнению с двигателем с регулируемым сопротивлением.
Определение, работа, преимущества и применение
Как мы все знаем, основная функция любого двигателя заключается в преобразовании электрической энергии в механическую энергию, скорость и крутящий момент.Итак, исключительная особенность шаговых двигателей заключается в том, что они обладают способностью точно управлять управлением, связанным с функциональным углом и скоростью. Давайте начнем с концепции шагового двигателя, а затем перейдем к изучению гибридного шагового двигателя. Таким образом, шаговый двигатель, который также называют шаговым двигателем, относится к классу бесщеточных электродвигателей, которые разделяют полное вращение на равные фазы. Таким образом, этому положению двигателя можно дать команду повернуться и остановиться на любой из фаз без использования датчика положения для обратной связи.Теперь мы узнаем о гибридных шаговых двигателях и связанных с ними концепциях.
Определение гибридного шагового двигателя
Шаговые двигатели созданы на основе комбинированных характеристик переменного магнитного сопротивления и постоянного магнита. Подобно двигателям с постоянными магнитами, гибридные шаговые двигатели также имеют постоянные магниты, присутствующие в зубцах ротора. Пара зубцов, называемая чашками, вращает ротор. Они намагничиваются, образуя пару полюсов как Северный и Южный полюса. Кроме того, существуют шаговые двигатели с гибридным управлением, которые обеспечивают повышенную производительность и отклик.В дополнение к системе с обратной связью она также обеспечивает преимущества системы с обратной связью.
Благодаря этому типу двигателя можно постоянно наблюдать за его положением, а затем водитель может легко переключаться между замкнутым контуром и разомкнутым контуром в зависимости от условий. В общих сценариях соблюдаются функциональные возможности двигателя, а управление осуществляется так же, как и для обычного шагового двигателя. Когда возникает ошибка между положением двигателя и командой из-за большой нагрузки, тогда система автоматически переключается на замкнутый контур, как у серводвигателя.Это обновляет точный уровень скорости и положение, таким образом сохраняя требуемое положение.
Это все базовая теория гибридного шагового двигателя .
Двухфазный шаговый двигатель
Характеристики
Некоторые из особенностей гибридного шагового двигателя:
- Упрощенное управление с помощью импульсных сигналов
- Точное управление позиционированием
- Используя небольшие размеры, можно получить высокие значения крутящего момента
- Сам двигатель находится в остановленном положении
- Когда происходит сбой питания, самоорганизующийся крутящий момент двигателя не работает, и двигатель не будет находиться в остановленном положении в вертикальных функциях или при приложении некоторой внешней силы .
Рабочий гибридный шаговый двигатель
Подобно двигателям VR, эти гибридные двигатели также имеют полюса статора, которые называются зубьями. Статор состоит из 8 полюсов, каждый из которых имеет катушку, а на нескольких зубцах написано «S». Приведенная ниже теория объясняет конструкцию и работу гибридного шагового двигателя .
Конструкция и работа
Обычно статор имеет 40 полюсов, а каждая крышка имеет 50 зубцов. Итак, здесь количество зубцов статора и ротора составляет 40 и 50, и в этом случае угол шага показан как:
Угол шага = [(50-40) * 360] / 50 * 40
= 1.80
Зубья статора и ротора совмещены друг с другом. Оба зуба, имеющиеся на двух концах крышки, смещены друг относительно друга по центру шага полюсов. Поскольку левая и правая торцевые крышки намагничены в осевом направлении, они приобретают полярность, как северный и южный полюса. Катушки на 1, 3, 5 и 7 полюсах имеют последовательное соединение для создания фазы «А». в то время как катушки, которые присутствуют на 2, 4, 6 и 8 полюсах, имеют последовательное соединение для создания фазы «B».
В фазе «A», когда она возбуждается внешним током, 1 и 5 полюса преобразуются в южные полюса, а 3 и 7 – в северные полюса. Теперь, когда фаза «А» не имеет энергии, а фаза «В» работает, ротор будет вращаться на угол шага 1,80. Это делает фазу «А» под напряжением отрицательно. Кроме того, вращение ротора требует отрицательного возбуждения фазы «B». Итак, чтобы создать движение двигателя против часовой стрелки, необходим следующий порядок фазовых возбуждений: + A, + B, -A, -B, + B, + A.В то время как для создания движения двигателя по часовой стрелке необходимы фазовые возбуждения в следующем порядке: + A, -B, + B, + A. Это принцип работы гибридного шагового двигателя .
Различные типы
Некоторые из типов гибридных шаговых двигателей :
Тип тормоза – Этот вид гибридных двигателей снабжен электромагнитным тормозом, не вызывающим возбуждения. Когда происходит внезапный сбой питания, тормоз удерживает груз в нужном положении, предотвращая любое падение.В основном они используются для вертикальной оси.
Редукторный тип – Этот тип гибридных двигателей снабжен прочным редуктором с регулируемым положением, имеющим минимальный люфт, что увеличивает управляемость двигателя. Этот редуктор обеспечивает повышенную точность и плавный ход работы даже при получении большого крутящего момента.
IP65 – Эти типы двигателей, обладающие характеристиками устойчивости к струям воды при минимальном давлении и пыленепроницаемости, в основном подходят для применения во влажных условиях, например, в производстве напитков и пищевых продуктов.Эти двигатели предусматривают продукт, который не имеет проникновения пыли и повышенной безопасности от водяных струй.
Другие типы гибридных шаговых двигателей:
- Тип энкодера
- Базовый тип
- Интегрированный тип с контроллером и приводом
Сравнение гибридного шагового двигателя с другими двигателями
- Гибридные двигатели имеют минимальный шаг угол 1,80 по сравнению с шаговыми двигателями с регулируемым сопротивлением или с постоянными магнитами
- Он имеет увеличенный выходной крутящий момент, тогда как для двигателей с регулируемым сопротивлением он низкий, а для постоянных магнитов он умеренный
- Частота импульсов и скорость гибридных шаговых двигателей и двигателей с регулируемым магнитным сопротивлением высокие
- Гибридные шаговые двигатели имеют быстрое ускорение и реакцию
- Они производят гораздо меньше шума по сравнению с двигателями с регулируемым сопротивлением
Преимущества
Некоторые из преимуществ гибридных шаговых двигателей указаны ниже:
- Каждый шаг который произошел в моторе минимально
- Доставить rs увеличенный крутящий момент
- Двигатель обеспечивает высокий фиксирующий момент при обесточенных обмотках
- Он работает с повышенной производительностью даже при минимальных скоростях
- Минимальная частота шагов
Недостатки
Некоторые из недостатков гибридного шагового двигателя указаны как ниже:
- Инерция двигателя больше
- Конструкция, вес и конструкция двигателя сложны из-за наличия в нем магнита ротора
- Надежность и эффективность двигателя нарушаются, когда магнитный мощность изменена
- По сравнению с электродвигателем с регулируемым сопротивлением, гибридные шаговые электродвигатели несколько экономичны.
Приложения
Приложения гибридного шагового двигателя:
- Гибридные шаговые двигатели подходят для приложений, требующих бесшумной и плавной работы
- Применяются в системах позиционирования управления движением
- Компьютер и 3D-принтеры
- Объективы камеры
- Сканеры изображений
- Дисководы для гибких дисков
Здесь подробно рассказывается о концепции гибридных шаговых двигателей, их конструкции, принципах работы и преимуществах.Благодаря точному позиционированию и другим преимуществам эти двигатели широко используются во многих промышленных приложениях. Кроме того, знаете больше о связанных концепциях, таких как схема гибридного шагового двигателя и коммерческих приложений?
Постоянный магнит, переменное магнитное сопротивление и гибридные
Шаговые двигателиобычно используются в приложениях с линейным перемещением из-за их точного позиционирования и хорошего удерживающего момента. И хотя основной принцип работы одинаков для всех шаговых двигателей, существуют различия в работе и производительности между тремя основными типами: постоянный магнит, переменное сопротивление и гибрид.
Шаговые двигатели с постоянными магнитами
Типыс постоянными магнитами имеют ротор с постоянным магнитом, который намагничен в осевом направлении, что означает, что он имеет чередующиеся северный и южный полюса, параллельные валу ротора. Эти двигатели также называются двигателями с «банками» или «жестяными банками», потому что их статоры состоят из двух катушек, содержащихся в корпусах из мягкого железа (то есть в «банках») с зубцами на внутренней стороне, которые взаимодействуют с ротором.
Шаговые двигатели с постоянными магнитами обычно имеют угол шага 3.6 градусов (100 шагов на оборот), хотя доступны модели с углом шага 1,8 градуса. Эти двигатели могут работать в полушаговом, полушаговом или микрошаговом режимах для более высокого разрешения. Шаговые двигатели с постоянными магнитами обладают более высоким крутящим моментом, чем двигатели с регулируемым магнитным сопротивлением (см. Ниже), но на ограниченных скоростях, поэтому они лучше всего подходят для приложений, требующих от низкого до среднего крутящего момента на низких скоростях.
Наиболее распространенная конструкция двигателя с постоянными магнитами также упоминается как конструкция с «банками» или «жестяная банка», потому что статор состоит из двух катушек, содержащихся в корпусах из мягкого железа (т.е.е. «Банки»).Изображение предоставлено: Applied Motion Products, Inc.
Шаговые двигатели с переменным сопротивлением
Шаговые двигатели с регулируемым сопротивлением имеют простейшую конструкцию из трех типов, с немагнитным зубчатым ротором из мягкого железа и электромагнитным статором с обмоткой. Поскольку ротор не намагничен, нет притяжения между ротором и статором, когда обмотки не находятся под напряжением, поэтому двигатели с переменным сопротивлением не создают фиксирующий момент.
Их динамический крутящий момент относительно низок, но они имеют меньшее падение крутящего момента при более высоких скоростях двигателя, поэтому для средне- и высокоскоростных приложений они часто являются лучшим выбором, чем конструкции с постоянными магнитами.Однако шаговые двигатели с переменным сопротивлением известны своим относительно высоким уровнем шума, поэтому они не подходят для приложений, где шум является проблемой.
Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением имеет железный ротор с зубьями, которые притягиваются к полюсам статора, находящимся под напряжением.Изображение предоставлено allaboutcircuits.com
Гибридные шаговые двигатели
Комбинация постоянного магнита и конструкции с переменным магнитным сопротивлением, гибридные шаговые двигатели имеют постоянный магнит, зубчатый ротор, состоящий из двух секций или «чашек», полярность которых противоположна, а зубцы смещены друг относительно друга.Электромагнитный статор также зубчатый. Зубья ротора помогают направлять магнитный поток в предпочтительные места в воздушном зазоре, что улучшает их удерживающий, динамический и фиксирующий момент по сравнению с типами с постоянным магнитом и переменным магнитным сопротивлением.
Гибридные шаговые двигателитакже могут обеспечивать более высокое разрешение, чем другие типы шаговых двигателей, с углами шага всего 0,72 градуса (500 шагов на оборот) в полношаговом режиме, с еще более высоким разрешением при использовании полушагового или микрошагового режима.Гибридная конструкция, возможно, является самым популярным типом шагового двигателя, но более сложная конструкция делает его самым дорогим вариантом из трех типов шаговых двигателей.
Гибридный шаговый двигатель имеет зубчатый ротор, состоящий из двух «чашек» противоположной полярности, и электромагнитный зубчатый статор.Изображение предоставлено: Microchip Technology, Inc.
Ошибка 404 – Electronicos Caldas
Todos лос fabricantes3M4UconAavidAdafruit IndustriesAdvanced Acoustic TechnologyAGS-TECHaifMANAIM – American Iron и MetalAirpaxAllegro MicroSystemsAmerican Pro CableAmphenolams AGAnalog DevicesAosong ElectronicsArduinoASC Electronica – MagomAtmel (Microchip) Atten InstrumentsAVXB & F крепежей SupplyBBJBoschBournsBud IndustriesBurr Brown (Texas Instruments) CDILCentral SemiconductorCoilcraftComchipCoto TechnologyCRCCrydomCTCCTSCW Industries (Electro переключатель Corp.) CYGD-SUNDB UnlimitedDC ComponentsDeek-RobotDFRobotDiesel ToolsDigiDigilentDiodes Inc.DK ElectronicsEICElecFreaksElectronicas LaserElektorEnergizerEPCOSEspressif SystemsEST – Marushin electric mfg. coEvereadyEverlightExarFairchild Semiconductor (ON Semiconductor) FastronFreescaleFTDI ChipFujitsuFunduinoG-НОР ElectronicsGeekcreitGeneral Semiconductor (Vishay) GoldStarGoldSun ElectronicsGood-ArkGP BatteriesHammond ManufacturingHanwei ElectronicsHarris SemiconductorHelitrimHirose ElectricHitachiHoneywellInfineonIntelInterlink ElectronicsInternational Выпрямитель (Infineon) IntersilIsocom ComponentsIxysJaltechJCJHDJIHJIKJLJohnson ElectronicKeil ToolsKemetKerun OptoelectronicsKeystone ElectronicsKingbrightKinguangKoa Шпеер ElectronicsKobitoneLedTechLEKOLIGITEKLimingLite-OnLittelfuseLongtech OpticsLumexMagneticsMallory SonalertMaximMaxlinMazhida MotorMCCMCM ElectronicsMean WellMeasurement SpecialtiesMIC Группа RectifiersMicro ElectronicsMicro-Измерения (Vishay) MicrochipMicrosemiMikroElektronikaMilone TechnologiesMitsubishi ElectricMitsumiMolexMotorolaMulticompNational Semiconductor (Texas Instruments) NECNew Jersey Semiconductor (NJS) NexperiaNiceRFNiteo ToolsNM – Nabonasar MartinezNMB Tech гий (Minebea) NTENXP SemiconductorsOhmiteOlimexOmronON SemiconductorON Shore Технология – OSTOptekaOsblackOsramPanasonicParallaxPHILIPSPiFacePololuPowerhousePrinted ElectronicsPRO-ELECpro-SIGNALPro-Wave ElectronicsQin Gen ElectronicQT OptoelectronicsRaltronRaspberry Pi FoundationRCARectronRenesasRohm SemiconductorRollerSamsungSanDiskScanbrikSeeed StudioSemtechSenba Оптические и ElectronicSEP ElectronicSharp MicroelectronicsShuo XingSigneticsSinotechSolid государственный Inc.