My3Ds.ru

обновлено 13.07.2020

Шаговый двигатель в вопросах и ответах. Что это, устройство, назначение, выбор, подключение, использование и обслуживание.

Вступление

Скорее всего каждый слышал о шаговых двигателях, многие их видели и даже держали в руках, кто-то уже даже использовал по совету или по примеру, и несмотря на это многие вопросы остаются открытыми. Что это такое - шаговые двигатели, их устройство, их назначение, как подбирать такие электромеханические устройства для своего проекта, как рассчитать моменты, какой выбрать драйвер для управления, как подключить, какой мощности блок питания нужен, какое по величине подать напряжение питания, как использовать привода с такими моторами и как их обслуживать. А также масса других вопросов по этим устройствам возникает и их стоит обсудить.

Что такое ШД? Определение.

Шаговый двигатель - это синхронная бесщеточная электрическая машина состоящая из статора с несколькими обмотками возбуждения и ротора из магнитного материала с явно выраженными полюсами. Ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает перемещение и затем фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток статора вызывает дискретные угловые перемещения или так называемые шаги ротора. По этой причине двигатель и называется шаговым.

Конструкция ШД.

Двигатель состоит из статора, ротора и двух крышек фланцевых.

Ротор.

Ротор, это подвижная часть двигателя, он интегрирован с валом и может быть разным по конструкции:

Сейчас все широко доступные для покупки двигатели из Китая для станков - это гибридные шаговые двигатели! Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, вытянутые в осевом направлении. Ротор разделён на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки южными. Верхняя и нижняя половинки ротора повёрнуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок.

Вы можете сами убедиться в доступности шаговых двигателей, посмотрев цены на них по ссылкам на сайте покупок комплектующих для станка с ЧПУ.

!Важный момент! - ротор делает шаг не с равномерной скоростью, а дискретно, рывками и старается сделать шаг мгновенно. Это можно понять наглядно представив себе электромеханическое реле на обмотку которого подали ток, якорь реле при этом мгновенно притягивается к сердечнику с характерным щелчком прилипая к нему. Шум, вибрации, снижение крутящего момента, нагрев, резонансы и прочие неприятности с шаговыми двигателями зависят главным образом от этой особенности. Решаются эти проблемы правильным выбором параметров питания, способов управления и методами дробления шага (так называемый режим микрошага), либо увеличением количества фаз. Последнее зачастую не применяется, а вот настройка параметров драйверов по питанию, по параметрам двигателя и на режим микрошага широко распространено и есть сейчас практически на всех модулях драйверов ШД. Настройка может быть как программной через отдельный специальный интерфейс (rs-232 или иной подобный), так и механическими переключателями по таблице на крышке. О настройке следует поговорить отдельно ниже.

Статор.

Статор, это неподвижная часть, образует фактически корпус двигателя, содержит обмотки и отводы от них наружу проводов. По количеству проводов 4 (двухфазный двигатель) или 6 или 8.

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 - градусных двигателей и 8 основных полюсов для 1,8 - или 0,9 - градусных двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определённых 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.

Часто спрашивают, почему шаговый двигатель имеет 8 катушек а проводов всего 4? Так получается потому, что в двигателе 8 обмоток соединены внутри последовательно или параллельно и наружу выходит только четыре вывода. Также могут быть выведены 6 или все 8 проводов - у таких двигателей можно выбрать между характеристикой с большим моментом на низах, но резко спадающим с оборотами или характеристикой с не очень большим моментом низов, но спадающим гораздо плавнее с ростом оборотов. То есть можно подстроить область высокого момента под нужный целевой диапазон рабочих оборотов.

Полюса ротора и статора набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.

Крышки фланцевые.

Крышки фланцевые, являются опорами для вала ротора, содержат радиально-упорные подшипники качения, чаще всего выполнены из алюминиевых сплавов, имеют резьбовые отверстия для крепления двигателя.

ШД. Применение.

В машиностроении наибольшее распространение получили высокомоментные двухфазные гибридные шаговые электродвигатели с угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или 0,9°/шаг (400 шаг/об). Угловое перемещение на шаг также называют угловым шагом. Точность выставления шага определяется качеством механической обработки ротора и статора электродвигателя. Производители современных шаговых электродвигателей гарантируют точность выставления шага без нагрузки до 5% от величины шага.

Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме, или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задаётся последовательностью электрических импульсов, например, в станках с ЧПУ. Вы можете купить готовый механический набор для сборки станка как в видео ниже и добавить к нему шаговые двигатели с управляющей электроникой.

ШД. Стандартизация.

Шаговые двигатели стандартизованы национальной ассоциацией производителей электрооборудования (NEMA) по посадочным размерам и размеру фланца: NEMA8, NEMA 17, NEMA 23, NEMA 34, NEMA 42 это 20, 42, 57, 86 и 110 мм соответственно. Это самые распространенные, но возможно есть и другие типоразмеры.

По длине корпуса также есть стандартные значения в каждой группе двигателей, например для NEMA23 стандартные длины 56, 76, 112, 115мм. Чем длиннее, тем выше момент удержания.

ШД. Достоинства и недостатки.

!Важный момент! - Все шаговые двигатели создают сравнительно высокий момент при низких скоростях вращения, который существенно падает при увеличении скорости вращения. Однако, динамические характеристики двигателя могут быть значительно улучшены при использовании драйверов со стабилизацией тока на основе ШИМ. Сейчас практически все драйверы поддерживают именно такой режим работы.

!Важный момент! - В отличие от сервоприводов, шаговые приводы простые и позволяют получать точное позиционирование без использования обратной связи от датчиков углового положения. Именно этим они завоевали большую популярность.

Достоинства

Недостатки

Вероятность «проскальзывания» ротора является наиболее известной проблемой и недостатком этих двигателей. Это может произойти при превышении нагрузки на валу, при неверной настройке параметров или управляющей программы (когда ускорение разгона или торможения не адекватно перемещаемой массе), а также при приближении скорости вращения к резонансной (резонансов может быть несколько).

!Вопрос! Подскажите, как избавится от резонанса? Странно, но эту проблему редко освещают, это ведь это самый большой косяк шаговых двигателей. Как подбирать ток, скорость, ускорение, дробление шага и напряжение в зависимости от веса подвижных частей чтобы этот недуг не портил заготовки?

Ответ:

Режимы управления ШД.

Существует несколько режимов управления шаговым двигателем, давайте рассмотрим их все по очереди.

(Рис. (ask@mycnc.xyz). Пример с режимом 1)

(Рис. (ask@mycnc.xyz). Пример с режимом 2)

(Рис. (ask@mycnc.xyz). Пример с режимом 3)

При работе двух обмоток на полный ток может быть выше нагрев двигателя, поэтому есть еще более продвинутый режим.

(Рис. (ask@mycnc.xyz). Пример с режимом 4)

Наши сообщества ВКонтакте помогают найти и выбрать лучшие предложения для чпу:

VK @mycncxyz - mycnc.xyz | чпу станок своими руками или купить

VK @ncstudioxyz - ncstudio.xyz | чпу электронные комплектующие

Драйверы ШД.

Элементная база и принципы.

Шаговые двигатели придуманы уже очень давно и за это время было множество разнообразных типов драйверов (электронных устройств для управления), начиная от самых первых аналоговых и до современных цифровых модулей. Менялась как управляющая, так и силовая часть этих устройств.

Сейчас все современные драйверы ШД имеют стабилизацию тока методом ШИМ или скорее даже ЧИМ, это значительно расширяет динамические характеристики двигателей, поднимая крутящий момент на высоких скоростях вращения.

Конструктивное исполнение.

Драйверы могут быть по конструктиву интегрированными на плату контроллера или плату опторазвязки (часто это делается для экономии затрат и места, можно видеть в китайских готовых блоках управления), могут быть просто платой со штыревыми выводами для подключения и одновременно фиксации (часто на 3Д-принтерах), это может быть и плата с механическим креплением (tb6600 открытые бескорпусные) для небольших лазеров или граверов, это может быть закрытый модуль в корпусе (большинство драйверов типа DM542, DM556, DM856 и подобных для среднего класса станков), а может быть и модуль драйвера в корпусе и сразу совмещенный с блоком питания и питаться от сети 220В 50Гц (DM2282 к примеру).

Съемная или модульная конструкция дает возможность замены вышедшего из строя драйвера, интегрированные платы сложнее ремонтировать.

Система охлаждения.

Драйверы содержат всегда пассивную (радиаторы) или активную (радиаторы с вентиляторами) систему охлаждения.

Говоря о системе охлаждения, не стоит путать необходимость охлаждения электронного блока, детали которого рассчитаны на определенный рабочий температурный диапазон, и охлаждение корпусов самих шаговых двигателей! Двигатели при нормальных условиях эксплуатации рассчитаны на продолжительную работу без какого-либо дополнительного охлаждения и не нужно ничего выдумывать из того, о чем говорится в видео ниже.

Подключение ШД к драйверу.

Рассмотрим на примере двухфазных ШД.

Электрическая схема двухфазного ШД выглядит следующим образом:

(Рис. (ask@mycnc.xyz). Схема двухфазного ШД.)

.

Для начала надо определить принадлежность проводов фазам двигателя, особенно если нет паспорта на мотор, и заодно проверить целостность обмоток двигателя. Проверку можно сделать несколькими способами:

Начало и конец обмоток (начала обозначаются черными точками на схеме) определить вышеуказанными способами не получилось, эта информация имеет смысл для массового производства, где нужно сразу иметь правильное подключение.

При неверном подключении (перепутывании начал и концов обмоток) мы можем иметь неверное положительное направление двигателя. Исправить это можно двумя способами: поменять местами провода одной из фаз A+ с A- или B+ с B-, либо попарно поменять подключение фаз к драйверу A+ c B+ и A- с B-.

Подбор драйвера к двигателю.

Если есть двигатель и нужно подобрать к нему подходящий драйвер не вдаваясь сильно глубоко в сложные параметры можно дать следующие рекомендации:

Вот и весь подбор!

!Вопрос! А что если ток драйвера будет меньше номинального тока обмотки двигателя?

Ответ: Драйвера точно не сгорят, они имеют встроенную защиту и ограничение по току, но и двигатели поедут не охотно!

Расчет тягового усилия ШД.

Разберем подробно расчет тягового усилия на примере двигателей 57HS76-2804 и 57HS112-3004 для механической передачи с на основе ШВП типоразмера 1605.

Исходные данные.

Расчет.

Исходные данные мы определили и теперь готовы произвести сам расчет.

В конечном итоге выбор и применение будет зависеть только от Вас!


Продолжение следует ...

Купить готовый станок с чпу всегда можно недорого на торговой площадке!