Избор и изчисляване на стъпкови двигатели за cnc.

31.03.2019

Стъпковите двигатели са безчеткови устройства. Изработени са с няколко намотки. Основните параметри на устройствата могат да се нарекат прагово напрежение и брой полюси. Също така моделите се различават по отношение на съпротивлението на намотката. Монофазните модификации се правят със зъбни статори. Магнитите са най-често използвани от цилиндричен тип.

За CNC стъпковите двигатели са идеални. Въпреки това, в този случаймного зависи от оборудването. По-специално, модификациите са инсталирани на принтери, машинни инструменти и лазерни ножове. Те могат да бъдат намерени и на дискове. Това обаче се отнася само за линейни конфигурации. Това струва средно висококачествен стъпков двигател в района на 4500 рубли.

Как да изберем двигател?

Как да изберем за CNC? На първо място, трябва да вземете решение за вида на модификацията. Ако разгледаме опциите за машини, тогава върху тях често се използват двуфазни модели. Техните магнитни ядра са инсталирани с добра проводимост на тока. Директно роторите се прилагат от стомана. Чашите за статори са направени с перваза.

В този случай намотките се използват от магнитно мек материал. Статорите в представените устройства се използват със зъби. Степента на задържане трябва да бъде най-малко 3 kg/cm. Параметърът на съпротивлението на намотката зависи от типа CNC. Ако говорим за модификации с контролер, тогава горният индикатор трябва да бъде равен на 7 ома.

Устройства за металорежещи машини

Как да изберем за Ако разгледаме конвенционален модел на фрезоване, тогава на първо място е важно да обърнете внимание на вида на вала. Средно се монтира с диаметър 5 mm. В този случай статорът трябва да е над ротора в чашата, а самият ток на намотката трябва да бъде 2 A. За повече стабилна работаМоторът използва магнитни вериги с висока проводимост.

Също така, преди да купите, трябва да оцените индуктивността на намотката. Посоченият параметър за двигатели варира около 6 mH. В този случай драйверите на устройството трябва да са от биполярен тип. Средният стъпков двигател за машина с ЦПУ струва около 3 хиляди рубли.

Модели на задвижвания

Как да изберем стъпков двигател за CNC задвижване? В този случай много потребители предпочитат двуфазни модификации. Статорите им най-често са назъбени. По вида на ротора моделите са доста различни. Често те се изработват от зарядна стомана. Средният диаметър на вала е 5,5 mm. Ъгълът на наклона на задвижващите модели е 1,2 градуса. Токът на намотката в този случай трябва да бъде най-малко 3 A. Ако разгледаме еднофазни модификации, тогава драйверът за двигатели е подходящ за еднополюсен тип.

Средното съпротивление на намотката варира около 5 ома. Също така е важно да се обърне внимание на праговото напрежение на двигателите. Този параметър, като правило, не надвишава 6 V. Има обаче повече мощни моделиНа пазара. Максималната индуктивност на намотката, която имат, е 10 mH. В същото време индикаторът за текущо претоварване е на ниво от 4 A. Висококачественият стъпков двигател за задвижването ще струва около 4500 рубли.

Двигатели за принтери

Изборът на стъпков двигател за CNC принтер се извършва само сред трифазни модификации. По-целесъобразно е да изберете статори от тип зъбни колела. Магнитните вериги трябва да имат висока токова проводимост. Благодарение на тях двигателят ще набира обороти плавно. Ако говорим за параметрите, тогава моментът на задържане на модификации за принтери е средно 4 kg / cm. Самото прагово напрежение варира около 10 V.

Минималната индуктивност на намотката трябва да бъде 8,5 mH. Ъгълът на стъпката на устройството трябва да бъде на ниво от 1,3 градуса. Магнитите в представените модификации често се използват постоянни и имат цилиндрична форма. устройства зависи от вида на ротора. За еднополярни драйвери моделите на пазара са доста редки. Купува добър двигателза принтер, потребителят е способен на цена от 3 хиляди рубли.

Модификации за лазерни ножове

Кой двигател да изберете Много експерти в тази ситуация предпочитат модели от 10 V. Най-често те се правят със статори от зъбни колела. Техните магнитни ядра имат доста висока проводимост. Директно роторите в двигателите са разположени в специални купи. Модификациите на биполярния тип са рядкост на пазара.

Средно ъгълът на стъпката за моделите не надвишава 2 градуса. Максималното текущо натоварване на устройството се поддържа при 5 A. Максималната индуктивност на намотката зависи от броя на стъпките на оборот. Диаметърът на вала на двигателя трябва да бъде 5,5 mm. Към днешна дата висококачествени устройства за ножове се продават на цена от 4 хиляди рубли.

Еднофазни модификации

Еднофазните модели са най-подходящи за.Средно техният ъгъл на наклон е 2,5 градуса. Максималната индуктивност на устройството се поддържа на 7 mH. По отношение на броя стъпки на оборот моделите са доста различни. На пазара има много модификации за 5 и 10 V. Предавателно отношениеимат приблизително 1:54.

Биполярните модификации могат да се похвалят с висока проводимост на тока. Роторите най-често се монтират от заредена стомана. Чашките под тях са направени с издатини с различна дължина. Купете комплект в магазините стъпкови двигателиза CNC при 5 V е възможно за 4500 рубли.

Двуфазни устройства

Двуфазният двигател е подходящ за принтери. Мощността на моделите е доста различна. Модификациите за еднополюсни драйвери се отличават с повишена проводимост на тока. Индикаторът на праговото напрежение за тях е средно 5 V. Роторът е стандартно разположен в чашата. Валовете за моделите се монтират с диаметър 5 мм. Ъгълът на стъпката в представените конфигурации не надвишава 2 градуса.

Токът на намотката в този случай е 4,5 A. Моментът на задържане на двигателя директно зависи от магнитната верига. Ако разгледаме модели с намотка за високо напрежение, тогава този параметър е средно 3 kg / cm. Предавателното отношение на устройствата не надвишава 1:60. Съпротивлението на намотката е средно 8 ома. На статора в представените модификации са предвидени четири изхода за свързване. Контролерът на стъпковия двигател за CNC се намира само в биполярен тип. Една добра двуфазна модификация струва около 5 хиляди рубли.

Трифазни модели

Трифазният двигател често се използва за линейни задвижки. Неговият индикатор за прагово напрежение варира около 5 V. Модификациите със зъбни статори се срещат на пазара доста често. Магнитните ядра на тези модели имат индикатор за токова проводимост на ниво от 6 микрона. Роторите са направени, като правило, от зарядна стомана. Ъгълът на стъпалото на моделите не надвишава 2,4 градуса. Задържащият момент в този случай зависи от проводимостта на магнитната верига. Средно този параметър варира около 4 kg / cm.

Предавателното отношение на моделите е 1:63. По отношение на съпротивлението на намотките устройствата се различават значително. Минималната индуктивност на двигателите е 8,5 mH. Устройствата се произвеждат за четири и шест пина. Можете да закупите трифазна модификация на пазара само за 5 хиляди рубли.

Двигатели с драйвер ULN2003

Стъпков двигател за CNC от този типизползвания за неговия ротор е направен от зарядна стомана. Самата чаша на ротора е направена с висока издатина. Магнитната верига е инсталирана с токова проводимост от 4 микрона. Статорът в устройството е зъбчат тип, а намотката върху него е предвидена за ниско напрежение. Ъгълът на стъпката в този случай е 2,3 градуса. На пазара има много модификации от двуфазен тип. Техният индекс на съпротивление на намотката не надвишава 8 ома. Минималният параметър на индуктивност е 10 mH. Можете да закупите модел от този тип за 3500 рубли.

5 V модификации

5V CNC стъпков двигател може да бъде произведен с еднополярни и биполярни драйвери. В устройствата се използват различни магнитни вериги. Техният индекс на токова проводимост е средно 5,5 микрона. Статорните чаши най-често се правят с первази. Така валът плавно набира скорост. Ъгълът на стъпката на моделите не надвишава средно 1,2 градуса.

Ограничаващият ток на намотката на устройството се поддържа на ниво от 6 A. Задържащият въртящ момент на двигателите е средно 2 kg / cm. В този случай минималната индуктивност на намотката не надвишава 6 mH. Има добър стъпков двигател за CNC на 5 в района на 4200 рубли.

10V двигатели

10V CNC стъпков двигател често се избира за принтери, които работят с еднополярни драйвери. В този случай има четири изхода в устройствата. Проводимостта на директен ток варира около 6 микрона. Макс. ъгълстъпката в устройствата е 2,5 градуса. Индуктивността на намотката е най-малко 8 mH.

Трябва също да се отбележи, че представените конфигурации могат да се използват за работа с линейни задвижващи механизми. Статорите в устройствата се използват тип чаша. Магнитите са подходящи само за постоянни магнити. Те са с цилиндрична форма. Задържащият момент на 10 V двигатели е средно 4,5 kg/cm. Купува добър моделза принтер в специализирани магазини, можете на цена от 5 хиляди рубли.

При избора на стъпков двигател за CNC е необходимо да се основава на планирания обхват на машината и спецификации. По-долу са критериите за избор, класификацията на най-популярните двигатели и примерите за изчисление.

Как да изберем стъпков двигател за CNC: критерии

Индуктивност.Трябва да се изчисли квадратният корен от индуктивността на намотката и да се умножи по 32. Получената стойност трябва да се сравни със захранващото напрежение за драйвера. Разликите между тези числа не трябва да са много различни. Ако захранващото напрежение е с 30% или повече по-високо от получената стойност, тогава двигателят ще се нагрее и ще издаде шум. Ако е по-малко, тогава въртящият момент ще намалее твърде бързо със скоростта. Голяма индуктивностпотенциално осигуряват място за повече въртящ момент. Това обаче ще изисква драйвер с голямо захранващо напрежение.
Графика на въртящ момент спрямо скорост.Позволява ви да определите дали избраният двигател отговаря на условията в техническото задание.
Геометрични параметри.Дължината на двигателя, фланецът и диаметърът на вала са важни.

съвет:трябва да обърнете внимание и на омичното съпротивление на фазите, номиналния ток във фазата, инерционния момент на ротора, максималния статичен синхронизиращ момент.

тип на двигателя

Важен критерий е типът на стъпковия двигател за CNC машината. Широко използвани са биполярни, еднополюсни и трифазни модели. Всеки от тях има свои собствени характеристики:

биполярните се използват най-често за CNC поради лесния избор на нов драйвер, когато старият се повреди, високо съпротивление при ниски скорости;
трифазните са по-бързи от биполярните със същия размер. Подходящ при необходимост висока скоростзавъртане;
униполярните са няколко вида биполярни двигатели, в зависимост от връзката на намотките.

съвет:Друг начин за избор на двигател е да се анализират готови машини на пазара, които са близки по размери и други характеристики до разработвания.

Примери за изчисления на стъпкови двигатели за CNC

Ние определяме силите, действащи в системата

Необходимо е да се определи силата на триене в водачите, която зависи от използваните материали. Например, коефициентът на триене е 0,2, теглото на частта е 300 kgf, теглото на масата е 100 kgf, необходимото ускорение е 2 m / s 2, силата на рязане е 3000 N.

За да изчислите силата на триене, трябва да умножите коефициента на триене по теглото на движещата се система. Например: 0,2 x 9,81 (100 kgf + 300 kgf). Оказва се 785 N.
За да се изчисли силата на инерцията, е необходимо да се умножи масата на масата с частта по необходимото ускорение. Например: 400 x 2 = 800 N.
Да изчисля пълна силасъпротивлението трябва да се добави към силите на триене, инерция и рязане. Например: 785 + 800 + 3 000. Оказва се 4 585 N.

Справка:съпротивителната сила трябва да се развие от задвижването на масата върху гайката на сферичния винт.

Ние изчисляваме мощността

Формулите по-долу са представени без да се взема предвид инерцията на вала на самия стъпков двигател и други въртящи се механизми. Следователно, за по-голяма точност, се препоръчва да се увеличат или намалят изискванията за ускорение с 10%.

За да изчислите мощността на стъпков двигател, използвайте формулата F=ma, където:

F е силата в нютони, необходима за привеждане на тялото в движение;
m - телесно тегло в kg;
a е необходимото ускорение m/c 2 .

За определяне механична мощносте необходимо да се умножи силата на съпротивление на движението по скорост.

Изчислете намалението на оборота

Определя се въз основа на номиналната скорост на сервото и максималната скорост на масата. Например, скоростта на движение е 1000 mm/min, стъпката на сферичния винт е 10 mm. Тогава скоростта на въртене на сферичния винт трябва да бъде (1 000 / 10) 100 rpm.

За да изчислите коефициента на намаляване, вземете предвид номиналната скорост на серво задвижването. Например, те са равни на 5000 оборота в минута. Тогава намалението ще бъде равно на (5 000 / 100) 50.

Машинните инструменти често използват индукторни стъпкови двигатели, произведени в СССР. Става дума за моделите DSHI-200-2 и DSHI-200-3. Те имат следните характеристики:

Параметър	ДШИ-200-2	ДШИ-200-3
Консумация на енергия	11,8 W	16,7 W
Грешка при обработка на стъпка	3%	3%
Максимален статичен момент	0,46 нт	0,84 нт
Максимална чистота на инжекцията	1000 Hz	1000 Hz
Захранващо напрежение	30 V	30 V
Захранващ ток на фаза	1,5 А	1,5 А
единична стъпка	1,8 градуса	1,8 градуса
Тегло	0,54 кг	0,91 кг

Дадените примери за изчисление са приложими не само за стъпкови двигатели, но и за други видове двигатели. При отчитане на скоростта трябва да се има предвид, че за стъпковите двигатели е посочена честотата - стъпки / сек.

Избор на стъпков двигател за подемна инсталация

Избор на стъпков двигател за транспортна количка

Определяне на въртящия момент на стъпков двигател в устройство, използващо винтови зъбни колела

Необходим въртящ момент от стъпковото задвижване въртяща се цилиндрова система

Определяне на момента в механизми с рейка и пиньон

Характеристиките на работата на стъпковите двигатели налагат много строги изисквания за съответствие на параметрите на избрания двигател с дадено натоварване. Това е особено вярно при дискретни задвижващи системи с отворен цикъл, когато преминаването на поне един управляващ импулс от двигателя води до грешка в преобразуването на електрическия управляващ сигнал в ъгъл, който системата не може да коригира. Стъпковите двигатели обикновено не се проверяват за нагряване, тъй като са проектирани за дълъг режим на преминаване на токови импулси през управляващите намотки.

Когато избирате стъпков двигател, на първо място, трябва да се съсредоточите върху мощността, консумирана от задвижването (мотор + управляващ блок) от мрежата, захранващото напрежение, необходимия въртящ момент на изходния вал, скоростта на въртене на вала и момента на инерция на товара. За същото шофиране различни стойностизахранващо напрежение, консумацията на мощност на задвижването P=U*I (напрежение*ток) е различна. Например устройството D5779 консумира 150W от мрежата при захранващо напрежение 50V и 90W при захранващо напрежение 30V. Ефективността на стъпковите задвижвания в честотния диапазон 1 - 5 kHz, както и КПД синхронни двигателис постоянни магнитие 80-90%.

Изходна мощност на задвижването P=M*ω (въртящ момент*ъглова скорост). Очевидно мощността на изходящия вал не може да надвишава мощността, консумирана от мрежата.

Законът за запазване на енергията за система, състояща се от двигател и товар на вала, завъртян на половин стъпка, е както следва:

M двигател *φ=0,5*J*ω 2 + M натоварване *φ + M magn *φ +M триене *φ

където φ е ъгълът на завъртане

J е инерционният момент на системата, намален към вала

ω - ъглова скорост

M load - момент на натоварване

Mmag е моментът на съпротивление, създаден от постоянните магнити на двигателя, приблизително 5% от стойността на M на двигателя

M friction - моментът на триене в системата

Следователно максималната скорост, с която стъпковият двигател може да направи първата стъпка в системата с инерционния момент J, намален към вала и натоварен с товарния момент M:

ω =(2*φ*(M двигател - M натоварване - M магнит - M триене)/J) 1/2

На практика е необходимо също така да се вземат предвид електрическите преходни процеси във фазите на двигателя, които зависят както от захранващото напрежение и индуктивността на фазите на двигателя, така и от начина на управление на двигателя. Най-динамични са двигателите с минимална индуктивност. Обикновено началните честоти са в диапазона 800-1000Hz (2-2,5 rpm в режим на половин стъпка). Въз основа на това, за стъпков двигател, работещ в режим на половин стъпка, стойността на ускорението не трябва да надвишава 4 rad/sec 2 .

При определяне на необходимия въртящ момент изборът на стъпков двигател зависи от предпочитаните размери, присъединителни размери, цената на двигателя и блока за управление към него.

Ако вече има (или е избран) контролен блок, е необходимо фазовият ток на стъпковия двигател да не надвишава капацитета на контролния блок. Трябва също така да имате предвид броя на щифтовете, които могат да бъдат свързани към съществуващ контролен блок.

Статията съдържа основна информация за работата на стъпков двигател и препоръки относно метода за избор.

Стъпковият двигател е устройство с постоянна мощност, когато мощността се определя като въртящ момент по скорост. Това означава, че въртящият момент е обратно пропорционален на скоростта. За да разберете защо мощността на двигателя не зависи от скоростта, представете си идеален стъпков двигател.

В момента пазарът е пълен с предложения за голямо разнообразие от двигатели за голямо разнообразие от приложения, което не е изненадващо при избора на стъпков двигател, дори ако сте подготвили и проучили свойствата на стъпковите двигатели, научили сте основното им свойство да губят момент с нарастваща скорост на въртене и, като оцени инерционния момент на товара, даден на вала, приблизително определи какъв въртящ момент при какви скорости трябва да получите от степера. И така, как да изберете стъпков двигател и какво първо трябва да обърнете внимание при покупка?

1. Тип двигател - двуполюсен, еднополюсен, 3-фазен и др.

Нито един от видовете двигатели няма радикални предимства пред другите. Но всеки от тях има свои собствени малки характеристики. И така, трифазните двигатели са по-бързи - имат по-малък въртящ момент от биполярните двигатели със същия размер, но го задържат по-добре, поради което са добри за използване с скоростни кутии, във високоскоростни трансмисии. Биполярни - най-често срещаните, дават висока специфичност при ниски скорости, за тях е лесно да се купи драйвер, който да замени неуспешен. Униполярни - са гъвкаво решение, всъщност съдържат няколко вида биполярни двигатели (в зависимост от това как да се свържат намотките), както и действителния еднополюсен 6-пинов двигател. В по-голямата част биполярното е достатъчно и ако имате нужда от висока скорост на въртене, има смисъл да използвате трифазен двигател.

2. Графика на въртящия момент спрямо скоростта

Основна характеристика. Можете да се обърнете към тази графика и да видите дали този стъпков двигател може дори да изпълни условията на вашата спецификация.

3. Индуктивност

Изчислете корен квадратен от индуктивността на намотката и умножете по 32, сравнете полученото число с напрежението на захранването на вашия драйвер. Тези числа не трябва да се различават много - ако захранващото напрежение значително (30% или повече) надвишава полученото число, двигателят ще издава шум и ще се нагрява; ако падне много, въртящият момент ще намалее със скоростта твърде бързо.

4. Геометрични параметри

Фланец, диаметър на вала - важно като свързващи размери. Фланецът, съчетан с дължината на двигателя, също очертава "мощността" на стъпковия двигател.

Теоретична информация за режимите на работа на стъпковия двигател

В идеалния двигател няма триене, неговият въртящ момент е пропорционален на ампер-оборотите на намотките и единственият електрическа характеристикае индуктивността. Индуктивност L характеризира способността на намотката да съхранява енергия в магнитно поле. Индуктивностите имат свойството на индуктивно съпротивление, т.е. съпротива променлив ток, което е по-голямо, толкова по-бързо се променя токът, което означава, че индуктивно съпротивлениенараства с оборотите на двигателя. Съгласно закона на Ом токът е право пропорционален на напрежението и обратно пропорционален на импеданса, което означава, че токът на намотката намалява с увеличаване на скоростта на въртене. защото въртящият момент е пропорционален на ампер-оборотите, а токът е обратно пропорционален на скоростта, тогава въртящият момент също ще бъде обратно пропорционален на скоростта. Тези. при нулева скорост въртящият момент клони към безкрайност, с увеличаване на скоростта въртящият момент (и токът) започва да клони към нула.

електрически, истински двигателсе различава от идеалното главно в ненулево съпротивление на намотката, както и феромагнитни компоненти, които са склонни да се насищат с магнитно поле, което води до загуби от хистерезис и загуби от вихрови токове. Насищането ограничава въртящия момент, докато вихровите токове и загубите от хистерезис причиняват нагряване на двигателя. Помислете за кривата на въртящия момент на стъпковия двигател спрямо скоростта.

Както можете да видите от графиката, при скорости под определена граница, въртящият момент, а оттам и токът, нараства много бързо, до нива, които увреждат двигателя. За да избегне това, драйверът трябва да ограничи нарастването на тока до определена стойност. Тъй като въртящият момент е пропорционален на тока, въртящият момент ще бъде постоянен от момента на задържане до прага на скоростта, а над прага на скоростта токът ще бъде ограничен от индуктивността на намотките.

В резултат на това характеристиката скорост-въртящ момент идеален двигателще започне от сегмент, където въртящият момент е постоянен, до точката, когато двигателят спре да генерира и консумира реактивна мощност. Истинският стъпков двигател има загуби, които променят идеалната характеристика скорост-въртящ момент. Особено голям е приносът на момента от зъбните хармоници магнитно поле(понякога е посочено в документацията за двигателя). Винаги има загуби в двигателя и колкото по-бързо се върти валът на стъпковия двигател, толкова повече загуба, и те също трябва да бъдат извадени от идеалната характеристика

Забележете как истинска силанамалява заедно с увеличаване на скоростта, включително в сегмента на "постоянна мощност". Закръгляването в точката на прехода се дължи на преходния процес във веригата - драйверът постепенно преминава от източник на ток към източник на напрежение.

Резонанс на средните честоти

Стъпковият двигател е силно податлив на резонанс, като всъщност е аналог на махало "товар, окачен на пружина", където роторът е товарът, а магнитното поле е пружината, и има собствена честота на трептене, която зависи от сила на тока и инерция на ротора. В момента, когато фазовата разлика на момента и скоростта достигне 180 градуса, възниква резонанс - изменението на магнитното поле започва да съвпада със скоростта, а скоростта на ротора при позициониране на нова стъпкастава твърде голям. При резонанс значителна част от енергията на магнитното поле се изразходва за преодоляване на инерцията на ротора, когато той осцилира около равновесното положение, което се изразява в значително намаляване на въртящия момент на вала. Натрупаната кинетична енергия на ротора се изразходва при възникване на резонанс за около 1-10 секунди, така че можете да ускорите двигателя, като преминете резонансната зона без последствия, но няма да можете да работите дълго време - валът ще Спри се. За да се елиминира това явление, в драйверите се използват различни антирезонансни алгоритми.

Мощност на двигателя

Изходът на двигателя (скорост × въртящ момент) е пропорционален на напрежението, разделено на корен квадратен от индуктивността. Ако удвоим напрежението на ШИМ, получаваме различна CMX крива, която е по-висока и мощността в секцията с постоянна мощност ще се удвои. Текущото е друга картина. Фигурата по-долу показва какво ще се случи, когато драйверът е настроен на 2 пъти номиналния ток за двигателя. Моторът започва да генерира 4 пъти повече топлина, а моментът ниски оборотисе увеличава с по-малко от 2 пъти поради насищане на сърцевините на намотките.

Както можете да видите, мощността изобщо не се увеличава. Винаги се препоръчва да настроите тока на драйвера на номиналната стойност за двигателя. Това също ще намали вибрациите при ниски честоти, ще подобри производителността на удара в режим на микростъпка.

Захранващо напрежение и отопление на двигателя

Основните причини за нагряване на двигателя са загубите на съпротивление на намотките и феромагнитните загуби. Първата част е позната на всички - това е отделената топлинна енергия активно съпротивлениенамотаващи проводници, равни на I2R. Приносът на този член е голям само когато двигателят е в режим на задържане и рязко намалява с увеличаване на оборотите на двигателя. Феромагнитните загуби се наричат загуби поради токове на Фуко и загуби от хистерезис. Те зависят от промяната на тока и следователно от захранващото напрежение и се отделят като топлина. Както бе споменато по-горе, мощността на двигателя нараства пряко пропорционално на напрежението, но феромагнитните загуби също растат и, за разлика от мощността, нелинейни, което ограничава максималното напрежение, което може да се използва за водача. Можем да кажем, че максималната полезна мощност на стъпковия двигател се определя от количеството топлина, което може безопасно да се генерира върху него. Следователно не трябва да се опитвате да изстискате половин киловат от двигател от серия 57, като свържете драйвера към източник от 10 kV - напрежението има разумни граници. Могат да се преброят различни начини. Емпирично са получени няколко горни граници за максималното захранващо напрежение на ШИМ драйвер: то не трябва да превишава номиналното напрежение на намотките повече от 25 пъти или стойност от 32√ L, където L е индуктивността на намотката.

За по-голяма яснота по-долу е дадена графика, показваща феромагнитните загуби за двигател с оценки 4 A, 3 V.

Накратко за мощността на стъпковия двигател

Изборът на двигател и захранващо напрежение зависи изцяло от задачите. В идеалния случай моторът трябва да произвежда достатъчен въртящ момент при максималната планирана скорост. Необходимо е да се прави разлика между въртящ момент и мощност на двигателя: голям моментНа ниски скоростине означава, че двигателят е мощен. Изходна мощност - различна, повече важен параметър, може грубо да се оцени от кривата скорост-въртящ момент. На теория, максимална мощност, което може стабилно да се получи от драйвер, захранван от 80 V и 7 A изходен ток от приблизително 250 вата (1/3 HP), в действителност това ще изисква 2 или 3 двигателя NEMA 34. Моторите NEMA 23 са твърде малки, за да се използват топлина и NEMA 42 поради размера не отговарят на импеданса: ако техният ток е по-малък от 7 A, тогава напрежението ще бъде повече от 80 V и обратно. Въртящият момент от зъбните хармоници в двигателите NEMA 42 е много по-голям, отколкото в малките двигатели и трябва да се вземе предвид при изчисляване на изходната мощност. С други думи, изходната мощност на двигателите NEMA 42 пада по-бързо от по-малките двигатели. NEMA 42 трябва да се използва, ако се изисква висок въртящ момент при ниски скорости и няма смисъл да се използва мотор-редуктор.

ЗА КАКВО ГОВОРЯТ ХАРАКТЕРИСТИКИТЕ НА СТЪПКОВИЯ МОТОР

Ако сте пропуснали всичко написано по-горе или сте прочели, но не сте разбрали много, тази глава ще ви помогне да разберете как да преминете към практическата част. Няколко думи за размера на двигателя. Развитието на индустрията за производство на стъпкови двигатели отбеляза голям напредък и сега стъпковите двигатели са с един размер различни производителиимат много сходни характеристики. Размерът на двигателя определя рамката, в която той може да се променя основна характеристика- крива скорост-въртящ момент. Индуктивност намотките показва колко стръмна ще бъде CMX кривата със същото захранващо напрежение на PWM драйвера: ако вземем 2 двигателя с еднакъв размер с различна индуктивност и ги управляваме с един драйвер със същото захранващо напрежение, получените CMX криви ще се различават по стръмност:

Повече индуктивност потенциално ви дава повече въртящ момент, но за да направите това преобразуване, имате нужда от драйвер с по-високо захранващо напрежение - тогава CMX кривата ще се повиши пропорционално на увеличението на напрежението. На практика почти всички фирми произвеждат еднотипни двигатели в две версии – „бавни“ и „бързи“, с голяма и малка индуктивност. Освен това "бързите" модели са по-популярни - за тях на високи оборотинеобходимо е по-малко напрежение, което означава по-евтини драйвери и захранване. И ако внезапно няма достатъчно мощност - можете да вземете по-голям двигател. "Бавните" модели остават за специфични приложения - в случаите, когато не е необходимо стъпковото задвижване високи скорости, необходим е голям задържащ момент и т.н.

Текущ намотката е косвено свързана с въртящия момент, но основно казва какъв вид драйвер ще трябва да бъде избран за този двигател - той трябва да може да достави точно това ниво на ток.

Захранващо напрежение на намотката показва какво DC (не PWM) напрежение може да бъде приложено към намотката - това е стойността на напрежението, използвана от драйверите постоянно напрежение. Полезно е при изчисляване на максимално допустимото захранващо напрежение на ШИМ драйвер и също е косвено свързано с максималния въртящ момент.

АЛГОРИТЪМ ЗА ИЗБОР НА СТЪПКОВИ ДВИГАТЕЛИ

И така, как избирате двигател? Зависи с какви данни разполагаш. от общо взето, изборът на двигател се свежда до избор на 5 неща - производител, тип двигател, размер, фазов ток и индуктивност. Първият параметър е труден за оценка - малко хора имат представителна извадка от проби от различни доставчици. Що се отнася до типа двигател, препоръчваме винаги, когато има несигурност в избора, да използвате биполярни стъпкови двигатели с 4 извода и ниска индуктивност. Тези. изборът се състои главно в избора на размера на двигателя (в рамките на същия размер характеристиките на двигателите с еднаква индуктивност на почти всички производители са практически еднакви). За избор специфичен моделможете да използвате следния алгоритъм:

Изчисли максимална скороствъртене V в обороти / s, което искате да получите от задвижването, и момента M, който трябва да получите от него при тази скорост (поставете марж от 25-40% в тази стойност).
Преобразувайте скоростта на въртене в PPS пълна скорост на крачка, за стандартен двигателна стъпки от 1,8 градуса PPS = 200 * V.
Изберете измежду размер на двигателя, който е приблизително подходящ на пръв поглед налични моделиЗа този размер изберете двигател с по-малка индуктивност.
Използвайте CMX кривата на производителя и намерете своята PPS стойност върху нея. Проверете дали въртящият момент, посочен на кривата, е достатъчен.
Ако въртящият момент, посочен на кривата, е твърде малък, помислете за по-голям двигател, ако е твърде голям, помислете за по-малък двигател.

Този метод обаче често дава неправилни резултати поради Голям бройфактори и допускания при изчисляването на момента. Можете лесно да получите, че за управление на малък портален рутер с портал с тегло 15 кг внезапно ще са необходими двигатели ST86-114. По-често се използват емпирични методи, които се оказват по-точни. Един от тези методи е да се определят двигателите според теглото на портала и размера на работното поле. Например, изборът на стъпков двигател за хоризонтална предавка (оси X и Y) може да бъде направен въз основа на теглото на движещата се част, зъбното колело, водачите и материалите, планирани за обработка. За класически портални машини, със сачмено-винтова трансмисия, стъпка 5 mm на оборот, за обработка на дърво и пластмаса, скорост празен ходдо 4000 mm/min, като приемем, че управляващите оси не са предварително натоварени и регулирани така, че движещата се част да се движи върху тях без никакво съпротивление, могат да се препоръчат следните стойности:

Друг често срещан подход е да се анализират готови машини на пазара, които са близки до проектираните по отношение на размери и производителност - доказан дизайн означава, че двигателите вече са оптимално съчетани и техните характеристики могат да бъдат взети като основа.

Стъпкови двигатели могат да бъдат намерени в устройството на автомобилостроенето табла за управление, принтери, CD-ROM устройства, електрически инструменти, изобщо - навсякъде, където се изисква повишена точност на позициониране. Но най-известният SD получен в машини с ЦПУ.

Но защо този механизъм се нарича така - "стъпков двигател"? Ако го опишете накратко, тогава е безчетков синхронен двигателс няколко жични намотки. Електричествосе подава в една от намотките на статора (неподвижен елемент) и по този начин фиксира ротора (подвижната част) в определено положение. След това токът влиза в другата намотка и роторът прави ново движение. Такава последователна промяна на позицията се нарича "стъпка". И именно благодарение на този принцип на работа стъпковият двигател получи името си.

Устройство и видове SD

Днес има три основни типа стъпкови двигатели:

Трябва да се отбележи, че микростъпката е възможна само в хибридни стъпкови двигатели. Всяка микростъпка се осъществява чрез независимо управление на намотките. Чрез контролиране на съотношението на токовете, роторът може дори да бъде фиксиран в междинната секция между две съседни стъпала. Това подобрява плавността на въртене на подвижния елемент и постига оптимална точност на позициониране. Броят на стъпките в този режим може да достигне дори 51 200 на оборот.

Много аматьори се чудят: защо е избрана формата на зъбното колело на ротора? Отговорът е прост: за да се получи периодична зависимост на намотката на статора от ъгловото положение на ротора. Разстоянието между жлебовете е много по-голямо, отколкото между зъбите. Това дава възможност да се осигури по-ниска магнитна проводимост на междините спрямо специфичната проводимост на зъбите. В противен случай стъпковият двигател просто няма да може да функционира. Очевидно това е съвкупността от всички негови характеристики на дизайна, както и формите и състава на елементите, позволяват стъпковият двигател да бъде пълноценен механизъм, а не просто парче метал.

Освен това, в зависимост от вида на намотките, стъпковите двигатели се разделят на:

биполярно. Имат по една намотка за всяка фаза. Промяната на посоката на магнитното поле в тях се осигурява чрез обръщане на водача - двуполюсен полумост или мост;
еднополюсен. Такъв стъпков двигател също има една намотка във всяка от фазите, но в същото време се прави кран от средата на всяка отделна намотка. Така посоката на полето може да се промени чрез превключване на използваната половин намотка. Драйверът трябва да съдържа само четири ключа, така че е по-прост от биполярен мотор.

Характеристики на стъпков двигател

В техническата документация за стъпкови двигатели можете да намерите следния списък с характеристики:

Въртящ момент или въртящ момент. Измерва се в килограм-сила-сантиметри. Често към този елемент е приложена графика, която изразява зависимостта на въртящия момент от скоростта. Колкото по-висока е тази цифра, толкова по-бързо двигателят набира скорост, когато е включен.
момент на задържане. Показва с каква сила статорът може да блокира ротора, когато двигателят е включен, но не работи. Тоест, това е параметърът на въртящия момент при нулева скорост. Според графиката тя намалява правопропорционално на увеличаването на скоростта на въртене. Това се измерва в унции на инч. Задържащият момент в мярката, посочена от производителя, двигателят може да демонстрира само в статичен режим, при условие че пълният ток се подава незабавно към две фази.
Спирачен момент. Това е силата, която предпазва ротора от въртене при липса на захранване с ток. Тоест силата на заключване на ротора, когато е изключен. Нарича се още момент на спиране. При хибридните стъпкови двигатели не е повече от една десета от силата, която предпазва ротора от въртене, когато токът е напълно приложен. Тази характеристикаизмерено в същите единици като момента на задържане.
Номинално напрежение. Този индикатор директно зависи от индуктивността на намотките и ви позволява да определите оптималното напрежение, което трябва да се подава към двигателя. Най-доброто напрежение, подходящо за вашия стъпков двигател, е между 4 и 25 пъти номиналното напрежение. Ако превишите приложения ток, двигателят ще прегрее, което ще доведе до неговата повреда. И ако напрежението не е достатъчно, то просто няма да започне. Тази характеристика е посочена във волтове. Да изчисля оптимална здравинаток, използва се специална формула U = 32 x√ L, където L е индуктивността на намотката, а U е желаната стойност.
Отделно се посочва резултатът от диелектрични тестове, по време на които се определя максималното напрежение, което намотката може да издържи за определен период от време. Този индикатор определя силата на двигателя, колко успешно може да устои на претоварване.
Инерционният момент на движещата се част на двигателя. Определя скоростта на ускорение на стъпковия двигател. Тази стойност се измерва в грам квадратни сантиметри.
Брой стъпки на оборот(вземат се предвид само пълни стъпки, половин стойности не се вземат предвид). Колкото повече стъпки, толкова по-мощен и по-бърз е двигателят.
Дължина и тегло. Това се отнася за дължината на тялото, с изключение на оста. Но в параметъра "тегло" е посочено общо теглопродукти. Размерите и теглото определят условията, при които двигателят може да се използва. В някои случаи се нуждаете от компактен двигател, а в други само по-голям и по-мощен.

Разгледайте стъпковия двигател nema като пример. Двигател PL57H41, което означава ширина-височина (диаметър) на квадратния фланец 57 мм - PL57. Дължина на двигателя, без вала 41мм - H41. Въртящият момент, задържането и други моменти на двигателя зависят повече от диаметъра, отколкото от дължината на двигателя.

Характеристики PL57H110

PL57H110	L, мм	131	Фазова индуктивност, mH	6,0±20%
	Ъглова стъпка, °	1,8±5%	Фазово съпротивление, Ohm	1,0±10%
	Брой фази	2	Момент на задържане, kgxcm	28
	Изолационно съпротивление, MOhm	100	Инерционен момент, g x cm 2	405
	Температура на околната среда среда, °С	-20~40	Тегло, кг	1.7
	Работна температура, °С	110 макс	Брой валове	1
	Фазов ток, A	4	Тип
			Размер на шпонковия канал, мм

Характеристики PL86H113

PL86H113	L1 ±1, мм	113	Фазово съпротивление, Ohm	1,0±10%
	L2±1, мм	35	Задържащ момент, kg x cm	1"
	L3, мм	148	2	2700
	Ъглова стъпка, °	1,8±5%	Брой валове	1
	Брой фази	2	Тегло, кг	3.5
	Изолационно съпротивление, MOhm	100	Радиално биене на вала на двигателя (натоварване 450g.)
	Температура на околната среда среда, °С	-20-40	Радиално биене на вала на двигателя (натоварване 450g.)
	Работна температура, °С	110 макс	Фазова индуктивност, mH	6,3±20%
	Фазов ток, A	4.2

Връзка, драйвери и енкодери

По правило стъпковите двигатели се управляват с помощта на специални драйвери, свързани към LTP порта на компютъра. Драйверът получава сигналите, генерирани от програмата, и ги трансформира в команди към двигателя, предавани чрез прилагане на ток към намотките. Софтуерът може да регулира траекторията, количеството, скоростта и обема на движение.

Драйверът е блок за управление на стъпков двигател. При CNC машините управляващите сигнали се генерират от CNC контролери, така че 4 изхода на стъпкови двигатели, контролни проводници от CNC контролера (обикновено 4 проводника) и захранване + и - от захранването са свързани към драйвера. Сигналите от контролера влизат в водача, където вече контролират превключването на клавишите захранваща веригазахранващо напрежение, идващо от захранването през тези ключове към двигателя.

Драйверът трябва да бъде избран според максималния изходен ток на необходимото напрежение към клемите за намотките на двигателя. Изходният ток от драйвера трябва да бъде или същият, който ще консумира двигателят, или по-висок. На драйвера има превключватели, с които можете да зададете желаните параметри на изходното напрежение и да не изгаряте двигателя.

Начинът, по който свързвате стъпков двигател към обща верига зависи от това колко проводника имате във вашето устройство и как точно искате да използвате стъпковия двигател. Има много модели и всеки от тях има своя собствена схема на свързване. Броят на проводниците в двигателя може да варира от четири до шест. Четирипроводните двигатели се използват изключително с биполярни механизми.

Всяка две намотки отговарят на два проводника. За да определите необходимите двойки и връзката между тях, ще ви трябва метър. Най-мощните са двигателите с шест проводника. Те имат централен кран и два проводника за всяка отделна намотка. Такъв стъпков двигател може да бъде свързан както към биполярни, така и към еднополярни устройства. Ще ви трябва специален измервателен уредза разделяне на проводниците. За еднополярни устройства използвайте всичките шест проводника. За биполярни са достатъчни един централен кран и проводник за една намотка.

Централният кран е обикновен проводник, който също се нарича "среден" или "централен". Намира се в някои видове стъпкови двигатели. IN униполярни двигателиИма три проводника за всяка намотка. Два от тях са предназначени за свързване към транзистори. А средният, тоест централния кран, трябва да бъде свързан към източник на напрежение. Тоест, ако не е необходимо да свързвате транзистори, можете просто да игнорирате двата странични проводника.

Петпроводните стъпкови двигатели са подобни на шестпроводните, но в тях централните проводници са изведени в един общ кабел, заедно с останалите. Без прекъсвания няма да можете да разделите намотките помежду си. Най-добре е да намерите средния проводник и да го свържете към други проводници - това ще бъде ефективна и най-безопасна опция.

Енкодерите често се използват със стъпкови двигатели. Те са просто сензори, чиято работа е да подават сигнали към софтуера. Много експерти смятат, че в повечето случаи комбинирането на стъпков двигател с енкодери няма смисъл и е неефективна загуба на пари. Но ако има нелинейна зависимост на движението от броя на стъпките, когато е необходимо да се изгради петата координата, енкодерът ще бъде незаменим. Ще улесни проследяването на ъглите на масата, което ще спести време, като елиминира необходимостта от по-сложни методи.

Приложения, плюсове и минуси

ShD са особено широко разпространени във високотехнологичните и тежките индустрии. Поради факта, че те са много евтини и са доста прости, търсенето им не изчезва дори през 21 век. Често можете да ги намерите в CNC машини, роботика, устройства за автоматизация (подаване, дозиране, механизми автоматично заваряванеи сглобяване и др.).

Стъпковите двигатели са особено популярни при проектирането на координационни маси и CNC машини. Благодарение на ниската цена софтуернеобходими за тяхното функциониране, SD са незаменими в производствения сектор, в контролни панели, програмиране и настройка на задачи и в други елементи на механизмите.

Стъпковите двигатели често се използват в компютърни периферни устройства, печатащи машини и устройства, фрезови машини и чертожни машини, системи за наблюдение и контрол, перфоратори, четци на ленти.

Стъпковите двигатели се конкурират по популярност със серво мотори, които могат да изпълняват подобни функции при същите условия като стъпковите двигатели.

Предимства на стъпковите двигатели в сравнение със серво моторите: