Что делает шаговый двигатель

Шаговые двигатели стандарта NEMA

Мы поставляем современные высоконадежные гибридные двигатели стандарта NEMA. Серия FL используется в роботах-манипуляторах, вакуум-формовочных машинах, приводах подач, конвейерных линиях, маркировщиках и другом промышленном оборудовании. Эти электродвигатели уже давно отлично зарекомендовали себя на российском рынке. Производитель предоставляет гарантию на эти двигатели в течение 1 года. Под заказ возможна поставка моделей с редуктором.

Для каждой модели шагового двигателя мы поставляем полный комплект управления — драйверы и контроллеры.

Шаговые электродвигатели – это двигатели постоянного тока, которые перемещаются дискретно (прерывисто). Они имеют несколько катушек, которые организованы в группы, называемые «фазы». При активации каждого этапа в последовательности, мотор вращает, один шаг за один раз.

Шаговые двигатели различаются размерами и техническими характеристиками.

Преимущества
Шаговые двигатели имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами двигателей. Одним из самых впечатляющих является их способность к точности. Стандартный шаговый двигатель имеет точность угла +/-5%. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу. Это значит, что обычный шаговый двигатель может сделать один единственный шаг и путь 1.8° +/- 0.09°. Тогда он может сделать один миллион шагов и при этом путь 1,800,000° +/-0.09°. Эта характеристика дает шаговому двигателю практически идеальную повторяемость.

Особенности шаговых двигателей:

Точность и воспроизводимость – возможность точного позиционирования.

Высокая чувствительность и быстрый разгон – шаговые двигатели имеют низкую инерция ротора, позволяющую им быстро разогнаться. Это делает шаговые двигатели отличным выбором для коротких, быстрых движений.

Отличный крутящий момент для своих габаритов – шаговые двигатели имеют высокий крутящий момент на кубический сантиметр двигателя.

Позиционирование и стабильность – в отличие от других типов двигателей, шаговые двигатели могут быть полностью приведены в неподвижное состояние.

Разомкнутый контур управления – разомкнутый контур управления проще, надежнее и дешевле, чем замкнутый контур управления. В закрытых системах цикла шифраторы используются для подсчета количества шагов двигателя. Количество сделанных шагов соответствует количеству отданных команд. Эта обратная связь используется для корректировки позиции и инициирования сигнала тревоги. Датчики и электроника добавляют дополнительную стоимость к системе управления движением. Если предположить, что нагрузка на двигатель рассчитана правильно, то он не может пропустить шаг, это делает энкодер просто ненужным.

Сферы применения шаговых двигателей:

Точное позиционирование – они незаменимы в приложениях, требующих точного позиционирования, такие как 3D принтеры, ЧПУ, платформы, камеры и х,у плоттеры. Некоторые диски также используют шаговые двигатели для позиционирования головки чтения/записи.

Контроль скорости – точность движения каждого шага, обеспечивает превосходный контроль скорости вращения для автоматизации и роботизации технологических процессов.

Низкая скорость крутящего момента – обычные электродвигатели обладают низким крутящим моментом при низких скоростях. Шаговый двигатель имеет максимальный крутящий момент на низких скоростях, поэтому он является хорошим выбором для приложений, требующих низкой скорости с высокой точностью.

ПРИВОДНЭТ поставляет гибридные шаговые двигатели стандарта NEMA с редуктором и без редуктора, а так же любые технологические решения для вашего производства.

Драйвер шагового двигателя — устройство, виды и возможности

Шаговые двигатели применяются сегодня во многих промышленных сферах. Двигатели данного типа отличаются тем, что позволяют добиться высокой точности позиционирования рабочего органа, по сравнению с другими типами двигателей. Очевидно, что для работы шагового двигателя требуется точное автоматическое управление. Именно этой для этой цели и служат контроллеры шаговых двигателей , обеспечивающие бесперебойную и точную работу электроприводов различного назначения.

Грубо принцип работы шагового двигателя можно описать так. Каждый полный оборот ротора шагового двигателя состоит из нескольких шагов. Подавляющее большинство шаговых двигателей рассчитаны на шаг в 1,8 градуса, и на полный оборот приходится 200 шагов. Привод меняет положение на шаг при подаче на определенную обмотку статора напряжения питания. Направление вращения зависит от направления тока в обмотке.

Следующий шаг — выключается первая обмотка, питание подается на вторую и так далее, в итоге после отработки каждой обмотки ротор совершит полный оборот. Но это грубое описание, на деле алгоритмы несколько сложнее, и об этом будет рассказано далее.

Алгоритмы управления шаговым двигателем

Управление шаговым двигателем может быть реализовано по одному из четырех основных алгоритмов: попеременное включение фаз, управление с перекрытием фаз, полушаговое управление или микрошаговое управление.

В первом случае в каждый момент времени питание получает только одна из фаз, и точки равновесия ротора двигателя на каждом шагу совпадают с ключевыми точками равновесия — полюса отчетливо выражены.

Управление с перекрытием фаз позволяет ротору получить шаги к позициям между полюсными выступами статора, что увеличивает вращающий момент на 40% по сравнению с управлением без перекрытия фаз. Угол шага сохраняется, однако положение фиксации смещено — оно находится между полюсными выступами статора. Эти первые два алгоритма применяются в электротехническом оборудовании, где очень высокая точность не требуется.

Полушаговое управление — комбинация первых двух алгоритмов: через шаг питание получают то одна фаза (обмотка), то две. Размер шага уменьшается вдвое, точность позиционирования получается более высокой, снижается вероятность наступления механического резонанса в двигателе.

Наконец, микрошаговый режим. Здесь ток в фазах меняется по величине так, чтобы положение фиксации ротора на шаг приходилось бы на точку между полюсами, причем, в зависимости от соотношения величин токов в одновременно включенных фазах, таких шагов можно получить несколько. Регулируя соотношение токов, настраивая количество рабочих соотношений, получают микрошаги — наиболее точное позиционирование ротора.

Драйвер шагового двигателя

Чтобы выбранный алгоритм реализовать практически, применяют драйвер шагового двигателя . Драйвер содержит в себе силовую часть и контроллер.

Силовая часть драйвера — это полупроводниковый усилитель мощности, задача которого преобразовать подаваемые на фазы импульсы тока в перемещения ротора: один импульс — один точный шаг или микрошаг.

Направление и величина тока — направление и величина шага. То есть задача силовой части — подать ток определенной величины и направления в соответствующую обмотку статора, удержать этот ток в течение некоторого времени, а также осуществлять быстрое включение и выключение токов, чтобы скоростные и мощностные характеристики привода соответствовали бы поставленной задаче.

Чем более совершенна силовая часть драйвера, тем больший момент можно получить на валу. Вообще, тренд прогресса в совершенствовании шаговых двигателей и их драйверов — получить от двигателей малых габаритов значительный рабочий момент, высокую точность, и сохранить при этом высокий КПД.

Контроллер шагового двигателя

Контроллер шагового двигателя — интеллектуальная часть системы, которая обычно изготовлена на базе микроконтроллера с возможностью перепрограммирования. Именно контроллер отвечает за то, в какой момент, на какую обмотку, на какое время, и какой величины ток будет подан. Контроллер управляет работой силовой части драйвера.

Продвинутые контроллеры подключаются к ПК, и могут регулироваться в режиме реального времени при помощи ПК. Возможность многократного перепрограммирования микроконтроллера избавляет пользователя от необходимости каждый раз при корректировке задачи приобретать новый контроллер — достаточно перенастроить уже имеющийся, в этом гибкость, контроллер можно легко переориентировать программно на выполнение новых функций.

На рынке сегодня представлены широкие модельные ряды контроллеров шаговых двигателей от различных производителей, отличающиеся возможностями расширения функций. Программируемые контроллеры предполагают запись программы, а некоторые включают в себя программируемые логические блоки, при помощи которых возможна гибкая настройка алгоритма управления шаговым двигателем под тот или иной технологический процесс.

Управление шаговым двигателем при помощи контроллера позволяет достичь высокой точности вплоть до 20000 микрошагов на оборот. Причем управление может осуществляться как напрямую с компьютера, так и за счет прошитой в устройство программы или по программе с карты памяти. Если параметры в ходе выполнения задачи меняются, то компьютер может опрашивать датчики, отслеживать меняющиеся параметры и оперативно изменять режим работы шагового двигателя.

Есть в продаже блоки управления шаговым двигателем, к которым подключаются: источник тока, кнопки управления, источник тактового сигнала, потенциометр для настройки шага и т. д. Такие блоки позволяют быстро интегрировать шаговый двигатель в оборудование для выполнения повторяющихся цикличных задач с ручным или автоматическим управлением. Возможность синхронизации с внешними устройствами и поддержка автоматического включения, выключения и управления — несомненное достоинство блока управления шаговым двигателем.

Блок может управляться с компьютера напрямую, если, например, требуется воспроизвести программу для станка с ЧПУ, или в ручном режиме без дополнительного внешнего управления, то есть автономно, когда направление вращения вала шагового двигателя устанавливается датчиком реверса, а скорость регулируется потенциометром. Блок управления подбирается по параметрам к шаговому двигателю, который предполагается использовать.

В зависимости от характера поставленной цели выбирают способ управления шаговым двигателем. Если необходимо настроить простое управление маломощным электроприводом, когда в каждый момент времени один импульс подается на одну катушку статора: на полный оборот нужно, скажем, 48 шагов, и ротор будет перемещаться на 7,5 градусов при каждом шаге. Режим одиночных импульсов в этом случае подойдет.

Для достижения более высокого вращающего момента применяют двойной импульс — в две соседние катушки подается одновременно по импульсу. И если для полного оборота нужно 48 шагов, то опять же нужно 48 таких двойных импульсов, каждый приведет к шагу в 7,5 градусов но с на 40% большим моментом нежели в режиме одиночных импульсов. Скомбинировав оба способа можно получить 96 импульсов разделив шаги — получится 3,75 градуса на шаг — это комбинированный режим управления (полушаговый).

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Ранее на эту тему: Электропривод

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Что делает шаговый двигатель

Применение шаговых двигателей и сравнение двигателей.
В работе фрезеров используются два типа двигателя: шаговый – электромеханическое устройство, преобразующее сигналы в угловое перемещение ротора с фиксацией в заданном положении. И серводвигатели – имеющие обратную связь, и которыми можно управлять через цепь контроллера путём увеличения и уменьшения тока. Шаговые имеют меньшую мощность и скорость, и значительно дешевле серводвигателей.

Как правило, шаговый электродвигатель – это электромеханическое устройство, которое преобразует сигналы управления в угловое перемещение его ротора с качественной фиксацией в заданном положении. Сегодня современные шаговые двигатели (ШД), по сути, являются синхронными двигателями, не имеющими пусковую обмотку на роторе, что соответственно объясняется частотным пуском самого ШД. Последовательная активация обмоток двигателя порождает дискретные угловые перемещения (т. е. – шаги) ротора. Отличительная особенность этих двигателей – это возможность без датчика обратной связи осуществлять позиционирование по положению.
Шаговый двигатель относится к классу так называемых «бесколлекторных» двигателей постоянного тока. Такие двигатели как непосредственно и любые другие бесколлекторные электрические машины, имеют достаточно высокую надежность и весьма внушительный срок службы, что в свою очередь позволяет применять их в самых разных индустриальных сферах. Если сравнивать обычные электродвигатели постоянного тока с шаговыми двигателями, то последние требуют более сложных схем управления, выполняющие абсолютно все коммутации обмоток.

Сегодня существуют три основных типа/вида шаговых двигателей

• Гибридные двигатели – наиболее часто используемые во фрезерных станках с числовым программным управлением.
• Двигатели с постоянными магнитами.
• Двигатели, имеющие переменное магнитное сопротивление.

Серводвигатели

Серводвигатель – это непосредственно двигатель с обратной связью, которой можно управлять, чтобы или достичь требуемой скорости (следовательно, крутящего момента) или же получить необходимый угол поворота. Именно для этой цели устройство обратной связи посылает определенные сигналы в цепь контроллера серводвигателя, сообщая о скорости и соответственно угловом положении. Если в результате наиболее высоких нагрузок скорость окажется гораздо, ниже требуемой величины, то ток будет увеличиваться покуда скорость не достигнет потребной величины. Когда сигнал скорости показывает, что она больше, чем необходимо, то ток соответственно, уменьшается. Если же по положению применена обратная связь, то сигнал о нем используется, чтобы остановить двигатель в тот момент, когда непосредственно ротор приблизится к необходимому угловому положению.
Для этого могут использоваться разные типы/виды датчиков, включая кодирующие устройства, например, такие как: потенциометры, тахометры и резольверы. Если применяется датчик положения типа кодирующего устройства или потенциометра, его сигнал вполне может быть дифференцирован для того, чтобы выработать определенный сигнал о скорости.
На сегодняшний день сервоприводы используются в высокопроизводительном оборудовании, к примеру, в таких производственных отраслях как: изготовление различных стройматериалов, напитков, упаковки, в полиграфии и подъемно-транспортной технике. Также в последнее время наблюдается тенденция к умножению доли сервоприводов в пищевой промышленности и деревообработке.
Решающим фактором использования сервоприводов является не только высокая их динамика, но и возможность получить высокостабильное или точное управление, широкий диапазон регулирования скорости, малые габариты и вес, а также помехоустойчивость.

Для сервоприводов характерны показатели

• управление по моменту, по скорости или по позиции;
• статическая точность поддержания скорости непосредственно по валу двигателя не более чем 0,01%;
• диапазон регулирования скорости более чем в 1:1000;
• точность поддержания позиции по валу двигателя менее ± 10;
• компактные размеры и низкий вес;
• отсутствие и бесконтактность узлов, требующих обслуживания;
• достаточно высокое быстродействие;
• значительная перегрузочная способность по моменту (т. е. кратность предельного момента кратковременно может превысить 3);
• практически неограниченный диапазон (1:10 000 и более) для регулирования частоты вращения;
• показатели кпд вентильных двигателей, как правило, превышают 90%, при изменении мощности нагрузки двигателя, при колебаниях напряжения питающей электросети меняются очень несущественно, в отличие от асинхронных;
• электродвигателей, где максимальный кпд не превышает и 86%, а также, напрямую зависит от изменений нагрузки;
• достаточно низкий перегрев вентильного электродвигателя, потому как на роторе двигателя отсутствует обмотка, что существенно увеличивает его срок службы, работающего в режиме учащенных перегрузок;
• довольно-таки большая плотность момента на одну единицу массы электродвигателя.

Сравнение работы простого cерво и iагового двигателей

Для понимания различия между обычным шаговым и серво двигателем давайте рассмотрим работу системы именно с шаговым мотором, на котором непосредственно стоит энкодер (шаговый серводвигатель).
Контроллер выдал команду на какое-то количество шагов – повернуть вал. В обычном шаговом двигателе контроллер не в курсе, насколько конкретно шагов повернулся вал (т. к. у него отсутствует обратная связь). Просто он «считает», что вал повернулся правильно. А ведь бывает, что двигатель не смог повернуть вал или силы не хватило или по другой какой-либо причине. Хотя при этом контроллер четко отсчитал импульсы. Это и есть так называемый пропуск шагов в шаговом двигателе.
В серводвигателе же подобная проблема полностью отсутствует. Контроллер дал команду вал повернуть настолько-то импульсов и ожидает покуда с энкодера придет сигнал, который подтвердит, что вал повернулся на необходимое число импульсов. При этом если с энкодера поступил, хотя бы на 1 импульс меньше, контроллер все равно будет продолжать подавать команду, пока с энкодера не поступит последний импульс, который выровняет соотношение истинного и заданного количества импульсов. Либо же по истечении заданного периода времени, контроллер выдаст специальный сигнал «Ошибка перемещения».
В сервоприводе удержание осуществляется исключительно за счет тока, протекающего непосредственно через обмотку двигателя. При этом в момент удержания половины периода ток поступает в одном направлении, а вторую половину оставшегося времени в ином направлении. Именно за счет этого происходит удержание якоря. В это время по импульсам с энкодера подходит проверка, якорь на месте (на выходе нет ни одного импульса) или же сдвинулся (на выходе энкодера, как правило, появится импульс, вернее код).

Преимущества шагового двигателя

• Шаговые двигатели существенно дешевле, нежели серводвигатели.
• Простота конструкции, а значит и простота ремонта.
• Простота системы управления (подходят практически все программы написанные для CNC станков).

Преимущества серводвигатель

• Бесшумность и плавность работы в некоторых случаях делают сервоприводы единственным возможным вариантом для работы.
• Надежность и безотказность: возможность применения в ответственных устройствах.
• Высокая точность и скорость перемещений доступны также и на низких скоростях.- Способность двигателя может выбираться пользователем непосредственно от того какую конкретно задачу необходимо выполнить.

Выводы

Ограничением в использовании шаговых двигателей являются мощность и соответственно скорость, однако по практике, их применение целиком оправданно в недорогих станках имеющих систему ЧПУ, предназначенных для обработки дерева, ДСП, МДФ, пластиков, легких металлов и прочих материалов средней скорости, необходимости производителей станков с ЧПУ по точности и по скорости. Если по каким-либо причинам такие параметры не устраивают, то, как правило, используют сервоприводы. Но стоит заметить, что при этом резко и, причем значительно поднимается стоимость конструкции в целом.
Если смотреть с другой стороны, то достичь реальной экономии времени обработки и даже при скоростных сервоприводах, можно за счет экономии на переходах и соответственно оптимизации путей обработки. В остальное же время, скорость весьма ограничена – режимами резки. Между деталью и приводом есть еще и фреза о чем часто забывают.
Достоинства сервопривода таковы, что использовать их можно было бы постоянно, когда только возможно, конечно если бы не два существенных недостатка: цена самого комплекта (т. е. блок управления + сервомотор) и сложность настройки, которая временами делает применение сервопривода совершенно – необоснованным.

Характеристики шагового двигателя

Шаговое устройство — бесщеточный двигатель с несколькими обмотками, функционирующий по синхронному принципу.

С точки зрения конструкции механизм предельно прост и состоит из трех основных элементов:

• выводы,
• вал,
• круглый корпус.

Принцип работы шагового двигателя заключается в поочередной активации обмоток, которые обеспечивают вращение / остановку ротора.

Стартер и ротор вращаются под воздействием магнитного потока, при этом зависимость силы вращения механизма прямо пропорциональна силе магнитного поля, мощность которой коррелирует с числом витков в обмотке и значением электрического тока в ней.

Таким образом, устройство может быть описано, как механизм, трансформирующий электроимпульсы во вращение.

Виды управления и разновидности

Управление шаговым двигателем может осуществляться по четырем схемам:

• с попеременной активацией фаз,
• с перекрытием фаз,
• в полушаговом режиме,
• в микрошаговом режиме.

Существует три вида шаговых устройств:

Гибридный двигатель постоянного сопротивления; С переменным магнитом оснащен 3 либо 4 обмотками, характеризуется свободным вращением; С постоянным магнитом оснащен 2 обмотками, испытывает сопротивление вращению.

В числе данных разновидностей наиболее мощной является гибридная модель, представляющая собой усовершенствованный вариант устройства постоянного сопротивления.

Сфера применения

Наиболее широкое применение шаговые двигатели нашли в автомобильной промышленности, в производстве оборудования различного назначения и всевозможной бытовой техники. Основная цель — максимально автоматизировать производственный процесс.

Возможность точного позиционирования делает эти механизмы незаменимыми в работе устройств хранения информации.

Высокая надежность и отличные технические характеристики данной разновидности двигателей обуславливают их широкую востребованность в военной промышленности.

Преимущества и недостатки

Список очевидных эксплуатационных преимуществ этих устройств составляют:

• высокая точность работы,
• минимальная погрешность даже при работе на низких скоростях,
• впечатляющая износостойкость (в том числе и за счет отсутствия щеток).

В качестве основного недостатка стоит упомянуть проблему так называемого пропущенного шага, в результате которого происходят сбой при выполнении фрезерования. Данная неприятность зачастую является следствием применения завышенных скоростных режимов обработки материала или установкой на станок двигателей недостаточной мощности.

Чтобы избежать таких неполадок в работе шагового двигателя, необходимо осуществлять настройку максимально корректно, устанавливать драйверы в четком соответствии с техническими требованиями и рекомендациями производителя. Правильно рассчитанная мощность шагового двигателя и корректные скоростные режимы эксплуатации полностью исключают проблему пропущенного шага.

Компания MULTICUT предлагает на выгодных условиях приобрести фрезерно-гравировальные станки с ЧПУ на шаговых двигателях по ценам производиталя. Для оформления заказа или при необходимости в развернутой технической консультации по тому или иному продукту позвоните нам или оставьте заявку на сайте.