Шаговый двигатель

Шаговые электродвигатели (ШД) используются там, где нужно позиционирование повышенной точности.

Что такое шаговый двигатель? Это синхронный двигатель без щеток, имеющий несколько обмоток. Для фиксации ротора в определенной позиции ток подается в одну из обмоток статора. По поступлении тока в другую обмотку ротор меняет позицию. Это и есть «шаг».

Типы ШД и их устройство

1. С переменным магнитным сопротивлением. На статичной части таких ШД есть несколько полюсов. Ротор – зубчатой формы из мягкого материала, ненамагниченный. Если, к примеру, статор 6-полюсный, а ротор из 4 зубцов, то независимых обмоток на двух противоположных статорных полюсах будет 3. Шаг мотора будет равен 30^°.
2. С постоянными магнитами в роторе. Прямолинейные полюсы параллельны оси двигателя. Поскольку магнитный поток мощнее, крутящий момент на порядок выше, чем в ШД первого типа. Шаг такого мотора – от 7,5 до 15°.Может быть от 24 до 48 шагов на оборот.
3. Гибридные ШД (ГШД). Установка зубцов в направлении оси сокращает величину шага. Крутящий момент и скорость возрастают. Обычно бывает от 100 до 400 шагов за оборот при угле шага 0,9-3,6°. Наиболее распространен биполярный ШД nema. Только в гибридных ШД применяется режим микрошага. Управление обмотками независимое. Плавность вращения подвижной части повышена. Возможны 51200 шагов за оборот. Точность позиционирования оптимальна. Обеспечивается более низкая магнитная проводимость зазоров относительно удельной проводимости зубцов.

ШД по типу обмоток подразделяются на:

• Биполярные с одной обмоткой для каждой фазы. Переплюсовка драйвером изменяет направление магнитного поля.
• Униполярные. В каждой фазе одна обмотка, но из середины каждой обмотки имеется отвод. Направление поля меняется за счет переключения используемой половины обмотки. Драйвер имеет только 4 ключа.

Характеристики ШД

1. Крутящий момент. Его измеряют в кг-сила-см. Чем выше показатель зависимости вращательного момента от частоты вращения, тем быстрее ШД набирает обороты после включения.
2. Удерживающий момент или сила блокирования ротора статором при включенном, но не запущенном моторе. Его измеряют в унциях-на-дюйм.
3. Тормозящий или стопорный момент, т.е. сила, которая удерживает ротор от вращения без подачи тока. В ГШД эта величина в 10 раз меньше величины силы удерживания ротора от вращения при полной подаче тока. Измеряется в унциях-на-дюйм.
4. Номинальное напряжение, зависящее от индуктивности обмоток. Указывается в вольтах. По нему определяют оптимальное напряжение для подачи в мотор. Наилучшее напряжение превышает номинальное. Превышение силы подаваемого тока ведет к перегреву и поломке двигателя. При недостаточном напряжении он не запустится. Оптимальную силу тока определяют по формуле U = 32 x√ L. L – индуктивность обмотки, а U – искомое значение.
5. Диэлектрические испытания. По максимальному напряжению, которое выдерживает обмотка в течение определенного времени, определяют сопротивление мотора перегрузкам.
6. Момент инерции ротора – это скорость разгона ШД, которую измеряют в грамм-квадратных см.
7. Число полных шагов за оборот. Чем оно больше, тем мощнее и быстрее мотор.
8. Длина корпуса без учета вала и общая масса или вес изделия. По габаритам и массе определяют, когда нужен компактный двигатель, а когда – крупнее и мощнее.

К примеру, в ШД PL57H41 PL57 – ширина-высота (диаметр) по квадратному фланцу 57 мм, H41 – длина двигателя без вала, равная 41 мм. Диаметр двигателя влияет на все его моменты больше, чем длина.

Инкодеры, драйверы и подключение

Специальные драйверы подключают к компьютерному LTP-порту и посредством их управляют ШД. Драйвер – это практически блок управления ШД. В шаговых двигателях для ЧПУ к драйверу присоединяют 4 вывода ШД и управляющие провода с контроллера ЧПУ, и плюс и минус с блока питания. Поступая в драйвер, сигналы контроллера управляют переключением ключей силовой схемы питающего напряжения. Через эти ключи питающее напряжение идет на двигатель.

Максимальный выдаваемый на выводы для обмоток мотора ток нужного напряжения – основной критерий подбора драйвера. Идущий с драйвера ток не должен быть ниже тока, потребляемого мотором. Параметры выходного напряжения выставляются переключателями на драйвере.

В двигателе может быть от 4 до 6 проводов, и от их количества зависит порядок подключения ШД. Биполярные механизмы сочетаются только с 4-проводными двигателями.

На каждые 2 обмотки приходится 2 провода. Самые мощные 6-проводные моторы могут подключаться и к биполярным, и к униполярным устройствам, и в них на каждую обмотку приходится средний провод или центр-кран и 2 провода. В униполярных моторах на каждую обмотку приходятся 3 провода. Два из них подсоединяют к транзисторам, а центр-кран – к источнику питания.

В 5-проводных ШД центральные провода вместе с остальными входят в общий кабель. Предпочтительно найти средний провод и соединить его с другими проводниками.

Датчики, подающие сигналы программному обеспечению, называют энкодерами и часто применяют с ШД. Энкодер нужен, когда налицо нелинейная зависимость от количества шагов.

Области использования, достоинства и недостатки

Шаговые двигатели для ЧПУ широко применяются в координатных столах и системах автоматизации. Панелям управления, программирования и станкам с ЧПУ не обойтись без ШД.

ШД – достойная альтернатива серводвигателю, поскольку, в отличие от него:

1. Хорошо работает при весьма разнообразных нагрузках.
2. Имеет постоянный угол поворота и стандартизированные габариты.
3. Имеет низкую стоимость.
4. Прост в монтаже и эксплуатации, долговечен и надежен.
5. Пропуская шаги, не сгорает при крайне высоких оборотах.

Тем не менее, ШД уступает серводвигателю в том, что:

1. У него мал КПД и велико энергопотребление.
2. Увеличение частоты оборотов резко снижает крутящий момент.
3. Мощность слишком мала для таких габаритов и веса.
4. Велик нагрев двигателя при работе.
5. Мотор слишком шумит на высокой и средней частотах.