Краткая информация о шаговых двигателях

13.07.2018 09:22
Двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую энергию.

Шаговый двигатель преобразует электрические импульсы в конкретные вращательные движения.

Движение, созданное каждым импульсом, является точным и повторяемым, поэтому шаговые двигатели настолько эффективны для позиционирования приложений.
В шаговые двигатели с постоянным магнитом входят ротор с постоянным магнитом, обмотки катушек и магнитопроводные статоры. Возгорание обмотки катушки создает электромагнитное поле с северным и южным полюсом. Статор несет магнитное поле, которое заставляет ротор выравниваться с магнитным полем. Магнитное поле может быть изменено путем последовательного включения или «шага» катушек статора, которые генерируют вращательное движение.Шаговый двигатель преобразует электрические импульсы в конкретные вращательные движения.

Магнитное поле линейного привода шагового двигателя

Магнитное поле, созданное возбуждением обмотки катушки
Показана типичная последовательность шагов для двухфазного двигателя. На этапе 1 возбуждается фаза А двухфазного статора. Это магнитно фиксирует ротор в показанном положении, поскольку в отличие от полюсов. Когда фаза A выключена и фаза B включена, ротор вращается на 90 ° по часовой стрелке. На этапе 3 фаза B выключается, а фаза включается, но с изменением полярности со стадии 1. Это приводит к еще одному вращению на 90 °. На шаге 4 фаза А отключается, и фаза В включается, а полярность изменяется со стадии 2. Повторение этой последовательности заставляет ротор вращаться по часовой стрелке с шагом 90 °.
Линейный привод шагового двигателя с одной фазой
 «Однофазная последовательность» для двухфазного двигателя.
Последовательность степпинга, называется ступенью «одна фаза». Более общий метод шагания - «двухфазное», когда обе фазы двигателя всегда находятся под напряжением. Тем не менее, только полярность одной фазы переключается за раз. При двухступенчатой ​​ступенчатой ​​ротации ротор выравнивается между «средним» северным и «средним» южными магнитными полюсами. Поскольку обе фазы всегда включены, этот метод дает на 41,4% больше крутящего момента, чем «однофазное», но с удвоенной мощностью.
Линейный привод шагового двигателя с двумя фазами

 «Двухфазная последовательность» для двухфазного шагового двигателя.

Половина шага
Двигатель также может быть «половинчатым» путем вставки состояния отключения между фазами перехода. Это уменьшает полный угол шага шага пополам. Например, 90-градусный шаговый двигатель будет перемещаться на 45 ° на каждом полушаге. Однако половина ступеней обычно приводит к потере крутящего момента на 15% - 30% в зависимости от скорости шага по сравнению с двумя фазами на ступенчатой ​​последовательности. Поскольку одна из обмоток не возбуждается во время каждого чередующегося полушага, на роторе возникает меньше электромагнитной силы, что приводит к чистой потере крутящего момента.
Линейный привод шагового двигателя - Half Stepping «Двухфазная последовательность» для двухфазного шагового двигателя.
 Half-stepping 
Биполярная обмотка
В описанной двухфазной последовательности ступеней используется «биполярная обмотка катушки». Каждая фаза состоит из одной обмотки. Реверсируя ток в обмотках, электромагнитная полярность меняется на противоположную. Выходной каскад типичного двухфазного биполярного привода дополнительно проиллюстрирован на электрической принципиальной схеме и последовательности ступеней на фиг.5. Как показано, переключение просто изменяет ток потока через обмотку, тем самым изменяя полярность этой фазы. 
Линейный привод шагового двигателя - Биполярная обмотка
 Биполярная обмотка
Униполярная обмотка
Другой общей обмоткой является униполярная обмотка. Это состоит из двух обмоток на полюсе, соединенных таким образом, что при возбуждении одной обмотки создается магнитный северный полюс, когда активируется другая обмотка, создается южный полюс. Это называется однополярной обмоткой, потому что электрическая полярность, то есть поток тока, от привода к катушкам никогда не меняется. Последовательность ступеней. Эта конструкция позволяет использовать более простой электронный привод. Однако имеется примерно на 30% меньше крутящего момента по сравнению с биполярной обмоткой. Крутящий момент ниже, потому что активированная катушка использует только половину меди по сравнению с биполярной катушкой. 
Линейный привод шагового двигателя - униполярная обмотка
 Униполярная обмотка
Другие углы шагов
Для получения меньших ступенчатых углов требуется больше полюсов как на роторе, так и на статоре. Такое же количество пар полюсов требуется на роторе, как на одном статоре. Ротор с двигателем 7,5 ° имеет 12 полюсных пар, и каждая полюсная пластина имеет 12 зубьев. На каждую катушку две катушки и две катушки на двигатель; следовательно, 48 полюсов в двигателе с двигателем 7,5 °. 4-полюсные пластины двигателя 7,5 ° в разрезе. Конечно, несколько шагов можно объединить, чтобы обеспечить большие перемещения. Например, шесть ступеней шагового двигателя 7,5 ° обеспечили бы движение на 45 °.
Линейный привод шагового двигателя - Углы шага
 Частичный разрез, показывающий полюсные пластины двигателя с углом наклона 7,5 °.
точность
Точность степпинга стилей стека составляет 6-7% за шаг, не кумулятивный. Сепаратор на 7,5 ° будет находиться в пределах 0,5 ° от теоретического положения для каждого шага независимо от того, сколько шагов выполнено. Инкрементные ошибки не являются кумулятивными, потому что механический дизайн двигателя диктует движение на 360 ° за каждый полный оборот. Физическое положение полюсных пластин и магнитный ротор приводят к повторяемому рисунку при каждом повороте на 360 ° (при отсутствии нагрузки).
РезонансШаговые двигатели имеют естественную резонансную частоту

Шаговые двигатели имеют естественную резонансную частоту в результате того, что двигатель представляет собой систему пружинной массы.

Когда ступенчатая скорость равна собственной частоте двигателя, может наблюдаться слышимое изменение шума, создаваемого двигателем, а также увеличение вибрации. Резонансная точка будет отличаться в зависимости от приложения и нагрузки, но обычно она имеет место между 70 и 120 шагами в секунду. В тяжелых случаях двигатель может терять ступени на резонансной частоте. Изменение ступенчатой ​​скорости является самым простым способом избежать многих проблем, связанных с резонансом в системе. Кроме того, половина ступенек или микрошаги обычно уменьшают резонансные проблемы. При ускорении до скорости резонансная зона должна проходить как можно быстрее.
крутящий момент
Крутящий момент, создаваемый конкретным роторным шаговым двигателем, зависит от:
• Скорость шага 
• Ток через обмотки 
• Тип используемого привода
(Сила, создаваемая линейным двигателем, также зависит от этих факторов.)
Крутящий момент представляет собой сумму момента трения (Tf) и инерционного момента (Ti).
Линейный привод шагового двигателя - сумма крутящего момента 
Фрикционный крутящий момент (унция-дюймы или грамм-см) представляет собой силу (F), в унциях или граммах, необходимую для перемещения нагрузки, умноженной на длину, в дюймах или см, рычага, используемого для управления нагрузкой (r ).
Линейный привод шагового двигателя - Моментное трение
 Фрикционный крутящий момент представляет собой силу (F), необходимую для перемещения нагрузки, умноженной на длину рычага ( r ). 
Инерционный крутящий момент (Ti) - это крутящий момент, необходимый для ускорения нагрузки (грамм-см2).

Линейный привод шагового двигателя - Инерция крутящего момента 

Следует отметить, что по мере увеличения ступенчатой ​​скорости двигателя увеличивается и обратная сила электромотора (ЭДС) (т. Е. Генерируемое напряжение) двигателя. Это ограничивает ток и приводит к уменьшению потребляемого выходного крутящего момента.
Линейные приводы
Вращательное движение шагового двигателя может быть преобразовано в линейное движение несколькими механическими средствами. Они включают в себя стойку, ремень и шкивы и другие механические соединения. Все эти параметры требуют различных внешних механических компонентов. Самый эффективный способ выполнить это преобразование - это сам двигатель. Линейный привод был впервые представлен в 1968 году. Некоторые типичные линейные приводы показаны ниже.
Haydon_26mm_Stepper_Motor_Linear_Actuator 
 Типичные линейные приводы
Преобразование вращательного в линейное движение внутри линейного привода осуществляется через резьбовую гайку и винтовой винт. Внутренняя часть ротора навинчена, а вал заменен свинцовым винтом. Для того, чтобы генерировать линейное движение, должен быть предотвращен поворот свинцового винта. Когда ротор поворачивает внутренние резьбы, зацепляйте за винт, приводящий к линейному движению. Изменение направления вращения меняет направление линейного движения. Основная конструкция линейного привода.

Линейный привод шагового двигателя - отключение 

 Линейный привод отключен, показывая резьбовой ротор на интерфейс винтового винта.
Линейное перемещение на шаге двигателя определяется углом поворота поворота двигателя и шагом резьбы гайки ротора и комбинации винтов. Грубые резьбовые нити обеспечивают большее перемещение за шаг, чем винты с тонким шагом. Однако при заданной ступенчатой ​​скорости винты с тонким шагом увеличивают тягу. Винты с тонким шагом обычно не могут быть вручную «задними» или переведены, когда двигатель не подключен, в то время как многие крупные винты могут. Между ротором и винтовыми резьбами должен быть небольшой зазор, чтобы обеспечить свободу движения для эффективной работы. Это приводит к 0,001 ".003" аксиального воспроизведения (также называемому люфтом). Если требуется экстремальная точность позиционирования, люфт можно компенсировать, всегда приближаясь к конечной позиции из того же направления. Выполнение преобразования вращательного в линейное движение внутри ротора значительно упрощает процесс доставки линейного движения для многих применений. Поскольку линейный привод автономный, требования к внешним компонентам, таким как ремни и шкивы, значительно уменьшаются или устраняются. Меньше компонентов упрощают процесс проектирования, снижают общую стоимость и размер системы и повышают надежность продукта.
Усталость / жизнь
При правильном применении линейные приводы  обеспечивают до 20 миллионов циклов, а роторные двигатели  обеспечивают до 25 000 часов работы. В конечном итоге усталость двигателя и связанная с этим жизнь определяются уникальным приложением каждого клиента. Следующие определения важны для понимания моторной жизни и усталости.
Непрерывная работа: Работа двигателя при номинальном напряжении.
25% Duty Cycle: Запуск двигателя с удвоенным номинальным напряжением на приводе L / R. Мотор включен примерно в 25% случаев. Двигатель генерирует на 60% больше выходной мощности, чем при номинальном напряжении. Обратите внимание: рабочий цикл не связан с нагрузкой на двигатель.
Life: Жизнь линейного привода - это количество циклов, которые двигатель может перемещать с заданной нагрузкой и поддерживать точность шага. Продолжительность работы вращающегося двигателя - это количество часов работы.
Один цикл: цикл линейного привода состоит из продолжения и возврата назад в исходное положение.
Существуют некоторые общие рекомендации, которые можно использовать для выбора надлежащего двигателя и обеспечения максимальной продолжительности жизни. В конечном счете, для определения производительности шага в данной системе лучше всего выполнить тестирование окончательной сборки в «полевых условиях» или в настройке, которая близко аппроксимирует эти условия.

Так как шаговый двигатель не имеет щетки для изнашивания, его срок службы обычно намного превышает срок службы других механических компонентов в системе. Если шагомер не работает, есть определенные компоненты, которые могут быть задействованы. Подшипники и винт / гайка (в линейных приводах) обычно являются первыми компонентами, которые испытывают усталость. Необходимыми крутящими моментами или тягой и рабочей средой являются факторы, которые влияют на эти компоненты двигателя.

Если двигатель работает с номинальным крутящим моментом или тягой или рядом с ним, это повлияет на жизнь. Испытания шаговых двигателей nema 17 показали, что срок службы двигателя увеличивается экспоненциально с уменьшенными рабочими нагрузками. В общем, двигатели должны быть сконструированы в устройстве, работающем от 40% до 60% от их максимальной нагрузки. Факторы окружающей среды, такие как высокая влажность, воздействие агрессивных химических веществ, чрезмерная грязь / мусор и тепло, будут влиять на срок службы двигателя. Механические факторы в сборке, такие как боковая нагрузка вала для линейных приводов или несбалансированная нагрузка во вращающихся приложениях, также будут неблагоприятно влиять на срок службы.
Если двигатель используется при уменьшенном рабочем цикле и прикладывается чрезмерное напряжение к двигателю, время включения должно быть таким, чтобы максимальное превышение температуры для двигателя не превышалось.

Если мотор не имеет достаточного времени «выключения», слишком много тепла будет генерироваться, что приведет к перегреву обмоток и, в конечном счете, к сбою.

Правильное проектирование системы, которая минимизирует эти факторы, обеспечит максимальный срок службы двигателя. Первым шагом для максимизации срока службы является выбор двигателя с коэффициентом безопасности, равным двум или более. Второй шаг - обеспечение механической защиты системы путем минимизации боковых нагрузок, несбалансированных нагрузок и ударных нагрузок. Система также должна рассеивать тепло. Расход воздуха вокруг двигателя или монтажа, который обеспечивает некоторое теплоотдачу, является типичным средством для рассеивания тепла. Если в системе присутствуют жесткие химикаты, двигатель и все остальные компоненты должны быть защищены. Наконец, тестирование двигателя и сборки в «полевых условиях» обеспечит пригодность для применения.
Если следовать этим простым рекомендациям, линейные приводы nema 17 обеспечивают надежную работу в широком диапазоне применений. Если вам нужна помощь в вашем дизайне, инженеры могут помочь вам получить максимальный срок службы и производительность от наших двигателей.
Вернуться к списку