Выбор шагового двигателя NEMA

Есть 4 категории электродвигателей, которые используются в практических приложениях и легко доступны для покупки. Они есть:
  1. Электродвигатели с мотором
  2. Бесщеточные двигатели постоянного тока
  3. Шаговые двигатели
  4. Сервомоторы
Каждый из этих классов имеет несколько вариантов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. 
Существует множество различных вариантов при рассмотрении того, какой тип двигателя использовать. В этой таблице приведено краткое описание различий:
Тип двигателя вращение Управление позицией Контроль скорости Точность положения Ценовой диапазон Цена контроллера на двигатель
Электродвигатели с мотором непрерывный Никто Открытый цикл N / A $ 10 + $ 60 +
Машинные двигатели постоянного тока (с кодировщиком) непрерывный Closed-Loop Closed-Loop Варианты 1 $ 40 + $ 60 +
Сервомоторы Ограничено (обычно ° 180) Закрытый контур Закрытый контур 0,5 ° - 1,5 ° $ 12 + $ 6 +
Сервомоторы с непрерывным вращением RC непрерывный Никто Открытый цикл N / A $ 18 + $ 6 +
Шаговые двигатели непрерывный Открытый цикл Открытый цикл 0,9 ° -1,8 ° (или 1 ° -3 ° с коробкой передач) 2 $ 15 + $ 70 +
Шаговые двигатели (с кодировщиком) непрерывный Закрытый контур Закрытый контур 0,9 ° -1,8 ° (или 1 ° -3 ° с коробкой передач) 2 $ 25 + $ 85 +
Бесщеточные двигатели постоянного тока непрерывный Закрытый контур Закрытый контур Варьируется 3 $ 35 + $ 65 +

1- Точность позиционирования двигателя постоянного тока с датчиком зависит от датчиков CPR (количество оборотов). Например, 360 CPR-кодер обеспечит точность 1 °.

2- Редукторы вводят неточность в виде «провалов» (зазор между зубчатыми зубьями). Для максимальной точности придерживайте бесступенчатые степперы с шагом в 0,9 °.

3- Точность позиционирования двигателя BLDC зависит от датчика эффекта холла в двигателе и от того, как контроллер измеряет данные от него.Выбор шагового двигателя NEMA

Вращение. В то время как большинство двигателей имеют полностью непрерывное вращение, существует один тип двигателей с ограниченным вращением: серводвигатели. Большинство сервоприводов имеют 180 ° хода, но вы можете найти несколько многооборотных сервоприводов, предназначенных для того, чтобы быть частью механизма лебедки. Ограниченный угол поворота серводвигателей является компромиссом для встроенного управления положения с помощью потенциометра.
Управление Позицией Если вы хотите, чтобы указать точное положение для вращения и остановки двигателя, вам потребуется какая-то форма управления позицией. Существует два основных типа контроля.
Управление позицией с открытым контуром означает, что контроллер двигателя имеет способ сообщить двигателю двигаться в определенном положении, но контроллер не знает, действительно ли двигателю удалось достичь этого положения. Например, если двигатель застопорился, потому что он соприкоснулся с твердым объектом, контроллер не знал бы этого. Управление с открытым контуром достаточно в системах, где такие внешние силы ограничены или где точное позиционирование не является критическим.
Управление позицией с замкнутым контуром имеет какой-то механизм обратной связи, так что контроллер всегда знает положение двигателя. Это означает, что даже если внешняя сила сопротивляется или противодействует движению двигателя, контроллер будет знать, чтобы продолжать движение двигателя до тех пор, пока он не достигнет своего целевого положения. Контроль положения в замкнутом контуре требуется в системах, где ошибки позиционирования неприемлемы или в системах, которые работают в течение длительных периодов времени, которые в противном случае могли бы накапливать ошибки позиционирования во время работы.
Сравнение двигателей:
BLDC и использовать датчики эффекта холла, встроенные в двигатель для обратной связи, что позволяет осуществлять контроль в замкнутом контуре.
RC Servos имеют контроль положения в замкнутом контуре, потому что сервоконтроллеры считывают встроенный потенциометр сервопривода для обратной связи.

Шаговые двигатели имеют управление с разомкнутым контуром, так как контроллер сообщает двигателю определенное количество шагов.

Двигатели постоянного тока не имеют никакого управления положением, так как контроллер просто решает, сколько энергии требуется для двигателя, который определяет скорость двигателя.
Системы без регулирования положения в замкнутом контуре могут быть модернизированы путем добавления кодера к двигателю. В сочетании с устройством, которое может его прочитать, кодер будет обеспечивать обратную связь, которая будет включать управление с обратной связью.Шаговые двигатели имеют управление с разомкнутым контуром
Контроль Скорости. Система также может иметь регулирование скорости, что позволяет ей ориентироваться на определенную скорость вращения. Если ваша система имеет управление позицией с открытым контуром, она будет (по определению) иметь управление скоростью разомкнутого контура. Аналогично, система с контролем положения в замкнутом контуре будет иметь регулирование скорости в замкнутом контуре.
Двигатели постоянного тока и сервоприводы с непрерывным вращением имеют управление скоростью разомкнутого контура, потому что контроллер просто решает, сколько энергии нужно применять к двигателю, и это напрямую влияет на скорость.

Шаговые двигатели имеют управление скоростью разомкнутого контура.

Потому что контроллер знает нужную позицию и количество времени, которое требуется для отправки сигнала, чтобы добраться до этого положения, поэтому скорость можно легко вычислить.

Шаговые двигатели BLDC имеют регулировку скорости в замкнутом контуре, так как контроллер знает положение и время из-за данных от датчиков эффекта холла в двигателе.
Ограниченные сервоприводы вращения имеют регулирование скорости в замкнутом контуре, поскольку контроллер знает положение и время из-за данных с потенциометра.

Точно так же, как кодеры могут использоваться для обновления управления положением системы, они также могут обеспечивать управление скоростью в замкнутом контуре.
Точность Существует ряд факторов, которые влияют на точность управления положением двигателя в зависимости от типа двигателя и того, какой механизм обратной связи он использует.

Шаговые двигатели точны независимо от угла шага двигателя.

Типичный ступенчатый угол составляет 1,8 °, и в этом случае позиционирование двигателя всегда будет кратным 1,8 °, в результате чего 200 уникальных позиций по всему вращению.
Сервомоторы ограничены «шириной мертвой зоны», которые можно найти в техническом паспорте вашего серводвигателя. Возьмите полный диапазон пульса серво и разделите его на ширину запрещенной зоны. Затем возьмите диапазон срабатывания сервопривода в градусах и разделите его на результат. Это даст вам разрешение положения сервопривода в градусах.
Если вы используете кодировщик, точность будет ограничена CPR датчика. Например, CPR 360 будет иметь разрешение 1 °.
Если ваш мотор имеет коробку передач, это приведет к некоторой ошибке в позиционировании из-за пустого пространства между зубчатыми зубьями. Это называется «люфт» или «отстой». Типичные редукторы могут иметь от 1 до 3 градусов отвала, что напрямую влияет на точность позиционирования.
Ценовой Диапазон Из-за различий в том, как двигатели строятся и контролируются, цены между типами двигателей сильно различаются.
Сервомоторы часто являются наиболее экономичным вариантом для приложений с низким крутящим моментом. Хотя цена на один двигатель сопоставима с другими вариантами, платы сервоконтроллеров часто настраиваются для управления до 16 сервоусилителей одновременно.
Двигатели постоянного тока являются простейшим типом двигателя и доступны в широком диапазоне размеров. Регуляторы постоянного тока обычно довольно просты, поэтому стоимость контроллера не такая высокая, как степперы или BLDC.

Шаговые двигатели и двигатели BLDC более дороги, потому что двигатели более сложны в управлении.

Коробки передач Коробки передач, общая особенность электродвигателей, используют механическое преимущество зубчатых колес, чтобы уменьшить скорость двигателя и увеличить крутящий момент. Скорость и точность напрямую зависят от передаточного отношения.Шаговые двигатели и двигатели BLDC более дороги
Например, двигатель со скоростью 500 об / мин и редуктор с передаточным отношением 10: 1 приведут к скорости на выходе и скорости вращения 50 об / мин.
Хотя коэффициент уменьшения играет большую роль в определении выходного крутящего момента коробки передач, также существует неэффективность, которая вводится с помощью редуктора. Часть крутящего момента двигателя преобразуется в тепло и теряется из-за трения между шестернями. КПД коробки передач зависит от физических характеристик зубчатых колес, количества ступеней редуктора и используемой системы передач.
Имейте в виду, что при добавлении коробки передач увеличивает крутящий момент, сам редуктор рассчитан только на то, чтобы выдерживать определенный крутящий момент, прежде чем он рискует стать поврежденным или взломанным. При выборе двигателя вы всегда должны учитывать фактический рабочий крутящий момент как минимум выходного крутящего момента и прочности коробки передач. Например, двигатель, который может нормально выпускать 5 кг · см крутящего момента с 10: 1, 90 эффективной коробкой передач, шестерни которых рассчитаны на 40 кг · см, теоретически сможет вывести крутящий момент 45 кг · см, но на практике максимальный крутящий момент должен считаться предельным весом в 40 кг · см.
С редукторами крутящий момент и скорость можно рассматривать как одну взаимозаменяемую характеристику: если вам нужен больше крутящего момента и меньше скорости, попробуйте найти тот же двигатель с коробкой передач с более высоким коэффициентом уменьшения. Если вам требуется больше скорости и меньше крутящего момента, попробуйте найти тот же двигатель с коробкой передач с более низким коэффициентом уменьшения. Тем не менее, не рекомендуется покупать коробки передач и двигатели отдельно для смешивания и сопряжения, если они специально не предназначены для друг друга. В настройке коробки передач многое может пойти не так, и для большинства пользователей намного меньше хлопот, чтобы просто купить мотор с уже установленной коробкой передач.
Кодер представляет собой устройство, установленное на валу двигателя, который может быть использован, чтобы следить за положением двигателя или рассчитать скорость двигателя. Кодеры часто используются с двигателем постоянного тока и системой управления ПИД-регуляторами для достижения управления положением / скоростью двигателя, который в противном случае имел бы простое управление вкл. / Выкл. Некоторые двигатели имеют вал, открытый с обеих сторон двигателя, поэтому кодер может быть закреплен на одном конце, не мешая движению двигателя.

Энкодеры шаговых двигателей

Кодеры редко используются с двигателями BLDC или сервомоторами, поскольку оба они уже имеют встроенную обратную связь с обратной связью. Кодеры иногда используются с шаговыми двигателями, потому что управление положением в шаговом двигателе является разомкнутым контуром (контроллер не знает, действительно ли шаговый прибор переместился в нужное положение, он знает только, как далеко он сказал шагающему, чтобы идти ). Чрезмерная вибрация, внешние силы или внезапные нагрузки с высоким крутящим моментом могут привести к пропущению шагов, поэтому кодер закроет контур управления и обеспечит фактическую обратную связь в этом случае.
Оценка требуемого крутящего момента Трудно оценить, сколько крутящего момента потребуется для определенного приложения до того, как проект будет построен, но есть много рекомендаций и правил в Интернете, которые могут дать вам хорошую идею.