Просмотры: 0 Автор: Редактор сайта Время публикации: 18 апреля 2025 г. Происхождение: Сайт
А Шаговый двигатель — это тип электродвигателя, который движется точными фиксированными шагами, а не непрерывно вращается, как обычный двигатель. Он обычно используется в приложениях, где требуется точный контроль положения, например, в 3D-принтерах, станках с ЧПУ, робототехнике и платформах камер.
Шаговые двигатели — это тип электродвигателя, который с поразительной точностью преобразует электрическую энергию во вращательное движение. В отличие от обычных электродвигателей, которые обеспечивают непрерывное вращение, шаговые двигатели вращаются дискретными шагами, что делает их идеальными для применений, требующих точного позиционирования.
Каждый импульс электричества, посылаемый на шаговый двигатель от его драйвера, приводит к точному движению — каждый импульс соответствует определенному шагу. Скорость вращения двигателя напрямую зависит от частоты этих импульсов: чем быстрее посылаются импульсы, тем быстрее вращение.
Одно из ключевых преимуществ Шаговые двигатели – это простота управления ими. Большинство драйверов работают с импульсами напряжением 5 В, совместимыми с обычными интегральными схемами. Вы можете либо разработать схему для генерации этих импульсов, либо использовать генератор импульсов от таких компаний, как BesFoc.
Несмотря на случайные неточности — стандартные шаговые двигатели имеют точность около ± 3 угловых минут (0,05°) — эти ошибки не накапливаются при выполнении нескольких шагов. Например, если стандартный шаговый двигатель сделает один шаг, он повернется на 1,8° ± 0,05°. Даже после миллиона шагов общее отклонение составляет всего ± 0,05°, что делает их надежными для точных перемещений на большие расстояния.
Кроме того, шаговые двигатели известны своей быстрой реакцией и ускорением благодаря низкой инерции ротора, что позволяет им быстро достигать высоких скоростей. Это делает их особенно подходящими для применений, требующих коротких и быстрых движений.
А Шаговый двигатель работает путем разделения полного оборота на несколько равных шагов. Он использует электромагниты для создания движения небольшими, контролируемыми шагами.
Шаговый двигатель состоит из двух основных частей:
Статор – неподвижная часть с катушками (электромагнитами).
Ротор – вращающаяся часть, часто магнитная или железная.
Когда электрический ток протекает через катушки статора, он создает магнитные поля.
Эти поля притягивают ротор.
Включая и выключая катушки в определенной последовательности, ротор шаг за шагом совершает круговое движение.
Каждый раз, когда на катушку подается питание, ротор перемещается на небольшой угол (называемый шагом).
Например, если двигатель имеет 200 шагов на оборот, каждый шаг перемещает ротор на 1,8°.
Двигатель может вращаться вперед или назад в зависимости от порядка импульсов, посылаемых на катушки.
А Драйвер шагового двигателя посылает электрические импульсы на катушки двигателя.
Чем больше импульсов, тем больше вращается двигатель.
Микроконтроллеры (например, Arduino или Raspberry Pi) могут управлять этими драйверами для точного перемещения двигателя.
На рисунке ниже изображена стандартная система шагового двигателя, состоящая из нескольких основных компонентов, работающих вместе. Производительность каждого элемента влияет на общую функциональность системы.
Сердцем системы является компьютер или программируемый логический контроллер (ПЛК). Этот компонент действует как мозг, управляя не только шаговым двигателем, но и всей машиной. Он может выполнять различные задачи, например, поднимать лифт или перемещать конвейерную ленту. В зависимости от необходимой сложности этот контроллер может варьироваться от сложного ПК или ПЛК до простой кнопки оператора.
Далее идет индексатор или карта ПЛК, которая передает конкретные инструкции шаговый двигатель . Он генерирует необходимое количество импульсов для движения и регулирует частоту импульсов для управления ускорением, скоростью и замедлением двигателя. Индексатор может быть либо автономным устройством, например BesFoc, либо платой генератора импульсов, подключаемой к ПЛК. Независимо от своей формы, этот компонент имеет решающее значение для работы двигателя.
Драйвер двигателя состоит из четырех основных частей:
Логика управления фазой: этот логический блок получает импульсы от индексатора и определяет, какая фаза двигателя должна быть активирована. Для обеспечения правильной работы двигателя подача питания на фазы должна выполняться в определенной последовательности.
Источник питания логики: это низковольтный источник питания, питающий интегральные схемы (ИС) внутри драйвера, обычно работающий при напряжении около 5 В, в зависимости от набора микросхем или конструкции.
Источник питания двигателя: этот источник обеспечивает необходимое напряжение для питания двигателя, обычно около 24 В постоянного тока, хотя оно может быть и выше в зависимости от применения.
Усилитель мощности: этот компонент состоит из транзисторов, которые пропускают ток через фазы двигателя. Эти транзисторы включаются и выключаются в правильной последовательности, чтобы облегчить движение двигателя.
Наконец, все эти компоненты работают вместе для перемещения груза, которым может быть ходовой винт, диск или конвейерная лента, в зависимости от конкретного применения.
Существует три основных типа шаговых двигателей:
Эти двигатели имеют зубья на роторе и статоре, но не содержат постоянного магнита. В результате им не хватает фиксирующего момента, а это означает, что они не удерживают свое положение, когда на них не подается питание.
Шаговые двигатели с постоянными магнитами имеют постоянный магнит на роторе, но не имеют зубцов. Хотя они обычно демонстрируют меньшую точность угла шага, они обеспечивают фиксирующий момент, позволяя им сохранять положение при отключении питания.
BesFoc специализируется исключительно на гибридных автомобилях. шаговый двигатель с. Эти двигатели объединяют магнитные свойства постоянных магнитов с зубчатой конструкцией двигателей с переменным сопротивлением. Ротор намагничен в осевом направлении, что означает, что в типичной конфигурации верхняя половина является северным полюсом, а нижняя половина — южным полюсом.
Ротор состоит из двух зубчатых чашек, каждая из которых имеет по 50 зубьев. Эти чашки смещены на 3,6°, что обеспечивает точное позиционирование. Если смотреть сверху, можно увидеть, что зуб на чашке северного полюса совпадает с зубом на чашке южного полюса, создавая эффективную систему зубчатых передач.
Гибридные шаговые двигатели работают по двухфазной схеме, каждая фаза содержит четыре полюса, расположенные на расстоянии 90° друг от друга. Каждый полюс фазы намотан так, что полюсы, расположенные на расстоянии 180 ° друг от друга, имеют одинаковую полярность, а полюса, расположенные на расстоянии 90 ° друг от друга, противоположны. Изменяя ток в любой фазе, можно также изменить полярность соответствующего полюса статора, что позволяет двигателю преобразовать любой полюс статора в северный или южный полюс.
Ротор шагового двигателя имеет 50 зубцов с шагом 7,2° между каждым зубцом. Во время работы двигателя совмещение зубьев ротора с зубьями статора может меняться, в частности, оно может быть смещено на три четверти шага зубьев, половину шага зубьев или четверть шага зубьев. Когда двигатель делает шаг, он, естественно, выбирает кратчайший путь для выравнивания, что соответствует перемещению на 1,8° за шаг (поскольку 1/4 от 7,2° равняется 1,8°).
Крутящий момент и точность в Шаговые двигатели зависят от количества полюсов (зубцов). Как правило, большее количество полюсов приводит к улучшению крутящего момента и точности. BesFoc предлагает шаговые двигатели «высокого разрешения», шаг зубьев которых вдвое меньше, чем у стандартных моделей. Эти роторы с высоким разрешением имеют 100 зубцов, в результате чего угол между каждым зубом составляет 3,6°. При такой настройке перемещение на 1/4 шага зуба соответствует меньшему шагу 0,9°.
~!phoenix_var185_0!~
~!phoenix_var185_1!~
~!phoenix_var186_0!~
~!phoenix_var186_1!~
~!phoenix_var187_0!~
~!phoenix_var187_1!~
~!phoenix_var188_0!~
~!phoenix_var188_1!~
~!phoenix_var189_0!~
~!phoenix_var189_1!~
~!phoenix_var190_0!~
~!phoenix_var190_1!~
~!phoenix_var199_0!~~!phoenix_var199_1!~
~!phoenix_var203_0!~ ~!phoenix_var203_1!~
А ~!phoenix_var209_0!~ ~!phoenix_var209_1!~
Двухфазные шаговые двигатели могут пропускать шаги только группами по четыре. Если вы заметили потерю шага, кратную четырем, это указывает на то, что вибрация приводит к потере синхронизации двигателя или что нагрузка может быть чрезмерной. И наоборот, если число пропущенных шагов не кратно четырем, это является явным признаком того, что либо счетчик импульсов неправильный, либо на производительность влияют электрические помехи.
Несколько стратегий могут помочь смягчить резонансные эффекты. Самый простой подход – вообще избегать работы на резонансной скорости. Поскольку 200 Гц соответствует примерно 60 об/мин для двухфазного двигателя, это не очень высокая скорость. Большинство Шаговые двигатели имеют максимальную скорость запуска около 1000 импульсов в секунду (pps). Поэтому во многих случаях можно инициировать работу двигателя на скорости выше резонансной частоты.
Если вам необходимо запустить двигатель на скорости ниже резонансной частоты, важно быстро ускориться в резонансном диапазоне, чтобы свести к минимуму воздействие вибрации.
Еще одно эффективное решение — использовать меньший угол шага. Большие углы шага, как правило, приводят к большему перелету и недолету. Если двигателю предстоит пройти небольшое расстояние, он не будет генерировать достаточную силу (крутящий момент) для значительного превышения скорости. Уменьшая угол шага, двигатель испытывает меньшую вибрацию. Это одна из причин, почему полушаговые и микрошаговые методы настолько эффективны для снижения вибраций.
Обязательно выбирайте двигатель в соответствии с требованиями к нагрузке. Правильный размер двигателя может привести к улучшению общей производительности.
Демпферы — еще один вариант, который следует рассмотреть. Эти устройства можно установить на задний вал двигателя для поглощения части энергии вибрации, помогая сгладить работу вибрационного двигателя экономически эффективным способом.
Относительно новое достижение в Технология шагового двигателя - это 5-фазный шаговый двигатель. Наиболее заметная разница между 2-фазными и 5-фазными двигателями (см. интерактивную схему ниже) — это количество полюсов статора: 2-фазные двигатели имеют 8 полюсов (по 4 на фазу), а 5-фазные двигатели — 10 полюсов (2 на фазу). Конструкция ротора аналогична конструкции двухфазного двигателя.
В 2-фазном двигателе каждая фаза перемещает ротор на 1/4 шага зубьев, а в 5-фазном двигателе ротор перемещается на 1/10 шага зубьев из-за своей конструкции. При шаге зубьев 7,2° угол шага 5-фазного двигателя становится 0,72°. Такая конструкция позволяет 5-фазному двигателю совершать 500 шагов за оборот по сравнению с 200 шагами за оборот 2-фазного двигателя, обеспечивая разрешение, которое в 2,5 раза выше, чем у 2-фазного двигателя.
Более высокое разрешение приводит к меньшему углу шага, что значительно снижает вибрацию. Поскольку угол шага 5-фазного двигателя в 2,5 раза меньше, чем у 2-фазного двигателя, он испытывает гораздо меньший звон и вибрацию. В обоих типах двигателей ротор должен отклоняться или отклоняться более чем на 3,6°, чтобы пропустить шаги. Поскольку угол шага 5-фазного двигателя составляет всего 0,72°, для двигателя становится практически невозможным перерегулирование или недорегулирование с таким запасом, что приводит к очень низкой вероятности потери синхронизации.
Существует четыре основных метода привода для шаговый двигатель :
Волновой привод (полный шаг)
2 фазы включены (полный шаг)
1–2 фазы включены (полушаг)
Микрошаг
На диаграмме ниже метод волнового привода упрощен, чтобы проиллюстрировать его принципы. Каждый поворот на 90°, изображенный на рисунке, соответствует 1,8° поворота ротора реального двигателя.
В методе волнового привода, также известном как метод однофазного включения, одновременно подается напряжение только на одну фазу. Когда активируется фаза А, она создает южный полюс, который притягивает северный полюс ротора. Затем фаза A выключается и включается фаза B, заставляя ротор вращаться на 90 ° (1,8 °), и этот процесс продолжается с подачей питания на каждую фазу индивидуально.
Волновой привод работает с четырехступенчатой электрической последовательностью вращения двигателя.
В методе привода «2 фазы включены» обе фазы двигателя постоянно находятся под напряжением.
Как показано ниже, каждый поворот на 90° соответствует повороту ротора на 1,8°. Когда на обе фазы A и B подается напряжение как на южные полюса, северный полюс ротора одинаково притягивается к обоим полюсам, в результате чего он выравнивается точно посередине. По мере выполнения последовательности и активации фаз ротор будет вращаться, чтобы поддерживать выравнивание между двумя полюсами, находящимися под напряжением.
Метод «2 фазы включены» использует четырехэтапную электрическую последовательность для вращения двигателя.
Стандартные 2-фазные и 2-фазные двигатели BesFoc типа M используют метод привода «2 фазы включены».
Основным преимуществом метода «2 фазы включено» по сравнению с методом «1 фаза включено» является крутящий момент. В методе «1 фаза включена» одновременно активируется только одна фаза, в результате чего на ротор действует одна единица крутящего момента. Напротив, метод «2 фазы включены» одновременно подает питание на обе фазы, создавая две единицы крутящего момента. Один вектор крутящего момента действует в положении «12 часов», а другой — в положении «3 часа». Когда эти два вектора крутящего момента объединяются, они создают результирующий вектор под углом 45° с величиной, которая на 41,4% больше, чем у одного вектора. Это означает, что использование метода «2 фазы включено» позволяет нам достичь того же угла шага, что и метод «1 фаза включена», обеспечивая при этом на 41% больший крутящий момент.
Однако пятифазные двигатели работают несколько иначе. Вместо метода «2 фазы включения» они используют метод «4 фазы включения». При таком подходе четыре фазы активируются одновременно каждый раз, когда двигатель делает шаг.
В результате пятифазный двигатель во время работы выполняет 10-ступенчатую электрическую последовательность.
Метод «1-2 фазы включены», также известный как полушаговый, сочетает в себе принципы двух предыдущих методов. В этом подходе мы сначала подаем питание на фазу А, заставляя ротор выравниваться. Поддерживая фазу А под напряжением, мы затем активируем фазу В. В этот момент ротор одинаково притягивается к обоим полюсам и выравнивается посередине, что приводит к повороту на 45 ° (или 0,9 °). Затем мы отключаем фазу А, продолжая подавать напряжение на фазу B, позволяя двигателю сделать еще один шаг. Этот процесс продолжается, попеременно подавая питание на одну и две фазы. Таким образом мы эффективно сокращаем угол шага вдвое, что помогает снизить вибрацию.
Для 5-фазного двигателя мы используем аналогичную стратегию, чередуя 4 и 5 включенных фаз.
Полушаговый режим состоит из восьмишаговой электрической последовательности. В случае пятифазного двигателя, использующего метод «4-5 фаз включено», двигатель проходит 20-ступенчатую электрическую последовательность.
(При необходимости можно добавить дополнительную информацию о микрошагах.)
Микрошаг — это метод, используемый для того, чтобы сделать мелкие шаги еще более точными. Чем меньше шаги, тем выше разрешение и тем лучше вибрационные характеристики двигателя. При микрошаге фаза ни полностью включена, ни полностью выключена; вместо этого он частично находится под напряжением. Синусоидальные волны подаются как на фазу A, так и на фазу B, с разницей фаз 90° (или 0,9° в пятифазной сети). шаговый двигатель ).
Когда к фазе A подается максимальная мощность, фаза B равна нулю, заставляя ротор выравниваться с фазой A. Когда ток в фазе A уменьшается, ток в фазе B увеличивается, позволяя ротору делать небольшие шаги в направлении фазы B. Этот процесс продолжается, пока ток циклически переключается между двумя фазами, что приводит к плавному микрошаговому движению.
Однако микрошаг создает некоторые проблемы, в основном связанные с точностью и крутящим моментом. Поскольку фазы находятся под напряжением лишь частично, крутящий момент двигателя обычно снижается примерно на 30%. Кроме того, поскольку разница крутящего момента между ступенями минимальна, двигателю может быть сложно преодолеть нагрузку, что может привести к ситуациям, когда двигателю будет дана команда на перемещение на несколько шагов, прежде чем он действительно начнет двигаться. Во многих случаях для создания системы с замкнутым контуром необходимо включение энкодеров, хотя это увеличивает общую стоимость.
Системы с разомкнутым контуром
Системы с замкнутым контуром
Сервосистемы
Шаговые двигатели обычно проектируются как системы с разомкнутым контуром. В этой конфигурации генератор импульсов посылает импульсы в схему регулирования фаз. Секвенсор фаз определяет, какие фазы следует включить или выключить, как описано ранее в методах полного шага и полушага. Секвенсор управляет мощными полевыми транзисторами для активации двигателя.
Однако в системе с разомкнутым контуром проверка положения отсутствует, а это означает, что нет способа подтвердить, выполнил ли двигатель заданное движение.
Одним из наиболее распространенных методов реализации системы с обратной связью является добавление энкодера на задний вал двухвального двигателя. Кодер состоит из тонкого диска, отмеченного линиями, который вращается между передатчиком и приемником. Каждый раз, когда линия проходит между этими двумя компонентами, на сигнальных линиях генерируется импульс.
Эти выходные импульсы затем передаются обратно на контроллер, который их подсчитывает. Обычно в конце движения контроллер сравнивает количество импульсов, отправленных водителю, с количеством импульсов, полученных от энкодера. Выполняется специальная процедура, согласно которой, если два значения отличаются, система корректирует несоответствие. Если значения совпадают, это означает, что ошибки не произошло и движение может продолжаться плавно.
У системы с обратной связью есть два основных недостатка: стоимость (и сложность) и время отклика. Включение энкодера увеличивает общую стоимость системы, а также усложняет контроллер, что увеличивает общую стоимость. Кроме того, поскольку исправления вносятся только в конце движения, это может привести к задержкам в работе системы, потенциально замедляя время отклика.
Альтернативой шаговым системам с замкнутым контуром является сервосистема. В сервосистемах обычно используются двигатели с малым числом полюсов, обеспечивающие высокую скорость работы, но не имеющие возможности позиционирования. Чтобы преобразовать сервопривод в позиционное устройство, необходимы механизмы обратной связи, часто использующие энкодер или резольвер вместе с контурами управления.
В сервосистеме двигатель включается и выключается до тех пор, пока резольвер не укажет, что заданное положение достигнуто. Например, если сервоприводу дано указание совершить 100 оборотов, он начинается с нулевого счетчика резольвера. Двигатель работает до тех пор, пока счетчик резольвера не достигнет 100 оборотов, после чего он выключается. Если происходит какое-либо позиционное смещение, двигатель повторно активируется для исправления положения.
Реакция сервопривода на ошибки позиционирования зависит от настройки усиления. Установка высокого коэффициента усиления позволяет двигателю быстро реагировать на изменения в ошибке, тогда как настройка низкого коэффициента усиления приводит к более медленной реакции. Однако регулировка настроек усиления может привести к временным задержкам в системе управления движением, что повлияет на общую производительность.
AlphaStep — инновационная разработка компании BesFoc. Решение с шаговым двигателем со встроенным резольвером, обеспечивающим обратную связь по положению в реальном времени. Такая конструкция гарантирует, что точное положение ротора всегда известно, что повышает точность и надежность системы.
Драйвер AlphaStep оснащен входным счетчиком, который отслеживает все импульсы, отправленные на привод. Одновременно обратная связь от резольвера направляется на счетчик положения ротора, что позволяет осуществлять непрерывный мониторинг положения ротора. Любые несоответствия фиксируются счетчиком отклонений.
Обычно двигатель работает в режиме разомкнутого контура, генерируя векторы крутящего момента, которым двигатель должен следовать. Однако, если счетчик отклонений показывает расхождение, превышающее ±1,8°, преобразователь фаз активирует вектор крутящего момента в верхней части кривой смещения крутящего момента. Это создает максимальный крутящий момент для выравнивания ротора и возврата его в синхронизм. Если двигатель выключается на несколько шагов, секвенсор подает питание на несколько векторов крутящего момента в верхнем конце кривой смещения крутящего момента. Водитель может выдерживать условия перегрузки до 5 секунд; если за это время не удается восстановить синхронизм, срабатывает неисправность и выдается сигнал тревоги.
Замечательной особенностью системы AlphaStep является ее способность в реальном времени корректировать любые пропущенные шаги. В отличие от традиционных систем, которые ждут окончания движения, чтобы исправить любые ошибки, драйвер AlphaStep предпринимает корректирующие действия, как только ротор выходит за пределы диапазона 1,8°. Как только ротор возвращается в этот предел, драйвер возвращается в режим разомкнутого контура и возобновляет подачу питания на соответствующую фазу.
Прилагаемый график иллюстрирует кривую смещения крутящего момента, подчеркивая режимы работы системы — разомкнутый и замкнутый контур. Кривая смещения крутящего момента представляет собой крутящий момент, создаваемый одной фазой, при котором максимальный крутящий момент достигается при отклонении положения ротора на 1,8°. Шаг можно пропустить только в том случае, если ротор отклоняется более чем на 3,6°. Поскольку водитель берет на себя управление вектором крутящего момента всякий раз, когда отклонение превышает 1,8°, двигатель вряд ли пропускает шаги, если только он не испытывает перегрузку продолжительностью более 5 секунд.
Многие ошибочно полагают, что точность шага двигателя AlphaStep составляет ±1,8°. На самом деле точность шага AlphaStep составляет 5 угловых минут (0,083°). Привод управляет векторами крутящего момента, когда угол поворота ротора находится за пределами диапазона 1,8°. Как только ротор попадает в этот диапазон, зубья ротора точно совпадают с создаваемым вектором крутящего момента. AlphaStep гарантирует, что правильный зуб будет совмещен с активным вектором крутящего момента.
Серия AlphaStep выпускается в различных версиях. BesFoc предлагает модели как с круглым валом, так и с редуктором с несколькими передаточными числами, чтобы либо повысить разрешение и крутящий момент, либо минимизировать отраженную инерцию. Большинство версий могут быть оснащены надежным магнитным тормозом. Кроме того, BesFoc предлагает версию на 24 В постоянного тока, называемую серией ASC.
В заключение отметим, что шаговые двигатели отлично подходят для приложений позиционирования. Они позволяют точно контролировать расстояние и скорость, просто изменяя количество и частоту импульсов. Большое количество полюсов обеспечивает точность даже при работе в режиме разомкнутого контура. При правильном выборе размера для конкретного применения Шаговый двигатель не будет пропускать шаги. Более того, поскольку шаговые двигатели не требуют обратной связи по положению, они являются экономически эффективным решением.
