О шаговых двигателях для самодельщиков
Самодельщиков - тех кто хочет собрать ЧПУ сам все больше. Поэтому попытаемся изложить принцип работы и особенности шаговых двигателей. Думаю это поможет в дальнейшем при изготовлении ЧПУ станка.
Шаговые электродвигатели.
Шаговый электродвигатель - устройство электромеханическое , выходной вал - ротор которого совершает дискретное угловое с фиксацией конечного положения - т.е. остановкой в опредленном положении.
В отличие от синхронных двигателей (обычных двигателей) для шаговых двигателей должн сохраняться синхронизм как при вращении, и при запуске, торможении или изменении направления вращения и, а также, основное достоинтво - длительная фиксированная остановка ротора (вал). При остановке (удержании) по обмоткам шагового двигателя проходит постоянный ток - т.е. обмотки ШД должны быть постоянно запитаны.
Принцип действия:
так же как и в синхронном двигателе, при запитке обмоток статора, на роторе возникает момент (магнитное притяжение), стремящийся повернуть его в положение максимального сединения магнитных потоков запитанных обмоток.
На рисунке выше - схема двигателя. это схематично - показаны только четыре полюса с обмотками. на мамом деле их намного больше. Ротор это постоянный магнит.
Запитана обмотка 1 по ней течет ток, естественно, создается магнитное поле статора. магнитыне поля ротора и статора стремятся повернуть ротор - возникнет вращающий момент, который довернет ротор до положения, при котором совпадут оси магнитных полей. в данном положении удерживается ротор. поворт от одного полюса к другому это и есть шаг двигателя.
так как обмотка 2 не подключена, она в работе участия не принимает.
Ротор стоит в устойчивом положении. противодейчтвуя внешнему воздействию, которое стремится его повернуть. Данный момент - момент удержания будет удерживать ротор в фиксированном положении до тех пор, пока не будет снят ток с обмоток или ток будет переключен к обмотке 2.
подключаем ток к обмотке 2. магнитное поле статора сместится, в нашем случае, на 90 градусов. Снова момент магнитных сил будет стремится повернуть ротор в новое положение. И снова, при совпадении осей, ротор займет положение устойчивого равновесия. ШД сделал второй шаг. и опаять момент удержания удерживает ротор в неподвижном состоянии.
далее блок управления снимает напряжение с обмотки 2 и подключает обмотку 1 но с другой полярностью. ротор делает следующий шаг повинуясь действию магнитных сил. далее все повторяется и ротор делает полный оборот.
от последоватьльности запитки обмоток можно поменять направление вращения ротора шагового двигателя.
каждое переключение тока будет соответствовать 1 шагу.
Вывод:
При переменном подключении обмоток, в определенной последовательности, ротор ШД, повернется на угол пропорциональный числу импульсов. При прекращении, в обной из обмоток течет постоянный ток, ротор остановится, переходит в режим удержания и торможения.
Режимы работы:
от часоты подачи (смены) импусьсот зависит скорость вращения. чем выше частота тем выше скорость вращения
есть четыре режима работы:
1. Статический.
2. Квазистатический
3. Установившиеся режимы.
4. переходные режимы.
Статический:
по обмоткам протекает постоянный ток.
Квазистатический:
Режим отработки единичных шагов. Характерен тем что все переходные, обычно колебательные, процессы заканчиваются перед началом следующего шага. Частота шагов в этом режиме ограничена временем затухания колебаний. Повысить её можно введением дополнительных устройств.
Применяется там, где подобные колебания недопустимы.
Установившиеся режимы:
Работа при постоянной частоте управляющих импульсов. При частоте импульсов меньшей, чем частота свободных колебаний (F1), шаги сопровождаются этими колебаниями.
При частоте управляющих импульсов, равной (F1) или меньшей в целое число раз, возникает электромеханический резонанс. При слабом демпфировании он может привести к потере синхронизма и нарушению периодичности движения. При частоте выше (F1) движение сопровождается вынужденными колебаниями с частотой управляющих импульсов.
Вывод:
Требуется демпфирование в устройстве.
Переходные режимы:
при работе шагового двигателя возникают переходные режимы порождая нежелательные эффекты. Например: скорость движения при совершении шага далеко не постоянна. ротор обладает инерцией. Напряжение жв обмотках нарастает скачкообразно от нуля до рабочего.
В результате ротор, "скачает" и "дергается".
Максимальная частота:
это важно для быстрого вращения ШД.
каждый ШД имеет свою мах частоты вращения. это связано с его конструкцией.
Это частота приемистости.
Растет она с увеличением синхронизирующего момента, уменьшением углового шага, величины нагрузки и момента инерции нагрузки.
От нее пляшем:
Торможение. плавным снижением частоты управления до нуля. Предельная частота управляющих импульсов, при которых ротор затормозится без потери синхронизма, то есть, без выбега, как правило, выше частоты приемистости.
При торможении без выбега в неустановившемся режиме, мгновенная скорость может быть в 1,5 - 2 раза выше средней скорости. Тогда предельная частота управления может быть ниже частоты приемистости.
Реверс достигается изменением направления вращения поля статора. Предельная частота управления при этом, всегда меньше частоты приемистости. Достигнуть ее значения возможно только при большой величине нагрузки и внутреннего демпфирования. Та же картина при работе короткими импульсами с произвольными паузами.
Характеристики и параметры:
Рабочие характеристики шагового двигателя зависят как от их собственных параметров, характера нагрузки, так и от особенностей коммутации. В частности от формы напряжения управления, фронтов тока управления, определяющих коммутационные перенапряжения.
1. Статические характеристики.
2. Предельные динамические и динамические.
3. Устойчивости в резонансных областях.
Зависимости статического синхронизующего момента от угла поворота ротора, величины тока в обмотках при разных сочетаниях включения. Величину угловой погрешности при работе в квазистатическом режиме. На холостом ходу или под нагрузкой.
Зависимости частоты приемистости, предельной частоты управления при торможении или реверсе от величины момента сопротивления нагрузки и ее момента инерции, определенные для заданных условий коммутации, составляют семейство предельных характеристик. Соответственно - пуска, торможения или реверса.
Предельная механическая характеристика определяет зависимость частоты управления от величины момента сопротивления нагрузки, при плавном увеличении которой ротор выпадает из синхронизма.
И еще пару слов о том, зачем нужно увеличивать напряжение при увеличении частоты.
во первых - шаговый двигатель является обратимой машиной, т.е. если вращать шаговый двигатель - то он будет работать как генератор.
и что важно - вращающийся шаговый двигатель будет генерировать импульсы в временной последовательности аналогичной управляющим, но обратной по напряжению.
это означает - просто то, что повышая частоту, наступил такой момент времени, когда напряжение управляющих импульсов приравняется к напряжению импульсов сгенерированных мотором. а это в свою очередь - приведет к тому что ток через обмотки станет равным нулю. а от тока, как известно, пропорционально зависит момент, и момент как я думаю очевидно - тоже станет равным нулю. Именно поэтому, для дальнейшего увеличения частоты - необходимо увеличить напряжение.
что шаговый мотор работает в крайне широком диапазоне частот управляющих импульсов. представим - 200 шагов двигатель, работающий в полушаге, на скорости 10 об в сек. частота следования импульсов - 4*200*10 герц= 8кГц. для обычного инраннера это бы соответствовало частотам порядка 80 000 об в минуту и тот же самый мотор используется для удержания, и для пошагового движения, и при этом не должен потерять шаги.
если пытаться выжимать из шагового двигателя больше чем он может дать мы придем лишь к тому, что возбуждаемое нами магнитное поле превысит магнитное поле статора - и с дальнейшим повышением тока - мы не получим ни приращения момента, ни скорости, и уж тем более не добавим ресурса.
что же все-таки имеет смысл сделать - так это найти правильный контроллер. ибо неправильный контроллер либо не даст вам скорости, либо спалит или перегреет мотор в режиме стояния (магниты от перегрева размагничиваются).
Правильный - такой который использует алгоритмы форсирования, который снижает ток во время стояния, и который по возможности используется на уже работающем промышленном или выпускаемом серийно оборудовании.
сейчас навалом нормальных шаговых моторов с хорошими характеристиками, с моментом порядка 10 и более кГс*см, с современными контроллерами и прочим.
Шаговый электродвигатель - устройство электромеханическое , выходной вал - ротор которого совершает дискретное угловое с фиксацией конечного положения - т.е. остановкой в опредленном положении.
В отличие от синхронных двигателей (обычных двигателей) для шаговых двигателей должн сохраняться синхронизм как при вращении, и при запуске, торможении или изменении направления вращения и, а также, основное достоинтво - длительная фиксированная остановка ротора (вал). При остановке (удержании) по обмоткам шагового двигателя проходит постоянный ток - т.е. обмотки ШД должны быть постоянно запитаны.
Принцип действия:
так же как и в синхронном двигателе, при запитке обмоток статора, на роторе возникает момент (магнитное притяжение), стремящийся повернуть его в положение максимального сединения магнитных потоков запитанных обмоток.
На рисунке выше - схема двигателя. это схематично - показаны только четыре полюса с обмотками. на мамом деле их намного больше. Ротор это постоянный магнит.
Запитана обмотка 1 по ней течет ток, естественно, создается магнитное поле статора. магнитыне поля ротора и статора стремятся повернуть ротор - возникнет вращающий момент, который довернет ротор до положения, при котором совпадут оси магнитных полей. в данном положении удерживается ротор. поворт от одного полюса к другому это и есть шаг двигателя.
так как обмотка 2 не подключена, она в работе участия не принимает.
Ротор стоит в устойчивом положении. противодейчтвуя внешнему воздействию, которое стремится его повернуть. Данный момент - момент удержания будет удерживать ротор в фиксированном положении до тех пор, пока не будет снят ток с обмоток или ток будет переключен к обмотке 2.
подключаем ток к обмотке 2. магнитное поле статора сместится, в нашем случае, на 90 градусов. Снова момент магнитных сил будет стремится повернуть ротор в новое положение. И снова, при совпадении осей, ротор займет положение устойчивого равновесия. ШД сделал второй шаг. и опаять момент удержания удерживает ротор в неподвижном состоянии.
далее блок управления снимает напряжение с обмотки 2 и подключает обмотку 1 но с другой полярностью. ротор делает следующий шаг повинуясь действию магнитных сил. далее все повторяется и ротор делает полный оборот.
от последоватьльности запитки обмоток можно поменять направление вращения ротора шагового двигателя.
каждое переключение тока будет соответствовать 1 шагу.
Вывод:
При переменном подключении обмоток, в определенной последовательности, ротор ШД, повернется на угол пропорциональный числу импульсов. При прекращении, в обной из обмоток течет постоянный ток, ротор остановится, переходит в режим удержания и торможения.
Режимы работы:
от часоты подачи (смены) импусьсот зависит скорость вращения. чем выше частота тем выше скорость вращения
есть четыре режима работы:
1. Статический.
2. Квазистатический
3. Установившиеся режимы.
4. переходные режимы.
Статический:
по обмоткам протекает постоянный ток.
Квазистатический:
Режим отработки единичных шагов. Характерен тем что все переходные, обычно колебательные, процессы заканчиваются перед началом следующего шага. Частота шагов в этом режиме ограничена временем затухания колебаний. Повысить её можно введением дополнительных устройств.
Применяется там, где подобные колебания недопустимы.
Установившиеся режимы:
Работа при постоянной частоте управляющих импульсов. При частоте импульсов меньшей, чем частота свободных колебаний (F1), шаги сопровождаются этими колебаниями.
При частоте управляющих импульсов, равной (F1) или меньшей в целое число раз, возникает электромеханический резонанс. При слабом демпфировании он может привести к потере синхронизма и нарушению периодичности движения. При частоте выше (F1) движение сопровождается вынужденными колебаниями с частотой управляющих импульсов.
Вывод:
Требуется демпфирование в устройстве.
Переходные режимы:
при работе шагового двигателя возникают переходные режимы порождая нежелательные эффекты. Например: скорость движения при совершении шага далеко не постоянна. ротор обладает инерцией. Напряжение жв обмотках нарастает скачкообразно от нуля до рабочего.
В результате ротор, "скачает" и "дергается".
Максимальная частота:
это важно для быстрого вращения ШД.
каждый ШД имеет свою мах частоты вращения. это связано с его конструкцией.
Это частота приемистости.
Растет она с увеличением синхронизирующего момента, уменьшением углового шага, величины нагрузки и момента инерции нагрузки.
От нее пляшем:
Торможение. плавным снижением частоты управления до нуля. Предельная частота управляющих импульсов, при которых ротор затормозится без потери синхронизма, то есть, без выбега, как правило, выше частоты приемистости.
При торможении без выбега в неустановившемся режиме, мгновенная скорость может быть в 1,5 - 2 раза выше средней скорости. Тогда предельная частота управления может быть ниже частоты приемистости.
Реверс достигается изменением направления вращения поля статора. Предельная частота управления при этом, всегда меньше частоты приемистости. Достигнуть ее значения возможно только при большой величине нагрузки и внутреннего демпфирования. Та же картина при работе короткими импульсами с произвольными паузами.
Характеристики и параметры:
Рабочие характеристики шагового двигателя зависят как от их собственных параметров, характера нагрузки, так и от особенностей коммутации. В частности от формы напряжения управления, фронтов тока управления, определяющих коммутационные перенапряжения.
1. Статические характеристики.
2. Предельные динамические и динамические.
3. Устойчивости в резонансных областях.
Зависимости статического синхронизующего момента от угла поворота ротора, величины тока в обмотках при разных сочетаниях включения. Величину угловой погрешности при работе в квазистатическом режиме. На холостом ходу или под нагрузкой.
Зависимости частоты приемистости, предельной частоты управления при торможении или реверсе от величины момента сопротивления нагрузки и ее момента инерции, определенные для заданных условий коммутации, составляют семейство предельных характеристик. Соответственно - пуска, торможения или реверса.
Предельная механическая характеристика определяет зависимость частоты управления от величины момента сопротивления нагрузки, при плавном увеличении которой ротор выпадает из синхронизма.
И еще пару слов о том, зачем нужно увеличивать напряжение при увеличении частоты.
во первых - шаговый двигатель является обратимой машиной, т.е. если вращать шаговый двигатель - то он будет работать как генератор.
и что важно - вращающийся шаговый двигатель будет генерировать импульсы в временной последовательности аналогичной управляющим, но обратной по напряжению.
это означает - просто то, что повышая частоту, наступил такой момент времени, когда напряжение управляющих импульсов приравняется к напряжению импульсов сгенерированных мотором. а это в свою очередь - приведет к тому что ток через обмотки станет равным нулю. а от тока, как известно, пропорционально зависит момент, и момент как я думаю очевидно - тоже станет равным нулю. Именно поэтому, для дальнейшего увеличения частоты - необходимо увеличить напряжение.
что шаговый мотор работает в крайне широком диапазоне частот управляющих импульсов. представим - 200 шагов двигатель, работающий в полушаге, на скорости 10 об в сек. частота следования импульсов - 4*200*10 герц= 8кГц. для обычного инраннера это бы соответствовало частотам порядка 80 000 об в минуту и тот же самый мотор используется для удержания, и для пошагового движения, и при этом не должен потерять шаги.
если пытаться выжимать из шагового двигателя больше чем он может дать мы придем лишь к тому, что возбуждаемое нами магнитное поле превысит магнитное поле статора - и с дальнейшим повышением тока - мы не получим ни приращения момента, ни скорости, и уж тем более не добавим ресурса.
что же все-таки имеет смысл сделать - так это найти правильный контроллер. ибо неправильный контроллер либо не даст вам скорости, либо спалит или перегреет мотор в режиме стояния (магниты от перегрева размагничиваются).
Правильный - такой который использует алгоритмы форсирования, который снижает ток во время стояния, и который по возможности используется на уже работающем промышленном или выпускаемом серийно оборудовании.
сейчас навалом нормальных шаговых моторов с хорошими характеристиками, с моментом порядка 10 и более кГс*см, с современными контроллерами и прочим.
