+7 (916) 968-7689
info@cnc-design.ru
ПН-ПТ: с 10:00 до 19:00

Шаговые двигатели выбор и расчет основных параметров

Шаговые двигатели выбор и расчет основных параметров.
     Шаговый двигатель - это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические движения. Вал шагового двигателя вращается с дискретным шагом, когда на него подаются управляющие импульсы в правильной последовательности. Вращение двигателей напрямую зависит от входящих импульсов, так же они напрямую управляют направлением и скоростью вращения вала двигателя.

Преимущества и  недостатки шагового двигателя:
Преимущества:
- угол поворта двигателя пропорционален входным импульсам;
- фиксация положения при остановке током удержания;
- точное позиционирование и повторяемость движения, так как большинство шаговых двигателей имеют точность 3-5% шага, и эта ошибка не суммируется от одного шага к следующему;
- низкая инертность при запуске, остановке и реверсе;
- высокая надежность, поскольку в двигателе отсутствуют контактные щетки, поэтому срок службы двигателя в основном зависит от срока службы подшипников;
- реакция двигателя на цифровые входные импульсы обеспечивает управление без обратной связи, что делает систему более простой и, следовательно, более экономичной;
- можно достичь очень низкой скорости синхронного вращения с нагрузкой, которая напрямую связана с валом;
- можно реализовать широкий диапазон скоростей вращения, так как скорость пропорциональна частоте входных импульсов;
- шаговые двигатели дешевле серводвигателей.

Недостатки:
- может возникнуть явление резонанса, при некорректном расчете узла или системы управления;
- двигатель непрост вэксплуатации наочень высоких скоростях, 3000+ об/мин;
- сложность системы управления;
- падение мощности с ростом скорости вращения;
- отсутствие обратной связи;
- невысокая удельная мощность;
- низкая скорость вращения;
- шум.

Выбор шагового двигателя.
     Шаговый двигатель можно использовать когда требуется контролируемое движение. Они могут использоваться в приложениях, где необходимо контролировать угол поворота, скорость, положение и синхронизацию. Из-за присущих выше преимуществ, шаговые двигатели нашли свое место в различных устройствах: принтеры, плоттеры, лазерные резаки, гравировальные станки, устройства захвата и так далее.
При выборе шагового двигателя для вашего устройства необходимо учитывать несколько факторов:
Как двигатель будет связан с нагрузкой?
Какие скорость и ускорения необходимо реализовать?
Какой крутящий момент необходим для перемещения исполнительного механизма?
Какая степень точности требуется при позиционировании?

Количество полюсов (однополюсный/биполярный)
     Обычно шаговые двигатели имеют две фазы, но также существуют трех- и пятифазные двигатели. Биполярный двигатель с двумя фазами имеет одну обмотку/фазу, а однополярный двигатель имеет одну обмотку с центральным отводом на фазу. Иногда шаговый двигатель называют  четырехфазным двигателем, хотя он имеет только две фазы. Двигатели с двумя отдельными обмотками на фазу могут приводиться в двухполярный или однополярный режим. Желательно, чтобы количество проводов на двигателе соответствовало количеству контактов на драйвере, чтобы не заниматься различными ухищрениями при подключения. 

Номинальный ток 
     Обычно указывается максимальный ток, который подается одновременно на обе обмотки. Максимальный ток через одну обмотку (который действительно имеет значение при использовании микрошагов) указывается достаточно редко. При подаче номинального тока на одну обмотку происходит нагрев двигателя, из-за этого обычно ограничивают ток двигателя не более 85% от номинального тока. Для достижения максимального крутящего момента двигателя без перегрева, необходимо выбрать двигатель с номинальным током не более чем на 25% выше, чем рекомендуемый максимальный ток привода шагового двигателя.

Крутящий момент
     Выходной крутящий момент и мощность шагового двигателя зависят от размера двигателя, теплоотвода, рабочего цикла, обмотки двигателя и типа используемого привода. Если шаговый двигатель работает без нагрузки во всем диапазоне частот, одна или несколько точек собственных колебаний резонанса могут быть обнаружены либо по звуку, либо по датчикам вибрации. Полезный крутящий момент от шагового двигателя может быть резко уменьшен за счет резонансов. Работы на резонансных частотах следует избегать. Внешнее демпфирование, дополнительная инерция или применение микрошагов используются для уменьшения эффекта резонанса. 

Удерживающий момент
     Это максимальный крутящий момент, который может обеспечить двигатель, когда обе обмотки находятся под напряжением при полном токе. Крутящий момент пропорционален току (за исключением очень малых токов), поэтому, например, если вы установите драйверы на 85% от номинального тока двигателя, то максимальный крутящий момент будет 85% * 0,707 = 60% от указанного удерживающего момента. 
    Крутящий момент возникает, когда угол ротора отличается от идеального угла, который соответствует току в его обмотках. Когда шаговый двигатель ускоряется, возникает крутящий момент для преодоления собственной инерции ротора и массы нагрузки, приводимой в движении. Чтобы создать этот крутящий момент, угол ротора должен отставать от идеального угла. 
     Известно, что использование микрошага снижает крутящий момент. На самом деле это означает, что угол запаздывания равен углу, соответствующему одному микрошагу (поскольку вы хотите, чтобы положение было с точностью до одного микрошага), более высокое значение микрошага предполагает уменьшение угла, а значит и уменьшение крутящего момента. Крутящий момент на единицу угла (что действительно имеет значение) не уменьшается при увеличении микрошага. Иными словами, отправка импульса на двигатель на один микрошаг 1/16 приводит к точно таким же фазовым токам (и, следовательно, к тем же силам), что и к отправке двух 1/32 микрошагов или четырех 1/64 микрошагов и так далее. 

Размер 
     Шаговые двигатели также классифицируются в соответствии с размерами корпуса, которые соответствуют размеру рамы двигателя. Например, шаговый двигатель NEMA11 имеет размер рамы приблизительно 1,1 дюйма (28 мм). Аналогично, шаговый двигатель NEMA23 имеет размер корпуса 2,3 дюйма (57 мм) и т. д.  Однако длина корпуса может изменяться от двигателя к двигателю в рамках одной и той же классификации размеров, при этом крутящий момент двигателя с определенным размером рамы будет увеличиваться с увеличением длины корпуса. 

 NEMA8: 

- габарит рамы 20х20 мм; 
- диапазон длин: 30-42 мм; 
- крутящий момент: 0,18-0,3 кг*см. 

NEMA11

- габарит рамы 28х28 мм;
- диапазон длин: 32-51 мм;
- крутящий момент: 0,43-0,9 кг*см.

NEMA14

- габарит рамы 35х35 мм;
- диапазон длин: 28 мм;
- крутящий момент: 1,0 кг*см.

NEMA16

- габарит рамы 39х39 мм;
- диапазон длин: 20-38 мм;
- крутящий момент: 0,65-2,0 кг*см.

NEMA17

-  габарит рамы 42х42 мм;
- диапазон длин: 25-60 мм;
- крутящий момент: 1,7-6,5 кг*см.

NEMA23

- габарит рамы 56х56 мм;
- диапазон длин: 41-76 мм;
- крутящий момент: 2,88-18,9 кг*см.

NEMA34

- габарит рамы 86х86 мм;
- диапазон длин: 65-156мм;
- крутящий момент: 34-122 кг*см.

NEMA43

- габарит рамы 110х110 мм;
- диапазон длин: 99-201 мм;
- крутящий момент: 112-280 кг*см.

NEMA51

- габарит рамы 130х130 мм;
- диапазон длин: 165-270 мм;
- крутящий момент: 270-500 кг*см.

Угол шага.
     Существует два распространенных угла шага: 0,9 и 1,8 градуса на полный шаг, что соответствует 400 и 200 шагам/оборот. Большинство устройств используют двигатели с шагом 1,8 град/шаг.
     При заданной скорости вращения 0,9-градусный двигатель производит вдвое больше индуктивной обратной эдс, чем 1,8-градусный двигатель, из-за этого возможно будет необходимо использовать питание 24 В для достижения высоких скоростей с двигателями 0,9 градуса. 
     Для двигателей 0,9 градуса необходимо подавать шаговые импульсы драйвера с удвоенной скоростью по сравнению с двигателями 1,8 градуса. Если вы используете высокий микрошаг, тогда скорость может быть ограничена скоростью, с которой электроника может генерировать шаговые импульсы. 

Разрешение и точность позиционирования.
     На разрешение и точность позиционирования системы шагового двигателя влияют несколько факторов: угол шага (длина полного шага шагового двигателя), выбранный режим движения (полный шаг, полшага или микрошаг) и скорость передачи. Это означает, что есть несколько различных комбинаций, которые можно использовать для получения желаемого разрешения,  из-за этого проблема разрешения обычно может быть решена после того, как были определены размер двигателя и тип привода.

 Самоиндукция .
     Индуктивность двигателя влияет на скорость, с которой драйвер шагового двигателя может приводить двигатель в действие до падения крутящего момента. Если мы временно игнорируем обратную эдс  из-за  вращения, а номинальное напряжение двигателя намного меньше, чем напряжение питания привода, то максимальные обороты в секунду перед падением крутящего момента составляют: 

оборотов_в_секунду=(2*напржение_БП)/(шагов_на оборот*3,14* индуктивность* ток)

Если двигатель приводит ремень GT2 через шкив, это дает максимальную скорость в мм/с как:

скорость=(4*кол-во_зубьев_шкива*напряжение_БП)/(шагов_на_оборот*3,14* индуктивность*ток)

Например:
двигатель 1,8 град/шаг ( т. е.  200 шагов/об) с индуктивностью 4 мГн работает при 1,5, А при напряжении питания 12 В, и привод ремня GT2 с  20-зубчатым шкивом начинает терять крутящий момент со скоростью около 250 мм/с. 
     На практике крутящий момент начинает падать раньше, чем это  из-за обратной эдс, вызванной движением, потому что не учитывается сопротивление обмоток. Моторы с низкой индуктивностью также имеют низкую ЭДС  из-за  вращения. Для достижения высоких скоростей, необходимо выбирать двигатели с низкой индуктивностью и высоким напряжением питания. 

Сопротивление и номинальное напряжение
     Это сопротивление на фазу и падение напряжения на каждой фазе, когда двигатель неподвижен, и фаза передает свой номинальный ток (который является результатом сопротивления и номинального тока). Это важно когда номинальное напряжение значительно ниже напряжения питания для шаговых драйверов. 

Обратный ЭДС из-за вращения 
     Когда шаговый двигатель вращается, то создается обратная эдс. При идеальном нулевом угле запаздывания на 90 градусов не в фазе с напряжением возбуждения, а в фазе с обратной ЭДС  из-за индуктивности. Когда двигатель выдает максимальный крутящий момент и находится на грани пропуска шага, он находится в фазе с током. 
Обратный ЭДС из-за поворота обычно не указывается в спецификации, но мы можем оценить его по следующей формуле: 

 ЭДС= 1,414*3,14*момент_удержания*оборотов_в_секунду/номинальный_ток 

      Формула предполагает, что удерживающий момент указан для обеих фаз, находящихся под напряжением при номинальном токе. Если это указано только с одной фазой под напряжением, замените 1,414 на 2. 
 Пример: рассмотрим 200-шаговый двигатель, приводящий каретку через шкив с 20 зубцами и ремень GT2. Это 40-миллиметровое движение за оборот. Для достижения скорости 200 мм/сек нам нужно 5 об/сек. Если мы используем двигатель с удерживающим моментом 0,55 Нм, когда обе фазы работают при 1,68, А, пиковая обратная эдс из-за  вращения составляет 

1,414 * 3,142 * 0,55 * 5 / 1,68 = 7,3 В. 

Как вбрать необходимое напряжение питания 
     Если заранее известна необходимая скорость движения для вашего устройства, можно предварительно определить, какое напряжение питания вам потребуется для драйверов двигателя. 
Пример: определим необходимую скорость движения. Для этого примера будем использовать 200 мм/сек, передача шкив 20 зубьев GT2.
Исходя из необходимой скорости движения, определим максимальную скорость ремня. 
Прикинем обратную ЭДС от индуктивности: 

напряжение=шагов_в_сек*3,14*ток_двигателя*ЭДС_двигателя*N/2 

 где N - число полных шагов на оборот (200 для двигателей с 1,8 градусами или 400 для двигателей с 0,9 градусами).
Возьмем для примера двигателя со следующими параметрами: 0,9 градуса с индуктивностью 4,1 мГн, и токе 1А. Таким образом, обратная эдс из-за индуктивности составляет: 

5*3,142*1,0*4,1e-3*400/2 = 12,87 В 

Вычислим обратную ЭДС из-за вращения по приведенной ранее формуле. 
Двигатели для примера имеют номинальный ток 1,68А и момент удержания 0,44 Нм, поэтому результат равен: 

1,414*3,142*0,44*8,7/1,68 = 10,1 В 

     Предпочтительно, чтобы напряжение питания драйвера составляло по меньшей мере сумму этих двух обратных эдс, плюс еще несколько вольт запаса. При использовании двух двигателей последовательно требуемое напряжение удваивается. 

 Алгоритм выбора шагового двигателя 
1. Определение компонента механизма привода .
     Определите механизм и необходимые входные данные, вариант механизма, приблизительные размеры, расстояния перемещения и время позиционирования. 
2. Рассчитайте необходимое разрешение.
     Найдите разрешение, необходимое для двигателя. Исходя из требуемого разрешения, определите, будет ли использоваться только двигатель или мотор-редуктор . Тем не менее, благодаря использованию технологии микрошагов, достичь требуемого разрешения стало гораздо легче. 
3. Определите схему работы 
     Определите схему работы, которая соответствует требуемым данных. Рассчитайте значения ускорения (замедления) и скорость рабочего импульса, чтобы рассчитать момент ускорения. 
4. Рассчитайте необходимый крутящий момент.
     Рассчитайте момент нагрузки и момент ускорения и найдите требуемый момент, требуемый двигателем. 
5. Выберите двигатель.
     Сделайте предварительный выбор двигателя на основе требуемого крутящего момента. Определите используемый двигатель по характеристикам скорости и крутящего момента. 
6. Проверьте выбранный двигатель.
     Подтвердите скорость ускорения / замедления и коэффициент инерции. 

Общие рекомендации:
- если не планируется использовать внешние драйверы шаговых двигателей, выбирайте двигатели с номинальным током не менее 1,2, А и не более 2,0 А. 
- рассчитывайте на рабочий ток шагового двигателя 50-85% от номинального. 
- размер: 
Nema 17- самый популярный размер, используемый в домашних проектах. 
Nema 23 необходимо использовать если не хватает крутящего момента от длинных двигателей Nema 17. 
- старайтесь не использовать двигатели с номинальным напряжением (или произведением номинального тока и фазового сопротивления)> 4 В или индуктивности> 4 мГн. 
- выборйте двигатель с 0,9 град/шаг, если необходима дополнительная точность позиционирования, для стандартных решений используйте двигатели 1,8 град/шаг. 
- при использовании 0,9 градусных шаговых двигателей или двигателей с высоким крутящим моментом, необходимо применение блоков питания с напряжением 24 В, чтобы поддерживать крутящий момент на более высоких скоростях.