ЛИНЕЙНЫЕ ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ просмотров - 130
аговые двигатели, рассмотренные выше, являются вращающимися машинами с обеспечением вращения как по ходу, так и против хода часовой стрелки. При этом большое число механизмов требует линейного перемещения рабочих органов (координатные перемещения механизмов подач станков с ЧПУ, графопостроителей ЭВМ, механизмов печатающих устройств ЭВМ, промышленных роботов и т.д.). В этих случаях преобразование вращательного движения в поступательное осуществляется с помощью различных кинематических механизмов. Последние являются источни-ками потерь мощности и, что особенно важно для прецизионных меха-низмов, вносят погрешность при отработке координатных перемещений. Применение линейных шаговых двигателей (ЛШД) позволяет упростить кинематическую схему, устранив элементы, преобразующие вращательное движение в поступательное. ЛШД обеспечивают линейное переме-щение рабочих органов. Видов линейных двигателей так же много, как и вращающихся; существуют линейные двигатели постоянного тока, асинхронные, синхронные и вентильные. ЛШД обладают известными преимуществами обычных вращающихся ШД и подобно им бывают реактивными (ЛШД-Р), с постоянными магнитами (индукторными, гибридными) – ЛШД-И. Не различаются они также по принципу действия.
ЛШД можно представить как развернутый на плоскости ШД вращательного типа. В качестве примера рассмотрим ЛШД-И с двумя обмотками управления, изображенный на рис.15.1.
Рис. 15.1. Конструкция индукторного ЛШД-И:
1 – обмотки; 2 – магнитопроводы ротора; 3 – постоянный магнит;
4 – статор; I - IV– полюсы ротора
Подвижная часть ЛШД, называемая ротором, выполнена из электротехнической стали в виде двух П-образных магнитопроводов 2, на каждом из которых размещено по одной обмотке управления 1. Статор 4 представляет собой плиту из магнитомягкого материала; полюсы ротора и поверхность плиты, обращенная к нему, имеют зубчатую структуру. Подмагничивание магнитопроводовосуществляет постоянный магнит 3. Зубцовые деления тг статора и ротора равны. Зубцы полюсов ротора одного и того же магнитопровода сдвинуты относительно зубцов статора на тГ/2 (для полюсов Iи II) и на тГ/4 (для полюсов IIIи IV). В результате такой конструкции зубцы всех полюсов ротора имеют различное расположение относительно зубцов статора, но магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от перемещения ротора. Принцип работы ЛШД не отличается от ШД-И, с тем лишь иск-лючением, что вместо вращающего момента создается сила F, направленная в плоскости статора. Учитывая зависимость отналичия возбуж-дения обмоток ось магнитного потока перемещается от полюса к полю-су, к примеру по схеме I–III–II–IV,в результате чего ротор перемещается на величину зубцового деления хГ. В каждом такте коммутации линей-ный шаг
Δx=τ2/k1,
где к1 – число тактов коммутации.
На основании рассмотренного ЛШД можно построить модуль, обес-печивающий перемещение одновременно по нескольким координатам. При этом отдельный ЛШД предназначен для перемещения лишь по од-ной координате.
Пример двухкоординатного модуля ЛШД приведен на рис. 15.2.
Рис. 15.2. Конструкция двухкоординатного линейного модуля (а)
и расположение его составных частей (б): 1 – ротор; 2 – статор;
3,4 – электромагнитные модули; 5 – постоянные магниты;
6 – обмотки возбуждения
Он состоит из магнитопровода подвижного ротора 1 и статора 2, представляющего собой плиту из магнитомягкого материала. На рабочей поверхности плиты выполнены две системы взаимно перпендикулярных зубцов. На роторе 1 расположены две системы электромагнитных моду-лей 3 и 4, предназначенных для перемещения по двум координатам (XY). Соответственно каждый модуль состоит из постоянных магнитов 5 и обмоток возбуждения 6. Модули, предназначенные для перемещения вдоль оси X, имеют зубцы, направленные вдоль этой оси. Это же касается оси Y. Принцип управления обмотками модулей по каждой из координат такой же, как и в однокоординатном модуле (см. рис.15.1). Для уменьшения сил трения в модулях на основе ЛШД применяют магнитно-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору магнит-ным притяжением полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, который приподнимает его над стато-ром. Между статором и ротором образуется воздушная подушка, в ре-зультате чего ротор подвешивается над статором с некоторым мини-мальным воздушным зазором. При этом и сопротивление движению ротора близко к нулю. Высокая точность позиционирования обеспе-чивается максимально мелкой нарезкой зубцовых делений. Приведем некоторые параметры модулей ЛШД: шаг 0,16; 0,32; 0,50 мм; максимальное усилие 84; 70; 20 Н. Воздушный зазор между статором и ротором составляет 15 мкм.
Ш аговые двигатели, рассмотренные выше, являются вращающимися машинами с обеспечением вращения как по ходу, так и против хода часовой стрелки. Однако большое число механизмов требует линейного перемещения рабочих органов (координатные перемещения механизмов... [читать подробенее]
oplib.ru
Шаговый двигатель является исполнительным звеном в системах шагового привода, преобразует электрическую энергию в механическую. Двигатель называют шаговым потому, что при изменении тока в обмотках двигателя соответствующим образом - ротор двигателя совершает дискретный поворот вокруг своей оси на определенный угол (угловой шаг). Помимо поворота, шаговый двигатель позволяет удерживать ротор в определенном положении, путем поддержания уровня тока в обмотках. Таким образом, становится возможным построение системы с точным позиционированием, или следящей системы без эффекта "рыскания".
Для осуществления полезного перемещения шаговый двигатель присоединяется через муфту к ходовому винту, шарико-винтовой передаче или напрямую, к ведущей шестерне зубчатой передачи.
Скачать каталог шаговых двигателей в формате pdf(4.58 MB)
При выборе шагового двигателя, наиболее важно обратить внимание на крутящий момент. Максимальный крутящий момент напрямую связан с размерами двигателя: чем больше двигатель - тем больше крутящий момент. В каталогах обычно указывается максимальный квазистатический крутящий момент - этот параметр является оценочным, т.к. крутящий момент шагового двигателя заметно снижается с увеличением скорости вращения (вернее, частоты коммутации обмоток). Как правило наиболее эффективным оказывается использование шагового двигателя в диапазоне до 1500..2000 шагов в секунду в полушаговом или микрошаговом режимах, выбираемых с помощью драйвера управления ШД.
Далее следует подобрать шаг двигателя (угол поворота вала), чтобы, с учетом последующей механической передачи, система обеспечила требуемую точность. Наиболее распространенными являются угол 1,8 и 0,9 градуса. При необходимости уменьшения шага можно использовать функцию дробления шага на драйвере двигателя от 1/2 до 1/256. Также дробление шага позволит сгладить вращение - сделает его более плавным.
| Серия ШД | Диаметр (сторона квадрата), мм | Крутящий момент, кгс*см | Угловой шаг, град | Рекомендуемое управление |
| FL20STH | 20.2 | 0.18 - 0.3 | 1.8 | OMD-15 + OSM 17R |
| FL28STH | 28 | 0.43 - 1.2 | 1.8 | OMD-15 + OSM 17R |
| FL35ST | 35.2 | 0.5 - 1.4 | 1.8 | OMD-15 + OSM 17R |
| FL39ST | 39.3 | 0.65 - 2.8 | 1.8 | OMD-15 + OSM 17R |
| FL42STH | 42.3 | 1.6 - 4.5 | 1.8 | OMD-40 + OSM 40R |
| FL42STHM | 42.3 | 1.58 - 4.4 | 0.9 | OMD-40 + OSM 40R |
| FL57ST | 56.4 | 2.88 - 12.5 | 1.8 | OMD-40 + OSM 40R |
| FL57STHM | 56.4 | 3.9 - 18 | 0.9 | OMD-40 + OSM 40R |
| FL57STH | 56.4 | 3.9 - 18.9 | 1.8 | OMD-40 + OSM 40R |
| FL60STH | 60 | 7/8 - 31 | 1.8 | OMD-40 + OSM 40R |
| FL86ST | 82.5 | 13 - 50 | 1.8 | OMD-88 + OSM 88R |
| FL86STH | 82.85 | 26 - 153 | 1.8 | |
| FL110STH | 109.86 | 112 - 280 | 1.8 | OMD-88 + OSM 88R |
| FL130BYG | 132 | 275 - 509 | 1.8 | OMD-88 + OSM 88R |
Шаговые двигатели не требуют специального обслуживания, т.к. в них применяются подшипники закрытого типа, с закладной смазкой на весь срок службы. Крайне не рекомендуется производить самостоятельный ремонт шаговых двигателей, в связи с тем, что зазор между ротором и статором очень небольшой. Правильно выставить и отбалансировать ротор можно только на специальном оборудовании на заводе-изготовителе, под контролем специалистов.
Скачать каталог шаговых двигателей в формате pdf(4.58 MB)
linear-tech.kz
Шаговые двигатели широко используются в принтерах, автоматических инструментах, приводах дисководов, автомобильных приборных панелях и других приложениях, требующих высокой точности позиционирования.
Производители шаговых двигателей: Autonics, Motionking, Fulling motor и другие.
Двигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами Lenze начинают работать сразу, как только к якорной обмотке будет приложено постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором — коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре.
Шаговый двигатель (ШД) может быть рассмотрен как ДПТ без коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.
Принято различать шаговые двигатели (Autonics, Motionking, Fulling motor) и серводвигатели (Lenze). Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом (дискретном) режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора) и плавности вращения синхронного двигателя. Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению, в качестве которого обычно используется резольвер или sin/cos энкодер. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении. В то время как синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.
Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис. 1).
Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рис. 2).
За это упрощение приходится платить более сложным реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.
Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ-модуляции.
Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.
Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.
Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных применений.
Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.
На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.
На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.
Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.
В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя.
Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро%аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.
Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.
Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота. Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.
Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.
В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.
Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.
При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления.
При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления.
Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки».
Число тактов KT системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления KT=4, а для несимметричной KT=8.
В общем случае число тактов KT зависит от числа обмоток управления (фаз статора) mу и может быть посчитано по формуле:
KT = mуn1n2,
где: n1=1 — при симметричной системе коммутации;
n1=2 — при несимметричной системе коммутации;
n2=1 — при однополярной коммутации;
n2=2 — при двуполярной коммутации.
При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении, а при двуполярной — в обеих. Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают. Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1). Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.
Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:
αш=360/Ктр
Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р=4…6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.
У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.
Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.
Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора.
При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.
Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:
αш=360/КтZр
В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, т.к. изменение направления поля не влияет на положение ротора.
Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.
Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.
Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, можно достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, т.е. оси их полюсов полностью совпадают. Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.
Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.
В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.
По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики
При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.
Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов.
Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.
Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнито-провода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.
Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя. Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.
ΔXш=tz/Кt
где Kt — число тактов схемы управления.
Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.
В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.
Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.
Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода xследующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.
При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.
В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.
Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.
Предельная механическая характеристика — это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.
Приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления.
Приемлемость падает с увеличением нагрузки.
В. П. Колодийчик.
rfanat.ru
