Шаговый двигатель - устройство с постоянной мощностью, если мощность определить как момент, умноженный на скорость. Это означает, что крутящий момент обратно пропорционален скорости. Чтобы уяснить, почему мощность мотора не зависит от скорости, представим себе идеальный шаговый двигатель.
В идеальном двигателе нет трения, его момент пропорционален амперо-виткам обмоток и единственной электрической характеристикой является индуктивность. Индуктивность L характеризует способность обмотки запасать энергию в магнитном поле. Индуктивности обладают свойством индуктивного сопортивления, т.е. сопротивления переменному току, которое тем больше, чем быстрее меняется ток, а значит, индуктивное сопротивление возрастает вместе со скоростью вращения двигателя. По закону Ома ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален полному сопротивлению, откуда следует, что ток обмотки уменьшается при увеличении скорости вращения. Т.к. момент пропорционален амперо-виткам, а ток обратно пропорционален скорости, то момент также будет обратно пропорционален скорости. Т.е. при нулевой скорости момент стремится к бесконечности, при увеличении скорости момент(и ток) начинает стремиться к нулю.
Электрически, реальный двигатель отличается от идеального в основном ненулевым сопротивлением обмотки, а также ферромагнитными составляющими, которым свойствоенно насыщаться магнитным полем, что приводит к гистерезисным потерям и потерям на вихревые токи. Насыщение ограничивает момент, а вихревые токи и гистерезисные потери вызывают нагрев мотора. Рассмотрим кривую зависимости крутящего момента шагового двигателя от скорости.
Как видно из графика, при скорости ниже определенного предела, момент, а следовательно и ток, возрастают очень быстро, вплоть до уровней, приводящих к повреждению мотора. Чтобы этого избежать, драйвер должен ограничивать нарастание тока до определенной величины. Поскольку момент пропорционален току, момент будет постоянен начиная с момента удержания до порогового значения скорости, а при скорости выше порога - ток будет ограничен индуктивностью обмоток.
В результате, скорость-моментная характеристика идеального двигателя будет начинаться с отрезка, где момент постоянный, до точки, когда мотор перестанет генерировать и потреблять реактивную мощность. Реальный шаговый двигатель обладает потерями, которые изменяют идеальную скорость-моментную характеристику. Особенно велик вклад момента от зубцовых гармоник магнитного поля(его иногда указывают в документации на двигатель). Потери в двигателе есть всегда, и чем быстрее вращается вал шагового мотора, тем больше потери, и их также необходимо вычитать из идеальной характеристики.
Обратите внимание, как реальная мощность падает вместе с ростом скорости, в том числе и на отрезке "постоянной мощности". Скругление на переходной точке обусловлено переходным процессом в цепи - драйвер постепенно превращается из источника тока в источник напряжения.
Шаговый двигатель сильно подвержен резонансу, являясь по факту аналогом маятника "подвешенный на пружине груз", где грузом является ротор, а пружиной - магнитное поле, и имеет частоту собственных колебаний, зависящую от силы тока и инерции ротора. В момент, когда разность фаз момента и скорости достигает величины 180 град., возникает резонанс – изменение магнитного поля начинает совпадать со скоростью, и скорость ротора при позиционировании на новый шаг становится слишком велика. При резонансе значительная часть энергии магнитного поля уходит на преодоление инерции ротора при колебании около положения равновесия, что выражается в значительном падении крутящего момента на валу. Накопленная кинетическая энергия ротора расходуется при возникновении резонанса примерно за 1-10 сек, поэтому разогнать двигатель можно, пройдя зону резонанса без последствий, но работать сколь-нибудь продолжительное время не удастся – вал остановится. Для устранения этого явления в драйверах используются различные антирезонансные алгоритмы.
Выходная мощность двигателя (скорость×момент) пропорциональна напряжению, деленному на квадратный корень из индуктивности. Если мы увеличим вдвое напряжение ШИМ, то получим другую кривую СМХ, лежащую выше, и мощность на участке постоянной мощности вырастет вдвое. С током иная картина. Рисунок ниже показывает, что будет при выставлении на драйвере тока в 2 раза больше номинального для двигателя. Мотор начинает выделять в 4 раза больше тепла, а момент на низких оборотах увеличивается менее чем в 2 раза из-за насыщения сердечников обмоток.
Как можно видеть, мощность не увеличивается вовсе. Всегда рекомендуется выставлять ток на драйвере равным номинальному значению для двигателя. Это в том числе снизит вибрации на низких частотах, улучшит характеристики хода в микрошаговом режиме.
Основные причины нагрева двигателя: потери на сопротивлении обмоток и ферромагнитные потери. Первая часть всем знакома – это тепловая энергия, выделяющяяся на активном сопротивлении проводов обмоток, равная I2R. Вклад этого слагаемого велик только когда двигатель находится в режиме удержания, и резко уменьшается с возрастанием скорости двигателя. Ферромагнитными потерями назваются потери на токи Фуко и гистерезисные потери. Они зависят от изменения тока и, следовательно, от питающего напряжения, и выделяются в виде тепла. Как было сказано выше, мощность двигателя растет прямо пропорционально напряжению, однако ферромагнитные потери тоже растут, причем, в отличие от мощности, - нелинейно, что и ограничивает максимальное напряжения, которое можно использовать для драйвера. Можно сказать, что максимальная полезная мощность шагового двигателя определяется количеством тепла, которое может на нем безопасно выделяться. Поэтому не следует стараться выжать полкиловатта из двигателя 57 серии, подключив драйвер к источнику в 10 кВ – у напряжения есть разумные пределы. Их можно рассчитывать разными способами. Эмпирически было получено несколько оценок сверху для максимального питающего напряжения ШИМ-драйвера: оно не должно превышать номинальное напряжение обмоток более чем в 25 раз или величину 32√ L, где L – индуктивность обмотки.
Для наглядности ниже показан график, показывающий ферромагнитные потери для двигателя с номинальными характеристиками 4 А, 3 В.
Выбор двигателя и питающего напряжения целиком зависят от задач. В идеале, двигатель должен выдавать достаточный момент на максимальной планируемой скорости. Необходимо отличать момент от мощности двигателя: большой момент на низких скоростях не означает, что двигатель мощный. Выходная мощность – другой, более важный параметр, её примерно можно оценить по кривой скорости-момента. Теоретически, максимальная мощность, которую можно стабильно получать с драйвера, питаемого напряжением 80 В и выходным током 7 А примерно 250 Ватт(1/3 л.с.), в реальности же для этого потребуется 2 или 3 двигателя NEMA 34. Двигатели NEMA 23 слишком малы для отвода тепла, а NEMA 42 из-за размера не подходят по импедансу: если их номинальный ток меньше, чем 7 А, то напряжение будет больше 80 В, и наоборот. Момент от зубцовых гармоник в моторах NEMA 42 существенно больше, чем в малых моторах, и обязательно должен быть учтен при расчете выходной мощности. Другими словами, выходная мощность двигателей NEMA 42 падает быстрее, чем у меньших двигателей. NEMA 42 следует использовать, если требуется получить высокий момент на низких скоростях и нет смысла использовать мотор-редуктор.
Если вы опустили все, написанное выше, или прочитали, но мало что поняли, данная глава поможет разобраться, как перейти к практической части. Несколько слов о размере двигателя. Развитие производства шаговых двигателей достигло больших успехов, и теперь шаговые двигатели одного размера разных производителей обладают очень схожими характеристиками. Именно размер двигателя задает рамки, в которых может изменяться его главная характеристика - кривая скорости-момента. Индуктивность обмотки показывает, насколько крута будет кривая СМХ при одинаковом напряжении питания драйвера с ШИМ: если мы возьмем 2 двигателя индентичного размера с разной индуктивностью, и будем управлять ими одним драйвером с одним и тем же питающим напряжением, полученные кривые СМХ будут отличаться крутизной.
Большая индуктивность потенциально дает вам возможность получить больший крутящий момент, но чтобы произвести такую конверсию, потребуется драйвер с большим напряжением питания - тогда кривая СМХ поднимется вверх пропорционально увеличению напряжения. На практике почти все фирмы производят моторы одного размера в двух исполнениях - "медленный" и "быстрый", с большой и малой индуктивностью. Причем "быстрые" модели пользуются большей популярностью - для них на высоких оборотах требуется меньшее напряжение, а значит более дешевые драйверы и источник питания. А если вдруг не хватает мощности - можно взять двигатель побольше. "Медленные" модели остаются для специфических применений - в случаях, когда от шагового привода не требуется больших скоростей, нужен большой момент удержания и т.п. Ток обмотки косвенно связан с крутящим моментом, но в основном он говорит о том, какой драйвер нужно будет подобрать к этому двигателю - он должен быть способен выдавать именно такой уровень тока. Напряжения питания обмотки показывает, какое постоянное(не ШИМ) напряжение можно подавать на обмотку - таково значение напряжения, используемое драйверами постоянного напряжения. Оно пригодится при вычислении максимально допустимого напряжения питания драйвера с ШИМ, и тоже косвенно связано с максимальным крутящим моментом.
Так как же выбрать двигатель? Зависит от того, какими вы данными обладаете. По большому счету, выбор двигателя сводится к выбору 4 вещей - производителя, вида двигателя, размера и индуктивности. Первый параметр поддается оценке с трудом - мало у кого репрезентативная выборка образцов от разных поставщиков. Что касается вида двигателя, мы рекомендуем всегда, когда есть неопределенность в выборе, использовать биполярные шаговые двигатели с 4 выводами и малой индуктивностью. Т.е. выбор в основном заключается в выборе размера двигателя(в пределах одного размера характеристики двигателей с одной индуктивностью почти всех производителей практически совпадают). Для выбора конкретной модели можно использовать следующий алгоритм:
Однако, часто этот способ дает неверные результаты по причине большого количества факторов и допущений при расчете момента. Запросто можно получить, что для управления небольшим портальным фрезером с порталом весом 15 кг вдруг потребуются двигатели ST86-114. Чаще используют эмпирические способы, и они оказываются точнее. Один из таких способов - определение двигателей по весу портала и размеру рабочего поля. Например, выбор шагового мотора для горизонтальной передачи(оси X и Y) можно осуществить исходя из веса подвижной части, передачи, направляющих и материалов, планируемых к обработке. Для портальных станков классической компоновки, с передачей ШВП, шагом 5 мм на оборот, для обработки дерева и пластика, скорость холостого хода до 4000 мм/мин, в предположении, что направляющие оси без преднатяга и отъюстированы так, что подвижная часть ходит по ним без какого-либо сопротивления, можно порекомендовать следующие значения:
Совместно с этими оценками можно использовать оценки для размеров рабочего поля: Рабочее поле 0,1-0,5 кв.м. - двигатели PL57-76 или аналогичные. Рабочее поле 0,5-1 кв.м. - двигатели PL86-80 или аналогичные. Рабочее поле 1-1,5 кв.м. - двигатели PL86-114 или аналогичные. Если характеристики Вашего станка находятся в пограничных интервалах, скажем, вес портала 23 кг, поле около 0,5 кв. м., стоит использовать дополнительные оценочные методы. Еще один распространенный подход заключается в анализе готовых станков на рынке, которые близки к конструируемому по размерам и характеристикам - проверенная конструкция означает, что двигатели уже подобраны оптимальным образом, и можно взять их характеристики за основу.
И последнее, что можно порекомендовать - обратиться за консультацией к опытным специалистам.
purelogic.ru
При подборе шагового двигателя для ЧПУ необходимо отталкиваться от планируемой сферы применения станка и технических характеристик. Ниже представлены критерии выбора, классификация наиболее популярных двигателей и примеры расчета.
Совет: также следует обратить внимание на омическое сопротивление фаз, номинальный ток в фазе, момент инерции ротора, максимальный статический синхронизирующий момент.
Важный критерий – тип шагового двигателя для ЧПУ станка. Широко распространены биполярные, униполярные и трехфазные модели. Каждая из них имеет свои особенности:
Совет: еще один способ подбора двигателя – анализ готовых станков на рынке, которые близки по размерам и другим характеристикам к разрабатываемому.
Необходимо определить силу трения в направляющих, которая зависит от используемых материалов. Для примера коэффициент трения составляет 0.2, вес детали – 300 кгс, вес стола – 100 кгс, необходимое ускорение – 2 м/с2, сила резания – 3 000 Н.
Справка: силу сопротивления должен развивать привод стола на гайке шариковой винтовой передачи.
Формулы, приведенные ниже, представлены без учета инерции вала самого шагового двигателя и других вращающихся механизмов. Поэтому для большей точности рекомендуется увеличить или убавить требования по ускорению на 10%.
Для расчета мощности шагового двигателя следует воспользоваться формулой F=ma, где:
Для определения механической мощности необходимо умножить силу сопротивления движения на скорость.
Совет: существуют калькуляторы для автоматического расчета мощности.Определяется на основании номинальных оборотов сервопривода и максимальной скорости перемещения стола. Например, скорость перемещения составляет 1 000 мм/мин, шаг винта шариковой винтовой передачи – 10 мм. Тогда скорость вращения винта ШВП должна быть (1 000 / 10) 100 оборотов в минуту.
Для расчета коэффициента редукции учесть номинальные обороты сервопривода. Например, они равны 5 000 об/мин. Тогда редукция будет равна (5 000 / 100) 50.
В станках часто применяют шаговые двигатели индукторного типа, изготовленные в СССР. Речь о моделях ДШИ-200-2 и ДШИ-200-3. Они обладают следующими характеристиками:
| Потребляемая мощность | 11.8 Вт | 16.7 Вт |
| Погрешность обработки шага | 3% | 3% |
| Максимальный статический момент | 0.46 нт | 0.84 нт |
| Максимальная чистота приемистости | 1 000 Гц | 1 000 Гц |
| Напряжение питания | 30 В | 30 В |
| Ток питания в фазе | 1.5 А | 1.5 А |
| Единичный шаг | 1.8 град | 1.8 град |
| Масса | 0.54 кг | 0.91 кг |
При выборе следует обратить внимание на наличие индекса ОС. Это особая серия с военной приемкой. Имеет более высокое качество исполнения, чем обычные модели.
Примеры китайских шаговых двигателей для ЧПУ и их характеристики представлены ниже.
| Длина, мм | 48 | 40 | 34 |
| Ток питания в фазе, А | 2.5 | 1.7 | 1.33 |
| Единичный шаг (угловое перемещение), град | 1.8 | 1.8 | 1.8 |
| Масса, кг | 0.34 | 0.32 | 0.22 |
| Ток питания в фазе, А | 5 | 3 | 1.7 |
| Единичный шаг (угловое перемещение), град | 1.8 | 1.8 | 1.8 |
| Индуктивность, мГн | 6 | 3.5 | 2.8 |
| Диаметр вала | 14 | 8 | 5 |
Зная критерии выбора и ориентируясь в предложениях по шаговым двигателям на рынке можно подобрать подходящую модель для станка ЧПУ. Главное – покупать у проверенных поставщиков.
Получить консультацию по выбору шагового двигателя можно по телефону 8 (800) 350 33 60.
cnc-tehnologi.ru
автор КИПиА Софт
Сервошаговые приводы — относительно недавняя разработка в области ЧПУ-станкостроения. Они отличаются от обычных шаговых приводов наличием обратной связи по положению ротора — на вал двигателя установлен оптический энкодер, передающий блоку управления данные о положении ротора. Эти данные затем используются для корректировки магнитного поля статора — при наличии точных координат ротора управление полем происходит значительно эффективней, появляется возможность устранить такие негативные явления как резонанс двигателя, увеличить крутящий момент, а главное — устранить наибольший недостаток шаговых двигателей — пропуск шагов при резком изменении нагрузки на ротор. Даже если шаг будет по той или иной причине пропущен двигателем, драйвер, опираясь на данные энкодера, сможет наверстать упущенное, как только представится такая возможность, в крайнем случае — обработка будет остановлена с ошибкой. Данные ценные свойства делают шаговые сервоприводы весьма удобными для применений в промышленной автоматизации, в том числе — для замены весьма громоздких и энергонеэффективных асинхронных двигателей.
Как подобрать мощность шагового сервопривода для замены асинхронного двигателя?
Если Вы воспользовались советом из соответствующей статьи, и в своем оборудовании решили заменить асинхронный двигатель сервошаговым приводом, Вам нужно будет подобрать привод соответствующей мощности. Но шаговые приводы не характеризуются таким параметром как номинальная мощность: мощность шагового двигателя не постоянна, она достаточно велика в момент удержания, несколько возрастает со скоростью до определенного момента(«точки прорыва»), после чего начинает постепенно снижаться с увеличением ферромагнитных потерь. Крутящий момент с увеличением скорости резко падает, причем график падения условно-приближенно можно считать линейным.
Для подбора привода придется воспользоваться эмпирическими приближениями.
Чтобы выбрать походящий по мощности привод на шаговых двигателях, начните с определения момента, который должен выдавать мотор и нужной скорости вращения. Допустим, от привода требуется момент Md = 10 Нм на скорости 200 об/мин. Для расчета мощности двигателя P используем приближенную формулу:
P = Md ? n ? 0.1 = 200 Вт
Это приближение позволяет на практике оценивать мощность двигателя прямо с графика скорость-моментной характеристики мотора. Как правило же, мощность и скорость вращения используемого в настоящий момент асинхронного двигателя известна, и можно проделать обратную операцию — получить момент из обратной формулы:
Md = P / (n ? ?0.1) или, иначе, Md = P ? z/6.28 ? f
где z — число полных шагов на оборот, f — частота шагов в Гц, а затем по моменту и скорости вращения подобрать двигатель, опираясь на документацию и кривую момента.
www.kipiasoft.com
