Шаговый электродвигатель
Ша́говый электродви́гатель — синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.
Описание
Первые шаговые двигатели появились в 1830-х годах и представляли собой электромагнит, приводящий в движение храповое колесо. За одно включение электромагнита храповое колесо перемещается на величину зубцового шага храпового колеса. Храповые шаговые двигатели и в настоящее время находят довольно широкое применение.
Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнитомягкого или магнитотвёрдого материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.
Таким образом по конструкции ротора выделяют следующие разновидности шагового двигателя:
- с постоянными магнитами (ротор из магнитотвёрдого материала);
- реактивный (ротор из магнитомягкого материала);
- гибридный.
Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.
Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3,6-градусных двигателей и 8 основных полюсов для 1,8—0,9-градусных двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определённых положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубца, а часть — между ними.
Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделён на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повёрнуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.
Использование
В машиностроении наибольшее распространение получили высокомоментные двухфазные гибридные шаговые электродвигатели с угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или 0,9°/шаг (400 шаг/об). Точность выставления шага определяется качеством механической обработки ротора и статора электродвигателя. Производители современных шаговых электродвигателей гарантируют точность выставления шага без нагрузки до 5 % от величины шага.
Дискретность шага создаёт существенные вибрации, которые в ряде случаев могут приводить к снижению крутящего момента и возбуждению механических резонансов в системе. Уровень вибраций удаётся снижать при использовании режима дробления шага или при увеличении количества фаз.
Режим дробления шага (микрошаг) реализуется при независимом управлении током обмоток шагового электродвигателя. Управляя соотношением токов в обмотках, можно зафиксировать ротор в промежуточном положении между шагами. Таким образом можно повысить плавность вращения ротора и добиться высокой точности позиционирования. Качество изготовления современных шаговых двигателей позволяет повысить точность позиционирования в 10—20 раз.
Шаговые двигатели стандартизованы [англ.] (NEMA) по посадочным размерам и размеру фланца: NEMA 17, NEMA 23, NEMA 34 и др. — размер фланца 42, 57, 86 и 110 мм соответственно. Шаговые электродвигатели NEMA 23 могут создавать крутящий момент до 30 кгс⋅см, NEMA 34 — до 120 кгс⋅см и до 210 кгс⋅см для двигателей с фланцем 110 мм.
Шаговые двигатели создают сравнительно высокий момент при низких скоростях вращения. Момент существенно падает при увеличении скорости вращения. Однако, динамические характеристики двигателя могут быть существенно улучшены при использовании драйверов со стабилизацией тока на основе ШИМ.
Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме, или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задаётся последовательностью электрических импульсов, например, в станках с ЧПУ. В отличие от сервоприводов, шаговые приводы позволяют получать точное позиционирование без использования обратной связи от датчиков углового положения.
Шаговые двигатели применяются в устройствах компьютерной памяти — НГМД, НЖМД, устройствах чтения оптических дисков.
Датчик поворота
Шаговые двигатели с постоянными магнитами могут использоваться в качестве датчиков угла поворота благодаря возникновению ЭДС на обмотках при вращении ротора. При этом, несмотря на удобство пользования и хорошую точность и повторяемость, необходимо учитывать, что:
- без вращения вала нет ЭДС; определить положение стоящего вала нельзя;
- возможна остановка вала в зоне неустойчивого равновесия (промежуточно между полюсами) ШД. Последующий пуск вала приведёт к тому, что, в зависимости от чувствительности компаратора, будет пропуск этого полюса, или два импульса вместо одного. В обоих случаях все дальнейшие отсчёты будут с ошибкой на один шаг. Для практически полного, но не 100%-го, устранения такого поведения необходимо применить муфту с соответствующим гистерезисом (угловым люфтом).
Преимущества и недостатки
- Преимущества
Главное преимущество шаговых приводов — точность. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернётся строго на определённый угол. Стоимость шаговых приводов в среднем в 1,5—2 раза ниже сервоприводов. Шаговый привод, как недорогая альтернатива сервоприводу, наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика. Можно отметить также длительный срок службы, порой сравнимый со временем морального устаревания или выработки ресурса всего станка; точность работы ШД за это время падает незначительно. Нетребовательны к техобслуживанию.
- Недостатки
Возможность «проскальзывания» ротора — наиболее известная проблема этих двигателей. Это может произойти при превышении нагрузки на валу, при неверной настройке управляющей программы (например, ускорение старта или торможения не адекватно перемещаемой массе), при приближении скорости вращения к резонансной. Наличие датчика позволяет обнаружить проблему, но автоматически скомпенсировать её без остановки производственной программы возможно только в очень редких случаях[источник не указан 4378 дней]. Чтобы избежать проскальзывания ротора, как один из способов, можно увеличить момент двигателя.
См. также
- Шаговый электродвигатель Лаве
Примечания
- Кацман, 1979, с. 229.
- Шаговый двигатель. engineering-solutions.ru. Дата обращения: 23 августа 2016. Архивировано 25 августа 2016 года.
Литература
- Кацман М. М., Юферов Ф. М. Электрические машины автоматических систем. — М.: Высшая школа, 1979. — 261 с.
Ссылки
- Используем шаговый двигатель с микроконтроллером Arduino
- Шаговые двигатели. Принцип действия. Различные способы управления
- AVR-USB-MEGA16: управление шаговым двигателем через USB
- Управление шаговым двигателем с применением микроконтроллера
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Шаговый электродвигатель, Что такое Шаговый электродвигатель? Что означает Шаговый электродвигатель?
Sha govyj elektrodvi gatel sinhronnyj besshyotochnyj elektrodvigatel s neskolkimi obmotkami v kotorom tok podavaemyj v odnu iz obmotok statora vyzyvaet fiksaciyu rotora Posledovatelnaya aktivaciya obmotok dvigatelya vyzyvaet diskretnye uglovye peremesheniya shagi rotora OpisanieSovremennyj shagovyj elektrodvigatel fotomontazh Princip raboty shagovogo elektrodvigatelyaShagovyj elektrodvigatel Pervye shagovye dvigateli poyavilis v 1830 h godah i predstavlyali soboj elektromagnit privodyashij v dvizhenie hrapovoe koleso Za odno vklyuchenie elektromagnita hrapovoe koleso peremeshaetsya na velichinu zubcovogo shaga hrapovogo kolesa Hrapovye shagovye dvigateli i v nastoyashee vremya nahodyat dovolno shirokoe primenenie Konstruktivno shagovye elektrodvigateli sostoyat iz statora na kotorom raspolozheny obmotki vozbuzhdeniya i rotora vypolnennogo iz magnitomyagkogo ili magnitotvyordogo materiala Shagovye dvigateli s magnitnym rotorom pozvolyayut poluchat bolshij krutyashij moment i obespechivayut fiksaciyu rotora pri obestochennyh obmotkah Takim obrazom po konstrukcii rotora vydelyayut sleduyushie raznovidnosti shagovogo dvigatelya s postoyannymi magnitami rotor iz magnitotvyordogo materiala reaktivnyj rotor iz magnitomyagkogo materiala gibridnyj Gibridnye dvigateli sochetayut v sebe luchshie cherty dvigatelej s peremennym magnitnym soprotivleniem i dvigatelej s postoyannymi magnitami Stator gibridnogo dvigatelya takzhe imeet zubcy obespechivaya bolshoe kolichestvo ekvivalentnyh polyusov v otlichie ot osnovnyh polyusov na kotoryh raspolozheny obmotki Obychno ispolzuyutsya 4 osnovnyh polyusa dlya 3 6 gradusnyh dvigatelej i 8 osnovnyh polyusov dlya 1 8 0 9 gradusnyh dvigatelej Zubcy rotora obespechivayut menshee soprotivlenie magnitnoj cepi v opredelyonnyh polozheniyah rotora chto uluchshaet staticheskij i dinamicheskij moment Eto obespechivaetsya sootvetstvuyushim raspolozheniem zubcov kogda chast zubcov rotora nahoditsya strogo naprotiv zubca a chast mezhdu nimi Rotor gibridnogo dvigatelya imeet zubcy raspolozhennye v osevom napravlenii Rotor razdelyon na dve chasti mezhdu kotorymi raspolozhen cilindricheskij postoyannyj magnit Takim obrazom zubcy verhnej polovinki rotora yavlyayutsya severnymi polyusami a zubcy nizhnej polovinki yuzhnymi Krome togo verhnyaya i nizhnyaya polovinki rotora povyornuty drug otnositelno druga na polovinu ugla shaga zubcov Chislo par polyusov rotora ravno kolichestvu zubcov na odnoj iz ego polovinok Zubchatye polyusnye nakonechniki rotora kak i stator nabrany iz otdelnyh plastin dlya umensheniya poter na vihrevye toki Shagovyj elektrodvigatel NEMA 23IspolzovanieV mashinostroenii naibolshee rasprostranenie poluchili vysokomomentnye dvuhfaznye gibridnye shagovye elektrodvigateli s uglovym peremesheniem 1 8 shag 200 shagov oborot ili 0 9 shag 400 shag ob Tochnost vystavleniya shaga opredelyaetsya kachestvom mehanicheskoj obrabotki rotora i statora elektrodvigatelya Proizvoditeli sovremennyh shagovyh elektrodvigatelej garantiruyut tochnost vystavleniya shaga bez nagruzki do 5 ot velichiny shaga Diskretnost shaga sozdayot sushestvennye vibracii kotorye v ryade sluchaev mogut privodit k snizheniyu krutyashego momenta i vozbuzhdeniyu mehanicheskih rezonansov v sisteme Uroven vibracij udayotsya snizhat pri ispolzovanii rezhima drobleniya shaga ili pri uvelichenii kolichestva faz Rezhim drobleniya shaga mikroshag realizuetsya pri nezavisimom upravlenii tokom obmotok shagovogo elektrodvigatelya Upravlyaya sootnosheniem tokov v obmotkah mozhno zafiksirovat rotor v promezhutochnom polozhenii mezhdu shagami Takim obrazom mozhno povysit plavnost vrasheniya rotora i dobitsya vysokoj tochnosti pozicionirovaniya Kachestvo izgotovleniya sovremennyh shagovyh dvigatelej pozvolyaet povysit tochnost pozicionirovaniya v 10 20 raz Shagovye dvigateli standartizovany angl NEMA po posadochnym razmeram i razmeru flanca NEMA 17 NEMA 23 NEMA 34 i dr razmer flanca 42 57 86 i 110 mm sootvetstvenno Shagovye elektrodvigateli NEMA 23 mogut sozdavat krutyashij moment do 30 kgs sm NEMA 34 do 120 kgs sm i do 210 kgs sm dlya dvigatelej s flancem 110 mm Shagovyj elektrodvigatel s integrirovannym kontrollerom Shagovye dvigateli sozdayut sravnitelno vysokij moment pri nizkih skorostyah vrasheniya Moment sushestvenno padaet pri uvelichenii skorosti vrasheniya Odnako dinamicheskie harakteristiki dvigatelya mogut byt sushestvenno uluchsheny pri ispolzovanii drajverov so stabilizaciej toka na osnove ShIM Shagovye elektrodvigateli primenyayutsya v privodah mashin i mehanizmov rabotayushih v start stopnom rezhime ili v privodah nepreryvnogo dvizheniya gde upravlyayushee vozdejstvie zadayotsya posledovatelnostyu elektricheskih impulsov naprimer v stankah s ChPU V otlichie ot servoprivodov shagovye privody pozvolyayut poluchat tochnoe pozicionirovanie bez ispolzovaniya obratnoj svyazi ot datchikov uglovogo polozheniya Shagovye dvigateli primenyayutsya v ustrojstvah kompyuternoj pamyati NGMD NZhMD ustrojstvah chteniya opticheskih diskov Datchik povorota Shagovye dvigateli s postoyannymi magnitami mogut ispolzovatsya v kachestve datchikov ugla povorota blagodarya vozniknoveniyu EDS na obmotkah pri vrashenii rotora Pri etom nesmotrya na udobstvo polzovaniya i horoshuyu tochnost i povtoryaemost neobhodimo uchityvat chto bez vrasheniya vala net EDS opredelit polozhenie stoyashego vala nelzya vozmozhna ostanovka vala v zone neustojchivogo ravnovesiya promezhutochno mezhdu polyusami ShD Posleduyushij pusk vala privedyot k tomu chto v zavisimosti ot chuvstvitelnosti komparatora budet propusk etogo polyusa ili dva impulsa vmesto odnogo V oboih sluchayah vse dalnejshie otschyoty budut s oshibkoj na odin shag Dlya prakticheski polnogo no ne 100 go ustraneniya takogo povedeniya neobhodimo primenit muftu s sootvetstvuyushim gisterezisom uglovym lyuftom Preimushestva i nedostatkiPreimushestva Glavnoe preimushestvo shagovyh privodov tochnost Pri podache potencialov na obmotki shagovyj dvigatel povernyotsya strogo na opredelyonnyj ugol Stoimost shagovyh privodov v srednem v 1 5 2 raza nizhe servoprivodov Shagovyj privod kak nedorogaya alternativa servoprivodu nailuchshim obrazom podhodit dlya avtomatizacii otdelnyh uzlov i sistem gde ne trebuetsya vysokaya dinamika Mozhno otmetit takzhe dlitelnyj srok sluzhby poroj sravnimyj so vremenem moralnogo ustarevaniya ili vyrabotki resursa vsego stanka tochnost raboty ShD za eto vremya padaet neznachitelno Netrebovatelny k tehobsluzhivaniyu Nedostatki Vozmozhnost proskalzyvaniya rotora naibolee izvestnaya problema etih dvigatelej Eto mozhet proizojti pri prevyshenii nagruzki na valu pri nevernoj nastrojke upravlyayushej programmy naprimer uskorenie starta ili tormozheniya ne adekvatno peremeshaemoj masse pri priblizhenii skorosti vrasheniya k rezonansnoj Nalichie datchika pozvolyaet obnaruzhit problemu no avtomaticheski skompensirovat eyo bez ostanovki proizvodstvennoj programmy vozmozhno tolko v ochen redkih sluchayah istochnik ne ukazan 4378 dnej Chtoby izbezhat proskalzyvaniya rotora kak odin iz sposobov mozhno uvelichit moment dvigatelya Sm takzheShagovyj elektrodvigatel LavePrimechaniyaKacman 1979 s 229 Shagovyj dvigatel neopr engineering solutions ru Data obrasheniya 23 avgusta 2016 Arhivirovano 25 avgusta 2016 goda LiteraturaKacman M M Yuferov F M Elektricheskie mashiny avtomaticheskih sistem M Vysshaya shkola 1979 261 s SsylkiIspolzuem shagovyj dvigatel s mikrokontrollerom Arduino Shagovye dvigateli Princip dejstviya Razlichnye sposoby upravleniya AVR USB MEGA16 upravlenie shagovym dvigatelem cherez USB Upravlenie shagovym dvigatelem s primeneniem mikrokontrollera
