Шаговый двигатель также известен как импульсный двигатель или шаговый двигатель. Он продвигается на определенный угол каждый раз, когда состояние возбуждения изменяется в соответствии с входным импульсным сигналом, и остается в фиксированном положении, когда состояние возбуждения остается неизменным. Таким образом, шаговый двигатель может преобразовывать входной импульсный сигнал в соответствующее угловое смещение для выхода. Управляя количеством входных импульсов, можно точно определить угловое смещение выхода для достижения функции позиционирования; и, контролируя частоту входных импульсов, можно точно контролировать угловую скорость на выходе для достижения цели регулирования скорости. Следовательно, шаговые двигатели можно использовать, когда требуется точное позиционирование или управление скоростью.
1.1 Классификация шаговых двигателей
Существует три типа шаговых двигателей: реактивные (тип VR), с постоянными магнитами (тип PM) и гибридные (тип HB).
Шаг постоянного магнита обычно двухфазный, крутящий момент и объем небольшие, а угол шага обычно составляет 7,5 или 15 градусов, что в основном используется в недорогих потребительских товарах.
Реактивный шаг обычно является трехфазным, что может обеспечить большой выходной крутящий момент. Шаговый угол обычно составляет 1,5 градуса, но шум и вибрация очень велики. Он был устранен в развитых странах, таких как Европа и США, в 1980-х годах.
Гибридный шаг означает смешивание преимуществ постоянного магнита и реактивного. Он делится на двухфазный, трехфазный и пятифазный. Двухфазный угол шага обычно составляет 1,8 градуса, а трехфазный угол шага составляет 0,9 градуса. Пятифазный угол шага обычно составляет 0,72 градуса. Гибридный шаговый двигатель сочетает в себе преимущества первых двух типов шаговых двигателей. В настоящее время шаговые двигатели, используемые в производстве бытового оборудования, в основном представляют собой гибридные шаговые двигатели.
Поэтому все шаговые двигатели, описанные ниже, называются «гибридными шаговыми двигателями».
1.2 Структура шагового двигателя
Шаговый двигатель состоит из ротора (сердечник ротора, постоянный магнит, вращающийся вал, шариковый подшипник), статора (обмотка, сердечник статора), передней и задней крышек и т. д. Наиболее типичный двухфазный гибридный шаговый двигатель имеет 8 больших зубьев. , 40 зубьев в статоре и 50 зубьев в роторе; статор трехфазного двигателя имеет 9 больших зубьев, 45 малых зубьев, а ротор - 50 малых зубьев. зуб.
Рисунок 1 Принципиальная схема состава шагового двигателя
1.3 Принцип управления шаговым двигателем
Шаговый двигатель не может напрямую подключаться к источнику питания для работы, а также напрямую получать электрические импульсные сигналы. Он должен взаимодействовать с блоком питания и контроллером через специальный интерфейс — драйвер шагового двигателя. Драйвер шагового двигателя (см. рис. 2) обычно состоит из кольцевого распределителя и схемы усилителя мощности. Кольцевой распределитель получает управляющие сигналы от контроллера. Каждый раз, когда принимается импульсный сигнал, выход кольцевого распределителя будет преобразован один раз, поэтому наличие или отсутствие импульсного сигнала и частота могут определять скорость шагового двигателя, ускорение или замедление, запуск или остановку. Кольцевой распределитель также должен отслеживать сигнал направления контроллера, чтобы определить, является ли переход его выходного состояния прямой последовательностью или обратной последовательностью, тем самым определяя направление шагового двигателя.
Рис. 2. Схема управления шаговым двигателем
2 Основные параметры шагового двигателя
2.1 Номер кадра в основном включает 20, 28, 35, 42, 57, 60, 86 и так далее.
2.2 Количество фаз Количество катушек внутри шагового двигателя. Количество фаз шагового двигателя обычно включает две фазы, три фазы и пять фаз. Шаговый двигатель, используемый в Китае, в основном двухфазный, а в некоторых приложениях также используется трехфазный. В Японии больше используются пятифазные шаговые двигатели.
2.3 Угол шага Соответствует входу импульсного сигнала угловому смещению ротора двигателя. Формула для расчета угла шага шагового двигателя выглядит следующим образом:
В формуле: - угол шага шагового двигателя; m - количество фаз шагового двигателя; - количество зубьев ротора шагового двигателя.
Согласно приведенной выше расчетной формуле, углы шага двухфазного, трехфазного и пятифазного шаговых двигателей составляют 1,80, 1,20 и 0,72 градуса соответственно.
2.4 Удерживающий момент (статический момент) относится к моменту, при котором статор блокирует ротор, когда на статорную обмотку двигателя подается номинальный ток, но ротор не вращается. Удерживающий крутящий момент является наиболее важным параметром шагового двигателя и является основным основанием для выбора двигателя.
2.5 Фиксирующий крутящий момент Это крутящий момент, необходимый для вращения ротора с внешней силой, когда двигатель обесточен. Этот крутящий момент является одним из показателей работы двигателя. При прочих равных параметрах, чем меньше фиксирующий момент, тем меньше «эффект зубчатой передачи», что более благоприятно для стабильности двигателя на низкой скорости.
2.6 Частотно-моментная характеристика В основном относится к частотно-моментной характеристике вытягивания, максимальному крутящему моменту, который двигатель может выдержать без потери шага, когда двигатель стабильно работает на определенной скорости. Кривая крутящий момент-частота используется для описания соотношения между максимальным крутящим моментом и скоростью (частотой) без потери шага. Кривая крутящий момент-частота является важным параметром шагового двигателя и одним из основных критериев выбора двигателя. Кривая моментно-частотной характеристики (см. рис. 3).
Рис. 3. Кривая крутящего момента шагового двигателя.
2.7 Номинальный ток Действующее значение тока обмотки двигателя, необходимое для поддержания номинального крутящего момента.
Рис. 4 Таблица параметров шагового двигателя (выдержка из общего каталога интеллектуальных шаговых продуктов Leisai 2021-2022)
3 шага выбора шагового двигателя
Скорость шагового двигателя, используемого в промышленных приложениях, достигает 600 ~ 1500, и чем выше скорость, можно рассматривать привод шагового двигателя с обратной связью или более подходящей схемой сервопривода. Этапы выбора шагового двигателя (см. рис. 5).
Рис. 5 Этапы выбора шагового двигателя
3.1 Выбор угла шага
Как упоминалось в 1.1, в зависимости от количества фаз двигателя существует три угла шага: 1,80 (двухфазный), 1,20 (трехфазный) и 0,72 градуса (пятифазный). Конечно, у пятифазного шага точность угла самая высокая, но его двигатель и драйвер дорогие, поэтому в Китае он используется редко. Кроме того, все современные драйверы шаговых двигателей широко используют технологию раздельного привода. Ниже 8 делений точность угла шага деления все еще может быть гарантирована, поэтому, если вы рассматриваете только индекс точности угла шага, пятифазный шаговый двигатель можно заменить двухфазным или трехфазным шаговым двигателем.
Например, в приложении нагрузки ходового винта с шагом 5 мм, если используется двухфазный шаговый двигатель и драйвер настроен на 8 делений, количество импульсов на один оборот двигателя составляет 200×8=1600 , а импульсный эквивалент равен 5 ÷1 600=0 .00313 мм=3 .13 , эта точность может удовлетворить требования большинства приложений.
3.2 Выбор статического крутящего момента (удерживающий крутящий момент)
Обычно используемые механизмы передачи нагрузки включают зубчатые ремни, винтовые стержни, рейки и шестерни и т. д. Сначала рассчитайте нагрузку на машину (в основном момент ускорения плюс момент трения) и преобразуйте ее в требуемый момент нагрузки на валу двигателя. Затем, в соответствии с максимальной рабочей скоростью, требуемой двигателем, выбирается шаговый двигатель с подходящим удерживающим моментом для следующих двух различных вариантов использования:
(1) Для применения требуемой скорости двигателя ниже 300: если нагрузка машины преобразуется в требуемый момент нагрузки на валу двигателя, то момент нагрузки умножается на коэффициент безопасности SF (обычно 1,5). ~ 2,0), то есть требуемый удерживающий момент шагового двигателя.
(2) Для применений, где требуемая скорость двигателя больше 300: установите максимальную скорость, если нагрузка машины преобразуется в требуемый крутящий момент нагрузки на валу двигателя, тогда крутящий момент нагрузки умножается на коэффициент безопасности SF (обычно 2,5). ~ 3.5 ) для получения удерживающего момента. Ссылаясь на рисунок 6, сначала выбирается подходящая модель. Затем проверьте и сравните кривую крутящий момент-частота: На кривой крутящий момент-частота используйте требуемую максимальную скорость, чтобы найти, что максимальный несинхронный крутящий момент, соответствующий максимальной скорости, составляет 20 или более процентов. В противном случае необходимо повторно выбрать двигатель с большим удерживающим моментом, а также повторно проверить и сравнить в соответствии с кривой крутящий момент-частота вновь выбранного двигателя.
3.3 Выбор типоразмера двигателя
Чем больше корпус двигателя, тем больше его удерживающий момент. Общие размеры корпуса и диапазоны удерживающего момента шаговых двигателей (см. рис. 6).
Рис. 6. Распространенные размеры шаговых двигателей и их удерживающие моменты.
В соответствии с удерживающим моментом, рассчитанным на шаге (2), выберите соответствующий размер рамы и конкретные характеристики соответствующего двигателя из рисунка 4.
3.4 Выберите подходящий драйвер шагового двигателя в соответствии с номинальным током
Например, если номинальный ток двигателя 57CM23 составляет 5 А, максимально допустимый ток выбранного вами драйвера должен быть больше 5 А (обратите внимание, что это среднеквадратичное значение, а не пиковое значение), в противном случае, если вы выберете драйвер с максимальным током всего 3А, то максимальный выходной крутящий момент двигателя может составлять только около 60 процентов!
