Коротко о шаговых двигателях для самодельщиков, Принцип работы. Опции

[Soling]

Коротко о шаговых двигателях для самодельщиков

Самодельщиков - энтузиастов ЧПУ все больше. Возможно это краткое изложение принципа работы и особенностей шаговых двигателей немного поможет в работе над ЧПУ станками.
Написано по разным источникам, рискну не забивать их списком тему.


Шаговые электродвигатели.

Определение:
Шаговый электродвигатель - электромеханическое устройство, выходной вал которого совершает дискретное угловое или линейное перемещение с фиксацией конечного положения.
В отличие от синхронных двигателей шаговые должны сохранять синхронизм как при вращении, так и при пуске, торможении или реверсе и, кроме того, допускать длительную фиксированную остановку ротора. При последней по обмоткам управления проходит постоянный ток.
Принцип действия:
Как и в любом синхронном двигателе, при прохождении по обмоткам статора токов, на роторе возникает синхронизирующий момент, стремящийся переместить его в положение максимального сцепления магнитных потоков возбужденных обмоток.

На Рис.1 разрез двигателя. Для простоты у него четыре полюса с обмотками. Ротор выполнен из постоянного магнита.

Рис.1
По обмотке 1 течет ток, естественно, создавая магнитное поле статора. Благодаря взаимодействию полей статора и ротора возникнет момент, который повернет ротор до положения, при котором оси магнитных полей совпадают. Это положение соответствует максимальному потокосцеплению полей ротора и возбужденной обмотки статора. При этом ротор находится в устойчивом равновесии. Сделан шаг.
Поскольку обмотка 2 обесточена, никакого участия в работе она в данный момент не принимает.
Итак, ротор занял положение устойчивого равновесия и всякое внешнее воздействие, стремящееся его из него вывести, вызовет ответную реакцию в виде синхронизирующего момента. Синхронизирующий момент будет удерживать ротор в фиксированном положении до тех пор, пока устройство управления не переключит обмотки.
Ток при этом потечет по обмотке 2 и ось магнитного поля статора сместится, в данном примере, на 90 градусов. Снова появится синхронизирующий момент, который повернет ротор в новое положение. И снова, при совпадении осей, ротор займет положение устойчивого равновесия. Сделан второй шаг. Как и ранее, синхронизирующий момент будет удерживать ротор в новом положении.
Далее устройство управления снова подключает обмотку 1. Но, теперь с другим направлением тока. Ротор в соответствии с полярностью поля статора делает следующий шаг. Дальше все повторяется по этой схеме, и ротор совершает полный оборот.
Направление вращения ротора можно изменить, изменив последовательность переключения обмоток.
Итак, каждое переключение, сделанное драйвером, соответствует одному шагу ротора.
В реальных двигателях величина углового шага определяется числом тактов коммутации за один период изменения напряжения N и числом пар полюсов двигателя Р.

Вывод:
При подаче на обмотки управления серии импульсов в определенной последовательности, ротор, синхронно с полем повернется на угол пропорциональный числу импульсов в серии. При прекращении подачи импульсов, когда по соответствующим обмоткам управления течет постоянный ток, ротор переходит в режим фиксированной стоянки и торможения. Магнитное поле статора при этом неподвижно.

Режимы работы:

Особенности шаговых двигателей определяются частотным регулированием скорости.
В частности от него зависит характер движения ротора. Частота импульсов может быть изменена по произвольному закону. Напряжение питания так же может отличаться от прямоугольного. Оно может быть ступенчатым.

Различаются четыре режима:
1. Статический.
2. Квазистатический
3. Установившиеся режимы.
4. переходные режимы.

Статический:
Реализуется, когда по обмоткам протекает постоянный ток, создающий неподвижное поле.
Характеризуется статическим синхронизирующим моментом стремящимся возвратить ротор в первоначальное положение. ( Режим удержания ).

Квазистатический:
Режим отработки единичных шагов. Характерен тем что все переходные, обычно колебательные, процессы заканчиваются перед началом следующего шага. Частота шагов в этом режиме ограничена временем затухания колебаний. Повысить её можно введением дополнительных устройств.
Применяется там, где подобные колебания недопустимы.

Установившиеся режимы:
Работа при постоянной частоте управляющих импульсов. При частоте импульсов меньшей, чем частота свободных колебаний (F1), шаги сопровождаются этими колебаниями.
При частоте управляющих импульсов, равной (F1) или меньшей в целое число раз, возникает электромеханический резонанс. При слабом демпфировании он может привести к потере синхронизма и нарушению периодичности движения.
При частоте выше (F1) движение сопровождается вынужденными колебаниями с частотой управляющих импульсов.

Вывод:
Достаточное демпфирование не будет лишним в устройстве.

Переходные режимы:
Сопровождают практически все действия двигателя, порождая нежелательные эффекты.
Например: скорость движения при совершении шага далеко не постоянна. Конструкция имеет инерцию. Напряжение же управления нарастает скачкообразно от нуля до рабочего.
В результате ротор, в пошаговом режиме, в первый момент отстает от поля. За тем, ускоряясь, достигает его скорости и обгоняет его, поскольку оно зафиксировалось в новом положении. Возникший синхронизирующий момент тормозит его и разгоняет в обратном направлении. Процесс повторяется по затухающей.

Максимальная частота:

Волнующая тема для любителей быстрой обработки.
Частота управляющих импульсов, при которой еще возможен пуск ротора из неподвижного положения без выпадения из синхронизма. То есть - без потери шагов.
Это частота приемистости.
Растет она с увеличением синхронизирующего момента, уменьшением углового шага, величины нагрузки и момента инерции нагрузки.
От нее пляшем:

Торможение. Осуществляется скачкообразным снижением частоты управления до нуля.
Предельная частота управляющих импульсов, при которых ротор затормозится без потери синхронизма, то есть, без выбега, как правило, выше частоты приемистости.
При торможении без выбега в неустановившемся режиме, мгновенная скорость может быть в 1,5 - 2 раза выше средней скорости. Тогда предельная частота управления может быть ниже частоты приемистости.
Реверс достигается изменением направления вращения поля статора. Предельная частота
управления при этом, всегда меньше частоты приемистости. Достигнуть ее значения возможно только при большой величине нагрузки и внутреннего демпфирования.
Та же картина при работе короткими импульсами с произвольными паузами.

Характеристики и параметры:
Рабочие характеристики шагового двигателя зависят как от их собственных параметров, характера нагрузки, так и от особенностей коммутации. В частности от формы напряжения управления, фронтов тока управления, определяющих коммутационные перенапряжения.
1. Статические характеристики.
2. Предельные динамические и динамические.
3. Устойчивости в резонансных областях.

Зависимости статического синхронизующего момента от угла поворота ротора, величины тока в обмотках при разных сочетаниях включения. Величину угловой погрешности при работе в квазистатическом режиме. На холостом ходу или под нагрузкой.

Зависимости частоты приемистости, предельной частоты управления при торможении или реверсе от величины момента сопротивления нагрузки и ее момента инерции, определенные для заданных условий коммутации, составляют семейство предельных характеристик. Соответственно - пуска, торможения или реверса.

Предельная механическая характеристика определяет зависимость частоты управления от величины момента сопротивления нагрузки, при плавном увеличении которой ротор выпадает из синхронизма.

[Constantin]

И еще пару слов о том, зачем нужно увеличивать напряжение при увеличении частоты.

во первых - шаговый двигатель является обратимой машиной, т.е. если вращать шаговый двигатель - то он будет работать как генератор.
и что важно - вращающийся шаговый двигатель будет генерировать импульсы в временной последовательности аналогичной управляющим, но обратной по напряжению.

это означает - просто то, что повышая частоту, наступит такой момент времени, когда напряжение управляющих импульсов приравняется к напряжению импульсов сгенерированных мотором.
а это в свою очередь - приведет к тому что ток через обмотки станет равным нулю.
а от тока, как известно, пропорционально зависит момент, и момент как я думаю очевидно - тоже станет равным нулю.
Именно поэтому, для дальнейшего увеличения частоты - необходимо увеличить напряжение.

Имейте также в виду, что шаговый мотор работает в крайне широком диапазоне частот управляющих импульсов.
представим - 200 шагов двигатель, работающий в полушаге, на скорости 10 об в сек.
частота следования импульсов - 4*200*10 герц= 8кГц.
для обычного инраннера это бы соответствовало частотам порядка 80 000 об в минуту
и тот же самый мотор используется для удержания, и для пошагового движения, и при этом не должен потерять шаги.

Вывод
не пытайтесь изнасиловать шаговые двигатели, с ними это уже сделали давно!!!

если пытаться выжимать из шагового двигателя больше чем он может дать мы придем лишь к тому, что возбуждаемое нами магнитное поле превысит магнитное поле статора - и с дальнейшим повышением тока - мы не получим ни приращения момента, ни скорости, и уж тем более не добавим ресурса.

что же все-таки имеет смысл сделать - так это найти правильный контроллер.
ибо неправильный контроллер либо не даст вам скорости, либо спалит или перегреет мотор в режиме стояния (магниты от перегрева размагничиваются).

Правильный - такой который использует алгоритмы форсирования, который снижает ток во время стояния, и который по возможности используется на уже работающем промышленном или выпускаемом серийно оборудовании.

сейчас навалом нормальных шаговых моторов с хорошими характеристиками, с моментом порядка 10 и более кГс*см, с современными контроллерами и прочим.