Содержание

Системы управления линейным движением непосредственного привода.
Как работает шаговый электродвигатель?
Что такое шаговый двигатель?
Преимущества и недостатки шагового электродвигателя
Устройство и принцип работы
Типы шаговых двигателей
По конструкции ротора
Реактивный
С постоянными магнитами
Гибридные
По виду обмоток
Униполярный
Биполярный
Подключение шагового двигателя
Типичные схемы подключения ШД
Управление шаговым двигателем
Без контроллера
С контроллером
Популярные схемы управления ШД
Простейший драйвер шагового двигателя своими руками
Полезное видео

Системы управления линейным движением непосредственного привода.

К настоящему моменту можно выделить несколько типов линейных непосредственных двигателей (далее будем называть их просто линейными двигателями): асинхронный, постоянного тока, синхронный на постоянных магнитах (вентильный), шаговый.

Еще в начале ХХ века (02.06.1906 №12581) в Англии Зеденом был зарегистрирован патент на изобретение линейного асинхронного двигателя. Приведем выдержку из этого патента.

«Изобретение относится к устройствам для приведения в движение железнодорожных экипажей, лифтов, возвратно-поступательных частей машин, станков и других приспособлений посредством движущегося (бегущего) магнитного поля. В применении к железным дорогам магнит (индуктор), возбуждаемый трехфазным или иным током, устанавливается на экипаже вблизи от рельса (полосы), который играет роль короткозамкнутого якоря многофазного двигателя. Полоса может быть выполнена из стали и латуни или другого металла, и в ней для экономии массы и регулирования тока проделаны отверстия (перфорации) различной ширины — для обеспечения пуска экипажа и т. п. Магниты (индукторы) могут быть установлены над или под полосой для увеличения сцепления или частичной компенсации массы экипажа. Они могут быть расположены с противоположных сторон полосы, либо электромагнит (индуктор) может быть расположен с одной стороны полосы, а шихтованный пакет стали — с другой. Устройство может быть таким, что силы уравновешиваются или не уравновешиваются. В случае лифта, например, индукторы направлены наружу для взаимодействия с двумя направляющими полосами».

Характерно, что практически все конструкции современных линейных асинхронных двигателей в той или иной мере используют положения этого патента, исключения составляют лишь несколько специальных типов двигателей.

Одним из первых линейных асинхронных электроприводов со значительным поступательным перемещением и большой, хотя и кратковременно реализуемой мощностью следует считать систем разгона самолетов, разработанную в 1945 г. фирмой «Вестингауз» для флота США. Первичная часть двигателя укреплялась на тележке, на которой устанавливался разгоняемый самолет. К тележке подводилось трехфазное питание с одной заземленной фазой. Неподвижная вторичная часть имела в длину несколько сотен метров и представляла собой набранный из стальных пластин магнитопровод с короткозамкнутой клеткой из медного сплава ( большим сопротивлением по краям пути и меньшим в середине пути). Двигатель развивал силу тяги 75 кН при скоростях от 0 до 100 м/с, то есть имел мощность порядка 7500 кВт. Реактивный самолет массой 4,5.103 кг разгонялся на полосе длиной 165 за 4,2 с до скорости 50 м/с (а=12 м/с2, F=ma=55 кН, остальные 20 кН тратились на преодоление сопротивления воздуха и для подъема).

Огромное число разработок проводилось и проводится до сих пор в плане использования линейных асинхронных двигателей в качестве приводящих устройств транспортных средств. Причем, разработки велись как по пути развертывания двигателей вращательного движения в плоскость, так и совершенно автономно (это касается не только асинхронных двигателей).

Линейные асинхронные двигатели имеют ряд преимуществ и недостатков, обуславливающих их область применения. К преимуществам можно отнести невысокую стоимость комплектующих, отсутствие необходимости наличия датчика для движения, достижимость высоких значений скоростей и ускорений. К недостаткам: необходимость небольшого воздушного зазора, низкий КПД (невозможность работы из-за значительных потерь во вторичной части на низких скоростях и в режиме поддержания силы). Отсюда и область его применений — транспортные задачи, требующие больших скоростей и ускорений, плавности хода, но не требующие высокой точности.

С развитием технологии изготовления постоянных магнитов, а в частности с появлением таких сплавов, как сомарий-кобальт и неодим-железо-бор, получили развитие и электрические машины с постоянными магнитами. Вентильные электроприводы с двигателями с возбуждением от постоянных магнитов являются на сегодняшний день наиболее эффективными и наиболее динамичными. В настоящий момент можем наблюдать бурное развитие систем с непосредственным приводом на основе вентильных двигателей. Это касается и двигателей вращательного движения, и линейных двигателей. Линейные вентильные двигатели непосредственного привода призваны заменить всевозможные передаточные устройства в системах автоматической обработки и точного позиционирования.

Сейчас можно выделить два основных принципиально различных типа линейных вентильных двигателей: линейный вентильный двигатель с ферромагнитным якорем и линейный вентильный двигатель с немагнитным якорем. Причем, не имеет значения якорь или индуктор движется, хотя предпочтительным в настоящее время является передвижение обмоток (якоря), нежели магнитов (индуктора).

Линейные двигатели с ферромагнитным якорем получили значительное развитие и сейчас компании производители таких двигателей могут предложит машины с тяговыми усилиями от 200 Н до 20 кН, что перекрывает значительный диапазон задач даже тяжелого станкостроения. Область применения этих двигателей постепенно расширяется и включает уже любое станочное оборудование, требующее быстрых и стабильно точных перемещений, например установки для лазерной резки и многофункциональные станки, в частности, для твердого точения и шлифования. В таких станках, выпускаемых в мире несколькими фирмами, при точении используют высокую динамику линейных двигателей, а при шлифовании — обеспечиваемую ими высокую точность перемещений. Отсутствие износа и возможность выполнения этими двигателями частых быстрых и коротких ходов особенно востребованы в шлифовальных станках, поскольку шарико-винтовые передачи нередко не выдерживают такого темпа и выходят из строя.

На рис.1 приведен такой двигатель. Индуктор выполнен в виде разомкнутой полосы постоянных магнитов. Якорь выполнен в едином корпусе и состоит из многофазной системы обмоток и ферромагнитной пластины, замыкающей поток индуктора. Якорь закреплен на транспортной пластине, которая может совершать возвратно-поступательные движения по линейным направляющим качения. На рис.1 не виден датчик перемещения, который установлен также на исполнительном органе. Через гибкий кабель-канал к якорю и к датчику подведены кабели соответственно питания обмоток и обратной связи (сигналов датчика линейного перемещения).

Рис. 1 Линейный двигатель с ферромагнитным якорем

Такая конструкция линейного вентильного двигателя явилась следствием прямого развертывания синхронной машины вращательного движения с постоянными магнитами в плоскость. Хотя эти двигатели являются на сегодняшний день основными конкурентами шарико-винтовых передач, тем не менее в связи с присутствием в них некоторых особенностей (а именно наличие потерь «в стали» якоря и наличие значительного притяжения исполнительного органа к индуктору), развитием таких направлений как лазерная и термическая обработка явили миру принципиально новую конструкцию линейных вентильных двигателей. Именно требования сокращения потерь в преобразовании энергии и увеличения номинальных скоростей и ускорений привели к появлению и активной разработке линейных вентильных двигателей с немагнитным якорем.

Рис. 2. Линейный вентильный двигатель с немагнитным якорем.

На рис.2 представлен пример такого двигателя (Trilogy systems, США). В отличии от предыдущего двигателя, якорь двигателя с немагнитным якорем не содержит магнитопровдящих частей (из-за этого он так и назван) и выполнен в виде системы многофазных обмоток. Индуктор выполнен в виде двух стальных пластин, с установленными на них постоянными магнитами и скрепленными в единый блок, который в сечении напоминает букву U. Поэтому в англоязычных источниках можем встретить другое название таких двигателей — U-образные линейные двигатели.

Уважаемые партнеры, мы заботимся о здоровье своих сотрудников. В связи с этим наша компания частично перешла на удаленный режим работы.

Офисные телефоны включены, Вам обязательно ответят, просьба проявлять терпение и понимание.

Отгрузка товара со склада производится по предварительной договоренности по телефону или по электронной почте.

Просьба при посещении офиса компании использовать средства индивидуальной защиты, маску и перчатки. В противном случае вам может быть отказано в посещении нашей компании.

Информация размещенная на сайте носит исключительно информационно-справочный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой.

servotech.spb.ru

Дата :24.03.2021
Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_10_1) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/41.0.2227.1 Safari/537.36
185.151.241.146
Google:20:24 21-03
Bing:01:36 20-03
Yandex:00:46 23-03

Как работает шаговый электродвигатель?

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
Сложности управления из-за особенности схемы

Устройство и принцип работы

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора. Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от 5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом

Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси. Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс или серию импульсов в определенной последовательности. В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата. При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль) происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному USB порту.

Схема управления линейного двигателя