Крокові двигуниможе використовуватися для керування швидкістю та керування позиціонуванням без використання пристроїв зворотного зв'язку (тобто керування з розімкнутим контуром), тому це рішення для приводу є одночасно економічним та надійним. Кроковий привід дуже широко використовується в обладнанні автоматизації та приладах. Але багато користувачів та технічних спеціалістів мають запитання щодо вибору відповідного крокового двигуна, забезпечення найкращої продуктивності крокового приводу або інші питання. У цій статті розглядається вибір крокових двигунів, зосереджуючись на застосуванні певного досвіду в галузі розробки крокових двигунів. Я сподіваюся, що популяризація крокових двигунів в обладнанні автоматизації відіграє певну роль.
1. Вступкроковий двигун
Кроковий двигун також відомий як імпульсний двигун або кроковий двигун. Він просувається на певний кут щоразу, коли стан збудження змінюється відповідно до вхідного імпульсного сигналу, і залишається нерухомим у певному положенні, коли стан збудження залишається незмінним. Це дозволяє кроковому двигуну перетворювати вхідний імпульсний сигнал на відповідне кутове зміщення для виходу. Контролюючи кількість вхідних імпульсів, можна точно визначити кутове зміщення виходу для досягнення найкращого позиціонування; а контролюючи частоту вхідних імпульсів, можна точно контролювати кутову швидкість виходу та досягти мети регулювання швидкості. Наприкінці 1960-х років з'явилося безліч практичних крокових двигунів, і за останні 40 років спостерігається їх швидкий розвиток. Крокові двигуни змогли працювати разом з двигунами постійного струму, асинхронними та синхронними двигунами, ставши основним типом двигунів. Існує три типи крокових двигунів: реактивні (тип VR), з постійними магнітами (тип PM) та гібридні (тип HB). Гібридний кроковий двигун поєднує переваги перших двох типів крокових двигунів. Кроковий двигун складається з ротора (сердечник ротора, постійні магніти, вал, кулькові підшипники), статора (обмотка, сердечник статора), передньої та задньої торцевих кришок тощо. Найбільш типовий двофазний гібридний кроковий двигун має статор з 8 великими зубцями, 40 дрібними зубцями та ротор з 50 дрібними зубцями; трифазний двигун має статор з 9 великими зубцями, 45 дрібними зубцями та ротор з 50 дрібними зубцями.
2. Принцип керування
Theкроковий двигунне може бути безпосередньо підключений до джерела живлення, а також не може безпосередньо приймати електричні імпульсні сигнали, це має бути реалізовано через спеціальний інтерфейс - драйвер крокового двигуна для взаємодії з джерелом живлення та контролером. Драйвер крокового двигуна зазвичай складається з кільцевого розподільника та схеми підсилювача потужності. Кільцевий дільник отримує керуючі сигнали від контролера. Щоразу, коли надходить імпульсний сигнал, вихід кільцевого дільника перетворюється один раз, тому наявність або відсутність та частота імпульсного сигналу можуть визначити, чи є швидкість крокового двигуна високою чи низькою, прискорюється чи сповільнюється він для запуску чи зупинки. Кільцевий розподільник також повинен контролювати сигнал напрямку від контролера, щоб визначити, чи є переходи його вихідного стану в позитивному чи негативному порядку, і таким чином визначати керування кроковим двигуном.
3. Основні параметри
①Номер блоку: переважно 20, 28, 35, 42, 57, 60, 86 тощо.
②Номер фаз: кількість обмоток всередині крокового двигуна, номер фаз крокового двигуна зазвичай буває двофазним, трифазним, п'ятифазним. У Китаї переважно використовуються двофазні крокові двигуни, також є деякі застосування трифазних. У Японії частіше використовуються п'ятифазні крокові двигуни.
③Кут кроку: кутове зміщення обертання ротора двигуна, що відповідає імпульсному сигналу. Формула розрахунку кута кроку крокового двигуна виглядає наступним чином.
Кут кроку = 360° ÷ (2 мц)
m кількість фаз крокового двигуна
Z - кількість зубців ротора крокового двигуна.
Згідно з наведеною вище формулою, кут кроку двофазних, трифазних та п'ятифазних крокових двигунів становить 1,8°, 1,2° та 0,72° відповідно.
④ Утримувальний момент: це крутний момент обмотки статора двигуна протягом номінального струму, але ротор не обертається, статор блокує ротор. Утримувальний момент є найважливішим параметром крокових двигунів і є основною основою для вибору двигуна.
⑤ Крутний момент позиціонування: це крутний момент, необхідний для обертання ротора під дією зовнішньої сили, коли через двигун не проходить струм. Крутний момент є одним із показників продуктивності двигуна. Якщо інші параметри однакові, то чим менший крутний момент позиціонування, тим менший «ефект паза», тим краще для плавності роботи двигуна на низькій швидкості. Частотні характеристики крутного моменту: головним чином стосуються тривалих частотних характеристик крутного моменту, завдяки чому двигун стабільно працює на певній швидкості, може витримувати максимальний крутний момент без втрати кроку. Крива момент-частота використовується для опису зв'язку між максимальним крутним моментом і швидкістю (частотою) без втрати кроку. Крива частоти крутного моменту є важливим параметром крокового двигуна та основною основою для вибору двигуна.
⑥ Номінальний струм: струм обмотки двигуна, необхідний для підтримки номінального крутного моменту, ефективне значення
4. Вибір точок
У промислових застосуваннях кроковий двигун використовується зі швидкістю обертання до 600 ~ 1500 об/хв, для вищих швидкостей можна розглянути замкнутий цикл керування кроковим двигуном або вибрати більш відповідну програму сервоприводу для вибору крокового двигуна (див. малюнок нижче).
(1) Вибір кута сходинки
Залежно від кількості фаз двигуна, існує три типи кута кроку: 1,8° (двофазний), 1,2° (трифазний), 0,72° (п'ятифазний). Звичайно, п'ятифазний кут кроку має найвищу точність, але його двигун та драйвер дорожчі, тому він рідко використовується в Китаї. Крім того, основні драйвери крокових двигунів зараз використовують технологію розподільного приводу, у 4 підрозділах нижче точність розподільного кута кроку все ще може бути гарантована, тому, якщо враховувати лише показники точності кута кроку, п'ятифазний кроковий двигун можна замінити двофазним або трифазним кроковим двигуном. Наприклад, при застосуванні певного типу виводу для гвинтового навантаження 5 мм, якщо використовується двофазний кроковий двигун, а драйвер налаштовано на 4 поділення, кількість імпульсів на оберт двигуна становить 200 x 4 = 800, а еквівалент імпульсу становить 5 ÷ 800 = 0,00625 мм = 6,25 мкм, така точність може задовольнити більшість вимог застосування.
(2) Вибір статичного крутного моменту (крутного моменту утримання)
Зазвичай використовуються механізми передачі навантаження, такі як синхронні ремені, нитки розжарювання, рейкові механізми тощо. Спочатку клієнти розраховують навантаження своєї машини (головним чином момент прискорення плюс момент тертя), перетворений на необхідний момент навантаження на валу двигуна. Потім, відповідно до максимальної швидкості обертання, необхідної для електричних квітів, використовуються два різні випадки використання для вибору відповідного моменту утримання крокового двигуна ① для застосування необхідної швидкості двигуна 300 м/хв або менше: якщо навантаження машини перетворюється на необхідний момент навантаження на валу двигуна T1, то цей момент навантаження множиться на коефіцієнт безпеки SF (зазвичай приймається як 1,5-2,0), тобто необхідний момент утримання крокового двигуна Tn ②2. Для застосувань, що потребують швидкості двигуна 300 м/хв або більше: встановлюється максимальна швидкість Nmax, якщо навантаження машини перетворюється на вал двигуна, необхідний момент навантаження дорівнює T1, то цей момент навантаження множиться на коефіцієнт безпеки SF (зазвичай 2,5-3,5), що дає момент утримання Tn. Зверніться до рисунка 4 та виберіть відповідну модель. Потім використовуйте криву момент-частота для перевірки та порівняння: на кривій момент-частота максимальна швидкість Nmax, необхідна користувачеві, відповідає максимальному втраченому ступінчастому моменту T2, тоді максимальний втрачений ступінчастий момент T2 повинен бути більш ніж на 20% більшим за T1. В іншому випадку необхідно вибрати новий двигун з більшим крутним моментом, а також перевірити та порівняти ще раз відповідно до кривої момент-частота щойно вибраного двигуна.
(3) Чим більший базовий номер двигуна, тим більший крутний момент утримання.
(4) відповідно до номінального струму вибрати відповідний драйвер крокового двигуна.
Наприклад, якщо номінальний струм двигуна 57CM23 становить 5 А, то максимально допустимий струм приводу має становити більше 5 А (зверніть увагу, що це ефективне значення, а не пікове), інакше, якщо ви оберете максимальний струм приводу лише 3 А, максимальний вихідний крутний момент двигуна може становити лише близько 60%!
5, досвід застосування
(1) проблема низькочастотного резонансу крокового двигуна
Кроковий привід з поділом є ефективним способом зменшення низькочастотного резонансу крокових двигунів. Нижче 150 об/хв поділовий привід дуже ефективно зменшує вібрацію двигуна. Теоретично, чим більший поділ, тим кращий ефект зменшення вібрації крокового двигуна, але фактична ситуація полягає в тому, що поділ збільшується до 8 або 16 після того, як ефект покращення зменшення вібрації крокового двигуна досягає крайньої межі.
В останні роки в країні та за кордоном з'явилися драйвери крокових двигунів з антирезонансною технологією низьких частот, такі як Leisai DM та DM-S серії продуктів, що використовують антирезонансну технологію низьких частот. Ця серія драйверів використовує гармонійну компенсацію, яка завдяки компенсації амплітудного та фазового узгодження може значно зменшити низькочастотну вібрацію крокового двигуна, що дозволяє досягти низького рівня вібрації та низького рівня шуму в роботі двигуна.
(2) Вплив поділу крокового двигуна на точність позиціонування
Схема керування кроковим двигуном може не тільки покращити плавність руху пристрою, але й ефективно підвищити точність позиціонування обладнання. Випробування показують, що: У платформі руху з синхронним ремінним приводом, кроковий двигун 4 може бути точно позиціонований на кожному кроці.
Час публікації: 11 червня 2023 р.