Silnik krokowy. Dobór i obliczenia silników krokowych dla cnc

Silniki krokowe można znaleźć w urządzeniu samochodowym pulpity nawigacyjne, drukarki, napędy CD, narzędzia elektryczne, ogólnie – wszędzie tam, gdzie potrzebna jest zwiększona dokładność pozycjonowania. Ale najsłynniejszy SHD otrzymany w maszynach CNC.

Ale dlaczego tak nazywa się ten mechanizm - "silnik krokowy"? W skrócie jest to bezszczotkowy silnik synchroniczny z wieloma uzwojeniami drutu. Elektryczność jest podawany do jednego z uzwojeń stojana (element nieruchomy) i tym samym unieruchamia wirnik (część ruchoma) w określonej pozycji. Następnie prąd płynie do innego uzwojenia i wirnik wykonuje nowy ruch. Ta sekwencyjna zmiana pozycji nazywana jest „krokiem”. I to dzięki tej zasadzie pracy Silnik krokowy ma swoją nazwę.

Urządzenie i typy silników krokowych

Obecnie istnieją trzy główne typy silników krokowych:

Należy zauważyć, że mikrokrok jest możliwy tylko w hybrydowych silnikach krokowych. Każdy mikrokrok realizowany jest przez niezależną kontrolę uzwojenia. Kontrolując przełożenie prądowe, wirnik można zablokować nawet w sekcji pośredniej między dwoma sąsiednimi stopniami. Poprawia to płynność ruchu ruchomego elementu i pozwala na optymalną dokładność pozycjonowania. Liczba kroków w tym trybie może sięgać nawet 51 200 na obrót.

Wielu amatorów zadaje pytanie: dlaczego wybrano kształt zębaty wirnika? Odpowiedź jest prosta: w celu uzyskania okresowej zależności uzwojenia stojana od kątowego położenia wirnika. Szczelina między rowkami jest znacznie większa niż między zębami. Pozwala to na niższą przewodność magnetyczną szczelin w stosunku do przewodności zębów. W przeciwnym razie silnik krokowy po prostu nie mógłby działać. Oczywiste jest, że jest to całość wszystkich jego cechy konstrukcyjne, a także kształt i kompozycja elementów sprawiają, że SD jest pełnoprawnym mechanizmem, a nie tylko kawałkiem metalu.

Ponadto, w zależności od rodzaju uzwojeń, SM dzieli się na:

• dwubiegunowy... Mają jedno uzwojenie na każdą fazę. Zmiana kierunku pola magnetycznego w nich zapewnia odwrócenie sterownika - dwubiegunowy półmostek lub mostek;
• jednobiegunowy... Taki silnik krokowy również ma jedno uzwojenie w każdej z faz, ale jednocześnie odczep jest wykonany ze środka dowolnego pojedynczego uzwojenia. W ten sposób kierunek pola można zmienić, przełączając używaną połowę uzwojenia. Kierowca potrzebuje tylko czterech kluczyków, więc jest prostszy niż silnik bipolarny.

Charakterystyka silnika krokowego

V dokumentacja techniczna do silników krokowych można znaleźć następującą listę cech:

1. Moment obrotowy lub moment obrotowy... Jest mierzony w kilogramach-siła centymetrach. Często do tego elementu dołączony jest wykres, który wyraża zależność moment obrotowy od prędkości. Im wyższy wskaźnik, tym szybciej silnik nabiera prędkości po włączeniu.
2. Chwila trzymania... Pokazuje, jak mocno stojan może zablokować wirnik, gdy silnik jest włączony, ale nie pracuje. Oznacza to, że jest to parametr momentu obrotowego przy zerowej prędkości. Zgodnie z wykresem zmniejsza się ona wprost proporcjonalnie do wzrostu prędkości obrotowej. Ten wskaźnik jest mierzony w uncjach na cal. Moment trzymania w pomiarze określonym przez producenta może być wykazany przez silnik tylko w trybie statycznym, pod warunkiem, że: całkowity prąd podawane w dwóch fazach na raz.
3. Moment hamowania... Jest to wielkość siły, która uniemożliwia obracanie się wirnika w przypadku braku zasilania prądem. Oznacza to siłę blokowania wirnika po wyłączeniu. Nazywa się to również momentem trzymania. W hybrydowych silnikach krokowych nie więcej niż jedna dziesiąta siły powstrzymuje wirnik przed obracaniem się przy pełnym zasilaniu prądem. Ta cecha mierzony w tych samych jednostkach, co moment trzymający.
4. Napięcie znamionowe... Wskaźnik ten bezpośrednio zależy od indukcyjności uzwojeń i pozwala określić optymalne napięcie, które powinno być dostarczone do silnika. Najlepsze napięcie odpowiednie dla twojego silnika krokowego mieści się w zakresie od 4 do 25 wartości nominalnych. Jeśli przekroczysz dostarczany prąd, silnik przegrzeje się, prowadząc do uszkodzenia. A jeśli napięcie nie wystarczy, to po prostu się nie uruchomi. Ta cecha jest wskazana w woltach. Aby obliczyć optymalną siłę prądu, stosuje się specjalny wzór U = 32 x√L, gdzie L jest indukcyjnością uzwojenia, a U jest wartością pożądaną.
5. Oddzielnie wskazany jest wynik testów dielektrycznych, podczas których określono maksymalne napięcie, jakie uzwojenie może wytrzymać przez określony czas. Ten wskaźnik określa siłę silnika, jak dobrze może wytrzymać przeciążenia.
6. Moment bezwładności ruchomej części silnika... Określa prędkość przyspieszenia silnika krokowego. Ta wartość jest mierzona w centymetrach kwadratowych.
7. Liczba kroków na obrót(biorą pod uwagę tylko pełne kroki, nie są brane pod uwagę połowy wartości). Im więcej kroków, tym mocniejszy i szybszy silnik.
8. Długość i waga... Odnosi się to do długości korpusu, z wyłączeniem wału. Ale w parametrze „waga” wskazana jest całkowita waga produktu. Zależy to od wielkości i wagi, w jakich warunkach silnik może być używany. W niektórych przypadkach potrzebujesz kompaktowy silnik, podczas gdy w innych zrobi to tylko ten większy i potężniejszy.

Jako przykład weźmy silnik krokowy Nema. Silnik PL57H41, co oznacza szerokość-wysokość (średnicę) na kwadratowym kołnierzu 57mm - PL57. Długość silnika bez wału 41mm - H41. Moment obrotowy, trzymający i inne momenty silnika zależą bardziej od średnicy niż od długości silnika.

PL57H110 specyfikacje

PL86H113 specyfikacje

Połączenie, sterowniki i enkodery

Z reguły silniki krokowe sterowane są za pomocą specjalnych sterowników podłączonych do portu LTP komputera. Sterownik odbiera sygnały generowane przez program i przetwarza je na polecenia do silnika, które są przekazywane poprzez doprowadzenie prądu do uzwojeń. Oprogramowanie może dostosować trajektorię, wielkość, prędkość i wielkość ruchu.

Sterownik jest jednostką sterującą silnika krokowego. W maszynach CNC sygnały sterujące generowane są na sterownikach CNC dlatego do sterownika podłączone są 4 wyjścia silnika krokowego, przewody sterujące ze sterownika CNC (zwykle 4 przewody) oraz zasilanie + i - z zasilacza. Sygnały ze sterownika trafiają do kierowcy, gdzie już sterują przełączaniem kluczyków obwód zasilania napięcie zasilania pochodzące z zasilacza przez te klucze do silnika.

Sterownik powinien być wybrany zgodnie z maksymalnym prądem wyjściowym wymagane napięcie do zacisków uzwojeń silnika. Prąd dostarczany przez sterownik musi być taki sam, jak zużywa silnik, lub wyższy. Sterownik posiada przełączniki, za pomocą których można ustawić żądane parametry napięcia wyjściowego i nie palić silnika.

Kolejność podłączania silnika krokowego do wspólnego obwodu zależy od tego, ile przewodów jest w twoim napędzie i jak dokładnie chcesz używać silnika krokowego. Istnieje wiele modeli, a każdy z nich ma własny schemat połączeń. Liczba przewodów w silniku może wynosić od czterech do sześciu. Silniki czteroprzewodowe są używane wyłącznie z przekładniami bipolarnymi.

Każde dwa uzwojenia mają dwa przewody. Aby określić wymagane pary i relacje między nimi, będziesz potrzebować miernika. Najmocniejsze są silniki sześcioprzewodowe. Posiadają odczep środkowy i dwa przewody dla każdego pojedynczego uzwojenia. Taki silnik krokowy można podłączyć zarówno do urządzeń bipolarnych, jak i unipolarnych. Będziesz potrzebować specjalnego urządzenie pomiarowe aby oddzielić przewody. W przypadku urządzeń jednobiegunowych użyj wszystkich sześciu przewodów. W przypadku bipolarnego wystarczy jeden centralny kran i drut na jedno uzwojenie.

Centralny kran to zwykły drut, który jest również nazywany „środkowym” lub „środkowym”. Występuje w niektórych typach silników krokowych. V silniki jednobiegunowe dla każdego uzwojenia są trzy przewody. Dwa z nich przeznaczone są do podłączenia do tranzystorów. A środkowy, czyli centralny dźwig, musi być podłączony do źródła napięcia. Oznacza to, że jeśli nie potrzebujesz podłączać tranzystorów, możesz po prostu zignorować dwa boczne przewody.

Silniki krokowe pięcioprzewodowe są podobne do silników krokowych sześcioprzewodowych, jednak w nich przewody środkowe są wyprowadzone w jeden wspólny kabel, wraz z resztą. Bez przerw nie będziesz w stanie oddzielić uzwojeń między sobą. Najlepiej zlokalizować środkowy przewód i połączyć go z innymi przewodami - będzie to skuteczna i najmniej niebezpieczna opcja.

Enkodery są często używane z silnikami krokowymi. To po prostu czujniki, których zadaniem jest wysyłanie sygnałów do oprogramowania. Wielu ekspertów uważa, że ​​w większości przypadków nie ma sensu łączyć silnika krokowego z enkoderami i jest to nieefektywne marnowanie pieniędzy. Ale jeśli istnieje nieliniowa zależność ruchu od liczby kroków, gdy konieczne jest zbudowanie piątej współrzędnej, enkoder będzie niezastąpiony. Pomoże Ci to łatwiej śledzić kąty obrotu stołu, oszczędzając czas, eliminując potrzebę stosowania bardziej złożonych metod.

Zastosowania, plusy i minusy

SD są szczególnie rozpowszechnione w przemyśle high-tech i ciężkim. Ze względu na to, że są bardzo tanie i są ułożone dość prosto, popyt na nie nie zanika nawet w XXI wieku. Często można je znaleźć w maszynach CNC, sprzęcie zrobotyzowanym, na urządzeniach automatyki (podawanie, dozowanie, automatyczne mechanizmy spawalnicze i montażowe itp.).

Silniki krokowe są szczególnie popularne w projektowaniu stołów koordynacyjnych i maszyn CNC. Ze względu na niski koszt oprogramowania potrzebnego do ich obsługi, silniki krokowe są niezastąpione w sektorze produkcyjnym, w panelach sterowania, zadaniach programistycznych i nastawczych oraz w innych elementach mechanizmów.

Silniki krokowe są często stosowane w elementach peryferyjnych komputerów, maszyn drukarskich i przyrządów, frezarek i ciągarek, systemów monitorowania i sterowania, dziurkaczy i czytników taśm.

Serwomotory konkurują popularnością z silnikami krokowymi, które mogą pełnić podobne funkcje w takich samych warunkach jak silniki krokowe.

Zalety silników krokowych w porównaniu z serwomotorami:

1. Działają prawidłowo w szerokim zakresie obciążeń.
2. Stały kąt obrotu, znormalizowane wymiary silnika.
3. Niska cena.
4. Łatwy w instalacji i obsłudze, niezawodny, trwały.
5. Jeśli też wysokie obroty silnik nie wypala się, ale pomija kroki.

Główne wady silników krokowych w porównaniu z serwomotorami:

1. Słaba efektywność. Wysokie zużycie energia niezależnie od obciążenia.
2. Gwałtowny spadek momentu obrotowego wraz ze wzrostem prędkości.
3. Przy tym rozmiarze i wadze moc jest niższa niż oczekiwano.
4. Podczas pracy silnik bardzo się nagrzewa.
5. Wysoki poziom hałasu przy wysokich i średnich częstotliwościach.

Artykuł zawiera podstawowe informacje dotyczące działania silnika krokowego oraz zalecenia dotyczące sposobu doboru.

Obecnie rynek jest wypełniony ofertami szerokiej gamy silników do szerokiej gamy zastosowań, co nie jest zaskakujące przy wyborze silnika krokowego, nawet jeśli przygotowałeś i przestudiowałeś właściwości silników krokowych, poznałeś ich główną właściwość utraty moment ze wzrostem prędkości obrotowej i po oszacowaniu momentu bezwładności obciążenia, sprowadzonego do wału, z grubsza określił, przy jakim momencie obrotowym należy uzyskać z krokowego. Jak więc wybrać silnik krokowy i na co najpierw zwrócić uwagę przy zakupie?

1. Typ silnika - bipolarny, unipolarny, 3-fazowy itp.

Żaden z typów silników nie ma radykalnych przewag nad innymi. Ale każdy z nich ma swój własny małe cechy... Czyli silniki 3-fazowe są bardziej szybkie - mają mniejszy moment obrotowy niż silniki bipolarne tej samej wielkości, ale lepiej go zachowują, dzięki czemu są dobre do stosowania z przekładniami, w szybkie biegi... Bipolarne - najczęstsze, dają wysoki specyfik przy niskich prędkościach, łatwo dokupić do nich sterownik zamiast niesprawnego. Jednobiegunowy - reprezentuje elastyczne rozwiązanie w rzeczywistości zawierają kilka rodzajów silniki bipolarne(w zależności od sposobu podłączenia uzwojeń), a także właściwego jednobiegunowego 6-pinowego silnika. W zdecydowanej większości dwubiegunowych to wystarczy, a w razie potrzeby wysoka prędkość rotacja - sensowne jest użycie silnika 3-fazowego.

2. Wykres zależności momentu od prędkości

Główna cecha. Możesz odnieść się do tego wykresu, aby sprawdzić, czy dany silnik krokowy w ogóle spełnia Twoje wymagania.

3. Indukcyjność

Oblicz pierwiastek kwadratowy z indukcyjności uzwojenia i pomnóż przez 32, aby porównać to z napięciem zasilacza dla sterownika. Liczby te nie powinny się zbytnio różnić - jeśli napięcie zasilania jest znacznie (30% lub więcej) wyższe niż uzyskana liczba, silnik będzie hałasował i nagrzewał się; jeśli spadnie, moment obrotowy zmniejszy się zbyt szybko.

4. Parametry geometryczne

Kołnierz, średnica wału - ważne, ponieważ wymiary łączące... Kołnierz, wraz z długością silnika, wyznacza również „moc” silnika krokowego.

Informacje teoretyczne o trybach pracy silnika krokowego

W idealnym silniku nie ma tarcia, jego moment obrotowy jest proporcjonalny do amperoobrotów uzwojeń i jedyny charakterystyka elektryczna jest indukcyjność. Indukcyjność L charakteryzuje zdolność uzwojenia do magazynowania energii w polu magnetycznym. Cewki indukcyjne mają właściwość rezystancji indukcyjnej, tj. opór prąd przemienny, która jest większa, tym szybciej zmienia się prąd, co oznacza, że ​​reaktancja indukcyjna rośnie wraz z prędkością obrotową silnika. Zgodnie z prawem Ohma prąd jest wprost proporcjonalny do napięcia i odwrotnie proporcjonalny do impedancji, z czego wynika, że ​​prąd uzwojenia maleje wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. Ponieważ moment obrotowy jest proporcjonalny do amperoobrotów, a prąd jest odwrotnie proporcjonalny do prędkości, wtedy moment obrotowy będzie również odwrotnie proporcjonalny do prędkości. Te. przy zerowej prędkości moment dąży do nieskończoności, wraz ze wzrostem prędkości moment (i prąd) zaczyna zmierzać do zera.

Elektrycznie, prawdziwy silnik różni się od idealnego głównie niezerową rezystancją uzwojenia, a także elementami ferromagnetycznymi, które mają tendencję do nasycania się polem magnetycznym, co prowadzi do strat histerezy i strat na prądy wirowe. Nasycenie ogranicza moment obrotowy, a prądy wirowe i straty histerezy powodują nagrzewanie się silnika. Rozważ krzywą zależności momentu obrotowego silnika krokowego od prędkości.

Jak widać na wykresie, poniżej pewnego limitu prędkości moment obrotowy, a co za tym idzie prąd, rośnie bardzo szybko, aż do poziomów, które uszkadzają silnik. Aby tego uniknąć, kierowca musi ograniczyć wzrost prądu do określonej wartości. Ponieważ moment obrotowy jest proporcjonalny do prądu, moment obrotowy będzie stały od momentu zatrzymania do progu prędkości, a powyżej progu prąd będzie ograniczony przez indukcyjność uzwojeń.

W rezultacie charakterystyka prędkości i momentu obrotowego idealny silnik rozpocznie się od punktu, w którym moment obrotowy jest stały, aż do momentu, w którym silnik przestanie generować i pobierać moc bierną. Prawdziwy silnik krokowy ma straty, które zmieniają idealną charakterystykę prędkości i momentu. Szczególnie duży jest udział momentu od harmonicznych zębatych pola magnetycznego (czasami jest to wskazane w dokumentacji silnika). W silniku zawsze występują straty, a im szybciej obraca się wał silnika krokowego, tym większe są straty i należy je również odjąć od idealnej charakterystyki.

Zwróć uwagę, jak prawdziwa moc spada wraz ze wzrostem prędkości, m.in. w segmencie „stała moc”. Zaokrąglenie w punkcie przejścia wynika z procesu przejściowego w obwodzie - sterownik stopniowo przechodzi ze źródła prądu na źródło napięcia.

Rezonans średnich częstotliwości

Silnik krokowy jest bardzo podatny na rezonans, będąc w rzeczywistości analogiem wahadła „zawieszonego na sprężynie”, gdzie ciężarem jest wirnik, a sprężyna pole magnetyczne, i ma naturalną częstotliwość zależną od natężenia prądu i bezwładność wirnika. W momencie, gdy różnica faz między momentem obrotowym a prędkością osiąga 180 stopni, pojawia się rezonans – zmiana pola magnetycznego zaczyna zbiegać się z prędkością, a prędkość wirnika przy ustawieniu na nowy krok robi się za duży. W rezonansie znaczna część energii pola magnetycznego jest zużywana na pokonanie bezwładności wirnika podczas oscylacji wokół położenia równowagi, co wyraża się znacznym spadkiem momentu obrotowego na wale. Skumulowana energia kinetyczna wirnika jest zużywana, gdy rezonans wystąpi w około 1-10 sekund, dlatego silnik można przyspieszyć przechodząc przez strefę rezonansową bez konsekwencji, ale nie będzie można pracować przez dłuższy czas - wał będzie zatrzymać. Aby wyeliminować to zjawisko, sterowniki wykorzystują różne algorytmy antyrezonansowe.

Moc silnika

Moc wyjściowa silnika (prędkość × moment obrotowy) jest proporcjonalna do napięcia podzielonego przez pierwiastek kwadratowy indukcyjności. Jeśli podwoimy napięcie PWM, otrzymamy kolejną krzywą CMX, leżącą wyżej, a moc w sekcji stałej mocy podwoi się. Obraz jest inny z prądem. Poniższy rysunek pokazuje, co się stanie, gdy sterownik zostanie ustawiony na 2-krotność prądu znamionowego silnika. Silnik zaczyna emitować 4 razy więcej ciepła, a od chwili włączenia niskie obroty wzrasta mniej niż 2 razy z powodu nasycenia rdzeni uzwojenia.

Jak widać moc wcale się nie zwiększa. Zawsze zaleca się ustawić prąd sterownika równy wartości znamionowej silnika. To między innymi zmniejszy wibracje przy niskich częstotliwościach i poprawi charakterystykę trybu mikrokroków.

Napięcie zasilania i ogrzewanie silnika

Głównymi przyczynami nagrzewania się silnika są straty rezystancji uzwojeń oraz straty ferromagnetyczne. Pierwsza część jest znana wszystkim - jest to energia cieplna uwalniana przy aktywnej rezystancji drutów uzwojenia, równej I2R. Wkład tego określenia jest duży tylko wtedy, gdy silnik jest w trybie wstrzymania i gwałtownie maleje wraz ze wzrostem prędkości silnika. Straty ferromagnetyczne nazywane są stratami prądu Foucaulta i stratami histerezy. Zależą one od zmiany prądu, a zatem od napięcia zasilania i są emitowane w postaci ciepła. Jak wspomniano powyżej, moc silnika rośnie wprost proporcjonalnie do napięcia, ale rosną też straty ferromagnetyczne, które w przeciwieństwie do mocy są nieliniowe, co ogranicza maksymalne napięcie które mogą być używane dla sterownika. Można powiedzieć, że maksymalna moc netto silnika krokowego zależy od ilości ciepła, które można na nim bezpiecznie wytworzyć. Dlatego nie powinieneś próbować ściskać pół kilowata silnika serii 57, podłączając sterownik do źródła 10 kV - napięcie ma rozsądne granice. Można je policzyć różne sposoby... Empirycznie uzyskano kilka górnych szacunków dla maksymalnego napięcia zasilania sterownika PWM: nie powinno ono przekraczać napięcia znamionowego uzwojeń więcej niż 25 razy lub wartości 32√ L, gdzie L jest indukcyjnością uzwojenia.

Dla jasności poniżej znajduje się wykres przedstawiający straty ferromagnetyczne dla silnika o charakterystyka nominalna 4A, 3B.

Krótko o mocy silnika krokowego

Wybór napięcia silnika i zasilania jest całkowicie zależny od zadania. W idealnym przypadku silnik powinien zapewniać wystarczający moment obrotowy przy maksymalnej planowanej prędkości. Należy rozróżnić moment obrotowy i moc silnika: duży moment obrotowy przy niskie prędkości nie oznacza, że ​​silnik jest mocny. Moc wyjściowa - inne, więcej ważny parametr, można go z grubsza oszacować na podstawie krzywej prędkość-moment obrotowy. Teoretycznie maksymalna moc, jaką można stabilnie uzyskać ze sterownika zasilanego 80 V i 7 A to około 250 watów (1/3 KM), ale w rzeczywistości będzie to wymagało 2 lub 3 silników NEMA 34. Silniki NEMA 23 są za małe do rozpraszania ciepła, a NEMA 42 ze względu na swój rozmiar nie mieści się w impedancji: jeśli ich prąd znamionowy jest mniejszy niż 7 A, to napięcie będzie większe niż 80 V i odwrotnie. Moment harmoniczny w silnikach NEMA 42 jest znacznie wyższy niż w małych silnikach i należy go uwzględnić przy obliczaniu mocy wyjściowej. Innymi słowy, moc wyjściowa silników NEMA 42 spada szybciej niż mniejszych silników. NEMA 42 powinna być używana, gdy wymagany jest wysoki moment obrotowy przy niskich prędkościach i nie ma sensu używać motoreduktora.

CO DOTYCZY SPECYFIKACJA SILNIKA KROKOWEGO

Jeśli pominąłeś wszystko, co napisałeś powyżej lub przeczytałeś, ale niewiele zrozumiałeś, ten rozdział pomoże ci dowiedzieć się, jak przejść do części praktycznej. Kilka słów o wielkości silnika. Rozwój produkcji silników krokowych poczynił wielkie postępy, a teraz silniki krokowe są tej samej wielkości różni producenci mają bardzo podobne cechy. To wielkość silnika wyznacza ramy, w których może się zmieniać. główna cecha- krzywa prędkość-moment obrotowy. Indukcyjność uzwojenia pokazuje, jak stroma będzie krzywa CMX przy tym samym napięciu zasilania sterownika z PWM: jeśli weźmiemy 2 silniki tej samej wielkości o różnych indukcyjnościach i sterujemy nimi jednym sterownikiem o tym samym napięciu zasilania, otrzymane krzywe CMX będzie różnił się stromością:

Wyższa indukcyjność potencjalnie daje większy moment obrotowy, ale do tego potrzebny jest sterownik o wyższym napięciu zasilania - wtedy krzywa CMX będzie rosła proporcjonalnie do wzrostu napięcia. W praktyce prawie wszystkie firmy produkują silniki tej samej wielkości w dwóch wersjach - „wolnej” i „szybkiej”, o wysokiej i niskiej indukcyjności. Co więcej, bardziej popularne są modele „szybkie” - wymagają mniejszego napięcia przy dużych prędkościach, co oznacza tańsze sterowniki i zasilacz. A jeśli nagle zabraknie mocy, możesz wziąć większy silnik. Modele „wolne” pozostają do konkretnych zastosowań - w przypadkach, gdy nie są wymagane duże prędkości od napędu krokowego, potrzebny jest duży moment trzymający itp.

Aktualny uzwojenie jest pośrednio związane z momentem obrotowym, ale w zasadzie mówi o tym, który sterownik będzie musiał być wybrany do tego silnika - powinien być w stanie dostarczyć dokładnie taki poziom prądu.

Napięcie zasilania uzwojenia pokazuje jakie stałe (nie PWM) napięcie można przyłożyć do uzwojenia - jest to wartość napięcia wykorzystywana przez sterowniki stałe napięcie... Przyda się przy obliczaniu maksimum dopuszczalne napięcie zasilanie sterownika z PWM, a także pośrednio związane jest z maksymalnym momentem obrotowym.

ALGORYTM DO WYBORU SILNIKA KROKOWEGO

Jak więc wybrać silnik? Zależy od tego, jakie masz dane. Ogólnie rzecz biorąc, wybór silnika sprowadza się do wyboru 5 rzeczy - producenta, typu silnika, wielkości, prądu fazowego i indukcyjności. Pierwszy parametr jest trudny do oceny – niewiele osób posiada reprezentatywną próbkę próbek od różnych dostawców. Ze względu na typ silnika, w przypadku niepewności co do wyboru, zalecamy stosowanie dwubiegunowych 4-przewodowych silników krokowych o niskiej indukcyjności. Te. wybór tkwi głównie w doborze wielkości silnika (w ramach tego samego rozmiaru charakterystyki silników o tej samej indukcyjności prawie wszystkich producentów są praktycznie takie same). Do wyboru konkretny model można zastosować następujący algorytm:

1. Oblicz maksymalną prędkość obrotową V w r / s, którą chcesz uzyskać z napędu, oraz moment obrotowy M, który musisz z niego uzyskać przy tej prędkości (wstaw w tej wartości margines 25-40%).
2. Konwertuj prędkość obrotową na pełną kadencję PPS, dla standardowy silnik z krokiem 1,8 stopnia PPS = 200 * V.
3. Wybierz rozmiar silnika, który jest w przybliżeniu odpowiedni na pierwszy rzut oka, od dostępne modele wybierz silnik o najniższej indukcyjności dla tego rozmiaru.
4. Użyj krzywej CMX producenta, aby znaleźć wartość PPS. Sprawdź, czy moment obrotowy wskazany na krzywej jest wystarczający.
5. Jeśli moment obrotowy pokazany na krzywej jest zbyt niski, rozważ większy silnik, jeśli zbyt duży, rozważ mniejszy silnik.

Jednak ta metoda często daje błędne wyniki ze względu na dużą liczbę czynników i założeń przy obliczaniu momentu. Łatwo można się przekonać, że silniki ST86-114 są nagle potrzebne do sterowania małą frezarką portalową z portalem ważącym 15 kg. Częściej stosuje się metody empiryczne i okazują się one dokładniejsze. Jedną z tych metod jest określenie silników na podstawie masy portalu i wielkości obszaru roboczego. Na przykład wybór silnika krokowego do przekładni poziomej (osie X i Y) może być dokonany na podstawie masy części ruchomej, przekładni, prowadnic i materiałów do obróbki. Do maszyn portalowych o układzie klasycznym, z przeniesieniem śrubowo-kulowym, skok 5 mm na obrót, do obróbki drewna i tworzyw sztucznych, prędkość bezczynny ruch do 4000 mm/min, przy założeniu, że osie prowadzące są bez naprężenia wstępnego i są wyregulowane tak, aby część ruchoma poruszała się po nich bez oporów, można zalecić następujące wartości:

Innym powszechnym podejściem jest analiza gotowych obrabiarek dostępnych na rynku, które są zbliżone do zaprojektowanych pod względem wielkości i wydajności - sprawdzona konstrukcja oznacza, że ​​silniki są już optymalnie dopasowane, a ich wydajność można przyjąć za podstawę.

Każda osoba, która zamierza samodzielnie zmontować maszynę CNC, będzie potrzebować silnika krokowego. Najważniejsze jest, aby z góry zdecydować o zakresie urządzenia. Największe wysiłki i wskaźniki są wymagane do obróbki metali nieżelaznych, co jest osobno brane pod uwagę przy wyborze silnika krokowego do CNC.

Jakie są kryteria wyboru?

Należy pamiętać, że w porównaniu z silniki konwencjonalne, stepery wymagają więcej złożone schematy Do jazdy. I nie ma tak wielu kryteriów.

1. Parametr indukcyjności.

Pierwszym krokiem jest określenie pierwiastka kwadratowego indukcyjności uzwojenia. Wynik jest następnie mnożony przez 32. Wartość uzyskaną jako sumę należy następnie porównać z napięciem źródła, z którego zasilanie jest dostarczane do sterownika.

Liczby te nie powinny się od siebie zbytnio różnić. Silnik nagrzeje się i będzie zbyt hałasował, jeśli napięcie zasilania będzie wynosić 30% lub więcej niż uzyskana wartość. Jeśli jest mniejszy, to wraz ze wzrostem prędkości moment obrotowy maleje. Im wyższa indukcyjność, tym łatwiej utrzymać wysoki moment obrotowy. Ale do tego musisz wybrać sterownik, który ma wysokie napięcie zasilania. Tylko wtedy silnik krokowy działa prawidłowo.

1. Wykres zależności momentu obrotowego i prędkości.

Umożliwi to zrozumienie, w jaki sposób silnik zasadniczo spełnia wymagania i specyfikacje techniczne.

1. Parametry planu geometrycznego.

• Maksymalny statyczny moment synchronizujący.
• Moment bezwładności wirników.
• Prąd w fazie jest nominalny.
• Całkowita rezystancja faz typu omowego.

O rodzajach silników

Dla maszyny rodzaj zastosowanych silników krokowych jest parametrem nie mniej ważnym niż pozostałe. Każdy model ma swoje własne cechy.

1. Bipolarne są najczęściej używane w połączeniu z CNC.

Główną zaletą jest możliwość łatwego wyboru nowego sterownika w przypadku awarii starego. Przy niskich obrotach pozostaje wysoka rezystywność.

1. Trójfazowy.

Charakteryzują się dużą prędkością. Odpowiednie, jeśli dokładnie ten parametr zwracaj największą uwagę w przypadku wyboru.

1. Jednobiegunowy.

Jest to kilka typów silników bipolarnych, które różnią się od siebie i dobierane są w zależności od połączenia uzwojenia.

Można zwiedzać gotowe modele maszyny oferowane na obecnym rynku. Dzięki takiemu podejściu wybór jest znacznie uproszczony. Najważniejsze, aby cechy i wymiary były odpowiednie dla tworzonego projektu.

O siłach skrawania

Często właściciele myślą, że muszą mocno naciskać, w przeciwnym razie nie będzie działać prawidłowo. To złudzenie, które nie jest prawdą. Najważniejsze jest to, jak użytkownik prawidłowo ustawia parametry przepływu pracy.

Nie trzeba używać skomplikowanych specjalnych formuł, aby zrozumieć, jak postępować poprawnie. Możesz to również sprawdzić bezpośrednio gołymi rękami.

O rezonansie na średnich częstotliwościach

Silniki krokowe kojarzą się z silnym rezonansem. W rzeczywistości działają jak wahadło z ciężarkiem zawieszonym na sprężynie. Rolę obciążenia pełni wirnik, a pole z energią magnetyczną pełni sprężyna. Wibracje naturalne mają częstotliwość określoną przez dwa wskaźniki:

1. Bezwładność wirnika.
2. Aktualna siła.

Rezonans pojawia się, gdy różnica między prędkością a fazą momentu obrotowego osiąga 180 stopni. Oznacza to, że istnieje zgodność między prędkością a zmianami w polu magnetycznym. Ruch staje się szybki podczas pozycjonowania w nowym kroku. Moment obrotowy spada, ponieważ większość energii jest zużywana na pokonanie bezwładności.

O koderach i sterownikach, połączeniach

Do sterowania urządzeniem potrzebne są specjalne sterowniki. Łączą się z portami LTP na komputery osobiste... Program generuje sygnały, które są następnie odbierane przez kierowców. Następnie silnik otrzymuje określone polecenia. Doprowadzenie prądu do uzwojeń umożliwia organizację pracy całego urządzenia. Oprogramowanie ułatwia kontrolę:

• Według wielkości silnika.
• Do prędkości.
• Na trajektoriach.

Sterownik jest jednostką odpowiedzialną za sterowanie całym silnikiem. Formowanie sygnału sterującego odbywa się przy udziale specjalnego kontrolera. Polega to na podłączeniu do urządzenia jednocześnie czterech przewodów silnika krokowego. Energia pochodzi z zasilacza, ujemna i dodatnia, i jest podłączona do silników do dalszej pracy.

Maksymalny prąd o wymaganym napięciu docierający do zacisków jest głównym czynnikiem, na podstawie którego należy dokonać wyboru. Prąd dostarczany przez sterownik może być następujących typów:

1. To samo, co silnik zużywa.
2. Wyższa niż wspomniana wcześniej wartość.

Pożądane parametry napięcia początkowego wybiera się za pomocą specjalnych przełączników.

Silniki krokowe mogą mieć inna kolejność znajomości. Zwykle zależy to od liczby przewodów, w które wyposażony jest napęd. Należy zwrócić uwagę na przeznaczenie urządzenia. Na rynku dostępnych jest wiele modeli, a prawie każdy ma własną wersję układu wtykowego. Wewnątrz znajduje się do 4-6 przewodów. W wersjach czteroprzewodowych standardowo dostarczane są moduły bipolarne.

Każde dwa uzwojenia mają dwa napędy. Aby uniknąć błędów, musisz używać zwykłego miernika. Silniki sześcioprzewodowe są różne maksymalna moc... Oznacza to, że każdemu uzwojeniu towarzyszą dwa przewody i jeden odczep środkowy. Takie urządzenia umożliwiają dwa rodzaje połączeń:

1. Z urządzeniami bipolarnymi.
2. Z modelami jednobiegunowymi.

Urządzenia pomiarowe służą również do oddzielania przewodów. Urządzenia jednobiegunowe zakładają użycie wszystkich sześciu przewodów. W przypadku bipolarnego można wziąć tylko jeden centralny odczep wraz z przewodami po jednym uzwojeniu na raz.

Co jeszcze wziąć pod uwagę?

Zwykły drut nazywa się środkowym odczepem. Używają również oznaczeń „centralny”, „środkowy”. Niektóre modele silników krokowych są wyposażone w podobne urządzenia. Każde uzwojenie ma trzy przewody, jeśli chodzi o wersje jednobiegunowe. Dwa z nich organizują połączenie z tranzystorami. Kran centralny lub środkowy idzie prosto do źródła zasilania lub napięcia.

Dwa boczne przewody można całkowicie zignorować, jeśli nie planuje się użycia tranzystorów.

Modele pięcio- i sześcioprzewodowe są do siebie bardzo podobne. Ale wewnątrz centralne przewody są wyprowadzone w jeden wspólny kabel, wraz z resztą komponentów. Uzwojenia nie mogą być ze sobą połączone, jeśli nie ma przerw. Najlepiej połączyć środkowy przewód z innymi przewodami. Wtedy nie będziesz musiał martwić się o skuteczność i bezpieczeństwo urządzenia. Wystarczy wziąć odpowiednie części.

Wniosek

Ulec poprawie odpowiedni model silnik do maszyny będzie łatwiejszy, jeśli z wyprzedzeniem zapoznasz się z głównymi cechami, a także ofertami na odpowiednim rynku. Najważniejsze jest skontaktowanie się z zaufanymi dostawcami. Najmniejsze małżeństwo i błąd doprowadzą do awarii bardzo drogich części.

Każdy rozwój zaczyna się od doboru komponentów. Na rozwój maszyny CNC bardzo ważne jest, aby wybrać właściwy silnik krokowy... Jeśli masz pieniądze na zakup nowych silników, musisz określić napięcie robocze i moc silnika. Kupiłem się na sekundę maszyna CNC silniki krokowe to: Nema17 1,7 A.

Jeśli nie masz wystarczającej ilości pieniędzy lub po prostu próbujesz swoich sił w tej dziedzinie. Wtedy najprawdopodobniej użyjesz silnik z drukarek... To najtańsza opcja. Ale tutaj napotkasz szereg problemów. Silnik może mieć 4, 5, 6, 8 - przewody do podłączenia. Jak podłączyć je do sterowników L298n oraz .

Spójrzmy na to w kolejności. Jakie są silniki krokowe. Jeśli widzisz parzystą liczbę szpilek, oznacza to bipolarny silnik krokowy... Lokalizacja uzwojenia tego silnika jest następująca.

Jeśli silnik ma 5 pinów, jest jednobiegunowy silnik krokowy... Tak wygląda jego diagram.

Nasz sterowniki są przeznaczone do 4-pinowego silnika... Jak być? Jak je połączyć?

Dwubiegunowe silniki krokowe z 6 pinami podłącza się do sterownika na dwa sposoby:

W tym przypadku silnik krokowy ma 1,4 raza większy moment obrotowy. Moment obrotowy jest bardziej stabilny przy niskich częstotliwościach.

Przy tego typu połączeniu konieczne jest zmniejszenie prądu dostarczanego do uzwojeń silnika o 2 razy. Na przykład, jeśli znamionowy prąd roboczy silnika wynosi 2 A, to gdy uzwojenia są połączone szeregowo, wymagany prąd wynosi 1,4 A, czyli 1,4 razy mniej.

Można to łatwo zrozumieć z następującego rozumowania.

Podany w katalogu znamionowy prąd roboczy liczony jest dla rezystancji jednego uzwojenia (R - dokładnie to jest podane w katalogu). Gdy uzwojenia są połączone szeregowo, rezystancja połączonego uzwojenia podwaja się (2R).

Pobór mocy silnika krokowego - I * 2 * R

Gdy uzwojenia są połączone szeregowo, zużycie energii staje się ikoną.*2*2*R

Pobór mocy nie zależy od rodzaju połączenia, dlatego I * 2 * R = Ipos * 2 * 2 * R, skąd

Ipos = I / √2, tj.

Ikonav. = 0,707 * I.

Ponieważ moment obrotowy silnika jest wprost proporcjonalny do wielkości pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenia stojana, wzrasta wraz ze wzrostem liczby zwojów uzwojenia i maleje wraz ze spadkiem prądu przepływającego przez uzwojenia. Ale ponieważ prąd zmniejszył się 2 razy, a liczba zwojów wzrosła 2 razy, moment obrotowy wzrośnie √2 razy.

Tlast. = 1,4 * T.

W drugim przypadku moment obrotowy jest bardziej stabilny przy wysokich częstotliwościach. Parametry silnika krokowego przy tym połączeniu odpowiadają zadeklarowanym w arkusz danych, (moment obrotowy, prąd), moment obrotowy jest bardziej stabilny przy wysokich częstotliwościach.

Jednobiegunowy silnik krokowy można przeprojektować.

Aby to zrobić, musisz zdemontować silnik krokowy i przeciąć przewód łączący środek uzwojeń. A podczas podłączania wspólny przewód nie musi być nigdzie podłączony.

W efekcie otrzymujemy dwubiegunowy silnik z 4 wyprowadzeniami.

8-pinowe silniki krokowe można podłączyć na trzy sposoby.

Połączenie A - shagovik działa z charakterystyką podaną w opisie (moment obrotowy, prąd), moment obrotowy jest bardziej stabilny przy wysokich częstotliwościach.

Połączenie B - moment 1,4 razy, moment jest bardziej stabilny przy niskich częstotliwościach (w stosunku do A).

Połączenie C - moment obrotowy 1,96 razy, moment obrotowy jest bardziej stabilny przy wysokich częstotliwościach (w stosunku do A).

Rozwiązaliśmy więc problem podłączenia silników krokowych. Ale nie wszystkie nasze silniki będą działać. Nadal trzeba zdefiniować napięcie robocze silniki. Najbardziej poprawnym sposobem jest znalezienie arkusz danych.Więc wszystkoopcjejest. Ale nieNSmożna znaleźć cały silnik z drukarkiarkusz danych. W takich przypadkach korzystam z tej tabeli. .

Nie wiem na ile ta tabela jest poprawna, ale dla mnie wszystko się zbiega i działa tak, jak powinno.

Dobieram silnik tak, aby napięcie pracy było mniejsze lub równe napięciu zasilacza. W przypadku silników o niższych napięciach prąd należy ustawić niżej.

Melodia będzie w następnym artykule. Nietęsknić!

Subskrybuj mój kanał na youtube i dołącz do grup w

Przy wyborze silnika krokowego do CNC należy oprzeć się na planowanym zakresie maszyny i charakterystyka techniczna... Poniżej znajdują się kryteria wyboru, klasyfikacja najbardziej popularne silniki i przykłady obliczeń.

Jak wybrać silnik krokowy do CNC: kryteria

1. Indukcyjność. Obliczyć pierwiastek kwadratowy z indukcyjności uzwojenia i pomnożyć go przez 32. Wartość tę należy porównać z napięciem zasilania sterownika. Różnice między tymi liczbami nie powinny być bardzo różne. Jeśli napięcie zasilania jest o 30% lub więcej wyższe niż uzyskana wartość, silnik nagrzeje się i zacznie hałasować. Jeśli jest mniejszy, moment obrotowy zmniejszy się zbyt szybko wraz z prędkością. Większa indukcyjność potencjalnie zapewni większy moment obrotowy. Będzie to jednak wymagało sterownika o wyższym napięciu zasilania.
2. Wykres momentu obrotowego w funkcji prędkości. Pozwala określić, czy wybrany silnik spełnia warunki określone w specyfikacji istotnych warunków zamówienia.
3. Parametry geometryczne. Ważna jest długość silnika, kołnierz i średnica wału.

Rada: należy również zwrócić uwagę na rezystancję omową faz, prąd znamionowy w fazie, moment bezwładności wirnika, maksymalny statyczny moment synchronizujący.

typ silnika

Ważnym kryterium jest rodzaj silnika krokowego do maszyny CNC. Powszechnie stosowane są modele bipolarne, jednobiegunowe i trójfazowe. Każdy z nich ma swoją własną charakterystykę:

• bipolarne są najczęściej używane w CNC ze względu na prosty wybór nowego sterownika w przypadku awarii starego, wysoką rezystywność przy niskich prędkościach;
• trójfazowe różnią więcej prędkości niż dwubiegunowy o tym samym rozmiarze. Nadaje się do zastosowań, w których wymagana jest duża prędkość obrotowa;
• jednobiegunowych to kilka typów silników bipolarnych, w zależności od połączenia uzwojeń.

Rada: Innym sposobem wyboru silnika jest analiza gotowych obrabiarek dostępnych na rynku, które są zbliżone rozmiarem i innymi cechami do opracowywanej.

Przykłady obliczania silników krokowych dla CNC

Wyznacz siły działające w układzie

Konieczne jest określenie siły tarcia w prowadnicach, która zależy od użytych materiałów. Na przykład współczynnik tarcia wynosi 0,2, ciężar części 300 kgf, ciężar stołu 100 kgf, wymagane przyspieszenie 2 m / s 2, a siła cięcia 3000 N.

1. Aby obliczyć siłę tarcia, musisz pomnożyć współczynnik tarcia przez masę poruszającego się układu. Na przykład: 0,2 x 9,81 (100 kg + 300 kg). Okazuje się, że 785 N.
2. Aby obliczyć siłę bezwładności, należy pomnożyć masę stołu z częścią przez wymagane przyspieszenie. Na przykład: 400 x 2 = 800 N.
3. Liczyć cała siła opór musi się sumować siły tarcia, bezwładności i cięcia. Na przykład: 785 + 800 + 3000. Okazuje się, że 4585 N.

Referencja: siła oporu powinna być rozwijana przez napęd stołu na nakrętce kulowej przekładnia śrubowa.

Obliczamy moc

Poniższe wzory przedstawiono bez uwzględnienia bezwładności samego wału silnika krokowego i innych mechanizmów obrotowych. Dlatego dla większej dokładności zaleca się zwiększenie lub zmniejszenie wymaganego przyspieszenia o 10%.

Aby obliczyć moc silnika krokowego, użyj wzoru F = ma, gdzie:

• F jest siłą w niutonach potrzebną do wprawienia ciała w ruch;
• m to masa ciała w kg;
• a jest wymaganym przyspieszeniem m / s 2.

Do określenia moc mechaniczna konieczne jest zwielokrotnienie siły oporu ruchu przez prędkość.

Obliczamy redukcję obrotów

Określono na podstawie nominalnej prędkości serwa i maksymalna prędkość przesuwanie stołu. Na przykład prędkość przesuwu wynosi 1000 mm / min, a skok śruby kulowej wynosi 10 mm. Wtedy prędkość obrotowa śruby kulowej powinna wynosić (1000/10) 100 obr/min.

Przestrzegać nominalnej prędkości siłownika, aby obliczyć współczynnik redukcji. Na przykład mają 5000 obr./min. Wtedy obniżka wyniesie (5000/100) 50.

W obrabiarkach często stosuje się silniki krokowe typu indukcyjnego wykonane w ZSRR. Mówimy o modelach DSHI-200-2 i DSHI-200-3. Mają następujące cechy: