Общие сведения о шаговых электродвигателях

Введение

 

В современных системах управления широко используются устройства, с цифровой обработкой сигналов. Цифровые системы управления привели к созданию нового типа исполнительных механизмов — шаговых двигателей. Они широко используются дисководах, сканерах, факсах, принтерах, а также в разнообразном промышленном и специальном оборудовании. На данный момент времени промышленностью выпускается множество различных типов шаговых двигателей.

Шаговый двигатель Nema отличается от аналогов высокой надёжностью при работе при максимально допустимых нагрузках, точным поворотом вала на заданный угол, относительно невысокой стоимостью и стойкостью конструкции к превышению допустимых оборотов вала. За счёт отсутствия обратной связи ротор поворачивается на точно заданный угол с максимально допустимой погрешностью не более 5% от его величины, и что самое важное – без накопления ошибки позиционирования.

Именно поэтому шаговый двигатель купить для установки в станки с ЧПУ весьма выгодно, поскольку он сможет обеспечить высокую точность позиционирования ШВП с установленным обрабатывающим инструментом. Надёжность двигателя обеспечивается отсутствием в конструкции контактных щёток, поэтому длительность и качество его работы ограничено только ресурсом используемых подшипников для крепления вала.

Реализация низких скоростей вращения позволяет достигать высокого крутящего момента, позволяющего передавать его прямо на шарико-винтовой механизм без использования редуктора. Путём изменения подаваемых импульсов, можно чётко отрегулировать оптимальный режим и скорость вращения вала. Максимальная мощность вращения достигается применением больших по размерам обмоток, массивных соединительных фланцев и предельных величин подаваемого тока.

В линейку Nema входят двигатели с величиной подаваемого тока от 0,4 до 5 А и развиваемым крутящим моментом от 2,8 кг•см до 120 кг•см соответственно. На шаговый двигатель цена полностью зависит от его технических характеристик, которая варьируется в широком диапазоне, поэтому в целях экономии их необходимо приобретать для решения конкретных задач.

Первые упоминания о ШД можно найти в научно-технической литературе, опубликованной сразу после I мировой войны. Важно отметить, что существующие ныне ШД конструктивно мало отличаются от их предшественников. Что такое шаговый электродвигатель? Если вы спросите об этом у инженеров-электромехаников, то можно гарантировать, что у одной половины из них появиться чувство, сходное с зубной болью, а у другой, напротив, эмоции будут самые положительные. Это вызвано тем, что обладая большими достоинствами, далеко не во всех областях промышленности ШД нашли широкое применение в силу ряда их особенностей.

Наиболее часто из недостатков ШД выделяют невысокие удельные показатели. Действительно, практически не создавались ШД на большие моменты, т.к. габариты или цена их становится несоизмеримо большими по сравнению с двигателями постоянного или переменного тока. Из достоинств можно подчеркнуть способность ШД строго отрабатывать входные импульсы, подаваемые на обмотки ШД.

Шаговые двигатели применялись давно, но это применение было, как правило, экзотическим, из-за необходимости применения механических или электронных коммутаторов, которые сильно сужали области применения.

Подлинную революцию в создании управляемых приводов, созданных на базе ШД, вызвала эра цифрового управления, начавшаяся с 1957года, когда в американском журнале был опубликован отчет о применении ШД в трехкоординатном электроприводе фрезерного станка. Коммутаторы ШД реализовывались на базе ламповых тиратронов, а процесс обработки деталей мог производиться считыванием импульсов с магнитной ленты. По сути, это первый станок с числовым программным управлением (ЧПУ).

Во всех развитых странах с этого времени началось широкое использование ШД в области металлообработки. Возможность цифрового управления от ЧПУ или ЭВМ заставила разработать множество типоразмеров ШД (наша страна даже закупала в Болгарии ШД мощностью до 1.6 кВт). Но одновременно с эйфорией начали проявляться и недостатки, в частности, необходимость усиления вращающего момента ШД с помощью гидроусилителей или механических редукторов. Гидроусилители требовали наличия масляных компрессоров, что существенно увеличивало габариты устройств и, кроме того, подтекание маслопроводов и повышенный шум создавали вокруг таких электроприводов условия далеко не комфортные. У инженеров -электромехаников появился даже термин "мокрый" привод. При преобразовании гидроусилителями вращения вала ШД в поступательное движение рабочего штока, например, у первых образцов советских роботов, в режиме малых скоростей перемещений проявляется эффект релаксации - залипания штока к цилиндру, который вызывал весьма своеобразное движение рабочего органа - захвата робота, напоминающее трясущееся движение руки алкоголика. Успехи в области полупроводниковой техники в начале 70-х годов позволили создать "сухие" тиристорные электропривода с двигателями постоянного тока, которые в механообработке практически полностью вытеснили шаговые электродвигатели. Этим можно объяснить скептическое отношение к ШД некоторых инженеров. Но одновременно в мире начался бум, вызванный широким использованием вычислительной техники, в которой применение ШД значительно упрощало конструкцию различных периферийных устройств ЭВМ (принтеров, графопостроителей, устройств считывания информации с магнитных дисков и т.д.), и не требовало усиления момента гидроусилителями, т.е. такие шаговые электропривода были также „сухими". Сегодня количество вычислительной и контрольно - измерительной техники стремительно растет, одновременно растет количество используемых ШД.

Шаговый двигатель представляет собой разновидность синхронной электрической машины, принцип действия которой основан на дискретном изменении электромагнитного поля в зазоре машины путем переключения обмоток.

 

Общие сведения о шаговых электродвигателях

Шаговые двигатели также успешно используются в течение долгого времени в большинстве различных устройств. Они могут встречаться в дисководах, принтерах, сканерах, факсах, и также в различном производстве и специальном инвентаре. На сегоднишний день имеется большое множество типов шагового двигателя на все случаи жизни.

Шаговым двигателе (ШД) называется электромеханическое утсройство, позволяюшие преобразовывать импульсы управления в фиксированный линейные или угловые перемещения выходного вала.

На взляд шаговый двигатель практически ни как не отличается от двигателей других типов. Чаще всего это круглый корпус, вал и несколько выводов.

 

 

Достоинства

 

Достоинства шаговых двигателей заключается в том, что числом импульсов можно определить угол поворота ротора, который в свою очередь подает на двигатель, чем обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны). Надежные двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Т.к. ошибка не накапливается от шага к шагу это приводит к возможности быстрого старта/реверсирования/остановки, что показывает высокую надежность двигателя. Все это связанно с отсутствием щеток. Т.к. скорость пропорциональна частоте выходных импульсов, то естьвозможность что довольно - таки большой диапазон скоростей будет перекрыт и не доступен.

 

Недостатки

•Проявляется явление резонанса в шаговых двигателях

•Без обратной связи возможна потеря контроля положения вида работы

Даже без нагрузки не будет уменьшаться потребление нагрузки На высоких скоростях усложнена работа невысокая удельная мощность Схема управления относительно сложная К классу бесколлекторных двигателей постоянного тока так же относятся шаговые двигатели, у них имеется высокая надежность в работе и долгосрочный срок службы. В отличии от обычных двигателей постоянного тока, шаговые двигатели применяются более трудные схемы управления, которые в свою очередь обязаны выполнять все коммутации обмоток при работе двигателя. В ШД вращающий момент создаётся магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор сделан из материала с высокой магнйной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Область можно рассмотреть, как определенную область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как ротор, так и статор. Для снижения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количества витков. Таким образом момент зависит от параметров обмоток. Если хотя бы одна обмотка ШД будет запитана, то ротор будет находится в определенном положении Он будет находиться так до тех пор, пока внешний приложенный момент не будет превышать некоторое значение, называемого моментом удержания. После этого ротор повернётся и будет стараться занять одно из следующих положений равновесия.