Шаговый двигатель

Гибридный шаговый двигатель в полупрозрачном представлении

Шаговый двигатель представляет собой синхронный двигатель , в котором ротор (вращающийся двигатель часть с валом) может поворачиваться на небольшой угол (шаг) или многократный с помощью контролируемого, шага за шагом , вращающимся, электромагнитным полем катушек статора (статор = невращающаяся часть двигателя) . Шаговые двигатели также доступны как линейные двигатели .

позиционирование

Схема шагового двигателя с четырьмя ступенями на один оборот (и однополярная проводка)
Анимация с реактивным шаговым двигателем

Шаговые двигатели точно следуют внешнему приложенному полю и могут точно работать без датчиков обратной связи по положению ( энкодеры , угловые энкодеры и т.п.). Поэтому они ведут себя аналогично синхронным двигателям , но обычно имеют значительно большее количество пар полюсов. Таким образом, ими легче управлять, чем, например, серводвигателями (обычно двигателями постоянного тока или синхронными двигателями с датчиком положения), которые необходимо отрегулировать в желаемое положение. Для особо однородного хода шаговые двигатели управляются с помощью однородного вращающегося поля .

Потеря шага

Если шаговый двигатель перегружен крутящим моментом внешней нагрузки или массой, которая должна приводиться в движение во время сильного ускорения или замедления (т. Е. Момент нагрузки> крутящий момент двигателя), ротор больше не может следовать за вращающимся полем. Шаги пропускаются, и информация о текущем положении ротора теряется. При так называемой потере шага двигатель возвращается в предыдущее или следующее положение в той же фазе. Механическая кинетическая энергия ( инерция ) обычно приводит к серии потерянных шагов в быстро движущихся магнитных полях. Любые возникающие ступенчатые потери складываются и затем приводят к неправильному позиционированию.

Предотвратить это можно следующими способами:

  • Датчик положения ( инкрементный датчик или абсолютный датчик ) измеряет точное положение вращения в пределах отклонения квантования . Контроллер (контроллер) может исправить немедленно. Двигатель можно нагружать до предела мощности.
  • Система управления измеряет силу тока на каждом шаге. Если двигатель всегда работает немного ниже предельной нагрузки (и в противном случае отключается с сообщением об ошибке), датчик положения не требуется.
  • В случае циклических или вращательных движений положение двигателя можно сравнивать с базовым положением при каждом обороте или цикле с внешним импульсом положения от датчика.
  • Перегрузка предотвращена.

Для более высоких скоростей всегда рекомендуется плавный пуск и замедление, чтобы избежать потери шагов. Если важна только скорость, а не позиция, можно смириться с потерей шага.

Дизайн

Двухфазный гибридный шаговый двигатель с четырьмя обмотками в разрезе
Двухфазный гибридный шаговый двигатель с восемью обмотками и демонтированным ротором

Шаговый двигатель различают по конструкции:

В реактивном шаговом двигателе ротор состоит из зубчатого сердечника из мягкого железа. В этом материале магнитное поле исчезает после отключения тока статора . Когда ток включен , то магнитный поток течет через мягкий железный сердечник ротора. Вращение на ротор происходит потому , что зубчатая статора притягивает ближайший зуб ротора, так как это уменьшает на магнитное сопротивление .

В шаговом двигателе с постоянными магнитами статор изготовлен из мягкого железа, а ротор - из постоянных магнитов , которые попеременно имеют северный и южный полюсы . Ротор с постоянным магнитом выровнен с магнитным полем статора таким образом, что возникает вращательное движение .

Поскольку реактивный шаговый двигатель не содержит постоянных магнитов, он не имеет крутящего момента при отключении тока, в отличие от шагового двигателя с постоянными магнитами. Число полюсов (и, следовательно, разрешение) в шаговом двигателе с постоянным магнитом ограничено.

Гибридный шаговый двигатель сочетает в себе положительные свойства обеих конструкций за счет точного шагового разделения и хорошего крутящего момента. В этой конструкции в качестве ротора используется постоянный магнит с двумя зубчатыми ободами из мягкого железа на полюсах. Также распространена конструкция с двумя противоположно направленными магнитами и тремя зубчатыми кольцами, преимуществом которых является значительно меньшее внешнее магнитное поле. Две или три звездочки смещены на полшага каждая и образуют полюсный наконечник . Технически это особая конструкция двигателя с постоянными магнитами, напоминающая только реактивные двигатели со своим зубчатым ротором из мягкого железа. Почти все доступные сегодня шаговые двигатели являются гибридными.

Двигатели с высоким крутящим моментом (= высокий крутящий момент ) часто представляют собой типы, в которых в качестве ротора используются особенно сильные магниты из редкоземельных металлов . Таким образом можно достичь особенно высокой плотности силы.

Параметры

Параметры шагового двигателя:

  • угол шага (или расстояние шага в случае линейного двигателя), то есть угол полного шага . Полный шаг происходит, когда ток переключается с одной обмотки на другую.
  • количество фаз p (чаще всего 2, но также возможно 3 или 5)
  • количество шагов n на оборот с
n = 360 ° /
Число шагов на оборот кратно 2 · p, в случае двухфазных шаговых двигателей - кратно 4, поскольку после 4 шагов одни и те же зубцы снова обращены друг к другу с той же полярностью. В случае линейных двигателей - соответствующие шаги для полного хода.
  • максимальный фазный ток I; это обусловлено максимально допустимой тепловой нагрузкой I 2 R. Оно может быть увеличено на короткое время для достижения более высокого крутящего момента.
  • сопротивление омической катушки R
  • индуктивность катушки L; это важно для динамики двигателя и размеров диодов свободного хода .
  • крутящий момент в состоянии покоя (удерживающий момент) для данного тока, а также кривая крутящего момента при увеличении скорости; они зависят от квадрата фазного тока, а ход зависит от схемы драйвера и ее напряжения питания.
  • конструкция соединения обмотки ( без центрального отвода, с центральным отводом, с общим центральным отводом)

Момент по инерции ротора также важен - во многих приложениях она образует основную часть инерции массы и , таким образом , определяет динамику.

С другой стороны, эффективность шаговых двигателей имеет второстепенное значение, поскольку мощность привода не важна для типичного применения в качестве привода позиционирования. Часто принимают низкий КПД, связанный, например, с малой инерцией ротора, чтобы добиться высокой динамики.

Электронное ступенчатое деление

Электронное управление шаговым двигателем

Для уменьшения угла шага шагового двигателя существует возможность электронного деления шага. Две последовательные фазы не только включаются или выключаются, но и проходят определенные стадии. Это дает две ступенчатые и сдвинутые по фазе синусоидальные функции. Отношение двух амплитуд друг к другу приводит к шагам между полными шагами.

Результирующий угол ступени получается из:

st - коэффициент электронного деления. st = 2 - режим полушага, st = 4 - режим четверть шага, st = 8 - режим восьмого шага, ...

Шаговое деление, обычно называемое микрошаговым режимом, обеспечивает более плавный ход (более равномерный крутящий момент) и может обеспечить более высокое угловое разрешение в пределах точности изготовления и формы поля.

Скорость и крутящий момент

Процесс подключения и отключения на реальной катушке ( провод R = 10 Ом) с «идеальным» безынерционным диодом ; выше: само- наведенного напряжения, средний: ток, ниже: напряжения питания; ось времени масштабируется в единицах, стандартизированных к постоянной времени

Для эффективной работы шаговых двигателей требуются высокие скорости нарастания и спада тока. Катушки с железным сердечником, то есть с высокой индуктивностью L , противодействуют этому своей индуктивностью (см. Рисунок). Чтобы обеспечить переносимость тепловыделения в катушках, для шаговых двигателей указаны максимальные фазные токи (омические тепловые потери). Чтобы добиться быстрого увеличения токов катушки после включения обмотки, требуются высокие рабочие напряжения и малое количество витков (индуктивностей). Чтобы добиться более быстрого падения тока после выключения, более подходит биполярный режим - в этом случае катушки (пары) с H-мостом работают поочередно в обоих направлениях тока, и энергия, накопленная в индуктивности, может работать. против рабочего напряжения Обратно туда подводятся диоды свободного хода ( см. также катушка (электротехника) ).

Двигатели, которые могут работать в униполярном режиме, имеют центральный отвод пар катушек и могут работать с односторонними переключающими транзисторами. Из-за необходимого более медленного размагничивания они имеют худшие динамические свойства, менее эффективны и теперь менее распространены (см. Также электромонтаж ).

Современные схемы (часто интегральные схемы ) для высокодинамичной работы биполярных шаговых двигателей работают в режиме прерывателя ; Подобно импульсному регулятору, они регулируют ток катушки на каждом этапе и могут управлять обмотками с низким сопротивлением (низкой индуктивностью) при высоких рабочих напряжениях, так что нарастание и спад тока происходит быстро.

Крутящий момент шагового двигателя пропорционален фазному току, но потеря мощности увеличивается пропорционально квадрату фазного тока. Следовательно, шаговые двигатели могут быть перегружены только на короткое время, чтобы увеличить крутящий момент выше номинального значения.

Кривая крутящего момента достигает максимума, когда автомобиль неподвижен, и уменьшается на высоких скоростях. Характеристика - это частота пуска-останова, ниже которой двигатель может выполнять электрические шаги при определенном значении фазного тока или определенном напряжении катушки, даже если есть скачок частоты от нуля или до нуля.

Чтобы не потерять шаг, частота шага для увеличения скорости должна изменяться по крайней мере от частоты старт-стоп (ускорение и торможение). Максимальная скорость и крутящий момент улучшаются за счет минимально возможной индуктивности / низкого сопротивления обмоток и максимально возможного рабочего напряжения. Чтобы уменьшить омические потери в обмотках, фазные токи часто регулируются таким образом, что они уменьшаются в неподвижном состоянии или при равномерном движении.

Большинство шаговых двигателей двухфазные, но есть также трех- и многофазные двигатели. Более двух фаз обеспечивают более равномерный крутящий момент и, следовательно, менее склонны к возникновению резонансных колебаний в роторе.

Проводка

Варианты схем шагового двигателя

Шаговые двигатели всегда работают вместе с электронными переключателями - механические кнопки или переключатели могут использоваться только в целях тестирования и демонстрации. Электронные контроллеры шаговых двигателей используют цифровые часы и сигнал направления для генерации необходимой последовательности фаз (последовательности) для создания вращающегося поля. Драйверы шагового двигателя усиливают эти цифровые сигналы и переключают рабочее напряжение двигателя. Печатная плата с силовым модулем обычно располагается рядом с двигателем, чтобы снизить индуктивность кабеля и уровень помех. При управлении током ток струны также измеряется и регулируется в соответствии со значением по умолчанию. Это может быть разным для состояния покоя или разгона / торможения.

В униполярных двигателях, которые были распространены в прошлом, регулирование тока не использовалось - такие двигатели часто имеют обмотки с более высоким сопротивлением. Напротив, биполярные двигатели, управляемые с помощью прерывателя, имеют низкое сопротивление; ток регулируется гистерезисным переключателем для каждого подэтапа путем очень быстрого включения и выключения тока катушки (частота прерывателя несколько 10 кГц). Индуктивность катушки заставляет ток расти и падать на этой частоте - она ​​снижает скорость изменения тока, необходимую для высоких скоростей, и поэтому должна быть низкой для высокой динамики.
По той же причине рабочее напряжение таких высокодинамичных приводов значительно выше номинального напряжения катушек - в них циркулирует значительно больший ток по сравнению с общим током, потребляемым схемой драйвера.

Из-за операции переключения потери мощности в электронике настолько малы, что все функции, включая транзисторный переключатель мощностью до 30 Вт, могут быть размещены в одной схеме поверхностного монтажа (SMD) без радиатора. L298P, L6219DS, UC3717AQ, A4988, TMC2100 и TMC2208 могут быть упомянуты в качестве примеров.

Шаговые двигатели с другим числом фаз или конструкциями соединения катушек не могут работать в данной цепи управления. Исключение составляют шаговые двигатели с отдельными центральными отводами; они могут работать на (в настоящее время распространенных) полных мостовых драйверах для отдельных катушек. При необходимости необходимо сбросить максимальный ток (измерительный резистор).

точность

Из-за большого количества пар полюсов ротор шагового двигателя движется вперед с каждым заданным извне шагом только с небольшим угловым смещением. Обычны от 24 до 200 шагов на оборот, но теперь также доступны шаговые двигатели с 400 шагами на оборот. Количество пар полюсов, равное 50, приводит к двухфазному двигателю, работающему в режиме полного шага, 200 шагов на оборот, то есть угол полного шага 1,8 °. Разрешение менее 0,1 градуса может быть достигнуто за счет микрошагового режима. Точность шага обычно составляет несколько процентов.

Если вы возьмете микрошаговый режим работы с еще более точным, квазианалоговым разрешением и объедините его с системой измерения положения или угла для обратной связи по положению, вы получите многополюсный синхронный серводвигатель и, следовательно, плавный переход к низкополюсному трехфазному сервотехника. Шаговый двигатель, который фактически больше не находится в этом рабочем режиме, по-прежнему извлекает выгоду из своей недорогой конструкции и обладает свойствами гораздо более сложных и дорогих двигателей.

области применения

Двойной шаговый двигатель для стрелочных инструментов ( комбинированный инструмент ), ширина изображения около 12 см

Типичными областями применения являются принтеры , особенно матричные принтеры , или привод головки чтения / записи в дисководе гибких дисков . Благодаря своей высокой точности они также используются в станках с компьютерным управлением для позиционирования инструментов и особенно в 3D-принтерах . Из-за постоянно падающей стоимости управляющей электроники они также все чаще используются в секторе потребительских товаров. Сегодня в автомобилях среднего и высокого класса используется более 50 шаговых двигателей, примером чего является приведение в действие множества заслонок автоматической системы отопления и кондиционирования воздуха.

Показанный напротив двойной шаговый двигатель предназначен для использования в комбинации приборов и может управлять двумя стрелками на одном валу, как часовая и минутная стрелки на часах. Частично разобранный левый мотор воздействует на полый пластмассовый вал, правый - на стальной.

Шаговые двигатели до примерно 1 K W для использования в экономическом отношении .

стандартизация

Размер

США Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) имеет стандартизированный ряд шаговых двигателей. Все они работают со скоростью 200 шагов за оборот. Они пронумерованы последовательно в диапазоне номеров NEMA1-2011, зарезервированном для «Двигатели и генераторы». Таблицы данных можно запросить в ассоциации за отдельную плату (например, как в случае с DIN ).

Как американское учреждение, NEMA традиционно использует «английскую» систему измерения «дюймы», в то время как в западном мире используется почти только метрическая система. При переводе из дюймов в миллиметры ( 1 дюйм = 25,4 мм ) возникают неточности и ошибки округления. Вот почему окружности болтов на некоторых таблицах размеров могут незначительно отличаться. Однако отклонения обычно настолько малы, что на них распространяются общие допуски. .

Известные стандарты z. Например: №, размер фланца, типичный удерживающий момент

  • NEMA 08, 20 мм x 20 мм, 0,036 Нм
  • NEMA 11, 28 мм x 28 мм, 0,1 Нм
  • NEMA 14, 35 мм x 35 мм, 0,3 Нм
  • NEMA 17, 42 мм x 42 мм, 0,5 Нм
  • NEMA 23, 56 мм × 56 мм, 2,0-4,0 Нм
  • NEMA 34, 86 мм x 86 мм, 4,5 - 8,0 Нм

Удерживающий момент (здесь в примере с NEMA 23 около 2 Нм соответствует 270 унций-дюйм) также часто указывается в британской системе измерения .

Класс защиты

Степень защиты (от грязи, воды и т.д.) находится в международно признанном « I еждународного P ащиты» ( IP указан).

литература

  • Гюнтер Шпрингер: Электротехника. 18-е издание. Verlag Europa-Lehrmittel, Вупперталь 1989, ISBN 3-8085-3018-9 .
  • Грегор Д. Хеберле, Хайнц О. Хеберле: Трансформаторы и электрические машины в энергетических системах. 2-е издание. Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 1990, ISBN 3-8085-5002-3 .
  • Герд Фемель, Хорст Флахманн, Отто Май: Магистерский экзамен по электрическим машинам. 12-е издание. Vogel Buchverlag, Oldenburg / Würzburg 2000, ISBN 3-8023-1795-5 .
  • Д. У. Джонс: Управление шаговыми двигателями. (онлайн)
  • Д. Остин: Создавайте профили скорости шагового двигателя в реальном времени. В: EE Times - Индия. Январь 2005 г. ( оцифрованная версия )

Смотри тоже

веб ссылки

Commons : шаговый двигатель  - коллекция изображений, видео и аудио файлов

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Beckhoff, Указание по применению DK9221-0210-0014: Шаговый двигатель (PDF; 275 kB), раздел Общая информация о шаговых двигателях