Pikap24.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Шаговый двигатель какие обороты

Выбор шагового двигателя

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЖИМАХ РАБОТЫ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Модель работы идеального шагового двигателя

Шаговый двигатель — устройство с постоянной мощностью, если мощность определить как момент, умноженный на скорость. Это означает, что крутящий момент обратно пропорционален скорости. Чтобы уяснить, почему мощность мотора не зависит от скорости, представим себе идеальный шаговый двигатель.

В идеальном двигателе нет трения, его момент пропорционален амперо-виткам обмоток и единственной электрической характеристикой является индуктивность. Индуктивность L характеризует способность обмотки запасать энергию в магнитном поле. Индуктивности обладают свойством индуктивного сопортивления, т.е. сопротивления переменному току, которое тем больше, чем быстрее меняется ток, а значит, индуктивное сопротивление возрастает вместе со скоростью вращения двигателя. По закону Ома ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален полному сопротивлению, откуда следует, что ток обмотки уменьшается при увеличении скорости вращения. Т.к. момент пропорционален амперо-виткам, а ток обратно пропорционален скорости, то момент также будет обратно пропорционален скорости. Т.е. при нулевой скорости момент стремится к бесконечности, при увеличении скорости момент(и ток) начинает стремиться к нулю.

Электрически, реальный двигатель отличается от идеального в основном ненулевым сопротивлением обмотки, а также ферромагнитными составляющими, которым свойствоенно насыщаться магнитным полем, что приводит к гистерезисным потерям и потерям на вихревые токи. Насыщение ограничивает момент, а вихревые токи и гистерезисные потери вызывают нагрев мотора. Рассмотрим кривую зависимости крутящего момента шагового двигателя от скорости.

Как видно из графика, при скорости ниже определенного предела, момент, а следовательно и ток, возрастают очень быстро, вплоть до уровней, приводящих к повреждению мотора. Чтобы этого избежать, драйвер должен ограничивать нарастание тока до определенной величины. Поскольку момент пропорционален току, момент будет постоянен начиная с момента удержания до порогового значения скорости, а при скорости выше порога — ток будет ограничен индуктивностью обмоток.

В результате, скорость-моментная характеристика идеального двигателя будет начинаться с отрезка, где момент постоянный, до точки, когда мотор перестанет генерировать и потреблять реактивную мощность. Реальный шаговый двигатель обладает потерями, которые изменяют идеальную скорость-моментную характеристику. Особенно велик вклад момента от зубцовых гармоник магнитного поля(его иногда указывают в документации на двигатель). Потери в двигателе есть всегда, и чем быстрее вращается вал шагового мотора, тем больше потери, и их также необходимо вычитать из идеальной характеристики.

Обратите внимание, как реальная мощность падает вместе с ростом скорости, в том числе и на отрезке «постоянной мощности». Скругление на переходной точке обусловлено переходным процессом в цепи — драйвер постепенно превращается из источника тока в источник напряжения.

Резонанс на средних частотах

Шаговый двигатель сильно подвержен резонансу, являясь по факту аналогом маятника «подвешенный на пружине груз», где грузом является ротор, а пружиной — магнитное поле, и имеет частоту собственных колебаний, зависящую от силы тока и инерции ротора. В момент, когда разность фаз момента и скорости достигает величины 180 град., возникает резонанс – изменение магнитного поля начинает совпадать со скоростью, и скорость ротора при позиционировании на новый шаг становится слишком велика. При резонансе значительная часть энергии магнитного поля уходит на преодоление инерции ротора при колебании около положения равновесия, что выражается в значительном падении крутящего момента на валу. Накопленная кинетическая энергия ротора расходуется при возникновении резонанса примерно за 1-10 сек, поэтому разогнать двигатель можно, пройдя зону резонанса без последствий, но работать сколь-нибудь продолжительное время не удастся – вал остановится. Для устранения этого явления в драйверах используются различные антирезонансные алгоритмы.

Мощность двигателя

Выходная мощность двигателя (скорость×момент) пропорциональна напряжению, деленному на квадратный корень из индуктивности. Если мы увеличим вдвое напряжение ШИМ, то получим другую кривую СМХ, лежащую выше, и мощность на участке постоянной мощности вырастет вдвое. С током иная картина. Рисунок ниже показывает, что будет при выставлении на драйвере тока в 2 раза больше номинального для двигателя. Мотор начинает выделять в 4 раза больше тепла, а момент на низких оборотах увеличивается менее чем в 2 раза из-за насыщения сердечников обмоток.

Как можно видеть, мощность не увеличивается вовсе. Всегда рекомендуется выставлять ток на драйвере равным номинальному значению для двигателя. Это в том числе снизит вибрации на низких частотах, улучшит характеристики хода в микрошаговом режиме.

Напряжение питания и нагрев двигателя

Основные причины нагрева двигателя: потери на сопротивлении обмоток и ферромагнитные потери. Первая часть всем знакома – это тепловая энергия, выделяющяяся на активном сопротивлении проводов обмоток, равная I2R. Вклад этого слагаемого велик только когда двигатель находится в режиме удержания, и резко уменьшается с возрастанием скорости двигателя. Ферромагнитными потерями назваются потери на токи Фуко и гистерезисные потери. Они зависят от изменения тока и, следовательно, от питающего напряжения, и выделяются в виде тепла. Как было сказано выше, мощность двигателя растет прямо пропорционально напряжению, однако ферромагнитные потери тоже растут, причем, в отличие от мощности, — нелинейно, что и ограничивает максимальное напряжения, которое можно использовать для драйвера. Можно сказать, что максимальная полезная мощность шагового двигателя определяется количеством тепла, которое может на нем безопасно выделяться. Поэтому не следует стараться выжать полкиловатта из двигателя 57 серии, подключив драйвер к источнику в 10 кВ – у напряжения есть разумные пределы. Их можно рассчитывать разными способами. Эмпирически было получено несколько оценок сверху для максимального питающего напряжения ШИМ-драйвера: оно не должно превышать номинальное напряжение обмоток более чем в 25 раз или величину 32√ L, где L – индуктивность обмотки.

Читать еще:  Hr15de что за двигатель

Для наглядности ниже показан график, показывающий ферромагнитные потери для двигателя с номинальными характеристиками 4 А, 3 В.

Кратко о мощности шагового двигателя

Выбор двигателя и питающего напряжения целиком зависят от задач. В идеале, двигатель должен выдавать достаточный момент на максимальной планируемой скорости. Необходимо отличать момент от мощности двигателя: большой момент на низких скоростях не означает, что двигатель мощный. Выходная мощность – другой, более важный параметр, её примерно можно оценить по кривой скорости-момента. Теоретически, максимальная мощность, которую можно стабильно получать с драйвера, питаемого напряжением 80 В и выходным током 7 А примерно 250 Ватт(1/3 л.с.), в реальности же для этого потребуется 2 или 3 двигателя NEMA 34. Двигатели NEMA 23 слишком малы для отвода тепла, а NEMA 42 из-за размера не подходят по импедансу: если их номинальный ток меньше, чем 7 А, то напряжение будет больше 80 В, и наоборот. Момент от зубцовых гармоник в моторах NEMA 42 существенно больше, чем в малых моторах, и обязательно должен быть учтен при расчете выходной мощности. Другими словами, выходная мощность двигателей NEMA 42 падает быстрее, чем у меньших двигателей. NEMA 42 следует использовать, если требуется получить высокий момент на низких скоростях и нет смысла использовать мотор-редуктор.

О ЧЕМ ГОВОРЯТ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Если вы опустили все, написанное выше, или прочитали, но мало что поняли, данная глава поможет разобраться, как перейти к практической части. Несколько слов о размере двигателя. Развитие производства шаговых двигателей достигло больших успехов, и теперь шаговые двигатели одного размера разных производителей обладают очень схожими характеристиками. Именно размер двигателя задает рамки, в которых может изменяться его главная характеристика — кривая скорости-момента. Индуктивность обмотки показывает, насколько крута будет кривая СМХ при одинаковом напряжении питания драйвера с ШИМ: если мы возьмем 2 двигателя индентичного размера с разной индуктивностью, и будем управлять ими одним драйвером с одним и тем же питающим напряжением, полученные кривые СМХ будут отличаться крутизной.

Большая индуктивность потенциально дает вам возможность получить больший крутящий момент, но чтобы произвести такую конверсию, потребуется драйвер с большим напряжением питания — тогда кривая СМХ поднимется вверх пропорционально увеличению напряжения. На практике почти все фирмы производят моторы одного размера в двух исполнениях — «медленный» и «быстрый», с большой и малой индуктивностью. Причем «быстрые» модели пользуются большей популярностью — для них на высоких оборотах требуется меньшее напряжение, а значит более дешевые драйверы и источник питания. А если вдруг не хватает мощности — можно взять двигатель побольше. «Медленные» модели остаются для специфических применений — в случаях, когда от шагового привода не требуется больших скоростей, нужен большой момент удержания и т.п. Ток обмотки косвенно связан с крутящим моментом, но в основном он говорит о том, какой драйвер нужно будет подобрать к этому двигателю — он должен быть способен выдавать именно такой уровень тока. Напряжения питания обмотки показывает, какое постоянное(не ШИМ) напряжение можно подавать на обмотку — таково значение напряжения, используемое драйверами постоянного напряжения. Оно пригодится при вычислении максимально допустимого напряжения питания драйвера с ШИМ, и тоже косвенно связано с максимальным крутящим моментом.

АЛГОРИТМ ПОДБОРА ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Так как же выбрать двигатель? Зависит от того, какими вы данными обладаете. По большому счету, выбор двигателя сводится к выбору 4 вещей — производителя, вида двигателя, размера и индуктивности. Первый параметр поддается оценке с трудом — мало у кого репрезентативная выборка образцов от разных поставщиков. Что касается вида двигателя, мы рекомендуем всегда, когда есть неопределенность в выборе, использовать биполярные шаговые двигатели с 4 выводами и малой индуктивностью. Т.е. выбор в основном заключается в выборе размера двигателя(в пределах одного размера характеристики двигателей с одной индуктивностью почти всех производителей практически совпадают). Для выбора конкретной модели можно использовать следующий алгоритм:

  • Рассчитайте максимальную скорость вращения V в об/сек, которую хотите получить от привода, и момент M, который необходимо получить от него на этой скорости(закладывайте в это значение запас в 25-40%).
  • Переведите скорость вращения в частоту полных шагов PPS, для стандартного двигателя с шагом 1.8 град PPS = 200 * V.
  • Выберите примерно подходящий на первый взгляд размер двигателя, из числа доступных моделей этого размера выберите двигатель с не самой большой индуктивностью.
  • Воспользуйтесь кривой СМХ, приводимой производителем, найдите на ней ваше значение PPS. Сверьтесь, достаточен ли момент, указанный на кривой.
  • Если момент, указанный на кривой слишком мал, рассмотрите двигатель размером побольше, если слишком велик — размером поменьше.
Читать еще:  Шумоизоляция отсека двигателя своими руками

Однако, часто этот способ дает неверные результаты по причине большого количества факторов и допущений при расчете момента. Запросто можно получить, что для управления небольшим портальным фрезером с порталом весом 15 кг вдруг потребуются двигатели ST86-114. Чаще используют эмпирические способы, и они оказываются точнее. Один из таких способов — определение двигателей по весу портала и размеру рабочего поля. Например, выбор шагового мотора для горизонтальной передачи(оси X и Y) можно осуществить исходя из веса подвижной части, передачи, направляющих и материалов, планируемых к обработке. Для портальных станков классической компоновки, с передачей ШВП, шагом 5 мм на оборот, для обработки дерева и пластика, скорость холостого хода до 4000 мм/мин, в предположении, что направляющие оси без преднатяга и отъюстированы так, что подвижная часть ходит по ним без какого-либо сопротивления, можно порекомендовать следующие значения:

  • Вес подвижной части менее 5 кг — двигатель серии PL42 или аналогичный.
  • Вес подвижной части 5-10 кг — двигатель PL57-56 или аналогичный.
  • Вес подвижной части 10-23 кг — двигатель PL57-76 или аналогичный.
  • Вес подвижной части 23-35 кг — двигатель PL86-80 или аналогичный.
  • Вес подвижной части 35-50 кг — двигатель PL86-114 или аналогичный.

Совместно с этими оценками можно использовать оценки для размеров рабочего поля: Рабочее поле 0,1-0,5 кв.м. — двигатели PL57-76 или аналогичные. Рабочее поле 0,5-1 кв.м. — двигатели PL86-80 или аналогичные. Рабочее поле 1-1,5 кв.м. — двигатели PL86-114 или аналогичные. Если характеристики Вашего станка находятся в пограничных интервалах, скажем, вес портала 23 кг, поле около 0,5 кв. м., стоит использовать дополнительные оценочные методы. Еще один распространенный подход заключается в анализе готовых станков на рынке, которые близки к конструируемому по размерам и характеристикам — проверенная конструкция означает, что двигатели уже подобраны оптимальным образом, и можно взять их характеристики за основу.

И последнее, что можно порекомендовать — обратиться за консультацией к опытным специалистам.

Останавливается шаговый двигатель

#1 OFFLINE ksimma

  • Пользователи
  • 2 сообщений
    • Из:Ухта

    Доброго времени суток, прошу помощи, не могу понять в чем дело, имеем шаговик 57bygh78-401a драйвер hy-div268n-5a, ардуино как мозги, проблема вот в чем при оборотах от 0.1 до 200 на микрошаге 1/8 все работает как надо но выше 200 оборотов движок начинает шуметь, вибрации появляются, и происходит остановка двигателя, шум не исчезает шумит как работает а вал не крутится =(

    Буду рад любым советам

    • Наверх

    #2 OFFLINE Lodochnik

  • Cтарожил
  • 4 031 сообщений
    • Пол: Мужчина
    • Из:Королев
    • Наверх

    #3 OFFLINE ksimma

  • Пользователи
  • 2 сообщений
    • Из:Ухта

    Параметры мотора есть? Напряжение БП какое и на какой вольтаж драйвер рассчитан? Чтобы добиться максимальных оборотов надо иметь мотор с минимально возможной индуктивностью. Драйвер питать от БП с напряжением близким к максимально допустимому для драйвера.
    До каких оборотов разгоняется при делении шага 1/4?

    драйвер запитан от 24в, менял ампераж ничего не дало =( стоит 2.5А

    на 1/4 разгон до 164 потом залипание =(

    Сообщение отредактировал ksimma: 12 Июль 2015 — 01:20

    • Наверх

    #4 OFFLINE Lodochnik

  • Cтарожил
  • 4 031 сообщений
    • Пол: Мужчина
    • Из:Королев
    • Наверх

    #5 OFFLINE 3D-BiG

  • Модератор
  • 13 914 сообщений
    • Пол: Мужчина
    • Город: Ареал обитания — вся страна, но обычно встречаюсь в Новосибирске.
    • Интересы: Полежать на диване, пофлудить на форуме.
    • Из:СССР

    Да для такого движка 24в просто катастрофически мало. Если есть возможность посмотреть осциллографом ток на обмотке движка, то увидите, что с увеличением оборотов ток из-за индуктивности обмоток просто не успевает дойти до уровня, который ограничивает драйвер. Да и драйвер бы мело смысл брать из промышленных брендов. С 48В блоком питания на таком драйвере я бы НЕ экспериментировал бы, ибо нет запаса при эксплуатации, а вот с 36В блоком — настоятльно бы рекомендовал, при этом даже бы применил «secret waffen»: промблоки питания имеют настройку выходного напряжения, которая позволяет изменнять в пределах +-10%, и при этом для них это штатный режим работы, а не работа в предельном режиме, а значит если выкрутить на таком блоке ее в +10%, то бы уже получим на выходе почти 40В, что дополнительно поспособствует увеличению фронта нарастания тока, а до предельного напряжения драйвера еще далеко, что обеспечит его защиту от индуктивных выбросов.

    Лужу, паяю, станки ЧПУ починяю.
    G01 придумали трусы. Реальные пацаны фрезеруют на G00.

    Отверстия с точностью ниже 14 квалитета называются дырками.

    • Наверх

    #6 OFFLINE maksu7d

  • Пользователи+
  • 74 сообщений
    • Пол: Мужчина
    • Из:Коканд

    люди скажите пож. поворотный ось не вращается даже в ручную,дает странный звук но не вращается . есть предположения что мощности блока питания не хватает.с чего это может быть связано плизз!?

    • Наверх

    #7 OFFLINE Андрей Кулагин

    Читать еще:  В чем суть дизельного двигателя
  • Пользователи+
  • 1 050 сообщений
    • Пол: Мужчина
    • Город: Ярославль
    • Интересы: По профессии я фрезеровщик — универсал 5 разряда
      По образованию инженер- механик
      Мое хобби ремонт станков ЧПУ
    • Из:Ярославля(до Москвы 3,5 часа лету)

    Драйвер Смени. И будет тебе счастье. Просто.

    А провод сменить, разъем переобжать пробовали?

    На SMini менять драйвер немного сложновато 🙂 Ток регулировал, провода-разъемы были проверены в первую очередь. Есть подозрение на несоосность подшипников или гнутый вал, но как это проверить – ХЕЗ 🙁

    Была такая-же ситуация на MKS base- один в один, по X. В итоге оказалось – медленно, но верно умирал драйвер.
    Возможно Вам и повезет и это не тот случай.

    А как-то можно проверить наличие короткозамкнутого витка?

    Ради интереса, поставте обратно тот мотор, который глючит, если ситуация повторится – то точно он виноват.
    Проверить можно, я думаю прозвонив и измерив сопротивление. Но хотелось бы услышать мнение специалистов
    благо их тут есть. Ребята отзовитесь, у меня тоже есть сомнения на счет одного двигателя.

    Все дело в контактах (и не только электрических) 😉

    1. Сначала нужно отделить мух от котлет – убедиться в полной работоспособности электроники (драйверов) например подкидывая разные шд на нужный канал.
    2. Если все-таки в движке дело, прозвонить обмотки, проверить сопротивление, индуктивность. Сравнить с теми же параметрами у рабочих.
    3. Проверить на сопротивление изоляции – десятки и сотни мегом точно должно быть
    4 .Если все ок, смотрим механику, в первую очередь на вал – не бьет ли он . Прокручиваем – должно крутиться без заеданий.
    5.Пробуем затяжку всех 4х винтов, они должны быть все затянуты.
    6.Если все пред внешние варианты ок – лезем внутрь.

    Перед тем как туда лезть – подготовить чистое место без пыли, грязи и особенно металлических опилок – ротор с сильным магнитом, если что притянет, дальше будут только одни проблемы . Посему инструмент тоже должен быть идеально чистый .

    7.Смотрим подшипники – должны быть ровные гладкие и прокручиваться без усилия, не люфтить. Смотрим посадочные места под них.
    8. Смотрим статор и ротор на предмет мусора, заусенцев и.т.д. и т.п. – проблема частенько бывает в какой-то маленькой частичке которая ‘плавает’ между ротором и статором. Если такое находим, аккуратно убираем с помощью бумажного скотча.
    Помним, зазор очень маленький, даже с виду ‘фигня’ может существенно влиять на работу ШД
    9. Еще полезно проверить как припаяны внешние провода к обмоткам
    10.Если что-то нашлось устраняем, далее аккуратно собираем. Ротор очень аккуратно устанавливаем, крышку ШД затягиваем постепенно – крест на крест,
    в конце усилие на всех винтах должно быть одинаковым.

    Если все сделаете правильно – думаю проблем не будет.

    Вот а еще очень часто выставляется маленький ток на драйверах – с одними шд будет работать нормально, а с другими нет – шд даж из одной коробки могут несколько отличаться.

    Для написания комментариев, пожалуйста, авторизуйтесь.

    Сбои электроники

    Регулятор холостого хода

    Проверка регулятора холостого хода двигателя

    После замены регулятора холостого хода его необходимо «прописать» т.е. занести его параметры в память ЭБУ.

    Регулятор холостого хода (РХХ) – это шаговый двигатель (соленоид), работающий от импульсных сигналов, подаваемых электронным блоком управления (ЭБУ). Работает он сходным образом с винтом регулировки количества смеси в карбюраторе – при выдвижении клапана он перекрывает топливный канал, при обратном ходе открывает его.
    Часто случается так, что сердечник регулятора просто заклинивает, и он перестаёт реагировать на сигналы ЭБУ. Причём повредить регулятор холостого хода можно ещё в магазине при покупке – пытаясь повернуть или вдавить иглу клапана руками.
    Если после замены датчика (регулятора) холостого хода имеют место высокие обороты, то, скорее всего, дело или в ЭБУ или в датчике массового расхода воздуха – все составляющие систему питания элементы работают во взаимодействии, и нужно проводить диагностику. Вполне возможно, что придётся «прописывать» новый регулятор – то есть заносить в память ЭБУ его параметры.

    Датчик температуры

    Этот датчик тоже может повлиять на топливную систему двигателя. Выдавая неверный сигнал (соответствующий пониженной температуре) на ЭБУ, он явится причиной того, что контроллер даст сигнал другим элементам топливной системы (форсункам в т.ч.) об обогащении смеси. Некорректность сигнала датчика приведёт к тому, что на холостом ходу обороты будут больше 1000 мин-1.

    Датчик массового расхода воздуха

    ДМРВ напрямую влияет на качество и количество подаваемой в цилиндры смеси – ведь ЭБУ «знает» о её составе благодаря этому (и некоторым другим) датчикам.
    В заключение – если у двигателя вашего авто беспричинно поднялись обороты холостого хода, причину ищите сначала в возможных заеданиях механизмов топливной системы – ведь именно они в первую очередь подвержены воздействию различных загрязнений, а для электронных узлов гораздо опаснее скачки напряжения или замыкания.

    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector