Помощь - Поиск - Пользователи - Календарь
Полная версия этой страницы: Новичку: Кратко О Шаговых Моторах И Драйверах
Все о станках с ЧПУ > Разное > Полезная информация.
constantine
Шаговый мотор - один из наиболее распространненых приводов хоббийных и простых профессиональных систем с ЧПУ.
Прелесть шагового двигателя в том что сигналы управления с достаточной точностью преобразуются в механическое движение, не требуя обратной связи (слежения за положением ротора, либо каретки)

ТЕОРИЯ

По сути шаговый двигатель представляет собой синхронный электрический двигатель - ротор вращается синхронно магнитному полю статора.

Обычно шаговые двигатели выполняются с достаточно большим количеством полюсов ротора и статора, что позволяет получить большое количество шагов - устойчивых положений на оборот. Шаг в данном случае, будет означать угловое перемещение ротора при подаче на него одного цикла управляющих импульсов.
Обычными являются моторы с 200шаг/об или более точные 400шаг/об

Рассмотрим следущие характеристики моторов:
а) Момент
б) Падение момента на высоких оборотах и обратную ЭДС
в) Полношаговый, микрошаговый режим

а) Момент шагового мотора практически линейно зависит от тока в обмотках (именно поэтому для шаговых моторов указывают ток, а не мощность) это связанно с законом Ампера, согласно которому сила действующая на проводник с током пропорциональна току, напряженности магнитного поля и синусу угла между ними. Так как ротор намагничен на заводе и напряженность магнитного поля конечна и неизменна, а синус равен единице - значит момент зависит только от тока.

б) Падение момента на высоких оборотах.
Если взять стандартный 200шагов/об двигатель, раскрутить от нуля до 900об/м и сравнить его с обычным синхронным инраннером, то аналогичный диаппазон оборотов будет порядка от нуля до 180 000об/м.
Шаговый мотор работает в очень напряженных условиях и должен сохранять гарантированный момент во всем диаппазоне!
Это означает следущее:
Так как синхронный мотор с постоянными магнитами можно рассматривать и как мотор и как генератор, Обратная ЭДС данного мотора будет противодействовать вынуждающей ЭДС которую мы к мотору прикладываем.
Генерируемая обратная ЭДС практически линейно увеличивается с оборотами что означает:
Если вращая мотор с частотой 300об/м мы получим напряжение на обмотках 10вольт, то подавая на такой мотор импульсы с напряжением 10 вольт мы не сможем вращать его быстрее 300об/м. Эффективное напряжение вычисляемое как разность прикладываемого напряжения и обратной ЭДС станет равным нулю, ток через обмотки станет равным нулю и момент станет равным нулю не будет дальнейшего ускорения как бы нам ни хотелось.

Для того чтобы сохранить момент на более высоких оборотах - необходимо увеличивать напряжение питания мотора пропорционально частоте вращения. Коэффициент данного увеличения индивидуален для каждого мотора и в хороших драйверах может устанавливаться при помощи соответствующих подстроечников либо в еще более лучших - программно.
Поддерживая ток через обмотки постоянным во всем диаппазоне оборотов получим постоянный момент.


в) Полношаговый микрошаговый режимы.
Первоначальные схемы управления использовали импульсный режим, когда на каждый шаг подавался соответствующий импульс на обмотку, такой режим управления называется полношаговый и минусы его заключаются в неоптимально режиме работы мотора повышенном шуме и вибрации и возможном пропуске шагов (перескакивании ротора через шаг, или пропуске одного из шагов).
Для более плавной и надежной работы необходимо чтобы вместо прямоугольных использовались синусоидальные, или близкие к синусоидальным импульсы. Для этого используется более сложная техника включающая цифроаналоговые преобразователи и/или ШИМ. Микрошаговый режим означает что каждому микрошагу соответствует определенная таблица значений токов через обмотки - симулирующая ступенчатую синусоиду. Это позволяет бороться с вибрациями, улучшает момент на более высоких оборотах, помогает избавиться от резонансов и пропуска шагов.

ПРАКТИКА

Гибридные Моторы

Современными шаговыми моторами на данный момент являются гибридные шаговые моторы, другие типы и остатки типа ДШИ200 - отживают свое и обладают в целом в три раза худшими характеристиками чем обычные фуллинговские китайские движки.

Характеристики китайских и японских моторов в целом достаточно близки, и без разницы что брать, главное чтобы тип мотора был - гибридный.
Момент и мощность моторов практически полностью зависят от размера, форсировать ничего не получится, попытки выдавить из 10кг*см мотора 20кг*см приведут к перегреву и размагничиванию ротора, мотор придет в негодность. Он уже форсирован выше крыши. обычно NEMA23 - моторы с 56мм фланцем делятся на следущие категории:
42мм - 6-7кг*см
56мм - 10кг*см
72мм - 18-20кг*см

ДРАЙВЕРЫ

Плохие драйвера обеспечат вас сносным моментом на оборотах до 400-600об/м в зависимости от напряжения питания - это все что основано на ТА8435, А3977 а также большинство из доступных микроконтроллерных решений.
Хорошие - сохранят момент вплоть до 900об/м, но дальше - чудес не будет

При максимальных оборотах у мотора останется порядка 30-40% от его первоначально указанного момента, и данный режим используется исключительно для холостых перемещений.

Многие моторы имеют 8 выводов для каждой полуобмотки в отдельности - это позволяет подключить мотор с последовательно соединенными обмотками либо параллельно. При параллельно соединенных обмотках вам потребуется драйвер на в два раза больший ток чем при последовательно, но будет достаточно в два раза меньшего напряжения. При последовательном - наоборот - для достижения номинального момента потребуется в два раза меньше ток, но для достижения максимальных оборотов - в два раза большее напряжение. В целом все равно как подключите, просто в одном варианте мотор будет скоростней при том же напряжении.

Многофазные шаговые моторы

Обычно не столь распространены, в силу большей стоимости и более сложной системой управления.
Тем не менее они обладают более лучшими характеристиками, например - трехфазные моторы.
Они имеют более гладкие зоны резонанса, у них меньше падает момент с ростом оборотов, имеют больше шагов на оборот.
Пока на рынке не появились доступные решения с трехфазниками - обсуждать их тут не вижу смысла.


Практические Рекоммендации

Системы ЧПУ с шаговыми моторами строятся на базе избыточности характеристик.
Т.е. момент мотора должен в любом случае быть в два три раза выше требуемого момента для перемещения.
Нужно учитывать возможные заедания механических деталей и т.п.
Лучше взять заведомо лучшую систему ЧПУ и при необходимости переместить ее на следущий станок, чем построить слабую базу, впоследствии негодную ни под что.
Расчеты мощностей мотора ведите по следущим формулам,
односантиметровый рычаг опишет окружность длиной 6,28см
если за один оборот механическая система передвинется на 4мм (скажем ШВП с 4мм шагом) то это означает коэффициент редукции 62,8мм/4мм=15,7
При использовании 10кг*см мотора это означает 157кг усилия на нуле оборотов и примерно 50кг усилия при максимальных.
Для трапецеидальных винтов все значительно хуже, потому как там будет участвовать коэффициент трения, который зависит от самого усилия. Для этого придется брать в полтора два раза более мощный мотор чем для ШВП.

Как видите на 3-4кг*см моторах ничего толком не построить, потому как потребуется уменьшать шаг, а на максимальных оборотах момент упадет до 1-1,5кг*см и станут возможны пропуски шагов. Тут придется либо использовать строительные шпильки не более 6мм в диаметре с гайками с люфтом либо ограничиваться абсолютно черепашьими скоростями и размерами обрабатываемых деталей не более 200мм.
constantine
У начинающих часто встречающийся вопрос - компоновка направляющих в станках.
Предположим что вы уже в курсе какие станки существуют и рассмотрим обычные трехосевые портальники.
Сложившиеся обозначения -
Ось Z - несет инструмент, фрезер.
Ось Y - несет ось зет и ездит в поперечном направлении.
Ось X - либо несет портал с осью Y и Z либо несет на себе подвижный стол.


В данном случае привожу короткий анализ портала, и смещения на инструменте при воздействии на него некоторого усилия F.
Все расчеты сделаны в относительных единицах.
Т.е.
При воздействии на одну направляющюю данного усилия F - она прогнется на некоторое Дельта ее жесткость будет равна K=Дельта/F.
В случае если же та же сила воздействует на инструмент рассположенный на расстоянии H от нижней направляющей - то естественно он тоже сместится и сместится больше, а насколько больше - можно понять из этой заметки.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Дельта0, Дельта1 и Дельта2 - это соответственно смещения инструмента, нижней и соответственно верхней направляющих.
S1, S2 - это катеты соответствующих подобных треугольников.
H - высота от инструмента до нижней направляющей
hH - расстояние между направляющими.


расчет проводился для одинаково жестких направляющих, в силу малости продольных смещений ими пренебрегали (направляющие скрутятся по дугам, не по прямой).

как можно увидеть - при равном расстоянии между направляющими и высотой инструмента - смещение составит
+2 Дельта нижней направлящей (действует сила в два раза больше чем на инструменте)
-1 Дельта верхней,(действует сила равная той что на инструменте но противоположно направленная)
Смещение на инструменте относительно верхней направляющей +5Дельта. Абсолютное смещение +4Дельта.
Другими словами - конец инструмента в четыре раза слабее каждой из направляющих


В случае если расстояния между направляющими в два раза больше расстояния до инструмента,
смещение на нижней +1,5 на верхней -0,5 на инструменте +2,5, абсолютное - 2Дельта, что означает что инструмент будет в два раза слабее каждой из направляющих

в случае если расстояние между направляющими в полтора раза больше расстояния до инструмента
на нихней 1.(6), на верхней -0,(6), для инструмента +3.(2). Абсолютное - 2,(6)Дельта т.е. инструмент будет в 2,6666 раз слабее каждой из направляющих.

посмотрим теперь на проценты
когда расстояние между направляющими увеличивается с одной высоты инструмента до полутора - прогиб уменьшается с 4, до 2.666Дельта
что увеличивает жетскость на (4/2,666) * 100%=150% в полтора раза.

когда расстояние между направляющими увеличивается с полутора до двух высот инструмента прогиб уменьшается с 2,6666 до 2
что увеличивает жесткость на 2,666/2=133% на треть что уже очень незначительно. Иллюстрируя - станок прогнется не на 0,1мм, а на 0,13м

Другими словами - когда делаете станок помните о правиле - расстояние между направляющими оси Y не должно быть меньше расстояния от нижней направляющей до рабочего стола.
Увеличивая его с 1 до двух приведет к улучшению жесткости в два раза ровно.
Дальнейшее увеличение расстояния не имеет большого смысла.
Нужно также переместить винт подачи - как можно ближе к нижней направляющей - это тоже улучшит жесткость, но в перпендикулярном направлении.

О жесткости, применениях и оправданности порталов с одной и двумя гайками по оси X напишу позже.
ASDFS
Есть ли какой то способ на пальцах оценить падение момента шаговика в зависимости от скорости/ускорения? Известны статические параметры двигла (из его документации) и параметры драйвера (напряжение, ток).
constantine
QUOTE (ASDFS @ 29.1.2011, 13:36) *
Есть ли какой то способ на пальцах оценить падение момента шаговика в зависимости от скорости/ускорения? Известны статические параметры двигла (из его документации) и параметры драйвера (напряжение, ток).

Эти данные обычно представленны в виде графиков идущих вместе с двигателями.
В целом можно сказать что гибридные китайские движки имеют 50% момента на оборотах 500-600об/м и где-то 20% на частоте порядка 800-900об/м
дальше идет еще большее падение (Это для нормальных действительно хороших драйверов).

Ускорение шаговика в Маче и ему подобных на самом деле не линейное а представляет из себя серию постепенно ускоряющихся отрезков импульсов, так что падение момента от ускорения не зависит. От ускорения зависит кинематика самого станка(его моменты, раздолбанность и т.п.).

К примеру если станок разболтан и имеет люфт - двигатель разгоняется (почти вхолостую) потом происходит удар - люфт выбран - нужно сдернуть весь портал и разогнать с нуля до оборотов которые на двигатель уже подаются. Из-за этого вредно делать станки с люфтом, и чем выше жесткость и "собранность" станка - тем выше можно поставить ускорения.

Примерно - производитель должен давать что-то типа такого:
Данные представленны для полушагового режима = 400 шагов на оборот потери от 50% для коротких и до 80% для длинных моторов при движении 6000шагов в секунду в полушаге - 15об/с=900об/м.

Нажмите для просмотра прикрепленного файлаНажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файлаНажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файлаНажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файлаНажмите для просмотра прикрепленного файла

Соответствующий ссылкъ
Marius
Отличный материал! Спасибо!
zhelezyaka
Какой коэффициент редукции для ШВП 1204 и 1605?
constantine
QUOTE (zhelezyaka @ 5.12.2011, 19:49) *
Какой коэффициент редукции для ШВП 1204 и 1605?

ну настоящего коэффициента редукции как в обычных редукторах тут нет.
Ибо вращательное движение трансформируется в поступательное (как раз случай сравнения теплого с мягким).

Из вращательного момента мотора выраженного в кГс*см можно выразить момент линейный.
Коэффициент равняется
K = 1см*2*П / (шаг швп в см)

в вашем случае швп с шагом 0,4 и 0,5см дадут соответственно 15,7 и 12,56 коэффициент
Т.е. линейные момент создаваемый такой швп будет в 15 и 12 раз выше чем цифирька момента удержания у мотора.
Нужно брать от этого примерно треть (мотор теряет где-то две трети момента когда шагает с близкой к максимальной скоростью).
и делить это значение еще вдвое - ибо системы с разомкнутой обратной связью строятся на основе избыточности характеристик.
zhelezyaka
Как посчитать, какой вес может поднимать шаговый моторчик на конкретном примере?
Мотор - 1.8A, 4.8kg.cm (Holding Torque 78 oz-in/52N.cm, Rated Current 1.8A, Phase Resistance 1.8Ohm, Phase Inductance 3.2mH, Detent Torque 2.6N.cm)
ШВП - 1204

Большое спасибо за предыдущие разъяснения, надеюсь это интересно не только мне.
constantine
QUOTE (zhelezyaka @ 12.12.2011, 7:54) *
Как посчитать, какой вес может поднимать шаговый моторчик на конкретном примере?
Мотор - 1.8A, 4.8kg.cm (Holding Torque 78 oz-in/52N.cm, Rated Current 1.8A, Phase Resistance 1.8Ohm, Phase Inductance 3.2mH, Detent Torque 2.6N.cm)
ШВП - 1204

мотор слабый, где вы такой нашли? Ось зет должна быть быстрой (особенно если собираетесь делать 3Д).
В данном конкретном случае я бы расчитывал на момент мотора - 2,5кгс*см, что по формулам дает 40 кг усилия плюс трение, падение момента на большой скорости и запас прочности - я бы рассчитывал где-то на 10-20кг.

Но это гумно, ибо нужно не только шпиндель туда сюда таскать, но еще и пилить, плюс вибрации, плюс то да се.
Поставьте хотя бы обычный гибридный двигатель Nema23 размера хотя бы 56мм длиной, у него момент в два три раза выше.
zhelezyaka
Это понятно, что мотор слабый, поэтому и спросил - как расчитать вес, с которым он сможет работать.
Для просмотра полной версии этой страницы, пожалуйста, пройдите по ссылке.
Форум IP.Board © 2001-2024 IPS, Inc.