Шаговые двигатели применяют для обеспечения управляемого движения рабочего инструмента – лазерной головы. От работы шагового двигателя зависит точность перемещения лазерной головы и, следовательно, точность обработки материала.
Конструкция двигателя включает ротор (вращающуюся часть) и статор (неподвижную часть). На статоре установлены электромагниты, с которыми взаимодействуют части ротора, изготовленные из магнитотвердого или магнитомягкого материала. Ротор вращается дискретно, то есть шагами, и совершает несколько шагов за полный оборот. Он приводится в движение при последовательной подаче тока на обмотки. Под действием электрического импульса ротор поворачивается на заданный угол, то есть совершает шаг. Скорость и направление вращения ротора, а также количество его оборотов можно регулировать, изменяя форму сигнала, длительность и количество импульсов, фазовый сдвиг.
Классификация шаговых двигателей в зависимости от ротора
- Двигатели с постоянными магнитами на роторе, выполненном из магнитотвердого материала. Число полных шагов в одном обороте двигателя определяется количеством постоянных магнитов на роторе и электромагнитов на статоре. Один оборот может включать от 4 до 48 шагов с углом от 7,5° до 90 °.
- Реактивные двигатели. Ротор такого двигателя имеет форму звезды с множеством зубцов. Он изготовлен из магнитомягкого материала, и на нем отсутствуют постоянные магниты. Число полных шагов в одном обороте реактивного двигателя определяется количеством зубцов на роторе и электромагнитов на статоре. В одном обороте может быть от 24 до 72 шагов, один шаг может оставлять от 5° до 15°.
- Гибридные двигатели. Роторы гибридных двигателей изготовлены из магнитотвердого материала в форме звезды с множеством зубцов. Количество полных шагов в одном обороте гибридного двигателя обусловлено числом постоянных магнитов на звезде ротора и электромагнитов на статоре. В одном обороте может быть до 400 шагов с углом от 0,9°.
По типу обмоток статора выделяют:
- Биполярные двигатели имеют 2 обмотки и 4 вывода. Эти модели чаще всего используют в станках с ЧПУ. К преимуществам этих двигателей относятся высокое удельное сопротивление на малых оборотах и простота выбора нового драйвера при поломке имеющегося.
- Униполярные двигатели с 5 выводами имеют 2 обмотки, центральные точки которых соединены и являются пятым общим выводом.
- 6-выводные двигатели имеют две обмотки с тремя выводами, не соединенные между собой. Если не использовать центральные выводы, то двигатель будет работать как биполярный. Чтобы двигатель работал как униполярный, центральные выводы необходимо соединить и подключить к GND.
- 8-выводные двигатели имеют 4 обмотки. Их можно использовать как биполярные и как униполярные.
Двухфазные и трехфазные шаговые двигатели:
Двухфазные модели отличаются меньшей стоимостью, большей простотой и надежностью, их можно использовать с большинством драйверов для станков ЧПУ. Трехфазные модели имеют большее, чем у двухфазных, количество зубьев, что обеспечивает им меньший угловой шаг и, соответственно, большую плавность хода и более высокую точность Трехфазные двигатели используют при необходимости обеспечить высокую скорость вращения.
Критерии подбора шагового двигателя
Индуктивность:
Для подбора шагового двигателя по критерию индуктивности применяется формула Marris Friemannis, который эмпирическим путем вывел коэффициент 32 для вычисления максимального напряжения питания двигателя.
Мощность двигателя увеличивается пропорционально напряжению питания. Потери вследствие возникновения вихревых токов в корпусе двигателя увеличиваются пропорционально квадрату приложенного напряжения.
Вихревые токи индуцирует пульсация тока, которая прямо пропорциональна напряжению питания, а также обратно пропорциональна индуктивности двигателя. Индуцированные вихревые токи приводят к выделению тепла в ламелях шагового двигателя, пропорционально их сопротивлению. Двигатель нагревается пропорционально квадратному корню из индуктивности.
Согласно формулы Marris Friemannis необходимо извлечь квадратный корень из индуктивности обмотки и результат умножить на 32. Затем полученный результат нужно сравнить с напряжением источника питания для драйвера. Данные параметры не должны сильно различаться.
Если напряжение питания больше, чем вычисленное значение на 30% и выше, то двигатель будет нагреваться и шуметь. Если напряжение питания будет меньше, чем полученное значение, то крутящий момент будет быстро падать с ростом скорости. При большой индуктивности появляется потенциальная возможность для большего крутящего момента, но при этом нужен драйвер с большим напряжением питания.
Кривая зависимости крутящего момента от скорости
Дает возможность понять, соответствует ли двигатель условиям, установленным в техзадании.
Геометрические параметры: диаметр вала, длина двигателя, фланец.
Важно также принять во внимание следующие показатели:
номинальный ток в фазе;момент инерции ротора;
максимальный статический синхронизирующий момент;
омическое сопротивление фаз.
Примеры расчетов шаговых двигателей
Для примера допустим, что коэффициент трения равен 0,2, сила резания – 3000 H, вес стола – 100 кгс, необходимое ускорение – 2 м/с2, вес детали – 300 кгс.
Расчет силы трения
На силу трения в направляющих влияют используемые материалы. Умножаем коэффициент трения на вес движущейся системы.
0,2 х 9,81 (100 кгс + 300 кгс) = 785 Н
Расчет силы инерции
Следует умножить вес стола с находящейся на нем деталью на ускорение.
(100 + 300) х 2 = 800 H
Расчет полной силы сопротивления
Необходимо вычислить сумму сил трения, инерции и резания.
785 + 800 + 3000 = 4585 H
Силу сопротивления должен развивать привод стола на гайке шариковой винтовой передачи.
Расчет мощности
Для определения мощности шагового двигателя применяется формула:
F = ma, где:
F – сила в ньютонах, требующаяся для приведения тела в движение;
m – масса тела, кг;
a – необходимое ускорение, м/с2;
Для расчета механической мощности следует умножить силу сопротивления движения на скорость.
Данные формулы не учитывают инерцию вала и прочих вращающихся механизмов. Для большей точности расчетов следует увеличить либо уменьшить требования по ускорению на 10%.
Для вычисления мощности можно воспользоваться калькулятором.
Вычисление редукции оборотов
Редукция оборотов вычисляется исходя из номинальных оборотов сервопривода и максимальной скорости перемещения стола. Представим, что скорость перемещения равна 1000 мм/мин, шаг винта шариковой винтовой передачи равен 10 мм, номинальные обороты сервопривода составляют 5000 об/мин.
Скорость вращения винта ШВП составляет (1000 / 10) = 100 об/мин.
Редукция составляет (5000 / 100) = 50