При подборе шагового двигателя для ЧПУ необходимо отталкиваться от планируемой сферы применения станка и технических характеристик. Ниже представлены критерии выбора, классификация наиболее популярных двигателей и примеры расчета.
Как выбрать шаговый двигатель для ЧПУ: критерии
- Индуктивность. Следует вычислить квадратный корень из индуктивности обмотки и умножить его на 32. Полученное значение нужно сравнить с напряжением источника питания для драйвера. Различия между этими числами не должны сильно отличаться. Если напряжение питания на 30% и более превышает полученное значение, то мотор будет греться и шуметь. Если меньше, то крутящий момент будет слишком быстро убывать со скоростью. Большая индуктивность потенциально обеспечит возможность для большего крутящего момента. Однако для этого потребуется драйвер с большим напряжением питания.
- График зависимости крутящего момента от скорости. Позволяет определить, удовлетворяет ли выбранный двигатель условиям в техническом задании.
- Геометрические параметры. Имеет значение длина двигателя, фланец и диаметр вала.
Совет: также следует обратить внимание на омическое сопротивление фаз, номинальный ток в фазе, момент инерции ротора, максимальный статический синхронизирующий момент.
Тип двигателя
Важный критерий – тип шагового двигателя для ЧПУ станка. Широко распространены биполярные, униполярные и трехфазные модели. Каждая из них имеет свои особенности:
- биполярные чаще всего используют для ЧПУ благодаря простому подбору нового драйвера при выходе старого из строя, высокому удельному сопротивлению на малых оборотах;
- трехфазные отличаются большей скоростью, чем биполярные аналогичного размера. Подходят для случаев, когда требуется высокая скорость вращения;
- униполярные представляют собой несколько видов биполярных двигателей в зависимости от подключения обмоток.
Совет: еще один способ подбора двигателя – анализ готовых станков на рынке, которые близки по размерам и другим характеристикам к разрабатываемому.
Примеры расчетов шаговых двигателей для ЧПУ
Определяем силы, действующие в системе
Необходимо определить силу трения в направляющих, которая зависит от используемых материалов. Для примера коэффициент трения составляет 0.2, вес детали – 300 кгс, вес стола – 100 кгс, необходимое ускорение – 2 м/с 2 , сила резания – 3 000 Н.
- Чтобы рассчитать силу трения нужно умножить коэффициент трения на вес движущейся системы. Для примера: 0.2 x 9.81 (100 кгс+300 кгс). Получается 785 Н.
- Чтобы рассчитать силу инерции надо умножить массу стола с деталью на требуемое ускорение. Для примера: 400 x 2 = 800 Н.
- Чтобы рассчитать полную силу сопротивления надо сложить силы трения, инерции и резания. Для примера: 785 + 800 + 3 000. Получается 4 585 Н.
Справка: силу сопротивления должен развивать привод стола на гайке шариковой винтовой передачи.
Рассчитываем мощность
Формулы, приведенные ниже, представлены без учета инерции вала самого шагового двигателя и других вращающихся механизмов. Поэтому для большей точности рекомендуется увеличить или убавить требования по ускорению на 10%.
Для расчета мощности шагового двигателя следует воспользоваться формулой F=ma, где:
- F – сила в ньютонах, необходимая для того, чтобы привести тело в движение;
- m – масса тела в кг;
- а – необходимое ускорение m/c 2 .
Для определения механической мощности необходимо умножить силу сопротивления движения на скорость.
Рассчитываем редукцию оборотов
Определяется на основании номинальных оборотов сервопривода и максимальной скорости перемещения стола. Например, скорость перемещения составляет 1 000 мм/мин, шаг винта шариковой винтовой передачи – 10 мм. Тогда скорость вращения винта ШВП должна быть (1 000 / 10) 100 оборотов в минуту.
Для расчета коэффициента редукции учесть номинальные обороты сервопривода. Например, они равны 5 000 об/мин. Тогда редукция будет равна (5 000 / 100) 50.
В станках часто применяют шаговые двигатели индукторного типа, изготовленные в СССР. Речь о моделях ДШИ-200-2 и ДШИ-200-3. Они обладают следующими характеристиками:
| Параметр | ДШИ-200-2 | ДШИ-200-3 |
|---|---|---|
| Потребляемая мощность | 11.8 Вт | 16.7 Вт |
| Погрешность обработки шага | 3% | 3% |
| Максимальный статический момент | 0.46 нт | 0.84 нт |
| Максимальная чистота приемистости | 1 000 Гц | 1 000 Гц |
| Напряжение питания | 30 В | 30 В |
| Ток питания в фазе | 1.5 А | 1.5 А |
| Единичный шаг | 1.8 град | 1.8 град |
| Масса | 0.54 кг | 0.91 кг |
Любая разработка начинается с выбора компонентов. При разработке ЧПУ станка очень важно правильно подобрать шаговые двигателя . Если у вас есть деньги на покупку новых двигателей, в таком случае нужно определить рабочее напряжения и мощность двигателя. Я купил себе для второго ЧПУ станка шаговые двигателя вот такие: Nema17 1.7 А .
Если у вас нет достаточно денег или вы просто пробуете свои силы в данной сфере. То вы скорее всего будите использовать двигателя из принтеров . Это самый недорогой вариант. Но тут Вы столкнетесь с рядом проблем. У двигателя может быть 4, 5, 6, 8 - проводов для подключения. Как их подключить к драйверам L298n и .
Давайте разберемся по порядку. Какие шаговые двигателя бывают. Если вы видите четное количество выводов это биполярный шаговый двигатель . Расположение обмотки для данного двигателя вот такое.
Если
у двигателя
5 выводов, это
униполярный шаговый
двигатель
. Вот так выгладит
его схема.
Наши драйвера рассчитаны на двигателя с 4 выводами . Как быть? Как их подключить?
Биполярные
ШД с 6-ю выводами подключаются к драйверу
двумя способами:
В
данном случае ШД имеет момент в 1.4 раза
больше. Момент более стабилен на низких
частотах.
При
таком типе подключения нужно уменьшить
ток, подаваемый на обмотки двигателя
в √2 раз. Например, если номинальный
рабочий ток двигателя составляет 2 А,
то при последовательном включении
обмоток требуемый ток - 1.4 А, то есть в
1.4 раза меньше.
Это можно легко понять из следующих рассуждений.
Номинальный рабочий ток, указанный в каталоге, рассчитан на сопротивление одной обмотки (R - именно оно приведено в каталоге). При последовательном включении обмоток сопротивление объединенной обмотки возрастает в два раза (2R).
Потребляемая мощность ШД - I*2 * R
При последовательном включении обмоток потребляемая мощность становится Iпосл.*2 * 2 * R
Потребляемая мощность не зависит от типа подключения, поэтому I*2 * R = Iпосл.*2 * 2* R, откуда
Iпосл.= I/ √2, т.е.
Iпосл.= 0.707 *I.
Так как крутящий момент двигателя прямо пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора, то он возрастает с увеличением числа витков обмотки и убывает с уменьшением ток, пропускаемого через обмотки. Но так как ток уменьшился в √2 раз, а число витков обмотки увеличилось в 2 раза, то крутящий момент возрастет в √2 раз.
Tпосл. = 1.4 * T.
Во втором случае момент более стабилен на высоких частотах. Параметры ШД при таком подключении соответствуют заявленным в datasheet, (момент, ток), момент более стабилен на высоких частотах .
Униполярный шаговый двигатель можно переделать.
Для этого нужно разобрать шаговый
двигатель и перерезать провод соединяющий
центр обмоток. И при подключении общий
провод подключать ни куда не нужно.
В итоге у нас получается биполярный двигатель с 4 выводами.
Шаговые
двигателя с 8-ю выводами можно подключить
тремя способами.
Подключение А - шаговик работает с характеристиками, заявленными в описании (момент, ток), момент более стабилен на высоких частотах.
Подключение B – момент 1.4 раза, момент более стабилен на низких частотах (относительно А).
Подключение C – момент 1.96 раза, момент более стабилен на высоких частотах (относительно А).
Вот мы и решили проблему подключения шаговых двигателей. Но не все двигателя у нас заработают. Нужно еще определить рабочее напряжение двигателей. Самый правильный способ это найти datasheet. Так все параметры есть. Но не ко все двигателя из принтера можно найти datasheet. В таких случаях я пользуюсь вот такой таблицой.
Не знаю на сколько данная таблица верная но у меня все сходиться и работает как надо.
Двигателя я выбираю чтобы рабочее напряжение было меньше или равно напряжению источника питания. Для двигателей рассчитанных на меньшее напряжения необходимо настроить ток ниже.
Настраивать будем в следующей статье. Не пропустите !
Подписывайтесь на мой канал на Youtube и вступайте в группы в
Приведеные примеры расчета применимы не только к шаговым, но и к другим типам двигателей. При учете скорости нужно учитывать, что для шаговых двигателей указывается частота - шаги/сек.
| Выбор шагового двигателя для грузоподъемной установки | |
| Выбор шагового двигателя для транспортной тележки |  |
| Определение крутящего момента шагового двигателя в устройстве с использованием винтовых передач |  |
| Момент, требуемый от шагового привода в системе с вращающимися цилиндрами |  |
| Определение момента в механизмах с реечной передачей |  |
Особенности работы ШД предъявляют весьма жесткие требования к согласованию параметров выбираемого двигателя с заданной нагрузкой. Это особенно актуально в разомкнутых системах дискретного привода, когда пропуск двигателем хотя бы одного управляющего импульса приводит к ошибке преобразования электрического сигнала управления в угол, который система исправить не в состоянии. Проверку на нагрев шаговых двигателей обычно не производят, так как они рассчитаны на длительный режим прохождения импульсов тока по обмоткам управления.
При выборе шагового двигателя, прежде всего, следует ориентироваться на потребляемую приводом (двигатель + блок управления) из сети мощность, величину напряжения питания, требуемый крутящий момент на выходном валу, скорость вращения вала и момент инерции нагрузки. Для одного и того же привода, при разных величинах напряжения питания, потребляемая мощность привода P=U*I (напряжение*ток) различается. Например, привод D5779 при напряжении питания 50В потребляет из сети 150Вт, при напряжении питания 30В – 90Вт. КПД шаговых приводов в диапазоне частот 1 - 5КГц, как и КПД синхронных двигателей с постоянными магнитами составляет 80-90%.
Мощность на выходном валу привода P=M*ω (крутящий момент*угловая скорость). Очевидно, что мощность на выходном валу не может превышать потребляемую из сети мощность.
Закон сохранения энергии для системы, состоящей из двигателя и нагрузки на валу, повернувшейся на один полушаг, выглядит следующим образом:
M двигателя *φ=0,5*J*ω 2 + M нагрузки *φ + М магн *φ +М трения *φ
где φ - угол поворота
J – приведенный к валу момент инерции системы
ω – угловая скорость
M нагрузки – момент нагрузки
М магн – момент сопротивления, создаваемый постоянными магнитами двигателя, примерно 5% от величины M двигателя
М трения – момент трения в системе
Отсюда максимальная скорость, с которой может сделать первый шаг шаговый двигатель в системе с приведенным к валу моментом инерции J и нагруженный моментом M нагрузки:
ω =(2*φ*(M двигателя – M нагрузки – М магн – М трения)/J) 1/2
На практике необходимо также учитывать электрические переходные процессы в фазах двигателей, которые зависят как от напряжения питания и индуктивности фаз двигателей, так и от способа управления двигателем. Самыми динамичными являются двигатели с минимальной индуктивностью. Обычно стартовые частоты лежат в диапазоне 800-1000Гц (2-2,5 об/сек в полушаговом режиме). Исходя из этого для шагового двигателя, работающего в полушаговом режиме, величина ускорения не должна превышать 4рад/сек 2 .
Когда требуемый момент, определен, выбор шагового двигателя зависит от предпочтительных габаритов, присоединительных размеров, цены двигателя и блока управления для него.
Если блок управления уже есть (или выбран), необходимо, чтобы ток фазы шагового двигателя не превышал возможности блока управления. Также нужно иметь ввиду число выводов, которые можно подключить к имеющемуся блоку управления.
Недавно я уже писал о том, что поимел большую головную боль в виде необходимости выбирать себе новые шаговые движки. Когда-то давно, когда трава была зеленее... Ну, в общем, закупил себе набор движков, который валялся до поры до времени. Закупал их особо не заморачиваясь и не разбираясь, как их выбирать и на что сомтреть. Не повторяйте моих ошибок, изучите вопрос. Ниже я опишу подробно, что мне удалось с тех пор узнать о шаговых движках, а в частности о том, как грамотно подойти к вопросу их выбора.
Но сначала, для того, чтобы лучше понимать вопрос - давайте разберёмся,- "что же такое шаговый электродвигатель?".
Так говорит нам википедия, хотя я бы назвал его не "бесщёточный", а "бесколлекторный", но с википедией спорить не будем, её всё таки "умные" люди пишут. Да и суть от этого не сильно меняется, это, по сути своей, такой же двигатель, что и другие. Как, например, на дорогой гоночной машинке с БК движком. Такой же, да вот не такой!Шаговый электродвигатель - это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.
И вот тут мы в плотную подходим к двум парам важных характеристик шагового электродвигателя. Первая пара это удерживающий момент и номинальный ток, а вторая угол поворота (шаг) и погрешность шага. Пройдёмся по каждой паре подробно.Шаговый двигатель в первую очередь спроектирован не для того, что бы он просто вращался и передавал свой вращающий момент исполнительному механизму. Он должен обеспечивать высокую точность позиционирования и достаточный момент удержания.
Если ток завышен, то двигатель греется, если ток занижен, то снижается сила, с которой он сопротивляется проворачиванию, и двигатель может начать (и начнёт) пропускать шаги. Так же необходимо помнить, что самый распространённые драйверы для шаговых двигателей A4998 и DRV8825 могут обеспечить только 2А и 2.2А соответственно. Не нужно гоняться за заоблачными показателями. 4000 г/см и 1.7-1.8А хватит за глаза и уши даже для такой брутальной кинематики, как H-Bot.Удерживающий момент - это то, с какой силой двигатель, если на него подан номинальный ток, будет сопротивляться попыткам его провернуть. Если подать на двигатель ток равный номинальном, это обеспечивает максимальный момент удержания.
Выходит, что чем мельче шаг, тем круче и точнее? Нет! Шаг в 1.8 градуса это всё, что вам нужно. Не буду сейчас приводить таблицы и примеры расчёта перемещений исполнительных механизмов на разных моделях принтеров и разных кинематиках. Поверьте мне на слово, лучше смотрите на погрешность шага, пользы будет больше. 5% - очень и очень хороший показатель.Угол поворота - это угол поворота, на который двигатель поворачивается за один шаг (кто бы мог подумать?). Потому, иногда, его просто называют шагом и не парятся. А погрешность шага - это максимальное отклонение от заданного угла поворота в процентах.
И тут можно задаться вопросом, - "а как же напряжение?". Напряжение особой роли не играет, т.к. его регулирует драйвер шагового двигателя, что бы поддерживать необходимый ток. Но знайте меру. 3V - 5V вполне достаточно, 3.4V, наверное, в самый раз.
Есть ещё такой параметр, как количество фаз. Ну, если совсем просто, то это сколько контактов/проводов торчит из двигателя. По хорошему, нам для принтера нужны биполярные двигатели с 4-мя фазами (проводами). Но существуют и с 6-тью и, даже, с 8-мью. Последние - экзотика в наших краях (ну я по крайней мере вообще их в руках не держал). А вот те, что с 6-тью проводами - те встречаются. Если просто, то это тоже самое, что и с 4-мя, но на обеих обмотках есть центральный отвод. Более наглядно можно посмотреть на иллюстрации, которую я честно где-то стырил.
Но я так и не сказал, что брать? Если есть 4-выводной, берём его, если нет, не расстраиваемся и берём 6-выводной. Но лучше берите 4-выводной (мороки меньше). Кстати, на картинке 8-выводной двигатель показан в режиме, когда у него пары обмоток подключены параллельно.
