Какое напряжение подавать на шаговый двигатель
Популярные заблуждения о шаговых электродвигателях и их разъяснения
Даже опытные инженеры часто имеют не совсем верное представление о шаговых электродвигателях и способах управления ими. В данной статье мы разберем лишь несколько основных заблуждений что, надеюсь, поможет и новичкам и бывалым инженерам при выборе драйверов управления. Было бы хорошо разобрать все особенности, но тогда эта статья превратилась бы в книгу.
В этой статье речь пойдет о биполярных шаговых электродвигателях, поскольку они являются наиболее популярными в использовании на сегодняшний день. Униполярные шаговые электродвигатели все еще используются в некоторых устройствах, однако их популярность с каждым годом снижается. Это снижение обуславливается преобладанием относительно недорогих драйверов для биполярных двигателей. Учитывая снижение стоимости управления, почему бы не использовать биполярные шаговые электродвигатели? В конце концов у них есть еще один плюс – больший крутящий момент.
Температура
Многие инженеры ошибочно полагают, что если шаговый электродвигатель имеет небольшой размер, значит, его температура тоже должна быть небольшой. Этот миф легко развеять, взяв документацию на электрическую машину, пирометр, и произвести замер. То, что при касании может показаться «очень горячим», на самом деле не будет даже подходить к максимально допустимой температуре машины. Шаговые электродвигатели обычно имеют повышенную температуру, это связано с внутренними процессами в самой машине. Даже когда они не вращаются они также подвержены потерям. Тем не менее, если вы сомневаетесь – перестрахуйтесь и проверьте температуру. Естественно, если температура превысит предельно допустимую, указанную в паспорте, это может привести к необратимым последствиям (выход из строя или значительное сокращение срока службы).
В случаях, когда есть необходимость снизить потребление электроэнергии в режиме простоя, можно использовать специальные драйверы, в которые данная функция включена. Однако это повлияет не только на значение тока в обмотках, но и на удерживающий момент, что в определенных механизмах тоже важно.
Микрошаговый режим
Микрошаги это не магия. Существуют специальные драйверы для микрошагового управления. Это позволяет увеличить точность позиционирования, однако достигается за счет значительного крутящего момента. Кроме того, наличие драйвера, обеспечивающего шаг 1/32, не значит, что ваш электродвигатель сможет это реализовать. После определенного порога (1/10 и иногда 1/16) требуются высококачественные драйверы и двигатели. Даже если ваш шаговый электродвигатель и драйвер смогут реализовать микрошаг в 1/32, возможно ли это интегрировать в общую систему управления?
Рассмотрим следующий пример. Линейное перемещение с 10 шагами на дюйм ходового винта напрямую соединенного с типичным шаговым двигателем, имеющим 200 шагов на оборот. Каждый полный шаг электрической машины будет переведен в 0,0005 дюйма линейного движения. Казалось бы, что, якобы, та же система микрошагов 1/32 сможет уменьшить линейный шаг до 0,000015. Но в реальности реализации данной системы практически не возможна, так как упругость и силы трения не позволят преобразовать настолько миниатюрные шаги к линейному движению.
Микрошаговый режим реально полезен при проверке системы с шаговой электрической машиной на резонанс. Это дает определенные возможности для избегания резонанса. Как известно, любая механическая система имеет резонансную частоту. Для шаговых электродвигателей достижение этой частоты, как правило, происходит на определенной скорости, после чего двигатель начнет сильно шуметь. Эти шумы могут привести к «пропусканию шагов», что чревато серьезными последствиями для определенных систем. В некоторых случаях это может привести к слишком большим вибрациям. В случаях с режущими машинами, такими как токарные станки, этот звук можно спутать с рабочим звуком обработки поверхности заготовки. Микрошаговый режим уменьшает расстояние пройденное валом между шагами (на появление шумов тратится меньше энергии).
Номинальное напряжение и напряжение питания
Наверное, одним из самых запутанных моментов является несоответствие напряжения на обмотке, указанного в паспорте машины, и реального напряжения источника питания, используемого для питания электрической машины. Если в техпаспорте указывается напряжение обмотки равное 3,4 В, то как получается, что электродвигатель подключается к источнику 48 В постоянного тока? Или иногда и к 80 В.
Номинальное напряжение не настолько критично, обратите внимание на ток.
Такое подключение стало возможным благодаря тому, что большинство современных драйверов имеют встроенное ШИМ управление выходным напряжением. Драйверы контролируют ток обмотки. Когда ток доходит до максимального значения (определяется максимальным током электрической машины), драйвер отключает питание, или снижает значение тока. При этом превышать максимальное напряжение драйвера нельзя.
Рассмотрим небольшой пример на основе шагового электродвигателя с номинальными данными: Uн = 12 В, Iн = 0,33 А, активное сопротивление обмотки R = 32,6 Ом, реактивное сопротивление обмотки L = 48 мГн.
12 В – это не максимально допустимое напряжение. Это напряжение нормальной работы, при котором в обмотке будет протекать ток равный 0,33 А.
Если вы управляете электрической машиной с помощью очень простого или Н-мостового драйвера, то вам необходимо ограничивать напряжение 12 В для предотвращения превышения номинального тока.
В случае использования драйвера с прерывателем (chopper drive), превышение номинального напряжения не является проблемой. Чем выше будет напряжение – тем быстрее машина достигнет магнитного насыщения. Приведенная ниже формула это иллюстрирует:
Приведенная формула вычисляет ток обмотки электродвигателя за определенный промежуток времени.
Ток, через катушку индуктивности 50 мГн, в течении 1 мс увеличивается пропорционально напряжению.
Если двигатель «перешагнет» прежде, чем сможет достаточно насытиться для развития необходимого момента, он начнет «терять» шаги. Если вы обнаружите, что такое происходит с вашей машиной на большом ходу – рассмотрите вариант повышения напряжения питания.
Точные машины
Расчёт напряжения питания шагового двигателя
Расчёт напряжения питания шагового двигателя
Расчёт напряжения питания шагового двигателя
Какое напряжение должно быть у источника питания?
Для того, чтобы рассчитать необходимое напряжение эмпирическим способом, возьмите источник питания с выходным напряжением например 24В или любой другой источник питания, который у вас имеется в наличии, и который будет выше необходимого минимума питания драйвера, подключите его к самой нагруженной оси станка. Погоняйте ось, и плавно увеличивайте скорость пока не определите максимальную скорость, на которой шаговый двигатель будет работать без пропуска шагов, для тестируемого источника питания.
Используя следующую формулу можно определить необходимое напряжение питания для этой оси:
(Скорость которая вам требуется ÷ (Скорость, которую вы получили * 0.9)) * (Тестовое напряжение) = Необходимое напряжение питания.
Пример: (300IPM ÷ (150IPM * 0.9)) * 24VDC = 53.3VDC
Примечание: Удостоверьтесь что полученное напряжение питания находится в допустимых пределах для вашего драйвера!
Какое напряжение питания у моего Шагового двигателя?
Некоторые шаговые двигатели имеют маркировку только сопротивления и допустимого тока.
Используем закон Ома: R * I = U (Сопротивление * Ток = Напряжение)
Пример: 1.1Ом x 2.8А = 3.08В
Вычисление максимального напряжения для заданной индуктивности шагового двигателя
Для того, чтобы вычислить максимальное напряжение, которое вам следует использовать в зависимости от индуктивности обмоток шагового двигателя используйте следующую формулу:
Максимальное напряжение = 1000 * SQRT(Индуктивность) где SQRT — это квадратный корень.
Пример, двигатель с 6мГн на фазу:
1000 * SQRT(0.006) = 77В Максимум.
Пример мотора с 2.5мГн:
1000 * SQRT(0.0025) = 50В Максимум.
Примечание: Не все произведённые двигатели одинаково работают.
Если вы используете эту формулу и двигатели кажутся вам слишком горячими, нужно уменьшить напряжение, пока температура не станет приемлемой. Шаговые двигатели разработаны для работы горячими, но не стоит их перегревать и нюхать горелую изоляцию. Многие шаговые двигатели рассчитаны на максимальную рабочую температуру до 80°С, но лучше ограничиться температурой в 60°C.
Вычисление сопротивления и мощности рассеивания ток-ограничивающих резисторов
Примечание: Только для L/R систем.
Применяя закон Ома, делим на ток шагового двигателя получаем сопротивление резистора:
Значение резистора = Изменение напряжения на резисторе / Ток обмоток шагового двигателя.
Важно: Вам нужно знать мощность рассеивания резистора, которую он будет рассеивать в виде тепла и на которую он должен быть рассчитан.
Значение мощности рассеивания резистора = Изменение напряжения на резисторе * Ток обмоток шагового двигателя.