подбор шагового двигателя по параметрам

Подбор и расчет шаговых двигателей для ЧПУ

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

Тип двигателя

Важный критерий – тип шагового двигателя для ЧПУ станка. Широко распространены биполярные, униполярные и трехфазные модели. Каждая из них имеет свои особенности:

Примеры расчетов шаговых двигателей для ЧПУ

Определяем силы, действующие в системе

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:

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.

Классификация шаговых двигателей для ЧПУ

Советские модели

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:

При выборе следует обратить внимание на наличие индекса ОС. Это особая серия с военной приемкой. Имеет более высокое качество исполнения, чем обычные модели.

Китайские модели

Примеры китайских шаговых двигателей для ЧПУ и их характеристики представлены ниже.

Биполярные шаговые двигатели для ЧПУ от CNC Technology

Зная критерии выбора и ориентируясь в предложениях по шаговым двигателям на рынке можно подобрать подходящую модель для станка ЧПУ. Главное – покупать у проверенных поставщиков.

3 причины купить шаговый двигатель для ЧПУ в компании CNC Technology

Получить консультацию по выбору шагового двигателя можно по телефону 8 (800) 350 33 60.

Источник

Как подобрать и рассчитать шаговый двигатель для ЧПУ

Выбирайте шаговые двигатели ЧПУ в компании Антриб

Мы рекомендуем Вам промышленные комплектующие приобретать в одном месте – в компании Антриб. Почему?

Выбираем шаговый двигатель для современных ЧПУ. На что обратить внимание?

При подборе шагового двигателя для числового программного управления, прежде всего, важно определить планируемую сферу для применения станка. Отсюда станут понятными предъявляемые к ШД требования и необходимые технические характеристики.

Параметры для выбора шаговых двигателей

Рассчитайте квадратный корень из индуктивности обмотки, а потом умножьте его значение на цифру 32. Полученные данные сравните с максимальным показанием напряжения непосредственного источника питания для имеющегося драйвера. Между этими данными не должно быть большого различия. Важно понимать, что если напряжение питания превышает полученное значение более чем на 30%, то в результате мотор будет шуметь и перегреваться. Если показание меньше 30%, то крутящий момент станет быстро убывать вместе со скоростью. Запомните, что большая индуктивность в перспективе обеспечивает условия для большего крутящего момента. Отметим, что для этого необходим драйвер с увеличенным напряжением питания.

Данный параметр позволяет определить, подходит ли подобранный двигатель условиям, прописанным в тех. задании.

Обязательно изучите, какое значение имеет длина двигателя, фланец и диаметр вала.

Рекомендация №1.

Помимо изучения вышеперечисленных параметров, важно обратить внимание на омическое сопротивление фаз, а также номинальный ток в фазе, момент инерции ротора и MAX статический синхронизирующий момент.

Типы двигателей

Существует несколько типов ШД для ЧПУ станка. Остановимся на самых распространенных:

Рекомендация №2.

Универсальный способ подбора двигателя для ЧПУ – проанализируйте готовые станки, которые по размерам и тех. характеристикам близки к тому, что разрабатываете Вы, и проверьте себя.

Стандартные примеры расчетов ШД для ЧПУ

Алгоритм определения силы системы

Алгоритм определения мощности

Мы представляем Вашему вниманию универсальные формулы. Все они представлены без учета инерции вала ШД, а также других механизмов вращения. В связи с этим, для большей точности рекомендуем увеличить или, напротив, убавить требования по ускорению на 10%.

Итак, расчет мощность производится по формуле F=ma, где:

Для определения механической мощности умножьте силу сопротивления движения на скорость.

Отметим, что для всех приводимых в пример расчетов существуют бесплатные автоматические калькуляторы.

Алгоритм расчета редукции оборотов

Редукция оборотов определяется за счет номинальных оборотов сервопривода и MAX скорости перемещения стола. Допустим, что скорость перемещения равна 2 000 мм/мин, шаг винта шариковой винтовой передачи составляет 20 мм. Тогда скорость вращения винта ШВП должна быть 100 оборотов в минуту (2000/20 = 100)

Для определения коэффициента редукции необходимо учесть номинальные обороты сервопривода. Если они равны 6 000 об/мин, то редукция составит 60 (6000/100= 60).

Классификация ШД для ЧПУ

В настоящее время выделяются несколько основных классов шаговых двигателей. Все они представлены в каталоге компании Антриб.

По вопросам выбора шаговых двигателей для ЧПУ и покупки комплектующих для станков в Москве звоните +7 (495) 514-03-33 или закажите обратный звонок на нашем сайте.

Источник

cnc-club.ru

Статьи, обзоры, цены на станки и комплектующие.

Как выбрать шаговый двигатель. Про момент, скорость и прочее

Как выбрать шаговый двигатель. Про момент, скорость и прочее

Сообщение xentaur » 14 июн 2012, 14:51

Попал ко мне в руки хороший (на мой взгляд) каталог шаговиков с кучей графиков. Вот первая компиляции графиков для одной небольшой серии шаговиков.

P.S. Хочу сделать компиляцию таких графиков, для моторов в разных типоразмерах и параметрами.

Re: Как выбрать шаговый двигатель. Про момеет, скорость и пр

Сообщение Nick » 14 июн 2012, 15:01

Use the Console, Luke.

Re: Как выбрать шаговый двигатель. Про момент, скорость и пр

Сообщение aftaev » 14 июн 2012, 15:24

Re: Как выбрать шаговый двигатель. Про момент, скорость и пр

Сообщение xentaur » 14 июн 2012, 16:32

P.S. Какие типоразмеры наиболее интересны?

Re: Как выбрать шаговый двигатель. Про момент, скорость и пр

Сообщение aftaev » 14 июн 2012, 16:48

Re: Как выбрать шаговый двигатель. Про момент, скорость и пр

Сообщение kernel » 15 июн 2012, 10:38

Re: Как выбрать шаговый двигатель. Про момент, скорость и пр

Сообщение Тима » 15 июн 2012, 11:30

Re: Как выбрать шаговый двигатель. Про момент, скорость и пр

Сообщение aftaev » 15 июн 2012, 11:45

на обороты, а точнее сколько вольт нужно подавать на драйвер/двиг. Большого размера двигатели имеют как правило больше индуктивность потому они медленне крутяться.

К примеру если взять драйвер шагового+БП и к ним подключить по очереди разные по индукивности двигатели, они будут иметь разные максимальные обороты при одинаково напряжении питания.
Есть формулы для рсчета напряжения от индуктивности. Как найду выложу.

Re: Как выбрать шаговый двигатель. Про момент, скорость и пр

Сообщение Steel.ne » 15 июн 2012, 11:48

И вот теперь, чтобы во время шага (при больших скоростях это достаточно короткий импульс) создать требуемый ток, приходится подавать повышенное напряжение. А значит и использовать высоковольтные драйвера.

Re: Как выбрать шаговый двигатель. Про момент, скорость и пр

Сообщение kernel » 15 июн 2012, 12:05

Re: Как выбрать шаговый двигатель. Про момент, скорость и пр

Сообщение Steel.ne » 15 июн 2012, 12:09

Re: Как выбрать шаговый двигатель. Про момент, скорость и пр

Сообщение aftaev » 15 июн 2012, 13:50

Re: Как выбрать шаговый двигатель. Про момент, скорость и пр

Сообщение Тима » 15 июн 2012, 14:01

Re: Типы передач [Нужна помощь в оформлении]

Сообщение Fisher » 20 июл 2012, 10:19

Re: Типы передач [Нужна помощь в оформлении]

Сообщение Fisher » 20 июл 2012, 10:24

Re: Типы передач [Нужна помощь в оформлении]

Сообщение Fisher » 20 июл 2012, 10:26

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.

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:

Mдвигателя*φ=0,5*J*ω2 + Mнагрузки*φ + Ммагн*φ +Мтрения*φ

J – приведенный к валу момент инерции системы

ω – угловая скорость

Mнагрузки – момент нагрузки

Ммагн – момент сопротивления, создаваемый постоянными магнитами двигателя, примерно 5% от величины Mдвигателя

Мтрения – 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 Mнагрузки :

ω =(2*φ*(Mдвигателя – Mнагрузки – Ммагн – Мтрения)/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/сек2.

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.

Источник

CNC-DESIGN

Шаговые двигатели выбор и расчет основных параметров

Преимущества и недостатки шагового двигателя:
Преимущества:
— угол поворта двигателя пропорционален входным импульсам;
— фиксация положения при остановке током удержания;
— точное позиционирование и повторяемость движения, так как большинство шаговых двигателей имеют точность 3-5% шага, и эта ошибка не суммируется от одного шага к следующему;
— низкая инертность при запуске, остановке и реверсе;
— высокая надежность, поскольку в двигателе отсутствуют контактные щетки, поэтому срок службы двигателя в основном зависит от срока службы подшипников;
— реакция двигателя на цифровые входные импульсы обеспечивает управление без обратной связи, что делает систему более простой и, следовательно, более экономичной;
— можно достичь очень низкой скорости синхронного вращения с нагрузкой, которая напрямую связана с валом;
— можно реализовать широкий диапазон скоростей вращения, так как скорость пропорциональна частоте входных импульсов;
— шаговые двигатели дешевле серводвигателей.

Недостатки:
— может возникнуть явление резонанса, при некорректном расчете узла или системы управления;
— двигатель непрост вэксплуатации наочень высоких скоростях, 3000+ об/мин;
— сложность системы управления;
— падение мощности с ростом скорости вращения;
— отсутствие обратной связи;
— невысокая удельная мощность;
— низкая скорость вращения;
— шум.

Выбор шагового двигателя.
Шаговый двигатель можно использовать когда требуется контролируемое движение. Они могут использоваться в приложениях, где необходимо контролировать угол поворота, скорость, положение и синхронизацию. Из-за присущих выше преимуществ, шаговые двигатели нашли свое место в различных устройствах: принтеры, плоттеры, лазерные резаки, гравировальные станки, устройства захвата и так далее.
При выборе шагового двигателя для вашего устройства необходимо учитывать несколько факторов:
Как двигатель будет связан с нагрузкой?
Какие скорость и ускорения необходимо реализовать?
Какой крутящий момент необходим для перемещения исполнительного механизма?
Какая степень точности требуется при позиционировании?

Количество полюсов (однополюсный/биполярный)
Обычно шаговые двигатели имеют две фазы, но также существуют трех- и пятифазные двигатели. Биполярный двигатель с двумя фазами имеет одну обмотку/фазу, а однополярный двигатель имеет одну обмотку с центральным отводом на фазу. Иногда шаговый двигатель называют четырехфазным двигателем, хотя он имеет только две фазы. Двигатели с двумя отдельными обмотками на фазу могут приводиться в двухполярный или однополярный режим. Желательно, чтобы количество проводов на двигателе соответствовало количеству контактов на драйвере, чтобы не заниматься различными ухищрениями при подключения.

Номинальный ток
Обычно указывается максимальный ток, который подается одновременно на обе обмотки. Максимальный ток через одну обмотку (который действительно имеет значение при использовании микрошагов) указывается достаточно редко. При подаче номинального тока на одну обмотку происходит нагрев двигателя, из-за этого обычно ограничивают ток двигателя не более 85% от номинального тока. Для достижения максимального крутящего момента двигателя без перегрева, необходимо выбрать двигатель с номинальным током не более чем на 25% выше, чем рекомендуемый максимальный ток привода шагового двигателя.

Крутящий момент
Выходной крутящий момент и мощность шагового двигателя зависят от размера двигателя, теплоотвода, рабочего цикла, обмотки двигателя и типа используемого привода. Если шаговый двигатель работает без нагрузки во всем диапазоне частот, одна или несколько точек собственных колебаний резонанса могут быть обнаружены либо по звуку, либо по датчикам вибрации. Полезный крутящий момент от шагового двигателя может быть резко уменьшен за счет резонансов. Работы на резонансных частотах следует избегать. Внешнее демпфирование, дополнительная инерция или применение микрошагов используются для уменьшения эффекта резонанса.

Удерживающий момент
Это максимальный крутящий момент, который может обеспечить двигатель, когда обе обмотки находятся под напряжением при полном токе. Крутящий момент пропорционален току (за исключением очень малых токов), поэтому, например, если вы установите драйверы на 85% от номинального тока двигателя, то максимальный крутящий момент будет 85% * 0,707 = 60% от указанного удерживающего момента.
Крутящий момент возникает, когда угол ротора отличается от идеального угла, который соответствует току в его обмотках. Когда шаговый двигатель ускоряется, возникает крутящий момент для преодоления собственной инерции ротора и массы нагрузки, приводимой в движении. Чтобы создать этот крутящий момент, угол ротора должен отставать от идеального угла.
Известно, что использование микрошага снижает крутящий момент. На самом деле это означает, что угол запаздывания равен углу, соответствующему одному микрошагу (поскольку вы хотите, чтобы положение было с точностью до одного микрошага), более высокое значение микрошага предполагает уменьшение угла, а значит и уменьшение крутящего момента. Крутящий момент на единицу угла (что действительно имеет значение) не уменьшается при увеличении микрошага. Иными словами, отправка импульса на двигатель на один микрошаг 1/16 приводит к точно таким же фазовым токам (и, следовательно, к тем же силам), что и к отправке двух 1/32 микрошагов или четырех 1/64 микрошагов и так далее.

Размер
Шаговые двигатели также классифицируются в соответствии с размерами корпуса, которые соответствуют размеру рамы двигателя. Например, шаговый двигатель NEMA11 имеет размер рамы приблизительно 1,1 дюйма (28 мм). Аналогично, шаговый двигатель NEMA23 имеет размер корпуса 2,3 дюйма (57 мм) и т. д. Однако длина корпуса может изменяться от двигателя к двигателю в рамках одной и той же классификации размеров, при этом крутящий момент двигателя с определенным размером рамы будет увеличиваться с увеличением длины корпуса.

— габарит рамы 20х20 мм;
— диапазон длин: 30-42 мм;
— крутящий момент: 0,18-0,3 кг*см.

— габарит рамы 28х28 мм;
— диапазон длин: 32-51 мм;
— крутящий момент: 0,43-0,9 кг*см.

— габарит рамы 35х35 мм;
— диапазон длин: 28 мм;
— крутящий момент: 1,0 кг*см.

— габарит рамы 39х39 мм;
— диапазон длин: 20-38 мм;
— крутящий момент: 0,65-2,0 кг*см.

— габарит рамы 42х42 мм;
— диапазон длин: 25-60 мм;
— крутящий момент: 1,7-6,5 кг*см.

— габарит рамы 56х56 мм;
— диапазон длин: 41-76 мм;
— крутящий момент: 2,88-18,9 кг*см.

— габарит рамы 86х86 мм;
— диапазон длин: 65-156мм;
— крутящий момент: 34-122 кг*см.

— габарит рамы 110х110 мм;
— диапазон длин: 99-201 мм;
— крутящий момент: 112-280 кг*см.

— габарит рамы 130х130 мм;
— диапазон длин: 165-270 мм;
— крутящий момент: 270-500 кг*см.

Угол шага.
Существует два распространенных угла шага: 0,9 и 1,8 градуса на полный шаг, что соответствует 400 и 200 шагам/оборот. Большинство устройств используют двигатели с шагом 1,8 град/шаг.
При заданной скорости вращения 0,9-градусный двигатель производит вдвое больше индуктивной обратной эдс, чем 1,8-градусный двигатель, из-за этого возможно будет необходимо использовать питание 24 В для достижения высоких скоростей с двигателями 0,9 градуса.
Для двигателей 0,9 градуса необходимо подавать шаговые импульсы драйвера с удвоенной скоростью по сравнению с двигателями 1,8 градуса. Если вы используете высокий микрошаг, тогда скорость может быть ограничена скоростью, с которой электроника может генерировать шаговые импульсы.

Разрешение и точность позиционирования.
На разрешение и точность позиционирования системы шагового двигателя влияют несколько факторов: угол шага (длина полного шага шагового двигателя), выбранный режим движения (полный шаг, полшага или микрошаг) и скорость передачи. Это означает, что есть несколько различных комбинаций, которые можно использовать для получения желаемого разрешения, из-за этого проблема разрешения обычно может быть решена после того, как были определены размер двигателя и тип привода.

оборотов_в_секунду=(2*напржение_БП)/(шагов_на оборот*3,14* индуктивность* ток)

Если двигатель приводит ремень GT2 через шкив, это дает максимальную скорость в мм/с как:

Например:
двигатель 1,8 град/шаг ( т. е. 200 шагов/об) с индуктивностью 4 мГн работает при 1,5, А при напряжении питания 12 В, и привод ремня GT2 с 20-зубчатым шкивом начинает терять крутящий момент со скоростью около 250 мм/с.
На практике крутящий момент начинает падать раньше, чем это из-за обратной эдс, вызванной движением, потому что не учитывается сопротивление обмоток. Моторы с низкой индуктивностью также имеют низкую ЭДС из-за вращения. Для достижения высоких скоростей, необходимо выбирать двигатели с низкой индуктивностью и высоким напряжением питания.

Сопротивление и номинальное напряжение
Это сопротивление на фазу и падение напряжения на каждой фазе, когда двигатель неподвижен, и фаза передает свой номинальный ток (который является результатом сопротивления и номинального тока). Это важно когда номинальное напряжение значительно ниже напряжения питания для шаговых драйверов.

Обратный ЭДС из-за вращения
Когда шаговый двигатель вращается, то создается обратная эдс. При идеальном нулевом угле запаздывания на 90 градусов не в фазе с напряжением возбуждения, а в фазе с обратной ЭДС из-за индуктивности. Когда двигатель выдает максимальный крутящий момент и находится на грани пропуска шага, он находится в фазе с током.
Обратный ЭДС из-за поворота обычно не указывается в спецификации, но мы можем оценить его по следующей формуле:

Формула предполагает, что удерживающий момент указан для обеих фаз, находящихся под напряжением при номинальном токе. Если это указано только с одной фазой под напряжением, замените 1,414 на 2.
Пример: рассмотрим 200-шаговый двигатель, приводящий каретку через шкив с 20 зубцами и ремень GT2. Это 40-миллиметровое движение за оборот. Для достижения скорости 200 мм/сек нам нужно 5 об/сек. Если мы используем двигатель с удерживающим моментом 0,55 Нм, когда обе фазы работают при 1,68, А, пиковая обратная эдс из-за вращения составляет

1,414 * 3,142 * 0,55 * 5 / 1,68 = 7,3 В.

Как вбрать необходимое напряжение питания
Если заранее известна необходимая скорость движения для вашего устройства, можно предварительно определить, какое напряжение питания вам потребуется для драйверов двигателя.
Пример: определим необходимую скорость движения. Для этого примера будем использовать 200 мм/сек, передача шкив 20 зубьев GT2.
Исходя из необходимой скорости движения, определим максимальную скорость ремня.
Прикинем обратную ЭДС от индуктивности:

Вычислим обратную ЭДС из-за вращения по приведенной ранее формуле.
Двигатели для примера имеют номинальный ток 1,68А и момент удержания 0,44 Нм, поэтому результат равен:

Предпочтительно, чтобы напряжение питания драйвера составляло по меньшей мере сумму этих двух обратных эдс, плюс еще несколько вольт запаса. При использовании двух двигателей последовательно требуемое напряжение удваивается.

Общие рекомендации:
— если не планируется использовать внешние драйверы шаговых двигателей, выбирайте двигатели с номинальным током не менее 1,2, А и не более 2,0 А.
— рассчитывайте на рабочий ток шагового двигателя 50-85% от номинального.
— размер:
Nema 17- самый популярный размер, используемый в домашних проектах.
Nema 23 необходимо использовать если не хватает крутящего момента от длинных двигателей Nema 17.
— старайтесь не использовать двигатели с номинальным напряжением (или произведением номинального тока и фазового сопротивления)> 4 В или индуктивности> 4 мГн.
— выборйте двигатель с 0,9 град/шаг, если необходима дополнительная точность позиционирования, для стандартных решений используйте двигатели 1,8 град/шаг.
— при использовании 0,9 градусных шаговых двигателей или двигателей с высоким крутящим моментом, необходимо применение блоков питания с напряжением 24 В, чтобы поддерживать крутящий момент на более высоких скоростях.

Источник