Шаговые двигатели Stepline

Для управления шаговыми двигателями используются электронные устройства, называемые драйверами шагового привода, являющиеся связующим узлом между шаговым двигателем, питающей сетью и устройством управления верхнего уровня. Драйверы формируют напряжение питания обмоток шагового двигателя, определяют характер его движения и перемещения в заданную точку в зависимости от управляющих импульсных сигналов.

Совместимость с драйверами шагового привода

Шаговые двигатели предназначены для эксплуатации в длительном режиме работы (S1). Окружающая среда — в помещении, защищенном от прямого солнечного света, без пыли, агрессивных газов, горючих газов, масляного тумана, паров, брызг и пр. Предельное значение относительной влажности — 95%, без конденсата и обледенения. Температура окружающего воздуха — от -20°С до +50°С. Обеспечивается функционирование без снижения эксплуатационных характеристик при работе на высоте до 1000м над уровнем моря. Вращение выходных валов — в любую сторону. Степень защиты корпуса — IP43.

Технические характеристики

Технические характеристики шаговых двигателей StepLine

Условия эксплуатации шаговых двигателей StepLine

Шаговые двигатели предназначены для эксплуатации в длительном режиме работы (S1). Окружающая среда — в помещении, защищенном от прямого солнечного света, без пыли, агрессивных газов, горючих газов, масляного тумана, паров, брызг и пр. Предельное значение относительной влажности — 95%, без конденсата и обледенения. Температура окружающего воздуха — от -20°С до +50°С. Обеспечивается функционирование без снижения эксплуатационных характеристик при работе на высоте до 1000м над уровнем моря. Вращение выходных валов — в любую сторону. Степень защиты корпуса — IP43.

Технические характеристики драйверов шаговых двигателей StepLine

Максимальная частота входных командных импульсов PUL/DIR — 200кГц. Вход ENA - разрешение работы.

Управляющие входы драйвера ENA, PUL, DIR изолированны от напряжения питания и выходных силовых шин.

Клемма OPTO (там, где она имеется) — объединенный анод светодиодов входов ENA, PUL, DIR. Амплитула входных импульсов — 5В. При сигналах с напряжениями 12 или 24В требуется включение дополнительных резистроров последовательно со входами (680Ом или 1.8 кОм соответственно).

Клеммы +V и GND — подача напряжения питания на драйвер.

Клеммы A+, A-, B+, B- предназначены для подключения к соответствующим обмоткам шагового двигателя.

Установки значения выходного тока и величины микрошага с помощью микропереключателей указаны на корпусе драйверов.

Условия эксплуатации драйверов шаговых двигателей StepLine

Драйверы шаговых двигателей предназначены для эксплуатации в длительном режиме работы (S1). Окружающая среда — в помещении, защищенном от прямого солнечного света, без пыли, агрессивных газов, горючих газов, масляного тумана, паров, брызг и пр. Предельное значение относительной влажности — 95%, без конденсата и обледенения. Температура окружающего воздуха — от 0°С до +50°С. Обеспечивается функционирование без снижения эксплуатационных характеристик при работе на высоте до 1000м над уровнем моря. Степень защиты корпуса — IP20.

Основные определения и характеристики

Шаговый двигатель характеризуется удерживающим моментом (синхронизирующий момент, holding torque). Удерживающий момент — предельный момент в остановившемся состоянии, и протекании номинального тока. При приложении к валу момента равного удерживающему шаговый двигатель перестает работать. Рабочий нагрузочный момент двигателя должен быть, по крайней мере, в 2 — 3 раза меньше значения удерживающего момента.

Уменьшение предельного вращающегося момента в зависимости от скорости

Важная характеристика, учет которой позволяет обеспечить работоспособность шагового привода во всем диапазоне рабочих скоростей. Производитель, как правило, дает зависимость момента на валу шагового двигателя от частоты полных — full (или половинных — half) его шагов. При этом следует помнить, что указывается предельный момент на валу, и что максимальный рабочий нагрузочный момент должен быть в 2 — 3 раза меньше этого предельного значения

Номинальный рабочий ток двигателя

Ток, который может протекать через обмотки шагового двигателя в длительном режиме работы. Этот ток создаёт удерживающий момент, значение которого определено в спецификациях шагового двигателя. Величина тока пропорциональна значению удерживающего момента. Температура корпуса шагового двигателя, при протекании через его обмотки тока с номинальным значением, может достигать температуры 70...80 °C. Этот факт необходимо учитывать в прецизионных системах, когда такой нагрев двигателя может привести к не желаемым температурным деформациям других элементов системы.

Рабочий ток привода в остановленном состоянии

В некоторых драйверах шагового привода имеется настройка этого тока (STOP current) отдельно от настройки рабочего тока в состоянии движения (RUN current). Это сделано для того, чтобы уменьшить тепловые нагрузки на шаговый двигатель в остановленном состоянии, когда уменьшенного тока хватает для того, чтобы обеспечить «стояние» двигателя под нагрузкой. При возобновлении движения ток снова возрастает до уровня рабочего тока.

Количество фаз шагового двигателя

Различают 2-х, 3-х и 5-ти фазные шаговые двигатели. Увеличение количества фаз двигателя улучшает плавность хода привода, и, что особенно важно, подавляет резонансные явления в приводной системе, однако увеличивает стоимость не только двигателя, но и шагового драйвера. Определить количество фаз шагового двигателя возможно по значению полного шага: 0.9° и 1.8° соответствуют 2-х фазному двигателю, 1.2° и 1.5° — трехфазному, 0.72° — пятифазному. Значение полного шага обычно приводится в паспортной табличке двигателя.

Количество выводов обмоток

Для двухфазных шаговых двигателей, как правило, различают — 4-х выводные двигатели, 6-ти выводные и 8 выводные. Наиболее универсальные — это 8-ми выводные двигатели. Если выводы такого двигателя соответствующим образом соединить, то можно получить аналог как 6-ти выводного двигателя, так и 4-х выводного. Более того, полу обмотки 8-ми выводного двигателя можно соединять как последовательно, так и параллельно, и тем самым получать шаговый двигатель либо с большим моментом, либо с большей скоростью вращения. Однако эта универсальность является и недостатком, поскольку имеется вероятность неправильного подключения полу обмоток не совсем опытным пользователем. Большинство недорогих драйверов китайского производства имеют 4-е выходные клеммы для подключения обмоток шаговых двигателей.

Трехфазные двигатели шаговые двигатели имеют либо три вывода, либо шесть. В последнем случае обмотки можно включать по схемам «звезда/треугольник (delta)» изменяя соотношение момент/скорость такого двигателя. Один из наиболее известных производителей, использующий 3-х фазный шаговый привод — Siemens. Однако с драйвером Siemens хорошо работают трехфазные шаговые двигатели китайских производителей.

Пятифазные шаговые двигатели могут иметь либо пять выводов, либо десять. В последнем случае обмотки можно включать по схемам «звезда/пентагон», изменяя соотношение момент/скорость такого двигателя. Пятифазные шаговые приводы широко представлены на российском рынке продукцией южно-корейской фирмы Autonics. Как плавило, данный тип продукции используется в приводных высокоточных системах.

Напряжение электропитания драйвера шагового привода

Различают драйверы шагового привода, которые могут питаться от сети с напряжением 220В переменного тока, так и драйверы с питанием от шин постоянного тока с различной величиной напряжения (наиболее часто используется напряжение 24В). Драйверы с напряжением питания 220В переменного тока — наиболее дорогие, однако, обеспечивают наиболее широкий диапазон скоростей вращения шагового двигателя. Существенный недостаток таких драйверов — они приводят к повышенному нагреву шагового двигателя. Это происходит из-за повышенной пульсации тока в обмотках двигателя. Питание повышенным напряжением постоянного тока (до 80 вольт и более) также приводит к широкому диапазону достигаемых скоростей в приводе, однако требует специального вторичного источника питания для этих целей.

Микрошаг

Режим микрошага (иногда этот режим называют режимом дробления шага двигателя) используют для увеличения плавности хода и уменьшения резонансных явлений приводной шаговой системы (и как следствие этого, увеличения быстродействия). Можно говорить и об увеличении точности позиционирования, но только в том случае, если шаговый двигатель сильно недогружен, практически отсутствует сухое трение, и в кинематической цепочке от вала шагового двигателя до исполнительного органа приводного механизма нет упругих инерционных элементов.

Формат управляющих импульсов

Различают следующие форматы управляющих командных импульсов, поступающих от контролера верхнего уровня на командные входы драйвера шагового привода:

• P/D (pulse/direction, puls/sign, импульс/направление, 1P) — управляющие импульсы представлены двумя последовательностями импульсов, первая из которых задаёт величину перемещения, а вторая определяет направление перемещения;
• CW/CCW (по часовой стрелке/против часовой стрелки, 2P) — управляющие импульсы представлены двумя последовательностями импульсов, первая из которых задаёт величину перемещения при вращении в одну сторону, а вторая — величину перемещения при вращении в другую сторону;
• A&B (A/B, квадратурный формат, мастер-энкодер, две сдвинутых меандры) — управляющие импульсы представлены двумя последовательностями, количество фронтов сигналов в которых задают величину перемещения (иногда количество импульсов только одной из последовательностей задаёт величину перемещения, в этом случае эффекта «учетверения импульсов» не происходит), а опережение фазы одной из последовательностей по сравнению с другой — определяет направление вращения двигателя.

Большинство драйверов шагового привода способны работать с любым из вышеперечисленных форматов командных импульсов. «Вес» каждого управляющего импульса (то есть, величина перемещения вала шагового двигателя от действия одного импульса на командных входах драйвера) определяется коэффициентом дробления шага (величиной микрошага), который устанавливается в драйвере шагового привода либо с помощью микропереключателей, либо путем программирования этого драйвера. Дискрета перемещения зависит не только от коэффициента дробления шага, но и от типа двигателя, величины его полного шага. Например, при величине полного шага 1.8° и коэффициенте дробления шага — 256, при подаче одного управляющего импульса вал двигателя должен повернуться на 25,31 угловые секунды

Максимальная частота командных импульсов

Предельная частота импульсов, до которой драйвер шагового привода способен работать не «проглатывая» их. При этом скорость вращения шагового двигателя не обязательно будет близка к предельным значениям, поскольку эта скорость связана с частотой командных импульсов через коэффициент дробления шага двигателя.

Частота приёмистости (стартовая частота) — это частота подачи управляющих импульсов, соответствующая частоте полных (или половинных) шагов, с которой двигатель может сразу начать движение. В паспортных данных приводится частота приемистости соответствующая «пустому» двигателю, то есть, без нагрузки на вале, в том числе инерционной. При увеличении нагрузки частота приёмистости падает. Определить теоретически, какую частоту можно подавать в качестве стартовой, невозможно. Значение этой частоты для конкретной нагрузки определяется методом «проб и ошибок» при настройке системы.

Режим работы

Различают следующие режимы работы:

• управления положением;
• регулирования скорости.

Управление положением осуществляется шаговым приводом с помощью управляющих импульсов того или иного формата, поступающих от контроллера верхнего уровня (host controller). Однако некоторые производители шаговых проводов предлагают режим регулирования скорости вращения шагового двигателя. Сигнал задания скорости в этом случае является аналоговым сигналом. Двигатель вращается со скоростью пропорциональной величине аналогового сигнала. Перенастройка величины скорости может осуществляться как в режиме реального времени, так и априори, только до момента пуска привода в работу.

Шаговый привод в режиме регулировки скорости может быть использован, например, как простой привод, вращающий нагрузку с постоянной медленной скоростью, без каких либо дополнительных управляющих устройств верхнего уровня.

Дискретные входы

Эти входы воспринимают 2-х уровневый электрический сигнал. Сигналы позволяют управлять драйвером шагового привода. По умолчанию дискретные входы воспринимают отсутствие сигнала, как неактивный уровень сигнала. С помощью этих входов можно осуществить: пуск привода, сбросить аварийное состояние привода, блокировать действие поступающих командных импульсов, изменить направление вращения двигателя и пр.

Степень защиты корпуса

Определяет защиту корпуса от проникновения внутрь твердых предметов, пыли, а также воды. Защита обозначается двумя цифрами после латинских букв IP. Чем больше цифры, тем сильнее защита. Степень — IP20 говорит о том, что для защиты прибора требуется установка его в шкаф, оболочка последнего обеспечивает защиту приборов от пыли и влаги.