Выбор подходящего типа шагового двигателя для вашего применения

Шаговые двигатели популярны благодаря своей способности точно останавливаться, а также простоте использования. Как величина вращения, так и скорость легко контролируются с помощью одного и того же цифрового прямоугольного импульсного сигнала. В отличие от серводвигателей, шаговым двигателям для работы не требуется энкодер. Примерами применения шаговых двигателей являются станки с ЧПУ, индексные столы, робототехника, сканеры и, в последнее время, 3D-принтеры.

Выбор подходящего шагового двигателя для вашего приложения требует понимания различных факторов, включая тип шагового двигателя, требования приложения и условия окружающей среды. Вот руководство, которое поможет вам принять обоснованное решение:

1. Типы шаговых двигателей

Шаговый двигатель с постоянным магнитом (ПМ):

Характеристики:

Использует ротор с постоянными магнитами и, как правило, недорог.

Лучше всего подходит для:

Приложения, требующие низкого крутящего момента и скорости, например, базовые задачи позиционирования.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением (VR):




Характеристики:

Имеет ротор из мягкого железа, который обеспечивает более высокое разрешение шага, но меньший крутящий момент по сравнению с шаговыми двигателями с постоянными магнитами.




Лучшее для:

Высокоскоростные приложения с низким крутящим моментом, где требуется более высокое разрешение.

Гибридный шаговый двигатель:

Характеристики:

Сочетает в себе характеристики двигателей PM и VR, обеспечивая высокий крутящий момент и точность благодаря постоянному магниту и зубчатому ротору.

Лучше всего подходит для:

Высокопроизводительные приложения, требующие точного управления, такие как 3D-принтеры, станки с ЧПУ и промышленная автоматизация.

2.Определение требований к приложению

Требования к крутящему моменту:

Оцените нагрузку, которую будет развивать двигатель. Требуемый крутящий момент зависит от веса, трения и ускорения груза.

Удерживающий крутящий момент:

Крутящий момент, необходимый для поддержания положения, когда двигатель неподвижен. Это имеет решающее значение для таких приложений, как робототехника или системы вертикального перемещения.

Рабочий крутящий момент:

Крутящий момент, необходимый во время движения. Это жизненно важно для приложений, которые подразумевают непрерывное или динамическое движение.

Требования к скорости:

Шаговые двигатели лучше всего работают на низких скоростях. Учитывайте диапазон скоростей, необходимый для вашего применения, и убедитесь, что двигатель справится с ним без потери шагов.










Разрешение шага:

Определите требуемую точность. Большее количество шагов (например, 200 шагов на оборот) обеспечивает более точное управление, но может потребовать более сложных драйверов.







Микрошаг:

В некоторых приложениях используется микрошаг, который увеличивает разрешение за счет разделения каждого полного шага на более мелкие приращения.







Напряжение и ток:

Сопоставьте номинальное напряжение и ток двигателя с вашим драйвером и источником питания. Более высокое напряжение часто означает лучшую производительность на более высоких скоростях, а более высокий ток обеспечивает больший крутящий момент.







Совместимость драйверов:

Убедитесь, что двигатель совместим с драйвером, который вы собираетесь использовать. Некоторые драйверы специально разработаны для определенных типов шаговых двигателей (например, биполярных или униполярных конфигураций).

3. Экологические соображения

Температура:

Шаговые двигатели выделяют тепло во время работы. Подумайте, сможет ли двигатель выдержать температуру окружающей среды, особенно если он будет использоваться в замкнутом пространстве или рядом с термочувствительными компонентами.

Вибрация и шум:

Некоторые приложения требуют тихой работы, поэтому следует учитывать уровень шума и вибрацию двигателя. Гибридные двигатели обычно тише двигателей с постоянными магнитами или VR.

Влажность и пыль:

В суровых условиях выбирайте двигатели с соответствующими защитными функциями (например, классом IP), чтобы предотвратить повреждение от влаги или пыли.

4. Физический размер и монтаж

Размер двигателя:

Убедитесь, что двигатель соответствует физическим ограничениям вашего приложения. Размер двигателя часто коррелирует с его выходным крутящим моментом.

Конфигурация монтажа:

Продумайте, как будет крепиться двигатель. Стандартные размеры корпусов NEMA (например, NEMA 17, NEMA 23) являются общими, но убедитесь, что монтажные отверстия двигателя совпадают с конструкцией вашей системы.

5. Стоимость и производительность

Соотнесите стоимость мотора с его эксплуатационными характеристиками. Хотя гибридные шаговые двигатели обеспечивают лучшую точность и крутящий момент, они дороже, чем двигатели с постоянными магнитами или VR. Выберите двигатель, который соответствует требованиям вашего применения, без чрезмерных технических затрат.

6. Тестирование и прототипирование

Прежде чем сделать окончательный выбор, протестируйте двигатель в конкретных условиях эксплуатации. Прототипирование может помочь вам выявить любые проблемы с крутящим моментом, скоростью или совместимостью перед массовым производством.

Выбор подходящего шагового двигателя требует тщательного рассмотрения типа двигателя, требований применения, условий окружающей среды и стоимости. Тщательно оценив эти факторы, вы сможете выбрать двигатель, который обеспечит надежную и эффективную работу для вашего конкретного применения.

Когда имеет смысл использовать конкретный тип шагового двигателя? Это зависит от вашего приложения.

1. Выполнение быстрых операций индексации на коротких расстояниях

2. Достижение высокоскоростного возвратно-поступательного движения.

3. Выполнение операций индексации большой инерционной нагрузки

4. Выполнение операций индексации с более высокой точностью остановки

5. Выполнение операции вертикального позиционирования с торможением при выключении питания

6. Выполнение операции позиционирования с обратной связью

7. Расположение в небольшом пространстве

Преимущества шаговых двигателей

Шаговые двигатели обладают рядом преимуществ, которые делают их идеальными для широкого спектра применений, особенно тех, которые требуют точного контроля положения, скорости и ускорения. Вот основные преимущества использования шаговых двигателей:

1. Точное позиционирование и повторяемость.

Точность:

Шаговые двигатели движутся фиксированными дискретными шагами, что позволяет точно контролировать положение. Каждый шаг соответствует определенному углу поворота, обеспечивая последовательные и повторяемые движения.

Обратная связь не требуется:

В отличие от серводвигателей, шаговые двигатели не требуют системы обратной связи (например, энкодера) для поддержания положения, что упрощает конструкцию и снижает стоимость.

2. Простые системы управления

Управление с разомкнутым контуром:

Шаговыми двигателями можно управлять с помощью систем с разомкнутым контуром, в которых контроллер посылает шаговые импульсы без необходимости контролировать положение двигателя. Эта простота снижает сложность и стоимость системы.

Простота интеграции:

Шаговые двигатели легко взаимодействовать с микроконтроллерами и другими цифровыми системами управления, что делает их пригодными для применения в робототехнике, автоматизации и т. д.

3. Высокий крутящий момент на низких скоростях.

Возможность прямого привода:

Шаговые двигатели обеспечивают высокий крутящий момент на низких скоростях, что делает их идеальными для прямого привода без необходимости использования сложных зубчатых передач.

Удержание крутящего момента:

Шаговые двигатели могут поддерживать удерживающий крутящий момент в неподвижном состоянии, что полезно в приложениях, где поддержание фиксированного положения имеет решающее значение, например, в станках с ЧПУ и 3D-принтерах.

4. Отличная стабильность

Нет дрейфа:

После установки шаговые двигатели не смещаются, обеспечивая стабильную работу. Эта стабильность особенно полезна в приложениях, требующих длительного удержания положения без движения.

5. Надежность и долговечность.

Длительный срок службы:

Шаговые двигатели имеют меньше движущихся частей, чем двигатели других типов, что обеспечивает более высокую надежность и более длительный срок службы.

Низкие эксплуатационные расходы:

Прочная конструкция и отсутствие щеток или коммутаторов означают, что шаговые двигатели требуют минимального обслуживания по сравнению с коллекторными двигателями.

6. Широкий диапазон размеров и конфигураций.

Универсальность:

Шаговые двигатели доступны в различных размерах, разрешениях шагов и номинальных крутящих моментах, что позволяет настраивать их в соответствии с конкретными потребностями применения.

Адаптивность:

Их можно настроить для различных режимов работы, включая полношаговый, полушаговый и микрошаговый, что обеспечивает гибкость рабочих характеристик.

7. Экономически эффективное решение

Доступный:

Шаговые двигатели, как правило, более эффективны с точки зрения затрат, чем другие прецизионные двигатели, такие как сервоприводы, особенно в тех случаях, когда преимущества, присущие двигателю, устраняют необходимость в дополнительных компонентах, таких как энкодеры.

Снижение затрат на систему:

Простота системы управления и отсутствие компонентов обратной связи снижают общую стоимость системы.

8. Высокая надежность в низкоскоростных приложениях с высоким крутящим моментом.

Отсутствие проблем с резонансом на низких скоростях:

Шаговые двигатели особенно эффективны в низкоскоростных устройствах с высоким крутящим моментом, где другие двигатели могут испытывать проблемы с резонансом или требовать сложных алгоритмов управления.

9. Никакой настройки не требуется

Простота использования:

В отличие от серводвигателей, шаговые двигатели не требуют настройки контуров управления, что упрощает настройку и сокращает время, необходимое для развертывания.

10. Совместимость с современными контроллерами

Интеграция с микрошаговыми контроллерами:

Современные драйверы шаговых двигателей могут использовать микрошаг для увеличения разрешения и плавности движения, что делает шаговые двигатели еще более универсальными и точными.

Шаговые двигатели являются популярным выбором для приложений, требующих точного управления, надежности и простоты. Их способность обеспечивать точное позиционирование, высокий крутящий момент на низких скоростях и совместимость с простыми системами управления делает их идеальными для широкого спектра применений, от робототехники до промышленной автоматизации. Кроме того, их экономичность и долговечность делают их практичным выбором как для небольших проектов, так и для крупных промышленных систем.