Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему: «Шаговые двигатели и их применение в лазерных машинах с ЧПУ»

Самара 2016

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. КОНСТРУКЦИЯ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1 Двигатели с переменным магнитным сопротивлением

1.2 Двигатели с постоянными магнитами

1.3 Гибридные двигатели

1.4 Классификация по связи с валом

2. ПРИНЦИП РАБОТЫ

2.1 Влияние нагрузки

3. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

4. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

4.1 Использование шагового двигателя в лазерных установках

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Шаговый двигатель (stepper motors или stepping motors) - это электрический двигатель, преобразующий цифровой электрический входной сигнал в механическое движение; одна из разновидностей бесщеточных (бесколлекторных) двигателей постоянного тока. [2]

Шаговый двигатель позволяет осуществлять позиционирование ротора с точностью до долей градуса, что абсолютно недостижимо для других типов двигателей. Для устройств на основе шаговых двигателей, как правило, не требуется концевых выключателей или каких-то конечных сенсоров. Кроме того, ротор такого двигателя можно жестко зафиксировать в нужном положении без применения электромагнитных или механических тормозных и удерживающих систем, например электромагнитных муфт. Для этого необходимо в нужной позиции ротора сохранить некоторый остаточный ток в обмотках двигателя -- так называемый ток удержания. [1]

История возникновения ШД гласит, что в 1927 году было опубликовано описание ШД, используемого Великобританией для дистанционного управления индикатором направления торпедных аппаратов и орудий на военных кораблях. Один полный оборот рукоятки обеспечивал шесть шагов и выполнял поворот ротора на 90?. Движение ротора шагами по 15? было замедленным для требуемой точности положения ротора. В США шаговые двигатели применялись для аналогичных целей. Но существуют примеры и более раннего применения ШД. Первый прообраз шагового двигателя с храповым механизмом был изобретен в середине XIX века. Основы современного шагового двигателя были заложены в конце XIX века для его использования в телефонии.

1. КОНСТРУКЦИЯ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Шаговый двигатель состоит из ротора - вращающейся части, - и статора - неподвижной части (рисунок 1). Статор шагового двигателя имеет сердечник с явно выраженными полюсами, который обычно делается из ламинированных штампованных листов электротехнической стали для уменьшения вихревых токов и уменьшения нагрева. Статор обычно имеет от двух до пяти фаз. Шаговые двигатели надежны и недороги, так как ротор не имеет контактных колец и коллектора: он имеет либо явно выраженные полюса, либо тонкие зубья и является одним целым с валом. Ротор изготавливается из металлических стержней, которые замыкаются между собой с двух сторон, отсюда и название - короткозамкнутый ротор. Благодаря такой конструкции нет необходимости в частом периодическом обслуживании; увеличивается надежность, долговечность, безотказность.

Все конструкции шаговых двигателей с одной обмоткой управления по выполнению магнитной системы можно разделить на два основных типа:

а) с ограниченным перемещением к жесткой связью сердечника с выходным валом;

б) с вращающимся сердечником.

Рисунок 1 - Структура шагового двигателя

3. Типы шаговых двигателей

По конструкции ротора выделяют 3 типа шаговых двигателей:

1) реактивный (или с переменным магнитным сопротивлением);

2) с постоянными магнитами;

3) гибридный.

1.1 Двигатели с переменным магнитным сопротивлением

В шаговом двигателе с переменным магнитным сопротивлением вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга.

Полюса каждой пары расположены напротив друг друга и имеют независимые одноименные обмотки. Ротор оборудован зубцами, сделанными из мягкого магнитного материала (рисунок 2). Этот тип двигателя не чувствителен к направлению тока в обмотках. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая, в свою очередь, пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент, развиваемый двигателем, зависит только от параметров обмоток. Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют шаг, лежащий в диапазоне 5-15.

Рисунок 2 - Распространенная конструкция ротора реактивного шагового двигателя (радиальный разрез)

1.2 Двигатели с постоянными магнитами

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты (рисунок 3). Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением. При включении тока в одной из катушек ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, которая ограничивает их максимальную скорость. Для работы на высокой скорости используются двигатели с переменным магнитным сопротивлением. Обычно, величина шага таких двигателей лежит в диапазоне 45-90°.

Рисунок 3 - Структура ротора шагового двигателя с постоянными магнитами (радиальный разрез)

1.3 Гибридные двигатели

Гибридные двигатели дороже, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, бульший момент и большую скорость. Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного шагового двигателя представляет из себя цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль продольной оси с радиальными зубьями из магнитомягкого материала и имеет зубцы, расположенные в осевом направлении (рисунок 3). Типичное число зубцов гибридного двигателя -- от 100 до 400 (угол шага -- 3,6°-0,9°). Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большее количество эквивалентных полюсов, на которых расположены обмотки.

Рисунок 3 - Ротор гибридного двигателя

Обычно используется четыре основных полюса для 3,6° и восемь основных полюсов -- для 1,8° или 0,9° (рисунок 4). Большинство двигателей этого типа имеют 100 полюсов (50 пар), и с учетом двухфазного исполнения полное количество полюсов равно 200, а угол шага составляет 1,8° (360/200).

Рисунок 4 - Структура гибридного шагового двигателя (радиальный разрез)

1.4 Классификация по связи с валом

Для преобразования электрических импульсов в угловые перемещения якоря соленоидного электромагнита соединяется с выходным валом посредством храпового или анкерного механизма (рисунок 5). Устройство этого типа шаговых двигателей образуют широкий класс шаговых двигателей с жесткой механической связью с валом. Шаговые двигатели, использующие электромагниты поворотного типа, не нуждаются в кинематической цепи, имея гибкую электромагнитную связь с валом.

Рисунок 5 - Анкерный механизм шагового двигателя

До сих пор важное место в технике связи занимают шаговые двигатели с клапанным якорем, на основе которого разработаны различного типа шаговые искатели. Применение той или иной системы зависит от требуемого характера привода. Например, вал шагового двигателя может быть соединен с исполнительным механизмом через спиральную пружину для ослабления влияния момента инерции нагрузки на приемистость шагового двигателя. В этом случае нарастание момента сопротивления, приложенного к валу двигателя, будет определяться углом закручивания и жесткостью пружины. Тяговая характеристика электромагнита, используемого для завода пружины, должна во всех точках проходить выше характеристики пружины и иметь предпочтительно линейный устойчивый характер.

Шаговые двигатели с жесткой связью с валом не вносят собственной ошибки в работу системы. Величина шага строго постоянна и определяется зубцовым делением храпового механизма. Однако быстродействие таких шаговых двигателей оказывается наиболее низким. Действительно, каждому шагу соответствует прямой и обратный ход якоря; электромагнитная постоянная времени сосредоточенной обмотки управления велика; масса и момент инерции якоря, рычага, собачки и храпового колеса значительны и не могут быть уменьшены ниже известного предела.

Двигатели соленоидного типа нашли применение в устройствах, где не требуется работа на высокой частоте. Фирма Northrop Aircraft (США) выпускает соленоидный шаговый двигатель с храповым механизмом для применения в авианавигационных и ракетных установках. Двигатель имеет шаг 36° и работает с частотой несколько герц. Два спаренных соленоида обеспечивают реверсивную работу двигателя. Фирма Ledex (США) выпускает две серии подобных шаговых двигателей под индексами Syncramental и Digimoto. Двигатель изготавливается С шагом 45°, 36°, 30° 20° и 15°, работает при частоте 15-25 гц, применяется для потенциометров, переключателей, счетчиков и рассчитан на работу при ударной нагрузке и вибрац

2. ПРИНЦИП РАБОТЫ

Как и все моторы, шаговые двигатели состоят из статора и ротора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала, а в состав статора входят катушки (обмотки). Обмотки шагового двигателя являются частью статора, и различия в способах подключения обмоток определяют тип подключения шагового двигателя.

Рисунок 6 - Возможный вариант реализации шагового двигателя

На рисунке 6 обмотки не соединяются вместе. Мотор по такой схеме имеет шаг поворота равный 90°. Все коммутации производятся внешними схемами. Обмотки задействуются по кругу -- одна за другой. Направление вращения вала определяется порядком, в котором задействуются обмотки.

Обычно система мотор -- контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.

2.1 Влияние нагрузки

Момент, создаваемый шаговым двигателем, зависит от скорости, тока в обмотках и схемы управляющего драйвера. У идеального шагового двигателя зависимость момента от угла поворота ротора синусоидальная. Точки S являются положениями равновесия ротора для двигателя без нагрузки и соответствуют нескольким последовательным шагам (рисунок _, а). Если к валу двигателя приложить внешний момент меньше момента удержания, то угловое положение ротора изменится на некоторый угол ц:

,

где ц - угловое смещение,

N - количество шагов двигателя на оборот,

Ta - внешний приложенный момент,

Th - момент удержания.

Угловое смещение ц является ошибкой позиционирования нагруженного двигателя. Если к валу двигателя приложить момент, превышающий момент удержания, то под действием этого момента вал провернется. В таком режиме положение ротора является неконтролируемым. На практике всегда имеется приложенный к двигателю внешний момент: двигателю приходится преодолевать трение. Силы трения могут быть разделены на статическое трение или трение покоя, для преодоления которого требуется постоянный момент и динамическое трение или вязкое трение, которое зависит от скорости.

Рассмотрим статическое трение. Пусть для его преодоления требуется момент, равный половине максимального. На рисунке 7а штриховыми линиями показан момент трения. Таким образом, для вращения ротора остается только момент, лежащий на графике за пределами штриховых линий. Отсюда следуют два вывода: трение снижает момент на валу двигателя и появляются мертвые зоны вокруг каждого положения равновесия ротора (рисунок 7б) двигатель магнитный шаговой цифровой

Рисунок 7 - Возникновение мертвых зон в результате действия трения

Мертвые зоны ограничивают точность позиционирования. Например, наличие статического трения в половину от пикового момента двигателя с шагом 90 град. вызовет наличие мертвых зон в 60 град. Это означает, что шаг двигателя может колебаться от 30 до 150 град., в зависимости от того, в какой точке мертвой зоны остановится ротор после очередного шага.

Каждый раз, когда шаговый двигатель осуществляет шаг, ротор поворачивается на S радиан. При этом минимальный момент имеет в место, когда ротор находится ровно между соседними положениями равновесия. Этот момент называют рабочим моментом, он означает, какой наибольший момент может преодолевать двигатель при вращении с малой скоростью. Если двигатель делает шаг с двумя запитанными обмотками, то рабочий момент равен моменту удержания для одной запитанной обмотки.

Параметры привода на основе шагового двигателя сильно зависят от характеристик нагрузки. Кроме трения, реальная нагрузка обладает инерцией. Инерция препятствует изменению скорости. Инерционная нагрузка требует от двигателя больших моментов на разгоне и торможении, ограничивая таким образом максимальное ускорение. С другой стороны, увеличение инерционности нагрузки увеличивает стабильность скорости.

3. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Шаговые двигатели используется там, где необходимо более точное позиционирование и скорость перемещения. По сравнению с другими приборами, которые могут выполнять эти же или подобные функции, система управления, используемая в шаговых двигателях, обладает существенными преимуществами: может быть обеспечено очень точное перемещение на заданный угол без обратной связи - поворот ротора зависит от числа поданных импульсов на устройство управления. Вне зависимости от нагрузки обеспечивается стабильная работа. В ситуациях, когда нагрузка превышает максимальный вращающий момент двигателя, шаговый двигатель будет пропускать шаги - это предохранит его от сгорания. Так как скорость зависит от количества входных импульсов, то диапазон возможных для работы скоростей очень широк. Сверхнизкие скорости вращения вала могут быть получены без использования редуктора.

Низкая стоимость, стандартизированные размеры двигателя и угла поворота, совместимость с современными цифровыми устройствами, высокая точность позиционирования и повторяемость определяют безусловную простоту в установке и использовании. Шаговый двигатель более надежен в том плане, что благодаря физическим принципам работы в случае поломки двигатель остановится и установка будет безопасна. Из-за отсутствия щёток срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы его подшипников.

Но кроме этого, шаговый двигатель обладает рядом недостатков, которые необходимо учесть при проектировании устройства с использованием такого двигателя. Одной из самых важных проблем является нежелательный эффект, называемый резонансом. Он может привести к пропуску шагов и потере синхронности. Эффект проявляется в виде внезапного падения момента на некоторых скоростях, если частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора двигателя. Шаговый двигатель энергонеэкономичен и вне зависимости от нагрузки потребляет одинаковое большое количество энергии. Крутящий момент резко снижается при увеличении частоты вращения - свойственна обратная пропорциональность скорости. Кроме всего этого, двигатель сильно нагревается в процессе работы и шумит на средних и высоких скоростях.

4. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В настоящее время шаговые двигатели широко используются в периферийных устройствах ЭВМ и подобных системах. Например, принцип использования линейного реактивного НД применен для перемещения каретки в серийном печатающем устройстве; в двухкоординатном XY-графопостроителе для передачи движения от вала двигателя; в XY-столах и вращающихся столах для управления положением на плоскости; в фрезерных станках; в чертежных автоматах для управления чертёжной головкой чертежных автоматов; в часах. Кроме этого, шаговые двигатели применяются в космических летательных аппаратах, запускаемых для научных исследований. На сканирующей платформе расположены различные приборы, которые наводятся на нужную цель с помощью шаговые двигатели.

Кроме промышленной и бытовой области, шаговые двигатели находят применение в творчестве радиолюбителей, изготовлении роботов, самодельных движущихся устройств, самодельных станков с ЧПУ и т.д. В двигателях используются постоянные магниты, электромагниты или оба вида магнитов в гибридных моделях. Последние чаще используются в промышленных станках различного назначения. Питаются двигатели от источника постоянного тока.

4.1 Использование шагового двигателя в лазерных установках

Достоинством лазерной обработки является очень тонкий срез при минимальной температурной нагрузке и деформации, благодаря чему обработка заготовки висококачественна. Кроме того, лазер способен обрабатывать практически любые конструкционные материалы и заготовки различных форм и габаритных размеров (в том числе тончайшие или мягкие, не поддающиеся из-за этого обработке фрезой - например, бумагу, резину, полиэтилен и пр.). Преимущества технологии лазерной обработки перед обработкой резанием привели к появлению лазерно-гравировальных станков. По принципу действия эти машины очень схожи с фрезерными станками с ЧПУ. Лазерный станок также имеет монолитный корпус, горизонтальный рабочий стол, размещённый над ним подвижный инструментальный портал с головкой лазерного излучателя (аналога шпинделя с фрезой). Движение портала (и соответственно, головки излучателя) обеспечивается шаговыми электродвигателями под воздействием управляющих импульсов, генерируемых системой ЧПУ (в соответствие с заложенной в память станка программой обработки). Процессор ЧПУ также управляет мощностью лазерного луча и обеспечивает функционирование прочих узлов станка.

Механическая часть лазерной машины состоит из двух шаговых двигателей, ременно-зубчатой передачи, червячной передачи и линейных направляющих. Собранная воедино она составляет координатный стол (рисунок 8). Управление механической системой происходит как с машины, так и с компьютера. При подаче импульсов на шаговый двигатель происходит его вращение на определенный градус, и через ременную передачу происходит перемещение.

Вращательное движение шагового двигателя через зубчатый шкиф передается ремню или червячной передаче для преобразования в поступательное.

Ремни обеспечивают высокие скорости перемещения головки при гравировке и точность при резке. Стальные закаленные направляющие и блоки с закрытыми подшипниками обеспечивают надежную и стабильную работу машины.

Подъем и опускание стола происходит путем передачи вращательного движения от шагового электродвигателя на винтовую передачу. Во избежание поломки механизма установлены концевые датчики.

Рисунок 8 - Координатный стол лазерной машины

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современная техника немыслима без фрезерных, токарных, электроэрозионных и многих других станков с цифровым управлением. Большая часть из них действует благодаря шаговым двигателям. Шаговые двигатели обосновались в механизмах управления прокатных станов, прессов и других металлургических машин, стали одним из самых распространенных элементов автоматики, работают в электрических часах, таймерах и счетчиках, на кораблях, самолетах и искусственных спутниках Земли -- везде, где требуется быстрое, точное и надежное исполнение воли человека.

С расширением рабочих профессий шагового двигателя возникло самостоятельное развитое направление -- дискретный электропривод с шаговыми двигателями. У его истоков стояли ученые и инженеры проблемной лаборатории электромеханики Московского энергетического института.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рентюк, В. Шаговые двигатели и особенности их применения [Текст]: Электрик. -2012. - № 11. - С. 45-50.

2. Кенио, Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления [Текст]: Пер. с англ. - М: Энергоатомиздат, 1987. - 200 с.: ил.

3. Емельянов, А.В. Шаговые двигатели [Текст]: учеб. пособие/ А.В.Емельянов, А.Н. Шилин/ ВолгГТУ. - Волгоград, 2005. - 48 с.

Размещено на Allbest.ru