Серводвигатели против шаговых двигателей

Серводвигатели против шаговых двигателей

Шаговый электродвигатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

Шаговые двигатели можно отнести к группе бесколлекторных двигателей постоянного тока. Шаговые двигатели, имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в индустриальных применениях. При увеличении скорости двигателя, уменьшается вращающийся момент.
Шаговые двигатели делают больше вибрации, чем другие типы двигателей, поскольку дискретный шаг имеет тенденцию хватать ротор от одного положения к другому. За счет этого шаговый двигатель во время работы очень шумный. Вибрация может быть очень сильная, что может привести двигатель к потери момента. Это связано с тем, что вал находится в магнитном поле и ведет себя как пружина. Шаговые двигатели работают без обратной связи, то есть не используют Энкодеры или резольверы для определения положения.
Типы:
Существует четыре главных типа шаговых двигателей:

• Шаговые двигателя с постоянным магнитом
• Гибридный шаговые двигателя
• Двигатели с переменным магнитным сопротивлением
• Биполярные и униполярные шаговые двигатели

Преимущества Шагового двигателя:

• Устойчив в работе
• Работает в широком диапазоне фрикционных и инерционных нагрузок и скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов.
• Нет необходимости в обратной связи
• Намного дешевле других типов двигателей
• Подшипники — единственный механизм износа, за счет этого долгий срок эксплуатации.
• Превосходный крутящий момент при низких скоростях или нулевых скоростях
• Может работать с большой нагрузкой без использования редукторов
• Двигатель не может быть поврежден механической перегрузкой
• Возможность быстрого старта, остановки, реверсирования

Главным преимуществом шаговых приводов является точность. При подаче потенциалов на обмотки, шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Шаговый привод, можно приравнять к недорогой альтернативе сервоприводу, он наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика.

Недостатки шагового двигателя:

• Постоянное потребление энергии, даже при уменьшении нагрузки и без нагрузки
• У шагового двигателя существует резонанс
• Из-за того что нет обратной связи, можно потерять положение движения.
• Падение крутящего момента на высокой скорости
• Низкая ремонтопригодность

Применение.
Шаговые двигателя имеет большую область применения в машиностроении, станках ЧПУ, компьютерной технике, банковских аппаратах, промышленном оборудовании, производственных линиях, медицинском оборудовании и т.д.

Что такое серво двигатель и принцип его работы:

Серводвигателя делятся на категории щеточные (коллекторные) и без щеточные (без коллекторные) . Щеточные (коллекторные) серводвигатели могут быть постоянного тока, без коллекторные серводвигатели могут быть постоянного и переменного тока. Серводвигатели с щетками (коллекторные), имеют один недостаток каждые 5000 часов необходима замена щеток. На серводвигателях всегда есть обратная связь, это может быть энкодер или резольвером. Обратная связь необходима, чтобы достичь необходимой скорости, либо получить нужный угол поворота. В случаях высоких нагрузок и если скорость окажется ниже требуемой величины, ток пойдет на увеличение , пока скорость не достигнет нужной величины, если сигнал скорости покажет, что скорость больше, чем нужно, ток, пойдет на уменьшение. При использовании обратной связи по положению, сигнал о положении можно использовать чтобы остановить двигатель, после того, как ротор двигателя приблизится к нужному угловому положению.
АС серводвигатель — двигатель переменного тока. В ценообразовании двигатель переменного тока дешевле двигателя постоянного тока. По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели и коллекторные.
В синхронных двигателях переменного тока ротор и магнитное поле вращается синхронно с одинаковой скоростью и в одном направлении с статором, а в асинхронных двигателях переменного тока ротор вращается несинхронно по отношению с магнитным полем. В асинхронном двигателе из-за отсутствия коллектора (щетки) регулировка оборотов происходит за счет изменения частоты и напряжения.

DC серводвигатель — двигатель постоянного тока.
Серводвигатели постоянного тока из за своих динамических качеств могут быть использованы приводом непрерывного действия. Серводвигатели постоянного тока могут постоянно работать в режимах старт, остановка и работать в обоих направлениях вращения. Обороты и развиваемый крутящий момент можно изменять путем изменения величины напряжения тока питания или импульсами.

Преимущества серводвигателей:

• При малых размерах двигателя можно получить высокую мощность
• Большой диапазон мощностей
• Отслеживается положение, за счет использования обратной связи
• Высокий крутящий момент по отношении к инерции
• Возможность быстрого разгона и торможения
• При высокой скорости, высокий крутящий момент
• Допустимый предел шума при высоких скоростях
• Полное отсутствия резонанса и вибрации
• Точность позиционирования
• Широкий диапазон регулирования скорости.
• Точность поддержания скорости и стабильность вращающего момента.
• Высокий статический момент Мо при нулевой скорости вращения.
• Высокая перегрузочная способность: Mmax до 3.5Mo, Imax до 4Io
• Малое время разгона и торможения, высокое ускорение (обычно > 5 м/с 2 ).
• Малый момент инерции двигателя, низкий вес, компактные размеры.

Пример работы двигателя:
На данном примере я перескажу вам принцип работы серводвигателя. После того, как вы сгенерировали управляющую программу, она создается в системе G-кодов, то есть ваша линия, окружность или любой созданный вами объект конвертируется в перемещение по координатам X,Y, Z на определённое расстояние. За расстояние отвечают импульсы, которые подаются через блок управления на двигатель. При перемещении любой из осей, например на 100 мм, драйвер (блок управления) подает определённое напряжение на двигатель, вал двигателя (ротор). Вал двигателя соединен с ходовым винтом (ШВП), вращение оборотов двигателя отслеживается энкодер. При вращении ходового винта по любой из осей, потому что при использовании серво, энкодеры (обратная связь) устанавливаются на тех осях, где вы хотите определить положение, на энкодер подаются импульсы, которые считываются системой управления ЧПУ. Системы ЧПУ программируются так, что ни понимают что, например, для перемещения на 100 мм необходимо получить определенное количество импульсов. Пока система ЧПУ не получит нужное количество импульсов на вход драйвера (блока управления) будет подаваться напряжение задания (рассогласование). Когда портал станка проедет заданные 100 мм, система ЧПУ получит нужное количество импульсов и напряжение на входе драйвера упадет до 0 и двигатель остановится. Прошу вас заметить, что преимущество обратной связи в том, что если по какое то либо причине произойдет смещение портала станка, энкодер отправит на систему управления нужное количество импульсов, для подачи нужного напряжения на согласования драйвера (блока управления), и двигатель поменяет угол. Для того что разногласие было равно 0, это помогает удерживать станок в заданной точке с высокой точностью. Не все типы двигателей способны, обеспечивать динамику разгона, нужный крутящий момент и т. п.

Сравнительная характеристика по основным параметрам

Срок эксплуатации и обслуживание

Шаговые двигатели – нет щеток, это увеличивает срок эксплуатации до многих лет, единственным слабым местом являются подшипники, могут работать в большом диапазоне высоких температур. Срок эксплуатации в разы дольше любого типа двигателя.

Из всех видов серво двигателей, самые дешевые это двигателя коллекторного типа (со щетками), они менее надежны, чем шаговые двигатели и требуют замены щеток примерно через 5000 часов непрерывной работы.
Другой тип бесколлекторных сервоприводов производятся по надежности как и шаговые двигателя, отсутствие щеток увеличивает срок эксплуатации, но не уменьшает стоимость ремонта. В некоторых случаях проще и дешевле купить новый двигатель, а не пытаться его отремонтировать.

Очень тяжело повредить и износить подшипник. Как и в любом двигателе возможно повреждение обмотки двигателя. Из низкой цены проще купить новый шаговый двигатель.

В некоторых случаях проще и дешевле купить новый двигатель, а не пытаться его отремонтировать.

При использование точных механизмов, может быть не ниже +/- 0.01 мм

сервоприводы имеют высокую динамическую точность до 1-2мкм и выше (1 мкм = 0.001 мм)

В лазерно гравировальных станках скорость 20 – 25 метров в минуту. Если мы говорим о фрезерных станках ЧПУ с тяжелыми порталами и балками. Максимальная скорость перемещения до 9 м/мин.

С использованием сервоприводов в станках с ЧПУ возможно достижение скоростей до 60 м/мин при использование высокосортной механике.

до 120 об/мин за секунду

до 1000 об/мин за 0,2 секунды

Потеря шагов при повышении скорости и нагрузки

При высоких скоростях и высоких нагрузках происходит потеря шагов. Эта не проблема возможна при воздействии внешних факторов: ударов, вибраций, резонансов и т.п.

У серво двигателей присутствует обратная связь, что полностью исключает потерю шагов.

Принудительная остановка (столкновение с препятствием)

Принудительная остановка шагового двигателя не вызывает у него никаких повреждений

В случае принудительной остановки серводвигателя, драйвер мотора должен правильно среагировать на данную остановку. В противном случае по обратной связи подается сигнал на доработку не пройденного расстояния, повышается ток на обмотках, двигатель может перегреться и сгореть!

По цене шаговый двигатель намного дешевле своего товарища серво двигателя.

Минимум в 1,5 раз дороже шагового двигателя.

Каждый тип двигателя предназначен для своей задачи. В некоторых случаях нужно использовать шаговых двигатель, а для некоторых задач необходимо использовать только серво двигатель. В фрезерных станках ЧПУ широко используются оба типа двигателей, просто у каждого из них есть свои задачи, и иногда не целесообразно переплачивать за серво, при небольших объемах производства.

Подведем черту сравнения серводвигателей и шаговых двигателей:

Если же вас не устраивают скоростные характеристики, Вам необходимо рассмотреть фрезерные деревообрабатывающие станки с ЧПУ «АртМастер» 2112, 2515, 3015(авт.) и высокоскоростной фрезерный деревообрабатывающий станок «АртМастер 3015 Racer».

Вы всегда должны для себя понимать, что сервомоторы позволяют вам с экономить время на холостых переходах, при этом вы не должны забывать правильно оптимизировать количество проходов. Скорость фрезеровки всегда зависит от мощности режущего инструмента (электрошпинделя) и типа фрезы. Мы не сможете получить хорошую скорость фрезеровки при низком качестве инструмента. Вы получите либо брак в изделии, либо Вам потребуется постоянная замена режущего инструмента. То есть при использовании высоких скоростей, при обработке материала вы не должны забывать о качестве и типе инструмента для фрезеровки. Дорогой инструмент не только быстрее режет, но и служит дольше. И прошу не забывать другое преимущество серво: высокая скорость и производительность в разы выше, чем у шагового при фрезеровке объёмных изображений (фото), резьбы (фото). При наличии смены инструмента, вакуумного стола вы можете оптимизировать ваше производство и минимизировать отходы.

Если вы хотите добиться увеличения объёмов выполненной работы на вашем производстве, решение только одно — сервомоторы, а для старта или изготовления фасадов, дверей, столешниц, и прямолинейного, криволинейного раскроя при объёмах производства от 500-1000 кв.м, вы можете остановить свой выбор на станках с шаговыми двигателями.

Изменение скорости АД с короткозамкнутым ротором

Существует несколько способов:

1. Управление вращением за счет изменения электромагнитного поля статора: частотное регулирование и изменение числа пар полюсов.

1. Изменение скольжения электромотора за счет уменьшения или увеличения напряжения (может применяться для АД с фазным ротором).

Частотное регулирование

В данном случае регулировка производится с помощью подключенного к двигателю устройства для преобразования частоты. Для этого применяются мощные тиристорные преобразователи. Процесс частотного регулирования можно рассмотреть на примере формулы ЭДС трансформатора:

Данное выражение означает, что для сохранения постоянного магнитного потока, означающего сохранение перегрузочной способности электромотора, следует одновременно с преобразованием частоты корректировать и уровень питающего напряжения. Если сохраняется выражение, вычисленное по формуле:

то это означает, что критический момент не изменен. А механические характеристики соответствуют рисунку ниже, если вы не понимаете, что значат эти характеристики, то в этом случае регулировка происходит без потери мощности и момента.

Достоинствами данного метода являются:

• плавное регулирование;
• изменение скорости вращения ротора в большую и меньшую сторону;
• жесткие механические характеристики;
• экономичность.

Недостаток один — необходимость в частотном преобразователе, т.е. увеличение стоимости механизма. К слову, на современном рынке представлены модели с однофазным и трёхфазным входом, стоимость которых при мощности 2-3 кВт лежит в диапазоне 100-150 долларов, что не слишком дорого для полноценной регулировки привода станков в частной мастерской.

Переключение числа пар полюсов

Данный метод применяется для многоскоростных двигателей со сложной обмоткой, позволяющей изменять число пар ее полюсов. Самое широкое применение получили двухскоростные, трехскоростные и четырехскоростные АД. Принцип регулировки проще всего рассмотреть на основе двухскоростного АД. В такой машине обмотка каждой фазы состоит из двух полуобмоток. Скорость вращения изменяется при подключении их последовательно или параллельно.

В четырехскоростном электродвигателе обмотка выполнена в виде двух независимых друг от друга частей. При изменении числа пар полюсов первой обмотки производится изменение скорости работы электромотора с 3000 до 1500 оборотов в минуту. При помощи второй обмотки производится регулировка вращения 1000 и 500 оборотов в минуту.

При изменении числа пар полюсов происходит и изменение критического момента. Для его сохранения неизменным, требуется одновременно с изменением числа пар полюсов регулировать и питающее напряжение, например, переключением схемы звезда-треугольник и их вариациями.

Достоинства данного метода:

• жесткие механические характеристики двигателя;
• высокий КПД.

• ступенчатая регулировка;
• большой вес и габаритные размеры;
• высокая стоимость электромотора.

5.3.1.3. Настройки обратной связи¶

В качестве датчика обратной связи для шаговых двигателей может использоваться энкодер. Для шаговых двигателей доступно три режима обратной связи.

None — без обратной связи. Движение осуществляется в шагах.

Encoder — режим задания движения в величинах отсчета энкодера. При включении данной опции доступен выбор типа энкодера: недифференциальный, дифференциальный или автоматическое определение.

Encoder mediated — в этом случае движение осуществляется за несколько итераций с контролем положения по завершению каждой итерации по энкодеру.

Encoder counts per turn — параметр определяет количество импульсов энкодера на один полный оборот оси мотора.

Обзор драйвера шагового двигателя DRV8825

В предыдущей статье рассказывало о драйвере для биполярного шагового двигателя A4988, который часто используют в проектировании станков ЧПУ. В этой статье расскажу о другом драйвере DRV8825, который полностью взаимозаменяемый с драйвером A4988 и может работать с микрошагом до 1/32, напряжением до 45 В и током до 2.5 А.

Технические параметры

► Напряжения питания: от 8,2 до 45 В
► Установка шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32
► Напряжение логики: 3.3 В
► Защита от перегрева: Есть
► Максимальный ток на фазу: 1.5 А без радиатора, 2.5 А с радиатором.
► Габариты модуля: 20 мм х 15 мм х 10 мм
► Габариты радиатора: 9 мм х 5 мм х 9 мм

Общие сведения о драйвере DRV8825

Основная микросхема модуля это драйвер от TI (Texas Instruments Inc.) DRV8825, которая способна управлять одним биполярным шаговым двигателем. Как говорил ранее данный драйвер полностью взаимозаменяемый с драйвером A4988. Микросхема DRV8825 может работать с выходным напряжение до 45 В и током до 1.5 на катушку без радиатора и до 2.5 А с радиатором (дополнительным охлаждением). Так же, модуль имеет внутренний стабилизатор напряжение, который напитывает логическую часть модуля напряжение 3.3 В от источника шагового питания двигателя.
Драйвер позволяет использовать шесть вариантов шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32

Распиновка драйвера DRV8825:
На драйвере DRV8825 расположено 16 контактов, назначение каждого можно посмотреть ниже:

► EN — включение и выключение модуля (0 — включен, 5 В — выключен).
► M0, M1 и M2 — выбор режима микро шаг (смотрите таблицу ниже).
► RST — сброс драйвера.
► SLP — вывод включения спящего режима, если подтянуть его к низкому состоянию драйвер перейдет в спящий режим.
► STEP — управляющий вывод, при каждом положительном импульсе, двигатель делает шаг (в зависимости от настройки микро шага), чем быстрее импульсы, тем быстрее вращаться двигатель.
► DIR — управляющий вывод, если подать +5 В двигатель будет вращается по часовой стрелке, а если подать 0 В против часовой стрелки.
► VMOT & GND MOT — питание шагового двигателя двигателя от 8.2 до 45 В (обязательное наличие конденсатора на 100 мкФ). Так же, нет необходим
► B2, B1, A1, и A2 — подключение обмоток двигателя.
► FAULT — Выход включения защиты, если состояние «0», значит полевые транзисторы H-моста отключены в результате защиты от перегрузки по току или был перегрев.
► GND LOGIC — заземление микроконтроллера.

Настройка микрошага
Драйвер DRV8825 может работать микрошаговом режиме, то есть может подавать питание на катушки с промежуточным уровням. Например, если взять двигатель NEMA17 с шагом 1.8 или 200 оборотов, в режиме 1/4, двигатель будет выдавать 800 шагов за оборот
Дня настройки микрошагов на драйвере DRV предусмотрены три выхода, а именно M0, M1 и M2. Установив соответствующие логические уровни для этих выводов, можно выбрать режим микрошага.

Вывода M0, M1 и M2 в микросхеме DRV8825 подтянуты резистором к земле, поэтому, если не подключать их, двигатель будет работать в режиме полного шага.

Система охлаждения DRV8825
При интенсивной работе микросхемы DRV8825 начинает сильно греется и если температура превысит придельные значение, может сгореть. По документации DRV8825 может работать с током до 2.5 А на катушку, но на практике микросхема не греется если ток не превышает 1.2 А на катушку. Поэтому если ток выше 1.2 А необходимо устанавливать радиатор охлаждения, который идет в комплекте.

Настройка тока DRV8825
Перед использованием мотора нужно сделать небольшую настройку, необходимо ограничить максимальную величину тока, протекающего через катушки шагового двигателя и ограничить его превышение номинального тока двигателя, регулировка осуществляется с помощью небольшого потенциометра.
Для настройки необходимо рассчитать значение напряжения Vref.

Vref = Current Limit / 2

где,
Current Limit — номинальный ток двигателя
В моем случаи, номинальный ток двигателя 17HS4401 равняется 1,7 А.

Vref = 1,7 / 2 = 0,85 В

Осталось только настроить, берем отвертку и вольтметр, плюсовой шуп вольтметра устанавливаем на потенциометр, а шуп заземления на вывод GND и выставляем нужное значение.

Подключение драйвера шагового двигателя DRV8825 к Arduino UNO

Необходимые детали:
► Arduino UNO R3 x 1 шт.
► Драйвер шагового двигателя DRV8825 x 1 шт.
► Шаговый двигатель 17HS4401 x 1 шт.
► Комплект проводов DuPont 2.54 мм, 20 см x 1 шт.

Подключение:
Теперь, можно приступить к сборке схемы. Первым делом подключаем GND LOGIC к GND на Arduino. Контакты DIR и STEP подключим к цифровым контактам 2 и 3 на Arduino. Подключение шагового двигатель к контактам B2, B1, A2 и A1.

Предупреждение: Подключение или отключение шагового двигателя при включенном приводе может привести к его повреждению.

Затем необходимо подключить контакт RST к соседнему контакту SLP к 5В на Arduino, чтобы включить драйвер. Так-же контакты выбора микрошага необходимо оставить не подключенными, чтобы работал режим полный микрошаг. Теперь осталось подключить питание двигателя к контактам VMOT и GND MOT, главное не забудьте подключить электролитический конденсатор на 100 мкФ, в противном случаи при скачке напряжение, модуль может выйти из строя.

Программа:
Теперь можно приступки к программной части и начать управлять шаговым двигателем с помощью драйвера DRV8825, загружайте данный скетч в Arduino.

Вопросы выбора и замены регулятора холостого хода

Проблемы с РХХ проявляются характерной работой силового агрегата — нестабильными оборотами на холостом ходу или самопроизвольной остановкой на малых оборотах, возможностью запуска мотора только при частом нажатии на педаль газа, а также повышенными оборотами холостого хода на прогретом двигателе. При появлении таких признаков следует произвести диагностику регулятора в соответствии с инструкцией по ремонту транспортного средства.

На автомобилях без системы самодиагностики РХХ следует выполнить ручную проверку регулятора и его цепей питания — это выполняется с помощью обычного тестера. Для проверки цепи питания необходимо измерить напряжение на датчике при включенном зажигании, а для проверки самого датчика нужно выполнить прозвонку обмоток его электродвигателя. На автомобилях с системой диагностики РХХ необходимо считать коды ошибок с помощью сканера или компьютера. В любом случае, если обнаружена неисправность РХХ, его необходимо заменить.

На замену следует выбирать только те регуляторы, которые могут работать с данными конкретным дроссельным узлом и ЭБУ. Необходимый РХХ подбирается по каталожному номеру. В некоторых случаях вполне возможно применение аналогов, но такие эксперименты лучше не проводить с автомобилями на гарантии.

Замена РХХ выполняется в соответствии с инструкцией по ремонту автомобиля. Обычно эта операция сводится к нескольким шагам:

1. Обесточить электросистему автомобиля;
2. Снять электрический разъем с регулятора;
3. Демонтировать РХХ, выкрутив два или более винтов (болтов);
4. Прочистить место установки регулятора;
5. Установить и подключить новый РХХ, при этом нужно использовать идущие в комплекте уплотнительные элементы (резиновые кольца или прокладки).

В некоторых автомобилях дополнительно может потребоваться демонтаж других элементов — патрубков, корпуса воздушного фильтра и т.д.

Если на автомобиле РХХ был установлен с помощью лака, то придется снимать весь дроссельный узел, а новый регулятор ставить на специальный лак, приобретенный отдельно. Для монтажа устройств с секторной заслонкой рекомендуется использовать новые хомуты для фиксации шлангов на патрубках.

При правильном выборе и монтаже РХХ начнет сразу работать, обеспечивая нормальное функционирование двигателя на всех режимах.