Приведеные примеры расчета применимы не только к шаговым, но и к другим типам двигателей. При учете скорости нужно учитывать, что для шаговых двигателей указывается частота - шаги/сек.

Выбор шагового двигателя для грузоподъемной установки
Выбор шагового двигателя для транспортной тележки
Определение крутящего момента шагового двигателя в устройстве с использованием винтовых передач
Момент, требуемый от шагового привода в системе с вращающимися цилиндрами
Определение момента в механизмах с реечной передачей

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.

При выборе шагового двигателя, прежде всего, следует ориентироваться на потребляемую приводом (двигатель + блок управления) из сети мощность, величину напряжения питания, требуемый крутящий момент на выходном валу, скорость вращения вала и момент инерции нагрузки. Для одного и того же привода, при разных величинах напряжения питания, потребляемая мощность привода P=U*I (напряжение*ток) различается. Например, привод D5779 при напряжении питания 50В потребляет из сети 150Вт, при напряжении питания 30В – 90Вт. КПД шаговых приводов в диапазоне частот 1 - 5КГц, как и КПД синхронных двигателей с постоянными магнитами составляет 80-90%.

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:

M двигателя *φ=0,5*J*ω 2 + M нагрузки *φ + М магн *φ +М трения *φ

где φ - угол поворота

J – приведенный к валу момент инерции системы

ω – угловая скорость

M нагрузки – момент нагрузки

М магн – момент сопротивления, создаваемый постоянными магнитами двигателя, примерно 5% от величины M двигателя

М трения – 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 M нагрузки:

ω =(2*φ*(M двигателя – M нагрузки – М магн – М трения)/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/сек 2 .

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.

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

1. Индуктивность. Следует вычислить квадратный корень из индуктивности обмотки и умножить его на 32. Полученное значение нужно сравнить с напряжением источника питания для драйвера. Различия между этими числами не должны сильно отличаться. Если напряжение питания на 30% и более превышает полученное значение, то мотор будет греться и шуметь. Если меньше, то крутящий момент будет слишком быстро убывать со скоростью. Большая индуктивность потенциально обеспечит возможность для большего крутящего момента. Однако для этого потребуется драйвер с большим напряжением питания.
2. График зависимости крутящего момента от скорости. Позволяет определить, удовлетворяет ли выбранный двигатель условиям в техническом задании.
3. Геометрические параметры. Имеет значение длина двигателя, фланец и диаметр вала.

Совет: также следует обратить внимание на омическое сопротивление фаз, номинальный ток в фазе, момент инерции ротора, максимальный статический синхронизирующий момент.

Тип двигателя

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

• биполярные чаще всего используют для ЧПУ благодаря простому подбору нового драйвера при выходе старого из строя, высокому удельному сопротивлению на малых оборотах;
• трехфазные отличаются большей скоростью, чем биполярные аналогичного размера. Подходят для случаев, когда требуется высокая скорость вращения;
• униполярные представляют собой несколько видов биполярных двигателей в зависимости от подключения обмоток.

Совет: еще один способ подбора двигателя – анализ готовых станков на рынке, которые близки по размерам и другим характеристикам к разрабатываемому.

Примеры расчетов шаговых двигателей для ЧПУ

Определяем силы, действующие в системе

Необходимо определить силу трения в направляющих, которая зависит от используемых материалов. Для примера коэффициент трения составляет 0.2, вес детали – 300 кгс, вес стола – 100 кгс, необходимое ускорение – 2 м/с 2 , сила резания – 3 000 Н.

1. Чтобы рассчитать силу трения нужно умножить коэффициент трения на вес движущейся системы. Для примера: 0.2 x 9.81 (100 кгс+300 кгс). Получается 785 Н.
2. Чтобы рассчитать силу инерции надо умножить массу стола с деталью на требуемое ускорение. Для примера: 400 x 2 = 800 Н.
3. Чтобы рассчитать полную силу сопротивления надо сложить силы трения, инерции и резания. Для примера: 785 + 800 + 3 000. Получается 4 585 Н.

Справка: силу сопротивления должен развивать привод стола на гайке шариковой винтовой передачи.

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:

• F – сила в ньютонах, необходимая для того, чтобы привести тело в движение;
• m – масса тела в кг;
• а – необходимое ускорение m/c 2 .

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.

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:

Параметр	ДШИ-200-2	ДШИ-200-3
Потребляемая мощность	11.8 Вт	16.7 Вт
Погрешность обработки шага	3%	3%
Максимальный статический момент	0.46 нт	0.84 нт
Максимальная чистота приемистости	1 000 Гц	1 000 Гц
Напряжение питания	30 В	30 В
Ток питания в фазе	1.5 А	1.5 А
Единичный шаг	1.8 град	1.8 град
Масса	0.54 кг	0.91 кг

Шаговые двигатели относятся к бесщеточным устройствам. Изготавливаются они с несколькими обмотками. Основными параметрами устройств можно назвать пороговое напряжение и количество полюсов. Также модели различаются по показателю сопротивления обмотки. Однофазные модификации изготавливаются с зубчатыми статорами. Магниты чаще всего используются цилиндрического типа.

Для ЧПУ шаговые двигатели подходят идеально. Однако в данном случае многое зависит от оборудования. В частности, модификации устанавливаются на принтерах, станках и лазерных резаках. Также их можно встретить на приводах. Однако это касается только линейных конфигураций. Стоит в среднем качественный шаговый двигатель в районе 4500 руб.

Как выбрать двигатель?

Как подобрать для ЧПУ? В первую очередь следует определиться с типом модификации. Если рассматривать варианты для станков, то на них часто используются двухфазные модели. Магнитопроводы у них устанавливаются с хорошей проводимостью тока. Непосредственно роторы применяются из стали. Чашки для статоров выполнены с выступом.

В данном случае обмотки используются из магнитно-мягкого материала. Статоры в представленных устройствах применяются с зубцами. Показатель удержания обязан составлять не менее 3 кг/см. Параметр сопротивления обмотки зависит от типа ЧПУ. Если говорить про модификации с контролером, то вышеуказанный показатель обязан равняться 7 Ом.

Устройства для станков

Как подобрать для Если рассматривать обычную фрезерную модель, то в первую очередь важно обращать внимание на тип вала. В среднем он устанавливается с диаметром в 5 мм. В данном случае статор обязан находиться над ротором в чашке, а непосредственно ток обмотки должен равняться 2 А. Для более стабильной работы двигателя применяются магнитопроводы с высокой проводимостью.

Также перед покупкой следует оценить индуктивность обмотки. Указанный параметр у двигателей колеблется в районе 6 мГн. В данном случае драйверы для устройств должны быть биполярного типа. Стоит в среднем шаговый двигатель для ЧПУ станка в районе 3 тыс. руб.

Модели для приводов

Как выбрать шаговый двигатель для ЧПУ привода? В данном случае многие потребители отдают предпочтение двухфазным модификациям. Статоры у них чаще всего встречаются зубчатые. По типу ротора модели довольно сильно отличаются. Часто они делаются из шихтовой стали. В среднем диаметр вала равняется 5.5 мм. Угол шага моделей для приводов составляет 1.2 градуса. Ток обмотки в данном случае должен равняться минимум 3 А. Если рассматривать однофазные модификации, то драйвер для двигателей подходит однополярного типа.

Сопротивление обмотки в среднем колеблется в районе 5 Ом. Также важно обращать внимание на пороговое напряжение двигателей. Данный параметр, как правило, не превышает 6 В. Однако есть и более мощные модели на рынке. Максимальная индуктивность обмотки у них равняется 10 мГн. При этом показатель токовой перегрузки находится на уровне 4 А. Обойдется качественный шаговый двигатель для привода в районе 4500 руб.

Двигатели для принтеров

Выбор шагового двигателя для ЧПУ принтера производится только среди трехфазных модификаций. Статоры целесообразнее подбирать зубчатого типа. Магнитопроводы должны иметь высокую проводимость тока. Благодаря им обороты двигатель будет набирать плавно. Если говорить про параметры, то момент удерживания модификаций для принтеров в среднем равняется 4 кг/см. Непосредственно пороговое напряжение колеблется в районе 10 В.

Минимальная индуктивность обмотки обязана составлять 8.5 мГн. Угол шага устройства должен быть на уровне 1.3 градуса. Магниты в представленных модификациях часто используются постоянные и по форме являются цилиндрическими. устройств зависит от типа ротора. Для однополярных драйверов модели на рынке встречаются довольно редко. Купить хороший двигатель для принтера пользователь способен по цене от 3 тыс. руб.

Модификации для лазерных резаков

Какой выбрать двигатель для Многие специалисты в этой ситуации отдают предпочтение моделям на 10 В. Чаще всего они изготавливаются со статорами зубчатого типа. Магнитопроводы у них проводимость имеют довольно высокую. Непосредственно роторы в двигателях располагаются в специальных чашах. Модификации двухполюсного типа на рынке встречаются редко.

В среднем угол шага у моделей не превышает 2 градуса. Предельную токовую нагрузку устройства выдерживают на уровне 5 А. Максимальная индуктивность обмотки зависит от количества шагов за оборот. Диаметр вала в двигателе должен составлять 5.5 мм. На сегодняшний день качественные устройства для резаков продаются по цене от 4 тыс. руб.

Однофазные модификации

Однофазные модели больше всего подходят для В среднем показатель угла шага у них равняется 2.5 градусов. Максимальную индуктивность устройства выдерживают в 7 мГн. По количеству шагов за оборот модели довольно сильно отличаются. На рынке представлено множество модификаций на 5 и 10 В. Передаточное число у них примерно составляет 1:54.

Двухполюсные модификации способны похвастаться высокой проводимостью тока. Роторы чаще всего устанавливаются из шихтовой стали. Чашки под них делаются с выступами разной длины. Приобрести в магазинах набор шаговых двигателей для ЧПУ на 5 В можно за 4500 руб.

Двухфазные устройства

Двухфазный двигатель подходит хорошо для принтеров. По мощности модели довольно сильно отличаются. Модификации для однополярных драйверов выделяются повышенной проводимостью тока. Показатель порогового напряжения у них в среднем равняется 5 В. Ротор стандартно располагается в чашке. Валы у моделей устанавливаются диметром от 5 мм. Угол шага в представленных конфигурациях не превышает 2 градуса.

Ток обмотки в данном случае равняется 4.5 А. Непосредственно момент удержания двигателя зависит о магнитопровода. Если рассматривать модели с высоковольтной обмоткой, то этот параметр составляет в среднем 3 кг/см. Передаточное число устройств не превышает 1:60. Сопротивление обмотки в среднем равняется 8 Ом. На статоре в представленных модификациях для подключения предусмотрено четыре вывода. Контроллер шагового двигателя для ЧПУ встречается только биполярного типа. Стоит хорошая двухфазная модификация около 5 тыс. руб.

Трехфазные модели

Трехфазный двигатель часто используется для линейных приводов. Показатель порогового напряжения у него колеблется в районе 5 В. Модификации с зубчатыми статорами попадаются на рынке довольно часто. Магнитопроводы у этих моделей показатель проводимости тока имеют на уровне 6 мк. Роторы делаются, как правило, из шихтовой стали. Угол шага у моделей не превышает 2.4 градуса. Момент удержания в данном случае зависит от проводимости магнитопровода. В среднем указанный параметр колеблется в районе 4 кг/см.

Передаточное число моделей равняется 1:63. По параметру сопротивления обмотки устройства сильно отличаются. Показатель минимальной индуктивности двигателей равняется 8.5 мГн. Изготавливаются устройства на четыре и шесть выводов. Купить трехфазную модификацию на рынке можно всего за 5 тыс. руб.

Двигатели с драйвером ULN2003

Шаговый двигатель для ЧПУ данного типа используется для Ротор у него сделан из шихтовой стали. Непосредственно чашка ротора изготавливается с высоким выступом. Магнитопровод установлен с проводимостью тока на уровне 4 мк. Статор в устройстве находится зубчатого типа, а обмотка на нем предусмотрена низковольтная. Угол шага в данном случае равняется 2.3 градуса. Модификаций двухфазного типа на рынке имеется много. Показатель сопротивления обмотки у них не превышает 8 Ом. Параметр минимальной индуктивности составляет 10 мГн. Купить модель данного типа можно за 3500 руб.

Модификации на 5 В

Шаговый двигатель для ЧПУ на 5 В может изготавливаться с однополярным и биполярным драйвером. Магнитопроводы в устройствах используются различные. Показатель проводимости тока у них в среднем равняется 5.5 мк. Чашки статора чаще всего делаются с выступами. Таким образом, вал обороты набирает плавно. Угол шага моделей в среднем не превышает 1.2 градуса.

Предельный ток обмотки устройства выдерживают на уровне 6 А. Показатель момента удерживания двигателей составляет в среднем 2 кг/см. При этом минимальная индуктивность обмотки не превышает 6 мГн. Стоит хороший шаговый двигатель для ЧПУ на 5 В районе 4200 руб.

Двигатели на 10 В

Шаговый двигатель для ЧПУ на 10 В часто подбирается для принтеров, которые работают на однополярных драйверах. В данном случае выводов в устройствах предусмотрено четыре. Непосредственно проводимость тока колеблется в районе 6 мк. Максимальный угол шага в устройствах равняется 2.5 градуса. Показатель индуктивности обмотки составляет минимум 8 мГн.

Также следует отметить, что представленные конфигурации могут применяться для работы с линейными приводами. Статоры в устройствах используются чашечного типа. Магниты подходят лишь постоянные. По форме они делаются цилиндрического вида. Момент задерживания двигателей на 10 В в среднем составляет 4.5 кг/см. Приобрести хорошую модель для принтера в специализированных магазинах можно по цене 5 тыс. руб.

Недавно я уже писал о том, что поимел большую головную боль в виде необходимости выбирать себе новые шаговые движки. Когда-то давно, когда трава была зеленее... Ну, в общем, закупил себе набор движков, который валялся до поры до времени. Закупал их особо не заморачиваясь и не разбираясь, как их выбирать и на что сомтреть. Не повторяйте моих ошибок, изучите вопрос. Ниже я опишу подробно, что мне удалось с тех пор узнать о шаговых движках, а в частности о том, как грамотно подойти к вопросу их выбора.

Но сначала, для того, чтобы лучше понимать вопрос - давайте разберёмся,- "что же такое шаговый электродвигатель?".

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.

Так говорит нам википедия, хотя я бы назвал его не "бесщёточный", а "бесколлекторный", но с википедией спорить не будем, её всё таки "умные" люди пишут. Да и суть от этого не сильно меняется, это, по сути своей, такой же двигатель, что и другие. Как, например, на дорогой гоночной машинке с БК движком. Такой же, да вот не такой!

Шаговый двигатель в первую очередь спроектирован не для того, что бы он просто вращался и передавал свой вращающий момент исполнительному механизму. Он должен обеспечивать высокую точность позиционирования и достаточный момент удержания.

И вот тут мы в плотную подходим к двум парам важных характеристик шагового электродвигателя. Первая пара это удерживающий момент и номинальный ток, а вторая угол поворота (шаг) и погрешность шага. Пройдёмся по каждой паре подробно.

Удерживающий момент - это то, с какой силой двигатель, если на него подан номинальный ток, будет сопротивляться попыткам его провернуть. Если подать на двигатель ток равный номинальном, это обеспечивает максимальный момент удержания.

Если ток завышен, то двигатель греется, если ток занижен, то снижается сила, с которой он сопротивляется проворачиванию, и двигатель может начать (и начнёт) пропускать шаги. Так же необходимо помнить, что самый распространённые драйверы для шаговых двигателей A4998 и DRV8825 могут обеспечить только 2А и 2.2А соответственно. Не нужно гоняться за заоблачными показателями. 4000 г/см и 1.7-1.8А хватит за глаза и уши даже для такой брутальной кинематики, как H-Bot.

Угол поворота - это угол поворота, на который двигатель поворачивается за один шаг (кто бы мог подумать?). Потому, иногда, его просто называют шагом и не парятся. А погрешность шага - это максимальное отклонение от заданного угла поворота в процентах.

Выходит, что чем мельче шаг, тем круче и точнее? Нет! Шаг в 1.8 градуса это всё, что вам нужно. Не буду сейчас приводить таблицы и примеры расчёта перемещений исполнительных механизмов на разных моделях принтеров и разных кинематиках. Поверьте мне на слово, лучше смотрите на погрешность шага, пользы будет больше. 5% - очень и очень хороший показатель.

И тут можно задаться вопросом, - "а как же напряжение?". Напряжение особой роли не играет, т.к. его регулирует драйвер шагового двигателя, что бы поддерживать необходимый ток. Но знайте меру. 3V - 5V вполне достаточно, 3.4V, наверное, в самый раз.

Есть ещё такой параметр, как количество фаз. Ну, если совсем просто, то это сколько контактов/проводов торчит из двигателя. По хорошему, нам для принтера нужны биполярные двигатели с 4-мя фазами (проводами). Но существуют и с 6-тью и, даже, с 8-мью. Последние - экзотика в наших краях (ну я по крайней мере вообще их в руках не держал). А вот те, что с 6-тью проводами - те встречаются. Если просто, то это тоже самое, что и с 4-мя, но на обеих обмотках есть центральный отвод. Более наглядно можно посмотреть на иллюстрации, которую я честно где-то стырил.

Но я так и не сказал, что брать? Если есть 4-выводной, берём его, если нет, не расстраиваемся и берём 6-выводной. Но лучше берите 4-выводной (мороки меньше). Кстати, на картинке 8-выводной двигатель показан в режиме, когда у него пары обмоток подключены параллельно.