Надзвичайно важливим елементом для роботи 3D принтера та інших приладів є кроковий двигун. Кроковий двигун—електричний двигун, в якому імпульсне живлення електричним струмом призводить до того, що його ротор не обертається неперервно, а виконує щоразу обертальний рух на заданий кут. Завдяки цьому, кут повороту ротора залежить від числа поданих імпульсів струму, а кутова швидкість ротора точно рівна частоті імпульсів помноженій на кут повороту ротора за один цикл роботи двигуна.

Кут повороту двигуна під впливом одного імпульсу може мати різні значення, залежні від конструкції двигуна, — як правило це значення в діапазоні від декількох градусів до декілька десятків градусів. Крокові двигуни, залежно від призначення пристосовані до виконання від частки оберту на хвилину, до декількох тисяч обертів на хвилину. Розрізняють три основні типи крокових двигунів: змінної індуктивності, двигуни із постійними магнітами, і гібридні.

Конструктивно крокові електродвигуни складаються із статора, на якому розташовані обмотки збудження, і ротора, виконаного з магніто-м'якого (феромагнітного) матеріалу або з магніто-твердого (магнітного) матеріалу. Крокові двигуни з магнітним ротором дозволяють отримувати більший крутний момент і забезпечують фіксацію ротора при знеструмлених обмотках.

Гібридні двигуни поєднують у собі найкращі риси двигунів зі змінним магнітним опором і двигунів з постійними магнітами.

Статор гібридного двигуна також має зубці, забезпечуючи велику кількість еквівалентних полюсів, на відміну від основних полюсів, на яких розташовані обмотки. Зазвичай використовуються 4 основні полюси для 3,6 градусних двигунів і 8 основних полюсів для 1,8-0,9 градусних двигунів. Зубці ротора забезпечують менший опір магнітного ланцюга у певних положеннях ротора, що покращує статичний і динамічний момент. Це забезпечується відповідним розташуванням зубців, коли частина зубців ротора знаходиться строго навпроти зубців статора, а частина між ними.

Ротор гібридного двигуна має зубці, розташовані в осьовому напрямку. Ротор розділений на дві частини, між якими розташований циліндричний постійний магніт. Таким чином, зубці верхньої половинки ротора є північними полюсами, а зубці нижньої половинки — південними. Крім того, верхня і нижня половинки ротора повернуті один відносно одного на половину кута кроку зубців. Число пар полюсів ротора дорівнює кількості зубців на одній з його половинок. Зубчасті полюсні наконечники ротора, як і статор, набрані з окремих пластин для зменшення втрат на вихрові струми.

Крокові двигуни відносяться до багатофазних двигунів. Більше обмоток, означає, більше фаз. Більше фаз - гладша робота двигуна і вища вартість. Крутний момент не пов'язаний з числом фаз. Найбільшого поширення набули двофазні двигуни. Це мінімальна кількість фаз необхідних для того, щоб кроковий мотор функціонував. Тут необхідно зрозуміти, що число фаз не обов'язково визначає число обмоток. Наприклад, якщо кожна фаза має 2 пари обмоток і мотор є двофазним, то кількість обмоток дорівнюватиме 8. Це визначає тільки механічні характеристики двигуна. Для спрощення розглядатиму найпростіший двофазний двигун з однією парою обмоток на фазу.

Залежно від схеми включення вирізняють два типи крокових двигунів:

  • біполярний;
  • уніполярний;

Біполярний двигун - це найбільш проста конфігурація. Використовуються 4 провода для підключення мотора до контролера. Обмотки з'єднуються всередині послідовно або паралельно. Схема біполярного двигуна зображене на рисунку 1.1. Мотор має 4 клеми(Рисунок 2.3). Два жовтих контакти живлять вертикальну обмотку, два рожевих - горизонтальну обмотку.

Проблема такої конфігурації полягає в тому, що якщо хтось захоче змінити магнітну полярність, то єдиним способом буде зміна напрямку електричного струму. Це означає, що схема драйвера ускладниться, наприклад це буде H-міст.

Рисунок 1.1 - Схема біполярного двигуна

В уніполярний двигуні загальний провід підключений до точки, де дві обмотки з'єднані разом(Рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Схема уніполярного двигуна

 

Використовуючи загальний провід, можна легко змінити магнітні полюси. Припустимо, що ми підключили загальний провід до землі. Заживлюючи спочатку один вивід обмотки, а потім інший - ми змінюємо магнітні полюси. Це означає, що схема для використання біполярного двигуна дуже проста, як правило, складається тільки з двох транзисторів на фазу. Основним недоліком є ​​те, що кожен раз, використовується тільки половина доступних обмоток. Таким чином, крутний момент завжди становить близько половини крутного моменту, який міг бути отриманий, якби обидві котушки були б задіяні. Іншими словами, уніполярні електродвигуни повинні бути в два рази більше габаритними, в порівнянні з біполярним двигуном, щоб забезпечити такий же крутний момент.

Уніполярні двигуни можуть мати 5 або 6 контактів для підключення. На малюнку вище продемонстрований уніполярний мотор з 6 висновками. Існують двигуни, в яких два загальних дроти з'єднані всередині. В цьому випадку, мотор має 5 клем для підключення(Рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - П'ятиконтактний уніполярний кроковий двигун

8-вивідний кроковий двигун - це найбільш гнучкий кроковий мотор в плані підключення. Всі обмотки мають виходи з двох сторін(Рисунок 1.4).

Цей двигун може бути підключений будь-яким з можливих способів. Він може бути підключений як:

  • 5 або 6-вивідний уніполярний;
  • біполярний з послідовно з'єднаними обмотками;
  • біполярний з паралельно з'єднаними обмотками;
  • біполярний з одним підключенням на фазу для зменшення споживанням струму;

Рисунок 1.4 - 8-вивідний кроковий двигун

 

Існує три різних типи підключення для двофазних крокових двигунів. Обмотки з'єднуються між собою, і, в залежності від підключення, використовується різне число проводів для підключення мотора до контролера.

Зліва направо: біполярний гібридний, уніполярний на постійних магнітах, з лінійним переміщенням ротора.

Рисунок 1.5 - Типові крокові двигуни

В всіх 3D принтерах, ЧПУ станках та більшості іншої техніки використовуються двигуни типології Nema17 (Рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 - Nema17

 

Даний тип двигунів завоював лідируюче місце на ринку завдяки вдалій конструкції, та широкій смузі можливих характеристик.

Також особливістю яка відрізняла даний тип двигунів є використання неодимових магнітів. Які, як відомо, в десятки разів потужніші від феритових. Також змінилася сама форма і кількість магнітів. Що позволило добитися високої точності в 1.8 гр/крок.

Для проекту CC-2 було прийнято рішення відійти від класичних схем та використовувати крокові двигуни на постійних магнітах по біполярній схемі включення. За основу були взяті двигуни серії PM. Для приводу осі Z використовується двигун PM55L-048, який забезпечує 7.5 град/крок, споживає струм в 0.8 А при живленні від 24 В. Для інших осей використовуються двигуни PM42L-048, який має такий самий показник кута повороту на крок, але споживає менший струм – 0.6 А при тій же напрузі. Крім того, він володіє меншим розміром та вагою, що робить легше використання їх в рухомих конструкціях.

 


Теги


Коментарі

Коментарі відсутні