В некоторых математических моделях шагового двигателя предполагается, что при использовании микрошагового режима крутящий момент значительно ниже, чем при использовании полного шага или полушага. Обоснованием данного утверждения является прежде всего то, что при полном шаге на обмотки от начала до конца подается полное напряжение питания, что должно вызвать соответствующее изменение тока в обмотках, тогда как в микрошаговом режиме драйвер регулирует подачу тока таким образом, чтобы график его был близок к синусоиде. В результате энергия, поданная в обмотки в полном шаге, должна превышать энергию микрошага примерно на квадратный корень из 2, т.е. примерно 40%, что должно вызвать соответствующее увеличение крутящего момента двигателя. Однако, в противоположность чистой теории на практике многие отмечают, что микрошаговый режим - напротив, увеличивает крутящий момент, позволяет увеличить скорости и ускорения станка с ЧПУ. Скорее всего, дело в том, что математическая модель расчета момента ШД, основанная на учете чисто энергии обмоток - несовершенна, и не учитывает множества паразитных механических и электромагнитных процессов, происходящих при движении ротора шагового двигателя, в результате которых далеко не вся энергия, подаваемая в обмотки трансформируется в кинетическую энергию ротора. В результате вибраций и резонансных явлений большая часть энергии расходуется впустую.
Для точной проверки данного положения был поставлен эксперимент по влиянию микрошага на крутящий момент шагового двигателя. Было использовано следующее оборудование:
- Стенд для измерения момента, состоящий из тензодатчика, контроллера с индикацией момента, и электромагнитного тормоза. Разрешение контроллера - 0.001 Нм, для нивелирования погрешности будем выполнять несколько замеров. Электромагнитный тормоз - безинерционный, т.е. в любой момент времени выдает одинаковое усилие на валу.
- Шаговый двигатель ST57-100, ток 4.2 А, момент 2.1 Нм
- Драйвер Yako YKC2608M-H. Режимы деления шага для тестирования - 1/2(минимально возможное для драйвера) и 1/20.
- Источник питания S-350-48, выходное напряжение установлено в 45 В.
- Генератор прямоугольных импульсов
Методика тестирования: двигатель с нагрузкой 0.2 Нм разгоняется до скорости тестирования, затем момент на валу плавно увеличивается до срыва или пропуска шагов. В каждом режиме производилось по 7 замеров, дисперсия для каждой выборки не превышает 0.002, поэтому в таблицах приводятся только средние значения как вполне отражающие всю выборку.
Сперва двигатель был протестирован на 4 скоростных режимах - 30 об/мин, 100, 300 и 600,
Момент двигателя ST57-100 при вращении драйвером YKC2608M-H при напряжении 45 В, ток 3.14 А.
|
Микрошаг\скорость |
30 об/мин |
100 об/мин | 300 об/мин | 600 об/мин |
|
1/2 |
1.661 | 0.803 | 1.633 | 1.225 |
| 1/20 | 1.638 | 1.635 | 1.633 | 1.224 |
Как видно из таблицы, микрошаг не оказывает никакого негативного влияния на крутящий момент, а в резонансной области мотора(около 100 об/мин) - наоборот, увеличивает его вдвое, или если быть точным, не дает ему упасть на эту величину.
Также можно видеть, что момент двигателя не дотягивает до паспортных 2.1 Нм идолго сохраняет свое значение с увеличением оборотов. Это следствие заниженного тока фазы - если обратить внимание заголовок таблицы, ток фазы выбран 3.14 вместо паспортного 4.2 А. Увеличим ток до 4.28 А и повторим тесты, проведя дополнительные замеры на более высокой скорости - 1050 об/мин . В конце концов, именно на высоких скоростях возникают проблемы с крутящим моментом(некруглое число выбрано для удобства установки частоты на генераторе импульсов).
Момент двигателя ST57-100 при вращении драйвером YKC2608M-H при напряжении 45 В, ток 4.28 А.
|
Микрошаг\скорость |
30 об/мин |
300 об/мин | 600 об/мин | 1050 об/мин |
|
1/2 |
2.222 | 2,137 | 1.125 |
0.699 |
| 1/20 | 2.245 | 2.163 | 1.185 | 0.751 |
| Leadshine EM705 1/20, 4.2 A | ---- | 2.091 | 1.129 | 0.715 |
И опять замеры однозначно показывают, что если высокое деление шага и влияет на крутящий момент, то исключительно положительным образом. Причем влияние немного растет вместе со скоростью вращения. В последней строке указан "контрольный замер", сделанный на одном из лучших драйверов в своем классе - Leadshine EM705. На нем был выбран ток фазы 4.2 А, деление шага 1/20 и выполнена быстрая подстройка драйвера под двигатель с пом. переключателя SW4. Вопреки ожиданиям, этот прекрасный драйвер, выигрывая по эстетическим характеристикам движения(шум, вибрации, плавность) - несколько уступил по крутящему моменту драйверу от Yako. Возможно, в будущем мы проведем более подробные сравнительные исследования моментных и скоростных характеристик драйверов разных брендов.