Что такое шаговый двигатель, его принцип работы и зачем он нужен?

Что такое шаговый двигатель, его принцип работы и зачем он нужен?

Шаговый двигатель – это электромеханичское устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Так, пожалуй, можно дать строгое определение. Наверное, каждый видел, как выглядит шаговый двигатель внешне: он практически ничем не отличается от двигателей других типов. Чаще всего это круглый корпус, вал, несколько выводов (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид шаговых двигателей семейства ДШИ-200.

Однако шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает порой их исключительно удобными для применения или даже незаменимыми.

Чем же хорош шаговый двигатель?

  • угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель
  • двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны)
  • прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу
  • возможность быстрого старта/остановки/реверсирования
  • высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников
  • однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи
  • возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора
  • может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов

Но не все так хорошо.

  • шаговым двигателем присуще явление резонанса
  • возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи
  • потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки
  • затруднена работа на высоких скоростях
  • невысокая удельная мощность
  • относительно сложная схема управления

Шаговые двигатели относятся к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока. Как и любые бесколлекторные двигатели, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в критичных, например, индустриальных применениях. По сравнению с обычными двигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют значительно более сложных схем управления, которые должны выполнять все коммутации обмоток при работе двигателя. Кроме того, сам шаговый двигатель – дорогостоящее устройство, поэтому там, где точное позиционирование не требуется, обычные коллекторные двигатели имеют заметное преимущество. Справедливости ради следует отметить, что в последнее время для управления коллекторными двигателями все чаще применяют контроллеры, которые по сложности практически не уступают контроллерам шаговых двигателей.

Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, так как такие датчики могут стоить намного больше самого двигателя. Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация о положении ротора теряется и система требует базирования с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика. Системы с обратной связью не имеют подобного недостатка.

При проектировании конкретных систем приходится делать выбор между сервомотором и шаговым двигателем. Когда требуется прецизионное позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый двигатель является наиболее экономичным решением. Как и для обычных двигателей, для повышения момента может быть использован понижающий редуктор. Однако для шаговых двигателей редуктор не всегда подходит. В отличие от коллекторных двигателей, у котрых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигатель имеет больший момент на низких скоростях. К тому же, шаговые двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными двигателями, что ограничивает максимальное передаточное число и, соответственно, увеличение момента с помощью редуктора. Готовые шаговые двигатели с редукторами хотя и существуют, однако являются экзотикой. Еще одним фактом, ограничивающим применение редуктора, является присущий ему люфт.

Как работает шаговый электродвигатель?

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

  • В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
  • Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
  • Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
  • Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
  • Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
  • Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
  • Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
  • Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

  • Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
  • Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
  • Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
  • Сложности управления из-за особенности схемы

Устройство и принцип работы

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора. Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от 5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом

Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси. Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс или серию импульсов в определенной последовательности. В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата. При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

  • Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
  • Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
  • При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
  • При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
  • Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
  • Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Популярные схемы управления ШД

Является одним из наиболее помехозащищенных способов работы. При этом прямой и инверсный сигнал напрямую подключается к соответствующим полюсам. В такой схемы должно применяться экранирование сигнального проводника. Прекрасно подходит для нагрузки с низкой мощностью.

Схема управления от контроллера с выходом типа «открытый коллектор»

В данной схеме происходит объединение положительных вводов контроллера, которые подключаются к положительному полюсу. В случае питания выше 9В требуется включение в схему специального резистора для ограничения тока. Позволяет задавать необходимое количество шагов со строго установленной скоростью, определить ускорение и т.д.

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль) происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному USB порту.

Что такое шаговый двигатель, его принцип работы и зачем он нужен?

Использование шаговых двигателей является одним из самых простых, дешевых и легких решений для реализации систем точного позиционирования. Эти двигатели очень часто используются в различных станках ЧПУ и роботах. Сегодня я расскажу о том, как устроены шаговые двигатели и как они работают.

Что такое шаговый двигатель?

Прежде всего, шаговый двигатель — это двигатель. Это означает, что он преобразует электрическую энергию в механическую. Основное отличие между ним и всеми остальными типами двигателей состоит в способе, благодаря которому происходит вращение. В отличие от других моторов, шаговые двигатели вращаются НЕ непрерывно! Вместо этого, они вращаются шагами (отсюда и их название). Каждый шаг представляет собой часть полного оборота. Эта часть зависит, в основном, от механического устройства мотора и от выбранного способа управления им. Шаговые двигатели также различаются способами питания. В отличие от двигателей переменного или постоянного тока, обычно они управляются импульсами. Каждый импульс преобразуется в градус, на который происходит вращение. Например, 1.8º шаговый двигатель, поворачивает свой вал на 1.8° при каждом поступающем импульсе. Часто, из-за этой характеристики, шаговые двигатели еще называют цифровыми.

Основы работы шагового двигателя

Как и все моторы, шаговые двигатели состоят из статора и ротора. На роторе установлены постоянные магниты, а в состав статора входят катушки (обмотки). Шаговый двигатель, в общем случае, выглядит следующим образом:

Здесь мы видим 4 обмотки, расположенные под углом 90° по-отношению друг к другу, размещенные на статоре. Различия в способах подключения обмоток в конечном счете определяют тип подключения шагового двигателя. На рисунке выше, обмотки не соединяются вместе. Мотор по такой схеме имеет шаг поворота равный 90°. Обмотки задействуются по кругу — одна за другой. Направление вращения вала определяется порядком, в котором задействуются обмотки. Ниже показана работа такого мотора. Ток через обмотки протекает с интервалом в 1 секунду. Вал двигателя поворачивается на 90° каждый раз, когда через катушку протекает ток.

Режимы управления

Теперь рассмотрим различные способы подачи тока на обмотки и увидим, как в результате вращается вал мотора.

Волновое управление или полношаговое управление одной обмоткой

Этот способ описан выше и называется волновым управлением одной обмоткой. Это означает, что только через одну обмотку протекает электрический ток. Этот способ используется редко. В основном, к нему прибегают в целях снижения энергопотребления. Такой метод позволяет получить менее половины вращающего момента мотора, следовательно, нагрузка мотора не может быть значительной.

У такого мотора будет 4 шага на оборот, что является номинальным числом шагов.

Полношаговый режим управления

Вторым, и наиболее часто используемым методом, является полношаговый метод. Для реализации этого способа, напряжение на обмотки подается попарно. В зависимости от способа подключения обмоток (последовательно или параллельно), мотору потребуется двойное напряжение или двойной ток для работы по отношению к необходимым при возбуждении одной обмотки. В этом случае мотор будет выдавать 100% номинального вращающего момента.

Такой мотор имеет 4 шага на полный оборот, что и является номинальным числом шагов для него.

Полушаговый режим

Это очень интересный способ получить удвоенную точность системы позиционирования, не меняя при этом ничего в «железе»! Для реализации этого метода, все пары обмоток могут запитываться одновременно, в результате чего, ротор повернется на половину своего нормального шага. Этот метод может быть также реализован с использованием одной или двух обмоток. Ниже показано, как это работает.

Используя этот метод, тот же самый мотор сможет дать удвоенное число шагов на оборот, что означает двойную точность для системы позиционирования. Например, этот мотор даст 8 шагов на оборот!

Режим микрошага

Микрошаговый режим наиболее часто применяемый способ управления шаговыми двигателями на сегодняшний день. Идея микрошага состоит в подаче на обмотки мотора питания не импульсами, а сигнала, по своей форме, напоминающего синусоиду. Такой способ изменения положения при переходе от одного шага к другому позволяет получить более гладкое перемещение, делая шаговые моторы широко используемыми в таких приложениях как системы позиционирования в станках с ЧПУ. Кроме этого, рывки различных деталей, подключенных к мотору, также как и толчки самого мотора значительно снижаются. В режиме микрошага, шаговый мотор может вращаться также плавно как и обычные двигатели постоянного тока.

Форма тока, протекающего через обмотку похожа на синусоиду. Также могут использоваться формы цифровых сигналов. Вот некоторые примеры:

Метод микрошага является в действительности способом питания мотора, а не методом управления обмотками. Следовательно, микрошаг можно использовать и при волновом управлении и в полношаговом режиме управления. Ниже продемонстрирована работа этого метода:

Хотя кажется, что в режиме микрошага шаги становятся больше, но, на самом деле, этого не происходит. Для повышения точности часто используются трапецевидные шестерни. Этот метод используется для обеспечения плавного движения.

Типы шаговых двигателей

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Ротор такого мотора несет постоянный магнит в форме диска с двумя или большим количеством полюсов. Работает точно также как описано выше. Обмотки статора будут притягивать или отталкивать постоянный магнит на роторе и создавать тем самым крутящий момент. Ниже представлена схема шагового двигателя с постоянным магнитом.

Обычно, величина шага таких двигателей лежит в диапазоне 45-90°.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

У двигателей этого типа на роторе нет постоянного магнита. Вместо этого, ротор изготавливается из магнитомягкого металла в виде зубчатого диска, типа шестеренки. Статор имеет более четырех обмоток. Обмотки запитываются в противоположных парах и притягивают ротор. Отсутствие постоянного магнита отрицательно влияет на величину крутящего момента, он значительно снижается. Но есть и большой плюс. У этих двигателей нет стопорящего момента. Стопорящий момент — это вращающий момент, создаваемый постоянными магнитами ротора, которые притягиваются к арматуре статора при отсутствии тока в обмотках. Можно легко понять, что это за момент, если попытаться повернуть рукой отключенный шаговый двигатель с постоянным магнитом. Вы почувствуете различимые щелчки на каждом шаге двигателя. В действительности то, что вы ощутите и будет фиксирующим моментом, который притягивает магниты к арматуре статора. Ниже показана работа шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением.

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют шаг, лежащий в диапазоне 5-15°.

Гибридный шаговый двигатель

Данный тип шаговых моторов получил название «гибридный» из-за того, что сочетает в себе характеристики шаговых двигателей и с постоянными магнитами и с переменным магнитным сопротивлением. Они обладают отличными удерживающим и динамическим крутящим моментами, а также очень маленькую величину шага, лежащую в пределах 0.9-5°, обеспечивая великолепную точность. Их механические части могут вращаться с большими скоростями, чем другие типы шаговых моторов. Этот тип двигателей используется в станках ЧПУ high-end класса и в роботах. Главный их недостаток — высокая стоимость.

Обычный мотор с 200 шагами на оборот будет иметь 50 положительных и 50 отрицательных полюсов с 8-ю обмотками (4-мя парами). Из-за того, что такой магнит нельзя произвести, было найдено элегантное решение. Берется два отдельных 50-зубых диска. Также используется цилиндрический постоянный магнит. Диски привариваются один с положительному, другой к отрицательному полюсам постоянного магнита. Таким образом, один диск имеет положительный полюс на своих зубьях, другой — отрицательный.

Два 50-зубых диска помещены сверху и снизу постоянного магнита

Фокус в том, что диски размещаются таким образом, что если посмотреть на них сверху, то они выглядят как один 100-зубый диск! Возвышения на одном диске совмещаются со впадинами на другом.

Впадины на одном диске выровнены с возвышениями на другом

Ниже показана работа гибридного шагового двигателя, имеющего 75 шагов на оборот (1.5° на шаг). Стоит заметить, что 6 обмоток спарены, каждая имеет обмотку с противоположной стороны. Вы наверняка ожидали, что катушки расположены под углом в 60° следом друг за другом, но, на самом деле, это не так. Если предположить, что первая пара — это самая верхняя и самая нижняя катушки, тогда вторая пара смещена под углом 60+5° по отношению к первой, и третья смещена на 60+5° по отношению ко второй. Угловая разница и является причиной вращения мотора. Режимы управления с полным и половинным шагом могут использоваться, впрочем как и волновое управление для снижения энергопотребления. Ниже продемонстрировано полношаговое управление. В полушаговом режиме, число шагов увеличится до 150!

Не пытайтесь следовать за обмотками, чтобы понаблюдать, как это работает. Просто сфокусируйтесь на одной обмотке и ждите. Вы заметите, что всякий раз, когда обмотка задействована, есть 3 положительных полюса (красный) в 5° позади, которые притягиваются по направлению вращения и другие 3 отрицательных полюса (синий) в 5° впереди, которые толкаются в направлении вращения. Задействованная обмотка всегда находится между положительным и отрицательным полюсами.

Подключение обмоток

Шаговые двигатели относятся к многофазным моторам. Больше обмоток, значит, больше фаз. Больше фаз, более гладкая работа мотора и более выокая стоимость. Крутящий момент не связан с числом фаз. Наибольшее распространение получили двухфазные двигатели. Это минимальное количество необходимых для того, чтобы шаговый мотор функционировал. Здесь необходимо понять, что число фаз не обязательно определяет число обмоток. Например, если каждая фаза имеет 2 пары обмоток и мотор является двухфазным, то количество обмоток будет равно 8. Это определяет только механические характеристики мотора. Для упрощения, я рассмотрю простейший двухфазный двигатель с одной парой обмоток на фазу.

Существует три различных типа подключения для двухфазных шаговых двигателей. Обмотки соединяются между собой, и, в зависимости от подключения, используется различное число проводов для подключения мотора к контроллеру.

Биполярный двигатель

Это наиболее простая конфигурация. Используются 4 провода для подключения мотора к контроллеру. Обмотки соединяются внутри последовательно или параллельно. Пример биполярного двигателя:

Мотор имеет 4 клеммы. Два желтых терминала (цвета не соответствуют стандартным!) питают вертикальную обмотку, два розовых — горизонтальную обмотку. Проблема такой конфигурации состоит в том, что если кто-то захочет изменить магнитную полярность, то единственным способом будет изменение направления электрического тока. Это означает, что схема драйвера усложнится, например это будет H-мост.

Униполярный двигатель

В униполярном двигателе общий провод подключен к точке, где две обмотки соединены вместе:

Используя этот общий провод, можно легко изменить магнитные полюса. Предположим, например, что мы подключили общий провод к земле. Запитав сначала один вывод обмотки, а затем другой — мы изменяем магнитные полюса. Это означает, что схема для использования биполярного двигателя очень простая, как правило, состоит только из двух транзисторов на фазу. Основным недостатком является то, что каждый раз, используется только половина доступных катушечных обмоток. Это как при волновом управлении двигателем с возбуждением одной обмотки. Таким образом, крутящий момент всегда составляет около половины крутящего момента, который мог быть получен, если бы обе катушки были задействованы. Другими словами, униполярные электродвигатели должны быть в два раза более габаритными, по сравнению с биполярным двигателем, чтобы обеспечить такой же крутящий момент. Однополярный двигатель может использоваться как биполярный двигатель. Для этого нужно оставить общий провод неподключенным.

Униполярные двигатели могут иметь 5 или 6 выводов для подключения. На рисунке выше продемонстрирован униполярный мотор с 6 выводами. Существуют двигатели, в которых два общих провода соединены внутри. В этом случае, мотор имеет 5 клемм для подключения.

8-выводной шаговый двигатель

Это наиболее гибкий шаговый мотор в плане подключения. Все обмотки имеют выводы с двух сторон:

Этот двигатель может быть подключен любым из возможных способов. Он может быть подключен как:

  • 5 или 6-выводной униполярный,
  • биполярный с последовательно соединенными обмотками,
  • биполярный с параллельно соединенными обмотками,
  • биполярный с одним подключением на фазу для приложений с малым потреблением тока

Что такое шаговый двигатель, зачем он нужен и как работает

Шаговые двигатели постоянного тока получили широкое распространение в станках с числовым программным управлением и робототехнике. Основным отличием данного электромотора является принцип его работы. Вал шагового электродвигателя не вращается длительное время, а лишь поворачивается на определенный угол. Этим обеспечивается точное позиционирование рабочего элемента в пространстве. Электропитание такого двигателя дискретное, то есть осуществляются импульсами. Эти импульсы и поворачивают вал на определенный угол, каждый такой поворот называется шагом, отсюда и пошло название. Зачастую данные электромоторы работают в тандеме с редуктором для повышения точности установки и момента на валу, и с энкодером для отслеживания положения вала в текущий момент. Эти элементы необходимы для передачи и преобразования угла вращения. В этой статье мы расскажем читателям сайта Сам Электрик об устройстве, принципе работы и назначении шаговых двигателей.

Как устроен шаговый двигатель

По своему типу это бесколлекторный синхронный электродвигатель. Состоит из статора и ротора. На роторе обычно расположены секции, набранные из листов электротехнической стали (на фотографии это «зубчатая» часть), а те, в свою очередь, разделены постоянными магнитами. На статоре расположены обмотки, в виде отдельных катушек.

Принцип действия

Как работает шаговый электродвигатель можно рассмотреть на условной модели. В положении 1 на обмотки А и В подается напряжение определенной полярности. В результате в статоре образуется электромагнитное поле. Так как разные магнитные полюса притягиваются, ротор займет свое положения по оси магнитного поля. Более того, магнитное поле мотора будет препятствовать попыткам изменения положения ротора извне. Если говорить простыми словами, то магнитное поле статора будет работать на то, чтобы удержать ротор от изменения заданного положения (например, при механических нагрузках на вал).

Если напряжение той же полярности подается на обмотки D и C, электромагнитное поле сместится. Это заставит повернуться ротор с постоянным магнитом в положение 2. В этом случае угол поворота равен 90°. Этот угол и будет шагом поворота ротора.

Положение 3 достигается подачей напряжения обратной полярности на обмотки А и В. В этом случае электромагнитное поле станет противоположным положению 1, ротор двигатели сместится, и общий угол будет 180°.

При подаче напряжения обратной полярности на обмотки D и C, ротор повернется на угол до 270° относительно начальной позиции. При подключении положительного напряжения на обмотки А и В ротор займет первоначальное положение — закончит оборот на 360°. Следует учитывать, что передвижение ротора происходит по наименьшему пути, то есть из положения 1 в положение 4 по часовой стрелке ротор повернется только после прохождения промежуточных 2 и 3 положения. При подключении обмоток после 1 положения сразу в 4 положение ротор повернется против часовой стрелки.

Виды и типы по полярности или типу обмоток

В шаговых двигателях применяются биполярные и униполярные обмотки. Принцип работы был рассмотрен на базе биполярной машины. Такая конструкция предусматривает использование разных фаз для питания обмоток. Схема очень сложна и требует дорогостоящих и мощных плат управления.

Более простая схема управления в униполярных машинах. В такой схеме начало обмоток подключены к общему «плюсу». На вторые выводы обмоток поочередно подается «минус». Тем самым обеспечивается вращение ротора.

Биполярные шаговые двигатели более мощные, крутящий момент у них на 40% больше чем в униполярных. Униполярные электромоторы гораздо более удобны в управлении.

Типы двигателей по конструкции ротора

По типу исполнения ротора шаговые электродвигатели подразделяются на машины:

  • с постоянным магнитом;
  • с переменным магнитным сопротивлением;
  • гибридные.

ШД с постоянными магнитами на роторе устроен также, как и в рассмотренных выше примерах. Единственным отличием является то, что в реальных машинах количество магнитов гораздо больше. Распределены они обычно на общем диске. Количество полюсов в современных моторах доходит до 48. Один шаг в таких электромоторах составляет 7,5°.

Электромоторы с переменным магнитным сопротивлением. Ротор данных машин изготавливается из магнитомягких сплавов, их также называют «реактивный шаговый двигатель». Ротор собирается из отдельных пластин и в разрезе выглядит как зубчатое колесо. Такая конструкция необходима для того, чтобы через зубцы замыкался магнитный поток. Основным достоинством такой конструкции является отсутствие стопорящего момента. Дело в том, что ротор с постоянными магнитами притягивается к металлическим деталям электромотора. И провернуть вал при отсутствии напряжения на статоре достаточно тяжело. В шаговом двигателе с переменным магнитным сопротивлением такой проблемы нет. Однако существенным минусом является небольшой крутящий момент. Шаг подобных машин обычно составляет от 5° до 15°.

Гибридный ШД был разработан для объединения лучших характеристик двух предыдущих типов. Такие двигатели имеют маленький шаг в пределах от 0,9 до 5°, обладают высоким моментом и удерживающей способностью. Самым важным плюсом является высокая точность работы устройства. Такие электромоторы применяются в самом современном высокоточном оборудовании. К минусам можно отнести только их высокую стоимость. Конструктивно ротор данного устройства представляет собой намагниченный цилиндр, на котором расположены магнитомягкие зубцы.

Для примера в ШД на 200 шагов используются два зубчатых диска с числом зубцов 50 штук на каждом. Диски смещены относительно друг друга на ползуба так, что впадина положительного полюса совпадает с выступом отрицательного и наоборот. Благодаря этому у ротора есть 100 полюсов с обратной полярностью.

То есть и южный, и северный полюс может сместиться относительно статора в 50 различных положений, а в сумме 100. А смещение фаз на четверть дает еще 100 позиций, производится это за счет последовательного возбуждения.

Управление ШД

Управление производится следующими методами:

  1. Волновой. В данном методе напряжение подается только на одну катушку, к которой и притягивается ротор. Так как задействована только одна обмотка крутящий момент ротора небольшой, и не подходит для передачи больших мощностей.
  2. Полношаговый. В данном варианте возбуждаются сразу две обмотки, благодаря чему обеспечивается максимальный момент.
  3. Полушаговый. Объединяет первые два метода. В данном варианте напряжение подается сначала на одну из обмоток, а затем на две. Таким образом реализуется большее количество шагов, и максимальная удерживающая сила, которая останавливает ротор при больших скоростях.
  4. Микрошаговое регулирование производится подачей микроступенчатых импульсов. Такой метод обеспечивает плавное вращение ротора и снижает рывки при работе.

Достоинства и недостатки шаговых электродвигателей

К достоинствам данного типа электрических машин можно отнести:

  • высокие скорости пуска, остановки, реверса;
  • вал поворачивается в соответствии с командой управляющего устройства на заданный угол;
  • четкая фиксация положения после остановки;
  • высокая точность позиционирования, без жестких требований к наличию обратной связи;
  • высокая надежность за счет отсутствия коллектора;
  • поддержание максимального крутящего момента на низких скоростях.
  • возможно нарушение позиционирования при механической нагрузке на вал выше допустимой для конкретной модели двигателя;
  • вероятность резонанса;
  • сложная схема управления;
  • невысокая скорость вращения, но это нельзя отнести к весомым недостаткам, поскольку шаговые двигатели не используются для простого вращения чего-либо, как бесколлекторные, например, а для позиционирования механизмов.

Шаговый двигатель также называют «электродвигатель с конечным числом положений ротора». Это и есть наиболее ёмкое и в то же время краткое определение таких электромашин. Они активно применяются в ЧПУ-станках, 3D-принтерах и роботах. Главным конкурентом шагового двигателя является сервопривод, но у каждого из них есть свои преимущества и недостатки, которые определяют уместность использования одного или другого в каждом конкретном случае.

Шаговые двигатели:
принцип работы и управление

Шаговые двигатели широко используются в принтерах, автоматических инструментах, приводах дисководов, автомобильных приборных панелях и других приложениях, требующих высокой точности позиционирования.

ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ: ПРИНЦИП РАБОТЫ
И ОТЛИЧИЯ ОТ ДВИГАТЕЛЕЙ
ПОСТОЯННОГО ТОКА

Двигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами начинают работать сразу, как только к якорной обмотке будет приложено постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором — коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре.

Шаговый двигатель (ШД) может быть рассмотрен как ДПТ без коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. 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.

Принято различать шаговые двигатели и серводвигатели. Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом (дискретном) режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора) и плавности вращения синхронного двигателя. Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению, в качестве которого обычно используется резольвер или sin/cos энкодер. Шаговые двигатели используются преимущественно в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении. Синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.

Шаговые двигатели(ШД) делятся на две разновидности: с постоянными магнитами и с переменным магнитным сопротивлением (гибридные). Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис. 1).

Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рис. 2).

За это упрощение приходится платить более сложным реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.

Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи широтно-импульсной модуляции.

Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.

Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, остановки, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.

Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных устройств.

Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Она позволяет независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.

На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.

На рисунке 4 показана последовательность для режима с половинным шагом.

Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.

В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя.

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.

Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от нескольких ватт до одного киловатта. Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота. Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.

Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.

ШАГОВЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ АКТИВНОГО ТИПА

В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.

Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричную и несимметричную.

При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления.

При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления.

Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки».

Число тактов Kt системы управления называют количеством состояний коммутатора за период его работы t. Как видно из рисунков, для симметричной системы управления Kt = 4, а для несимметричной Kt = 8.

В общем случае число тактов Kt зависит от числа обмоток управления (фаз статора) mу и может быть посчитано по формуле:

где: n1 = 1 — при симметричной системе коммутации;

n1 = 2 — при несимметричной системе коммутации;

n2 = 1 — при однополярной коммутации;

n2 = 2 — при двуполярной коммутации.

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении, а при двуполярной — в обоих. Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают. Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р = 1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р > 1). Для примера приведем двухполюсный трехфазный шаговый двигатель.

Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:

Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния, поэтому р = 4…6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.

РЕАКТИВНЫЕ ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них — крупный шаг, который может достигать десятков градусов.

Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.

Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора.

При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.

Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определяется выражением:

αш = 360 / Kt * Zр

В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, так как изменение направления поля не влияет на положение ротора.

Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.

Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.

Повышения степени редукции шаговых двигателей как активного, так и реактивного типа, можно достичь применением двух-, трех- и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов — два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время, роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, то есть оси их полюсов полностью совпадают. Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной. Кроме того, она требует сложного коммутатора.

Индукторные (гибридные шаговые двигатели

Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.

В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.

По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага — больший синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики.

ЛИНЕЙНЫЕ ШАГОВЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

При автоматизации производственных процессов часто бывает необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т. д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.

Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов.

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.

Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. В пределах одного магнитопровода ротора они сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно соответствующих параметров первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.

Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя. Разница — лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, то есть на четверть зубцового деления t/4.

где Kt — число тактов схемы управления.

Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.

В линейных шаговых двигателях применяют магнитовоздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под него нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между ними создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечиваются минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ
СИНХРОННОГО ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.

Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при которой шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.

В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потоком статора.

Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.

Предельная механическая характеристика — это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.

Приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления.

Приемистость падает с увеличением нагрузки.

Шаговый двигатель: что это такое и как он работает – принцип работы и устройство

Рассмотрим «сердце» фрезеровочных, шлифовальных, универсальных и многих других станков. Под прицелом внимания – шаговый двигатель: устройство и принцип работы, схема и сферы применения, типы конструкции и варианты программирования. Расскажем все эти и другие важные моменты, чтобы вы понимали, что он из себя представляет и какую его модель выбрать в соответствии со спецификой решаемых задач.

Сразу отметим, что предмет нашего интереса сегодня используется не только в сложном оборудовании, решающем ответственные задачи, но и в сравнительно простых производственных механизмах и даже в бытовых приборах. Он востребован во всех тех случаях, когда необходимо поддерживать достаточно скоростное вращение вала, одновременно сочетая его с точным позиционированием, и поэтому будет оставаться актуальным еще долгие годы.

Что такое шаговый двигатель

Согласно наиболее популярному определению, это машина, которая преобразует электрическую энергию (ее она получает из сети) в механическую осуществляя дискретные (внимание, не непрерывные, это важно) перемещения ротора. Причем после каждого такого действия положение динамической части фиксируется.

Все отдельные передвижения одинаковой величины, и вместе они формируют полный оборот (цикл). Поэтому, подсчитав их количество, можно без труда и с высокой точностью вычислить абсолютную позицию инструмента. Общее их число, кстати, зависит от ряда моментов: характер подключения, вид устройства, способ задания команд и другие факторы.

Принцип работы шагового электродвигателя

  1. На клеммы подается напряжение, благодаря которому специальные щетки начинают вращаться.
  2. Под воздействием входящих импульсов ротор устанавливается в начальное положение, а затем перемещается под одним и тем же углом.
  3. Микроконтроллер (в большинстве случаев, хотя возможна и другая внешняя цепь управления) приводит в действие зубчатые электромагниты. Тот из них, к которому прикладывают энергию, притягивает шестерню, обеспечивая тем самым поворот вала.
  4. Остальные магниты по умолчанию выровнены относительно ведущего, поэтому они сдвигаются вместе с ним по направлению к очередной детали.
  5. Шестеренка вращается за счет переключения электромагнитов по порядку – от главного к следующему и так далее. При этом она выравнивается относительно предыдущего колеса, что завершает цикл.

Шаг шагового двигателя – это описанный выше алгоритм, и он повторяется необходимое для выполнения технологической операции количество раз.

Представление о внешнем виде и характере функционирования дополнит следующий рисунок:

Из него ясно, что к статору относятся четыре обмотки, расположенные крестообразно, то есть под углом в 90 0 друг к другу. Отсюда понятно, что и дискретное движение будет осуществляться на такую же величину градусов. Если напряжение подавать поочередно – U1, U2, U3 и так далее – ротор сделает полный оборот, а затем пойдет на второй круг, то есть начнет вращаться – до тех пор, пока его не потребуется остановить. Ну а, чтобы изменить направление его движения, достаточно задействовать витки в обратном порядке.

Какие бывают шаговые двигатели: рассмотрим их разновидности

Режимы работы мотора определяют 2 характеристики: величина шага и усилие, прикладываемое для перемещения. Варьировать их можно, меняя метод подключения, строение обмоток или вала.

Соответственно, классификация приводов осуществляется по следующим параметрам:

  • По конструкции ротора – его строение играет ключевую роль, так как от него зависит специфика взаимодействия с электромагнитным полем статора. Выделяют 3 варианта, причем каждый из них мы рассмотрим ниже, со всеми особенностями, плюсами и минусами.
  • По виду (числу обмоток) – с ростом их количества вращение становится более плавным, но одновременно увеличивается и стоимость силового агрегата, хотя крутящий момент остается неизменным. Могут быть уни- и биполярными, в первом случае подключаются с ответвлением от средней точки, во втором – через 4 выхода.

Теперь обратим внимание на строение вала.

Шаговые приводы с переменным магнитным сопротивлением

Как следует хотя бы из названия, собственный источник постоянного поля у него отсутствует; кроме того, его ротор сделан из магнитомягкого материала и отличается зубчатой формой. Через ближайшие к статору участки контакта и осуществляется замыкание – с притяжением к полюсам, обеспечивающее дискретные движения. По своему исполнению он похож на шестерню, в которой сила вращения появляется за счет противоположных пар и попеременного протекания тока.

Ключевое преимущество – нет стопорящего момента, ведь поле, в других случаях способное воздействовать на арматуру, банально отсутствует. Вы получаете синхронный силовой агрегат, в котором ротор и статор поворачиваются одновременно и в унисон.

Обладая теми же размерами, что и другие разновидности, данные модели развивают меньший крутящий момент. Перемещение осуществляется на 5-15 градусов, а это сравнительно грубо и, зачастую, неточно. Так объясняется несколько ограниченная сфера применения реактивного шагового двигателя: где используется мотор данного типа, так в специфических станках, все детали которых производитель изготавливает самостоятельно.

С постоянными магнитами

Опять же, сразу ясно, в чем их особенность – в наличии собственного источника постоянного поля, являющегося основой подвижного элемента и содержащего 2 и более полюсов. Именно последние и обеспечивают вращение ротора за счет подачи напряжения на обмотки и притяжения/отталкивания.

Перемещение может осуществляться либо полностью перпендикулярно предыдущему положению, либо наполовину; увеличивая число магнитных пар, можно регулировать длину, а значит и количество дискретных движений, доводя их общее число до 48 за полный оборот. Это позволяет очень точно устанавливать рабочий инструмент в нужное место и является конкурентным преимуществом силового агрегата.

Гибридные

Конструкция шагового двигателя этого типа была разработана, чтобы объединить достоинства двух предыдущих. Представляет собой цилиндрический источник поля, намагниченный продольно, то есть пару полюсов с особенными поверхностями – с нанесенными зубцами. Последние обеспечивают отличное удерживание, не снижая крутящий момент.

  • малый шаг – 0,9-50 – что позволяет прецизионное позиционирование за счет большого количества дискретных перемещений (до 400 за один цикл);
  • высокая скорость и плавность работы.

Да, они дороже двух предыдущих видов, так как сложнее в изготовлении, но это относительный минус. Благодаря своим преимуществам это наиболее распространенные сегодня варианты, использующиеся в самых ответственных случаях: устанавливаются в ЧПУ-станках, в приборах современной робототехники, на медицинском и офисном оборудовании.

Принцип управления шаговым двигателем

Выделяют 3 основных режима, задаваемых драйвером, то есть чипом, посылающим сигналы. Вот они:

Каждый из них обладает своими особенностями. Первый из них мы уже косвенно описывали выше, и он сводится к поочередной коммутации фаз; причем только одна из них в любой из моментов может быть подключена к источнику – они не должны перекрывать друг друга. Этот закон отражен в английском названии метода – one phase – one step. Точки равновесия при этом обязаны совпадать с направлением полюсов статора.

Минус здесь в том, что одновременно задействована лишь половина обмоток (у биполярного агрегата) или даже четверть (у униполярного).

Также можно выбрать принцип работы шагового мотора, при котором питание будет подаваться сразу на все витки. Он известен как способ two-phase-on (full step), и при нем ротор остается в состоянии равновесия между силовыми линиями неподвижной части вала, причем смещенным на половину дискретного движения. Благодаря такому решению крутящий момент может быть повышен до 35-40%.

Полушаговый режим

На каждом втором перемещении задействована одна фаза, в то время как между ними – пара. Это дает возможность вдвое уменьшить величину угла и, следовательно, в 2 раза повысить количество переходов в течение оборота. Удобен именно тем, что сравнительно просто обеспечивает результат, поэтому достаточно распространен.

При таком устройстве и работе шагового электродвигателя важно помнить, что его остановка должна производиться с формированием тока удержания – небольшого, намного меньше номинального, но все равно необходимого и важного. Он нужен, чтобы автоматически фиксировать положение ротора после полного отключения напряжения. Иначе подвижный вал будет в свободном состоянии и при механическом воздействии (которое весьма вероятно) сместится, чего нельзя допустить. Зато при его подаче отпадает потребность в организации тормозной системы, добавлении механического фиксатора или другого элемента, способного стать «слабым звеном», то есть снизить общую надежность силового агрегата.

Микрошаговый режим

Рассмотрим, как в этом случае действует пошаговый двигатель: принцип работы сводится ко включению двух фаз с неравномерным распределением тока обмоток. Благодаря этому смещается магнитное поле статора, а вслед за ним и позиция ротора. Диспропорция между переключениями отличается маленькой дискретностью.

За счет такого подхода осуществляются крайне малые шаги – в 1/3 от полного или еще короче, числом до 1000 за оборот. Это позволяет максимизировать точность установки инструментов, хотя и значительно усложняет систему контроля. На практике данное решение востребовано в особо сложных и ответственных случаях, при создании и использовании сравнительно дорогих, но прецизионных станков.

Достоинства и недостатки

Мы уже рассмотрели, как устроен, работает, и где применяется шаговый двигатель, что это такое, но наше описание было бы неполным без анализа плюсов и минусов его стандартных моделей.

В списке объективных преимуществ:

  • Поддержка полного крутящего момента при постепенном уменьшении скорости хода, даже перед остановкой.
  • Точное позиционирование в рамках выбранного режима, причем без какой-либо обратной связи; количество дискретных перемещений задается углом поворота.
  • Положение силового агрегата фиксируется сразу же в момент прекращения движения – ток удержания обеспечивает отсутствие инерционных сдвигов.
  • Быстрый старт и реверс, оперативное переключение.
  • Регулировать вращение можно прецизионно, возвратного влияния при этом, опять же, не наблюдается.
  • Высокий уровень общей надежности, отчасти объясняется тем, что нет коллекторных щеток и других элементов, которые могли бы стать «слабым звеном».

В числе практических недостатков:

  • Принцип действия шагового двигателя может сопровождаться чересчур сложным управлением.
  • Скорость не очень-то высока номинально.
  • Иногда возникает резонанс, что чревато сбоями в установке инструментов.
  • Удельная мощность сравнительно мала.
  • Под воздействием механических перегрузок возможна потеря позиционирования.

Очевидно, что плюсы значительнее минусов, к тому же, есть области, в которых без рассматриваемых силовых агрегатов просто не обойтись, когда они в разы превосходят коллекторные. Это те случаи точной механики, в которых нужно перемещать узлы с мгновенными остановками и быстрым изменением вектора движения.

Важные характеристики

  • С точки зрения электротехники, пошаговый привод – это достаточно сложное устройство, обладающее целым рядом параметров. Вот основные из них:
  • Число полных шагов в течение одного цикла – от него зависит точность, плавность хода, разрешающая способность; у современных моделей должно быть на уровне 200-400.
  • Угол дискретного перемещения (поворота вала) – рассчитывается как 360 0/количество отдельных передвижений за оборот; аналогичный предыдущему показатель, просто представленный в другом виде; его актуальные значения – 1,8-0,9 градусов.
  • Пробивное напряжение – максимальное, по достижении которого нарушается изоляция, определяет безопасность использования.
  • Допустимое постоянное напряжение – измеряется в статическом режиме на витках; в ряде случаев не приводится, но и тогда его можно рассчитать по закону Ома.
  • Номинальный ток – наибольший из возможных для безопасного и бесперебойного функционирования силового агрегата.
  • Сопротивление обмотки – оно, вместе с предыдущей характеристикой, говорит о том, какое количество Вольт можно подавать на пошаговые электродвигатели.
  • Индуктивность фазы – определяет скорость нарастания тока; приобретает особенно важную роль при быстром вращении вала.
  • Сопротивление изоляции – между обмотками и корпусом.

Отдельным семейством параметров являются моменты:

  • крутящий – зависит от частоты вращения; указывается максимальный для данного силового агрегата;
  • инерции – чем он меньше, тем быстрее разгон;
  • стопорный – нужен для прокручивания вала в случае отсутствия питания;
  • удерживающий – активен при полной остановке и запитывании номинальным током двух фаз.

Подключение

Есть модели с 4, 5, 6, 8 соединителями; «четверка» подходит только для биполярных, так как у них пара фазных обмоток с двумя коннекторами и нужно устанавливать непрерывные связи. «Шестерка» обладает еще и центр-кранами на каждом витке и поэтому универсально применима ко всем силовым агрегатам.

Типичные варианты коммутации выглядят следующим образом:

Для беспроблемной эксплуатации важно помнить правила подачи номинального напряжения, а также изменения скорости крутящего момента и понижения линейного.

Виды управления

Помимо уже рассмотренных режимов – полно-, полу- и микро-, – есть и другие, определяющие, как сигналы подаются на полюса и, соответственно, как работает шаговый мотор. Рассмотрим два принципиально разных их типа.

Без контроллера

Реализуется благодаря Н-мосту (часто именно так и называется), позволяющему практически мгновенно переключать полярность и обеспечивать быстрый реверс. Система выстраивается на транзисторах и/или микросхемах: выбранные ЭРЭ гарантируют логическую цепочку, по которой перемещаются ключи. Подходит для бесколлекторных моделей.

Согласно данной схеме, напряжение идет от источника питания к мосту. Контакты включаются попарно (S1-S4 и S3-S2), благодаря чему ток проходит через обмотки, запуская вращение в нужную сторону.

С контроллером

Взглянем на него подробнее, ведь он определяет, как работает и что такое шаговый электродвигатель: это электронный блок, который формирует последовательность сигналов и посылает их на катушки статора. Чтобы он не вышел из строя при возникновении аварийной ситуации (например, при коротком замыкании), выводы привода снабжают диодами, не пропускающими обратные импульсы. Дает возможность реализовать самые разные режимы.

Популярные схемы управления

Предлагаем вашему вниманию два интересных варианта:

Ключевое преимущество здесь – помехозащищенность. Как прямой, так и инверсный сигнал подключаются к своим полюсам напрямую. При ее воплощении в жизнь необходимо озаботиться экранированием сигнального соединителя. Подходит, когда планируете с низкой мощностью использовать шаговый электродвигатель: принципы работы будут выполняться даже при условии высоких нагрузок.

Еще одно достойное решение:

Ключевая особенность – объединение вводов, подключаемых к положительному полюсу. Если при этом будет подаваться питание, превышающее 9 В, понадобится дополнить схему резистором-ограничителем тока. В общем же она очень удобна тем, что обеспечивает возможность строго и точно задавать скорость и количество перемещений в течение оборота.

Если на один его D-вывод подавать логическую 1, а на остальных оставлять 0, транзистор откроется, что обеспечит прохождение сигнала к катушке. Вот таким нехитрым способом осуществляется дискретное передвижение.

Советуем на практике посмотреть, что собой представляет шаговый двигатель, назначение устройства и принцип действия – попробуйте самостоятельно задать ему некоторые команды. Взяв последнюю разработку за основу, не проблема выполнить печатную плату, под заказ или даже своими силами, впаяв в нее необходимые ЭРЭ (почти все диоды, транзисторы, резисторы можно извлечь из отслужившей свое техники). Управление возможно осуществлять с обычного компьютера.

Полезные ролики по теме

Если на эксперименты нет времени или желания, и срочно нужен станок с надежным силовым агрегатом, вам есть из чего выбрать. Достойных производителей сегодня хватает, например, современное оборудование предлагает ижевский завод «Сармат», все модели которого отличаются эргономикой, эффективностью, высокой степенью безопасности.

Ну а напоследок посмотрите, как работает шаговый двигатель, видео помогут вам окончательно понять принцип действия данных приводов.

Читайте также:  Ворота в гараж – основы выбора секционных ворот
Ссылка на основную публикацию