Site Loader

Содержание

устройство, принцип работы, область применения

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.

Недостатки:

  • 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.

Материалы по теме:

Шаговый Двигатель — Принцип Работы для Чайников

Каким образом роботизированный манипулятор на предприятии повторяет одни и те же движения снова и снова? Как автоматический фрезерный станок может двигаться с такой точностью? Это возможно благодаря шаговому двигателю. Особенность шагового двигателя заключается в том, что он может контролировать угловое положение ротора без замкнутого контура обратной связи, это простая и точная разомкнутая система.

Как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Для начала давайте разберемся, как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением, который является самым простым. Позднее мы рассмотрим устройство высокоточного и широко используемого типа двигателя. У этого двигателя 6 зубьев на статоре, которые могут быть запитаны от трех отдельных источников постоянного тока. 

Ротор состоит из ряда стальных пластин. У него отличное от статора количество зубьев в данном случае их 4 это сделано намеренно, для того чтобы только одна пара зубьев ротора могла одновременно находиться напротив зубьев статора. 

Вы и сами можете объяснить, как работает этот шаговый двигатель. Если обесточить обмотку A и запитать обмотку B станет ясно, что ротор будет двигаться, как показано на модели. 

Из уроков геометрии понятно, что один шаг соответствует 30 градусам. Чтобы перейти к следующему шагу обесточим обмотку B и запитаем обмотку C. 

После этого вновь запитаем обмотку A. То есть ротор занимает позицию с наименьшим сопротивлением. 

Размер шага двигателя составляет 30 градусов, точность может быть доведена до 15 градусов при помощи одного простого приема, когда запитана обмотка A,  ротор находится в таком положении мы знаем, что если запитать обмотку B он повернется на 30 градусов. Но что произойдет если обмотки A и B будут запитаны одновременно? Ротор займет положение между двумя этими обмотками, то есть повернется на 15 градусов. 

После этого обесточим А. Когда ротор установится напротив обмотки B, запитаем обмотку С, такой тип работы называется режимом дробления шага. 

Как работает гибридный шаговый двигатель

Двигатель который мы рассматривали, называется двигателем с переменным магнитным сопротивлением. Наиболее универсальными и широко распространенными являются гибридные шаговые двигатели. Рассмотрим работу стандартного гибридного двигателя с величиной шага в 1.8 градуса. 

Гибридный двигатель имеет намагниченный по оси ротор со стальными зубчатыми наконечниками. Таким образом, одна сторона ротора является северным магнитным полюсом, а другая южным. 

Точность данного двигателя заключается в продуманном расположении зубьев ротора и статора. Разберемся, как это работает. Ротор имеет 50 зубьев, чтобы понять, как расположены зубья статора для начала, предположим, что у статора тоже 50 зубьев. Однако на самом деле их на 2 меньше, чем у ротора. Таким образом у статор остается 48 зубьев. 

Давайте разделим их на 4 группы попарно, как показано на модели (подробнее смотри на видео). 

Теперь давайте выровняем эти группы, зеленая группа сдвигается так что она оказывается наполовину выровнены с зубьями ротора. Зубья желтой группы полностью смещены относительно зубьев ротора. Синяя группа наполовину выровнена относительно зубьев ротора. Красная группа остается на своем месте, то есть красная группа зубьев полностью выровнена с ротором, а желтая группа смещена. Две другие группы смещены лишь наполовину. 

Следует помнить, что сторона ротора направленная к нам является южным магнитным полюсом. Обмотки статора соединяются следующим образом, они представляют собой две независимые группы обмоток. При подаче питания на обмотку A, статор образует следующую картину намагниченности. Одна пара полюсов статора действует как северный полюс, а другая как южный. Так как противоположные полюса притягиваются, они будут совмещены, полюса с одинаковой полярностью будут смещены. 

Смотрите, что произойдет с ротором при подаче питания на обмотку B, он совершит вращение на небольшой угол чтобы вы равняться с новым северным полюсом. Очевидно, что этот угол составляет одну четвертую часть углового шага. Другими словами, ротор поворачивается на 1,8 градуса, затем задействуется обмотка A с противоположной полярностью и вновь ротор поворачивается на одну целую восемь десятых градуса.

Данный процесс повторяется и двигатель совершает высокоточные движения. Разрешение угла шага может быть улучшено при помощи дробления шага. Интересно отметить, что северные зубчатые наконечники находятся между южными зубчатыми наконечниками, таким образом гарантируется выравнивание полюсов с противоположными полярностями.  

Вот так работает гибридный шаговый двигатель, такие двигатели идеально подходят для применения в областях, где необходимы четкие движения и простое управление.

Шаговый двигатель принцип работы

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

Описание и принцип работы

Как и двигатель постоянного тока, описанный в предыдущей статье, шаговые двигатели также являются электромеханическими исполнительными механизмами, которые преобразуют импульсный цифровой входной сигнал в дискретный (инкрементальный) механический ход, широко используются в промышленных системах управления. Шаговый двигатель представляет собой тип синхронного бесщеточного двигателя, в котором он не имеет ротора с коммутатором и угольных щеток, но имеет ротор, состоящий из многих (некоторые типы имеют сотни) постоянных магнитных зубьев и статор с отдельными обмотками.

Как следует из названия, шаговый двигатель не вращается непрерывно, как обычный двигатель постоянного тока, а движется дискретными «шагами» или «приращениями», причем угол каждого вращательного движения или шага зависит от числа полюсов статора и ротора. зубья имеет шаговый мотор.

Из-за их дискретной шаговой операции шаговые двигатели могут легко вращаться за конечную долю оборота за раз, например, 1,8, 3,6, 7,5 градусов и т.д. Так, например, давайте предположим, что шаговый двигатель совершает один полный оборот 360° ровно за 100 шагов.

Тогда угол шага для двигателя задается как 360°/ 100 шагов = 3,6°за шаг. Это значение обычно известно как Шаг угла.

Существует три основных типа шагового двигателя: переменное сопротивление, постоянный магнит и гибрид (своего рода комбинация обоих). Шаговый двигатель особенно хорошо подходит для устройств, требующих точного позиционирования и повторяемость с быстрой реакцией на запуск, остановка, реверс и регулировка скорости и другой ключевой особенностью шагового двигателя является его способность удерживать заряд ровно после достижения требуемого положения.

Как правило, шаговые двигатели имеют внутренний ротор с большим количеством «зубьев» постоянного магнита с рядом электромагнитных «зубьев», установленных на статоре. Электромагниты статоров поляризованы и деполяризованы последовательно, заставляя ротор вращаться по одному «шагу» за раз.

Современные многополюсные, многозубые шаговые двигатели имеют погрешность менее 0,9°на шаг (400 импульсов на оборот) и в основном используются для высокоточных систем позиционирования, подобных тем, которые используются для магнитных головок в дисководе гибких дисков / жестких дисках, принтеры / плоттеры или роботизированные устройства. Наиболее часто используемым шаговым двигателем является шаговый двигатель с шагом 200 на оборот. Он имеет 50 зубчатый ротор, 4-фазный статор и угол шага 1,8 градуса (360°/ (50 × 4)).

Конструкция и управление шаговым двигателем

В нашем простом примере шагового двигателя с переменным сопротивлением выше, двигатель состоит из центрального ротора окружен четырьмя электромагнитными катушками, помеченных A, B, C и D. Все катушки с одной и той же буквой соединены вместе, так что при подаче питания, скажем, катушек, помеченных буквой A, магнитный ротор выравнивается с этим набором катушек.

Подавая мощность на каждый набор катушек, в свою очередь, можно заставить ротор вращаться или «переходить» из одного положения в другое на угол, определяемый конструкцией угла его шага, и при последовательном возбуждении катушек ротор будет производить вращение (движение).

Драйвер шагового двигателя управляет как углом шага, так и скоростью двигателя, запитывая полевые катушки в установленной последовательности, например, « ADCB, ADCB, ADCB, A… » и т.д., ротор будет вращаться в одном направлении (вперед) и посредством при изменении последовательности импульсов на « ABCD, ABCD, ABCD, A… » и т. д. ротор будет вращаться в противоположном направлении (назад).

Таким образом, в нашем простом примере, приведенном выше, шаговый двигатель имеет четыре катушки, что делает его 4-фазным двигателем с числом полюсов на статоре восемь (2 x 4), которые расположены с интервалом 45°. Число зубьев на роторе составляет шесть, которые расположены на расстоянии 60°друг от друга.

Тогда есть 24 (6 зубьев х 4 катушек) возможных положений или «ступеней», чтобы ротор совершил один полный оборот. Следовательно, вышеуказанный угол шага равен: 360 o / 24 = 15 o .

Очевидно, что чем больше зубьев ротора и / или катушек статора, тем лучше контроль и меньший угол шага. Кроме того, при подключении электрических катушек двигателя в различных конфигурациях возможны полные, половинные и микрошаговые углы. Однако для достижения микроперехода шаговый двигатель должен приводиться в действие (квази) синусоидальным током, который дорог в реализации.

Также возможно контролировать скорость вращения шагового двигателя, изменяя временную задержку между цифровыми импульсами, подаваемыми на катушки (частоту), чем больше задержка, тем медленнее скорость для одного полного оборота. Подавая на двигатель фиксированное количество импульсов, вал двигателя вращается на заданный угол.

Преимущество использования импульса с задержкой по времени заключается в том, что не требуется никакой дополнительной обратной связи, поскольку путем подсчета количества импульсов, подаваемых на двигатель, конечное положение ротора будет точно известно. Эта реакция на заданное количество цифровых входных импульсов позволяет шаговому двигателю работать в «системе с разомкнутым контуром», что делает его более простым и дешевым в управлении.

Например, предположим, что наш шаговый двигатель имеет угол наклона 3,6°на шаг. Чтобы повернуть двигатель на угол, скажем, 216°, а затем снова остановиться в требуемом положении, потребуется всего: 216°/ (3,6°/ шаг) = 80 импульсов, приложенных к катушкам статора.

Имеется много интегральных схем контроллера шагового двигателя, которые могут контролировать скорость шага, скорость вращения и направление двигателя. Одним из таких контроллеров является SAA1027, который имеет все необходимые встроенные счетчики и преобразователи кода и может автоматически подключать 4 полностью контролируемых мостовых выхода к двигателю в правильной последовательности.

Направление вращения также может быть выбрано вместе с одношаговым режимом или непрерывным (бесступенчатым) вращением в выбранном направлении, но это накладывает некоторую нагрузку на контроллер. При использовании 8-битного цифрового контроллера возможны также 256 микрошагов за шаг.

Устройство шагового электродвигателя

Шаговый двигатель, работающий от постоянного тока, умеет делить один полный оборот на большое количество шагов. Устройство состоит из следующих деталей:

  • Контроллер специального назначения для шагового привода.
  • Клеммы.
  • Обмотки.
  • Блок управления или приборная модель.
  • Магнитная часть.
  • Сигнализаторы.
  • Передатчики.

Принцип работы шагового электродвигателя

Принцип работы электродвигателя состоит в следующем. На клеммы прибора подается напряжение, после чего щетки двигателя приводятся в постоянное движение. Двигатель на холостом ходу начинает преобразование входящих импульсов прямоугольного направления в положение приложенного вала, имеющего определенную направленность, и перемещает его под некоторым углом.

Смотрите также:   Правила рациональных покупок: как не тратить лишних денег в супермаркете

Максимальная эффективность такого электродвигателя достигается наличием нескольких зубчатых магнитов, сосредоточенных вокруг железного колеса зубчатой формы. Когда к определенному электромагниту прилагается энергия, он начинает притягивать зубья колеса. После их выравнивания по отношению к этому электромагниту, они становятся смещены относительно следующей магнитной части электродвигателя.

Первый магнит отключается, включается второй электромагнит, происходит вращение шестеренки, которая выравнивается с предыдущим колесом. Это циклическое действие происходит необходимое количество раз. Одно выполненное вращение называют шагом электродвигателя.

Преимущества и недостатки

К основным преимуществам шаговых электродвигателей относят их точность. То есть, при попадании напряжения на обмотку, прибор поворачивается на строго определенную величину угла. Еще одним несомненным достоинством можно назвать стоимость агрегата. Ведь если сравнивать их цену с, например, сервоприводами, то они стоят в 2 раза дешевле.

Основной недостаток шагового электропривода — возможное проскальзывание ротора. Причин может быть несколько:

  • Слишком высокая нагрузка на валу.
  • Неправильные настройки программы управления.
  • Скорость вращения приближается к резонансным показателям.

Решение этих проблем возможно, если использовать датчики поворота. Но автоматически эта проблема решается не всегда. В некоторых случаях задача выполнима только после остановки производственной программы. Проблема проскальзывания электродвигателя решается также путем увеличения его мощности.

Область применения шагового электродвигателя

Область применения шагового электродвигателя достаточно обширна. Например, гибридные шаговые электродвигатели активно используют при создании станков с числовым программным управлением, которые работают по дереву, выполняют плазменную резку металлов или фрезерные операции. Шаговые приборы отлично подходят для управления чертежной головкой в копировальных станках с цифровым программным управлением.

Передача факсов на расстояние при помощи телефонной связи также не обходится без использования таких приборов. В космических летательных аппаратах для изучения космоса шаговые двигатели использовались, например, в ЛА Mariner как устройство для наведения телевизионных камер и спектрометров на нужные цели.

Конструкция шаговых двигателей устроена таким образом, что на статоре устройства расположено определенное количество обмоток управления, на которые последовательно подаётся напряжение. Такой подход в работе шаговых электродвигателей позволяет обеспечить дискретное изменение электрического поля внутри шагового электродвигателя и задать нужный угол перемещения оси ротора.

Разновидности приспособления

В зависимости от некоторых деталей различают несколько типов шаговых двигателей. Каждый из них имеет некоторые особенности функционирования.

Двигатель с постоянным магнитом считается наиболее популярным, отличается простотой настройки и эксплуатации. Устройство несет в себе магнит круглой формы, напоминающий диск и имеющий разные полюса. Обмотки статора при включении прибора притягивают и отталкивают магнит на роторе, что и обеспечивает кручение механизма.

При использовании такого типа двигателя величина шага измеряется, и показатель колеблется в пределах 45−90 градусов. Простота применения приспособления делает его востребованным, а длительный срок службы позволяет не думать о частой замене.

Прибор с переменными магнитами

Такие приспособления не имеют на роторе специального магнита. Эта деталь изготовлена из магнитного, мягкого металла, имеет форму зубчатого диска, напоминающего шестеренку. На статоре расположено более четырех разных обмоток. Запитываются они в противоположных парах и притягивают к себе ротор.

Стоит отметить, что величина крутящегося момента несколько снижается, поскольку в устройстве отсутствует постоянный магнит. Это считается недостатком, но есть и достоинство, поскольку при работе приспособления нет момента стопора.

Стопорящий момент заключается во вращении, создаваемом расположенными на роторе постоянными магнитами. Они притягиваются к статору, а именно к его арматуре при отсутствии в обмотках электрического тока. Зафиксировать этот момент просто — необходимо попытаться рукой повернуть двигатель в отключенном состоянии. При этом обычно слышны щелчки на каждом шаге. Диапазон шага в таком двигателе колеблется в пределах 5−15 градусов.

Гибридные модели

Название свое этот тип приспособлений получил из-за особенности работы, которая предполагает сочетание принципов шагового двигателя с постоянными и переменными магнитами. Обладает хорошими удерживающими и динамическими крутящими моментами. Достоинством прибора считается минимальная величина шага, которая не превышает показатель в 5°. Именно благодаря этому обеспечивается максимальная точность.

Механические части приспособления вращаются гораздо быстрее, чем в других моделях с подобным принципом работы. Часто используются в станках для производства. Главным недостатком такого двигателя считается его высокая стоимость.

Известно, что обычный мотор с 8 обмотками будет иметь по 50 положительных и отрицательных полюсов, но произвести такой магнит невозможно. Именно поэтому устройство гибридного двигателя включает в себя 2 магнитных диска, каждый имеет 50 зубцов, а также постоянный магнит цилиндрической формы.

Диски в процессе изготовления прибора привариваются к разным полюсам этого цилиндрического магнита и получается, что один из них на каждом из своих зубьев имеет положительный полюс, а другой — отрицательный. Если смотреть на конструкцию сверху, она выглядит как один диск, имеющий 100 зубьев.

На один оборот такого двигателя приходится 75 шагов, каждый из которых имеет показатель не более, чем 1,5°.

Двухфазные моторы

Двухфазный шаговый двигатель очень прост в использовании, установить его и настроить может даже человек без опыта и соответствующих навыков. Приспособление имеет два типа обмотки для катушек:

  1. Униполярная заключается в установке одной обмотки, а также специального магнитного крана в центре, влияющего на любую фазу. Каждая секция включается для обеспечения необходимого направления магнитного поля. Достоинством этой конструкции считается возможность функционирования без специального переключения. На каждую обмотку понадобится один транзистор, поэтому установка прибора облегчается. На одну фазу приходится три провода, а на выходной сигнал необходимо шесть проводов. Подключать обмотки можно также посредством присоединения проводов с постоянными магнитами. Стоит помнить, что повернуть вал будет непросто при прикосновении клемм. Это связано с тем, что общий провод по длине несколько больше, чем та часть, которая используется для присоединения катушек.
  2. Биполярные типы моторов имеют только одну обмотку. Электрический ток в нее поступает особенным переломным методом посредством полюса, обеспеченного магнитом. На любую фазу приходится два разных провода. Устройство несколько сложнее, чем в униполярных моделях, но эффективность выше.

Другие типы устройств

Главная особенность реактивных приспособлений — маленький шаг, который достигает не более 1°, а также расположение зубцов, находящихся на полюсах статора. Недостаток такого мотора — отсутствие синхронизирующего момента в случае обесточивания обмоток.

Для изготовления такого прибора понадобится специальный коммутатор, поэтому стоимость его высока. Самостоятельное создание также исключается по причине сложности конструкции.

Синхронные линейные шаговые моторы используются в случае, когда необходимо автоматизировать производственный процесс. Для этого следует обеспечить перемещение объектов в плоскости. С этой целью применяется специальный преобразователь, который изменяет вращательное движение на поступательное. Достичь этого можно путем использования кинематики.

Именно с этой целью и применяется линейный двигатель, преобразующий импульсы в перемещение по одной линии. Помимо автоматизации процесса, приспособление упростит кинематическую схему проводов. В таком приборе статор изготовлен из мягкого магнитного металла, а также имеется постоянный магнит. Стабильная работа двигателя осуществляется при условии постоянной подачи импульсов на обмотки.

Шаговые моторы — универсальные приспособления, обеспечивающие бесперебойное функционирование множества электрических приборов и производственного оборудования.

Шаговая частота вращения и частота импульсов

Так как частота вращения у ШД фактически представляет собой количество шагов в единицу времени, вместо термина «частота вращения» в специализированной литературе нередко можно встретить определение «шаговая частота вращения». Перед тем как подключить электродвигатель, об этих нюансах нужно обязательно прочесть.

Так как у большинства шаговых двигателей эта частота равна количеству управляющих импульсов, не стоит удивляться необычному ее обозначению в технических справочниках. Точнее, для подобных моторов единицей измерения нередко является герц (Гц).

При этом важно понимать, что шаговая частота вращения реального числа оборотов ротора двигателя ни в коем случае не отражает. Специалисты считают, что нет никакой причины не использовать в описании шаговых двигателей все то же количество оборотов в минуту, которое применяется при описании технических характеристик обычных электродвигателей.

Соотношение между реальной частотой вращения и ее шаговым аналогом вычисляется по следующей формуле:

n = 60f/S, где n – частота вращения, выражается в оборотах в минуту; f – шаговая частота вращения; S – число шагов.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Шаговый двигатель принцип работы

Автор Почемучка На чтение 17 мин. Просмотров 71

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:

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:

Чаще всего в быту и на производстве применяются двухфазные шаговые двигатели. В зависимости от типа обмотки электромагнитных катушек они подразделяются на:

Чаще всего в быту и на производстве применяются двухфазные шаговые двигатели. В зависимости от типа обмотки электромагнитных катушек они подразделяются на:

  • униполярные;
  • биполярные.

Для подключения обмоток соединительные провода должны прикасаться к постоянным магнитам двигателя. При соединении клемм катушки вал проворачивается с трудом. Поскольку общий провод длиннее, чем провод, соединяющий катушки, сопротивление между торцами проводов и торцами катушек в два раза больше сопротивления между торцом катушки и общим проводом.

В механизмах второго типа есть только одна фазовая обмотка. Управляющая схема такого движка обычно сложнее, так как ток в обмотку поступает при помощи магнитного полюса переломным образом. Два провода на фазу не являются общими.

Трехфазный шаговый двигатель устанавливается на фрезерных станках с ЧПУ, запускаемых с компьютера, и транспортных средствах, в которых используется дроссельная заслонка.

Особого внимания заслуживает гибридный вариант шаговых двигателей, который вобрал в себя все лучшие качества электродвигателей с постоянным и переменным магнитным сопротивлением. Ниже мы рассмотрим устройство, принцип работы и применение шаговых электродвигателей-гибридов.

  • ВКонтакте
  • Facebook
  • ok
  • Twitter
  • YouTube
  • Instagram
  • Яндекс.Дзен
  • TikTok

Шаговый тип электродвигателей представляет собой синхронное бесщеточное устройство с парой обмоток, через которые, собственно, и подается ток. Принцип действия электродвигателя подобного типа заключается в том, что ток, передаваемый на одну из обмоток статора, провоцирует фиксацию ротора. Как следствие, попеременная активация обмоток устройства вызывает шаги ротора, иначе говоря, его дискретные угловые перемещения.

Особого внимания заслуживает гибридный вариант шаговых двигателей, который вобрал в себя все лучшие качества электродвигателей с постоянным и переменным магнитным сопротивлением. Ниже мы рассмотрим устройство, принцип работы и применение шаговых электродвигателей-гибридов.

Шаговый электродвигатель, принцип работы которого основан на гибридном использовании постоянного и переменного тока, широко применяется в машиностроении.

Точность определения шага зависит от качества механической обработки ротора и статора электродвигателя. Большинство производителей современных шаговых двигателей готовы гарантировать точность выставления шага до 5 процентов от величины шага.

Однако в приводах большинства механизмов, работающих в старт-стопном режиме, чаще применяется другой тип — шаговый электродвигатель, управление которого связано с интегрированным контроллером. Они способны создавать высокий крутящий момент даже при весьма низких скоростях вращения. Этот тип широко используется в устройствах компьютерной памяти (НГМД, НЖМД и прочие).

Основным преимуществом всех современных шаговых электродвигателей является их точность. Более того, подобные устройства располагают к себе отличным соотношением цены и качества. В частности, шаговые приводы практически в два раза дешевле аналогичных сервоприводов. Шаговые электродвигатели также прекрасно справляются с автоматизацией отдельных систем и узлов, которые не нуждаются в высокой динамике.

По типу исполнения ротора шаговые электродвигатели подразделяются на машины:

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.

Конструкция и применение шаговых двигателей

Принцип работы шагового электропривода и шаговых электродвигателей

Конструкция и применение шаговых двигателей

Шаговые электродвигатели относятся к синхронным машинам. Их можно разделить на вращающиеся, линейные и комбинированные. Во вращающихся шаговых электродвигателях катушки обмоток укладываются в пазах железа статора с угловым смещением, зависящим от числа фаз.

Плоский линейный шаговый электродвигатель

естественная интеграция с приложениями цифрового управления;

Шаговым двигателем называют электромеханическое устройство, преобразующее электрические сигналы в дискретные угловые перемещения вала. Применение шаговых двигателей позволяет рабочим органам машин совершать строго дозированные перемещения с фиксацией своего положения в конце движения.

Шаговые двигатели являются приводными исполнительными механизмами, обеспечивающими фиксированные угловые перемещения (шаги). Каждое изменение угла поворота ротора — это реакция шагового двигателя на входной импульс.

Дискретный электропривод с шаговым двигателем естественным образом сочетается с цифровыми управляющими устройствами, что позволяет успешно использовать его в станках с числовым программным управлением, в промышленных роботах и манипуляторах, в часовых механизмах.

Дискретный электропривод может быть реализован также с помощью серийных асинхронных электродвигателей, которые за счет специального управления могут работать в шаговом режиме.

Шаговые двигатели применяются в электроприводах мощностью от долей ватта до нескольких киловатт. Расширение шкалы мощности дискретного электропривода может быть достигнуто при использовании серийных асинхронных электродвигателей, которые за счет соответствующего управления могут работать в шаговом режиме.

Принцип действия шаговых двигателей всех типов состоит в следующем. С помощью электронного коммутатора вырабатываются импульсы напряжения, которые подаются на обмотки управления, расположенные на статоре шагового двигателя.

В зависимости от последовательности возбуждения обмоток управления происходит то или иное дискретное изменение магнитного поля в рабочем зазоре двигателя. При угловом перемещении оси магнитного поля обмоток управления шагового двигателя его ротор дискретно поворачивается вслед за магнитным полем. Закон поворота ротора определяется последовательностью, скважностью и частотой управляющих импульсов, а также типом и конструктивными параметрами шагового двигателя.

Принцип действия шагового двигателя (получение дискретного перемещения ротора) рассмотрим на примере простейшей схемы двухфазного шагового двигателя (рис. 1).

Рис. 1. Упрощенная схема шагового двигателя с активным ротором

Шаговый двигатель имеет на статоре две пары явно выраженных полюсов, на которых Находятся обмотки возбуждения (управления): обмотка 3 с выводами 1Н — 1К и обмотка 2 с выводами 2Н — 2К. Каждая обмотка состоит из двух частей, находящихся на противоположных полюсах статора 1 ШД.

Ротор в рассматриваемой схеме представляет собой двухполюсный постоянный магнит. Обмотки питаются импульсами от устройства управления, которое преобразует одноканальную последовательность входных импульсов управления f упр, в многоканальную (по числу фаз шагового двигателя).

Рассмотрим работу шагового двигателя, предположив, что в начальный момент напряжение подано на обмотку 3. Ток в этой обмотке вызовет намагничивание вертикально расположенных полюсов N и 8. В результате взаимодействия магнитного поля с постоянным магнитом ротора последний займет равновесное положение, в котором оси магнитных полей статора и ротора совпадают.

Положение будет устойчивым, поскольку на ротор действует синхронизирующий момент, стремящийся возвратить ротор в положение равновесия: М = М m ах х sin α ,

где М m ах — максимальный момент, α — угол между осями магнитных полей статора и ротора.

Основной режим работы шагового двигателя — динамический. Шаговые двигатели в отличие от синхронных рассчитаны на вхождение в синхронизм из состояния покоя и принудительное электрическое торможение. Благодаря этому в шаговом электроприводе обеспечивается пуск, торможение, реверс и переход с одной частоты управляющих импульсов на другую.

Пуск шагового двигателя осуществляется скачкообразным или постепенным увеличением частоты входного сигнала от нуля до рабочей, торможение — снижением ее до нуля, а реверс — изменением последовательности коммутации обмоток шагового двигателя.

Шаговые двигатели характеризуются следующими параметрами: число фаз (обмоток управления) и схема их соединения, тип шагового двигателя (с активным или пассивным ротором), одиночный шаг ротора (угол поворота ротора при единичном импульсе), номинальное напряжение питания, максимальный статический хронизирующий момент, номинальный вращающий момент, момент инерции ротора, частота приемистости.

Шаговые двигатели бывают однофазными, двухфазными и многофазными с активным или пассивным ротором. Управление шаговым двигателем обеспечивается электронным блоком управления. Пример схемы управления шаговым двигателем приведен на рисунке 2.

Рис. 2. Функциональная схема разомкнутого электропривода с шаговым двигателем

Сигнал управления f упр в виде импульсов напряжения поступает на вход блока 1, преобразующего последовательность импульсов, например в четырехфазную систему однополярных импульсов (в соответствии с числом фаз шагового двигателя).

Блок 2 формирует эти импульсы по длительности и амплитуде, необходимым для нормальной работы коммутатора 3, к выходам которого подключены обмотки шагового двигателя 4. Коммутатор и остальные блоки питаются от источника постоянного тока 5.

При повышенных требованиях к качеству дискретного привода применяют замкнутую схему шагового электропривода (рис. 3), которая кроме шагового двигателя включает преобразователь П, коммутатор К и датчик шага ДШ. В таком дискретном приводе информация о действительном положении вала рабочего механизма РМ и скорости шагового двигателя поступает на вход автоматического регулятора, который обеспечивает заданный характер движения привода.

Рис. 3. Функциональная схема замкнутого дискретного привода

В современных системах дискретного привода применяются микропроцессорные средства управления. Область применения приводов с шаговыми двигателями постоянно расширяется. Их использование перспективно в сварочных автоматах, приборах времени, лентопротяжных и регистрирующих механизмах, системах управления топливоподачей двигателей внутреннего сгорания.

Преимущества шаговых двигателей:

высокая точность, даже в разомкнутой структуре управления, т. е. без датчика угла поворота;

естественная интеграция с приложениями цифрового управления;

отсутствие механических коммутаторов, которые часто создают проблемы в двигателях других типов.

Недостатки шаговых двигателей:

малый вращающий момент но сравнению с двигателями приводов непрерывного типа;

высокий уровень вибрации из-за скачкообразного движения;

большие ошибки и колебания при потере импульсов в системах с разомкнутым контуром управления.

Преимущества шаговых двигателей намного превосходят их недостатки, поэтому они часто применяются в тех случаях, когда достаточно небольшой мощности приводных устройств.

В статье использованы материалы книги Дайнеко В.А., Ковалинский А.И. Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий.

Сделайте небольшой донат на развитие сайта «Школа для электрика»!

© 2016-2020 24techno-guide.ru
Все права защищены.
Использование материалов сайта
возможно только при условии
установки активной прямой
ссылки на наш ресурс.

© 2016-2020 24techno-guide.ru
Все права защищены.
Использование материалов сайта
возможно только при условии
установки активной прямой
ссылки на наш ресурс.

Главная (Главная страница сайта)
Авто (Обзоры, отзывы, тест-драйвы автомобилей)
Двигатели (Описание и устройство различных двигателей)
Техно (Статьи про технику и механику)
Тюнинг (Обзор тюнингованых автомобилей)
Ремонт (Ремонт своими руками)
Трактора (Тракторная спец техника)
Осаго (Все про автострахование)
Автозвук (Музыка в машину)
АвтоЗАКОНЫ (Пдд, штрафа и автозаконы)
Лайфхаки (Хитрости жизни)
Фото/Видео (Без комментариев)
Все статьи (Все публикаций которые есть на сайте)

Данный процесс повторяется и двигатель совершает высокоточные движения. Разрешение угла шага может быть улучшено при помощи дробления шага. Интересно отметить, что северные зубчатые наконечники находятся между южными зубчатыми наконечниками, таким образом гарантируется выравнивание полюсов с противоположными полярностями.

Как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Для начала давайте разберемся, как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением, который является самым простым. Позднее мы рассмотрим устройство высокоточного и широко используемого типа двигателя. У этого двигателя 6 зубьев на статоре, которые могут быть запитаны от трех отдельных источников постоянного тока.

p, blockquote 3,0,0,0,0 —>

p, blockquote 4,0,0,0,0 —>

Ротор состоит из ряда стальных пластин. У него отличное от статора количество зубьев в данном случае их 4 это сделано намеренно, для того чтобы только одна пара зубьев ротора могла одновременно находиться напротив зубьев статора.

p, blockquote 5,0,0,0,0 —>

p, blockquote 6,0,0,0,0 —>

Вы и сами можете объяснить, как работает этот шаговый двигатель. Если обесточить обмотку A и запитать обмотку B станет ясно, что ротор будет двигаться, как показано на модели.

p, blockquote 7,0,0,0,0 —>

p, blockquote 8,0,1,0,0 —>

Из уроков геометрии понятно, что один шаг соответствует 30 градусам. Чтобы перейти к следующему шагу обесточим обмотку B и запитаем обмотку C.

p, blockquote 9,0,0,0,0 —>

p, blockquote 10,0,0,0,0 —>

После этого вновь запитаем обмотку A. То есть ротор занимает позицию с наименьшим сопротивлением.

p, blockquote 11,0,0,0,0 —>

p, blockquote 12,0,0,0,0 —>

Размер шага двигателя составляет 30 градусов, точность может быть доведена до 15 градусов при помощи одного простого приема, когда запитана обмотка A, ротор находится в таком положении мы знаем, что если запитать обмотку B он повернется на 30 градусов. Но что произойдет если обмотки A и B будут запитаны одновременно? Ротор займет положение между двумя этими обмотками, то есть повернется на 15 градусов.

p, blockquote 13,0,0,0,0 —>

p, blockquote 14,0,0,0,0 —>

После этого обесточим А. Когда ротор установится напротив обмотки B, запитаем обмотку С, такой тип работы называется режимом дробления шага.

p, blockquote 15,0,0,0,0 —>

p, blockquote 16,1,0,0,0 —>

где К1 – коэффициент, равный 1 при симметричной и 2 – при несимметричной коммутации; К2 – коэффициент, равный 1 при однополярной и 2 – при разнополярной коммутации .

§4.1.Конструкция,принцип работы и характеристики синхронного шагового двигателя

Синхронными называются электрические машины переменного тока, у которых в рабочем режиме угловая скорость ротора равна угловой скорости магнитного поля статора и не зависит от нагрузки. В отдельных случаях скорость ротора кратна скорости поля статора.

В связи с развитием цифровой вычислительной техники разрабатывают и совершенствуют исполнительные элементы дискретного действия и, в частности, электрические шаговые двигатели. Шаговыми называют синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота вала или фиксированное перемещение без датчиков обратной связи. Шаговые двигатели выпускаются мощностью от единиц микроватт до киловатта, т.е. в основном – это микродвигатели и двигатели малой мощности.

Шаговые микродвигатели (ШД) работают в комплекте с полупроводниковыми коммутаторами. Роль коммутатора состоит в переключении обмоток управления ШД с последовательностью и частотой, соответствующими заданной команде. При этом результирующий угол поворота ШД строго соответствует числу переключений обмоток управления, направление поворота – порядку переключений, а угловая скорость – частоте переключений.

Классификация основных типов шаговых двигателей приведена на рис.4.1.

Шаговые двигатели являются многополюсными машинами. Их можно подразделить на три основные конструктивные группы: с постоянными магнитами (активного типа), реактивные и индукторные. Они могут иметь различное число фаз, но наибольшее распространение получили двух-, трех- и четырехфазные ШД. Напряжение питания обмотки управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или разнополярных прямоугольных импульсов, поступающих от коммутатора.

Двигатели активного типа. Статор шаговых двигателей имеет явновыраженные полюсы, на которых располагают обмотки управления. Число пар полюсов каждой из обмоток управления рм равно числу пар полюсов ротора. Ротор обычно представляет собой многополюсный постоянный магнит с радиальной намагниченностью.

Принцип действия ШД можно рассмотреть на примере двухполюсного двигателя.

Показанная на рис. 4.2 раздельно-совместная последовательность включения обмоток управления является несимметричной системой коммутации, так как нечетным и четным тактам соответствует возбуждение различного числа обмоток. Результирующий поток статора меняется от такта к такту, что вызывает пульсацию синхронизирующего момента и является недостатком схемы.

Систему коммутации называют симметричной, если на всех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления (раздельно, парами и т. д.). При симметричной коммутации шаг увеличивается вдвое, а результирующий поток статора на всех тактах одинаков.

Величина шага в значительной мере определяет разрешающую способность привода с ШД по отработке углового перемещения во всех режимах работы привода. В общем случае шагом ШД называют угол поворота ротора при воздействии одного сигнала управления и установленной схеме коммутации. В режиме отработки единичных шагов – работе с низкой частотой управляющих импульсов f – положение ротора фиксируется с нулевой скоростью на каждом шаге.

В реальном многополюсном двигателе шаг меньше показанного на рис.4.2 в рм раз и определяется выражением

Число тактов коммутации Ктк зависит от числа обмоток управления mу и схемы управления:

где К1 – коэффициент, равный 1 при симметричной и 2 – при несимметричной коммутации; К2 – коэффициент, равный 1 при однополярной и 2 – при разнополярной коммутации .

Увеличение числа пар полюсов при неизменном диаметре ротора ограничено технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния между полюсами, обычно рм =4 &#247 6. Увеличение числа обмоток управления связано с усложнением коммутатора, обычно mу =2 &#247 4. Поэтому у активных ШД &#945ш составляет порядка десяти градусов. Дальнейшее уменьшение шага достигается либо механическим редуцированием с помощью специальных кинематических механизмов, либо специальными схемами электрического дробления шага.

Меньшая величина шага – порядка одного градуса– может быть получена у ШД реактивного и индукторного типа. У этих двигателей ротор изготавливается из обычной электротехнической стали, имеет на поверхности зубцы, число которых zp может быть достаточно большим, и

Однако у этих двигателей меньше вращающий момент.

Важным показателем переходных режимов (f=var – пуск, реверсирование, торможение) является приемистость ШД. Приемистость пуска – это наибольшая частота управляющих импульсов, отрабатываемых шаговым электродвигателем без потери шагов при пуске из состояния фиксированной стоянки под током.

По аналогии могут быть введены понятия приемистости торможения и реверсирования, их значения несколько отличаются от приемистости пуска.

Если пренебречь моментом трения M&#131т и рассматривать уравнение равновесия моментов на валу ШД при малых углах рассогласования осей ротора и МДС статора, то получим дифференциальное уравнение движения ротора:

Устройства с постоянными магнитами

Виды шаговых двигателей

Существует несколько разновидностей. К наиболее востребованным относятся модели с переменным магнитным сопротивлением, с постоянным магнитом и гибридные.

Устройства с переменным магнитным сопротивлением

Такие шаговые двигатели не имеют постоянных магнитов в роторе. Для изготовления ротора зубчатой формы используется магнитомягкий материал. Его вращение обеспечивается за счет замыкания магнитного поля статора через зубцы, располагающиеся вблизи полюсов. Зубцы к полюсам притягиваются и ротор поворачивается. Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют небольшой крутящий момент в сравнении с моделями других типов при тех же габаритах. Это ограничивает сферу их применения.

Устройства с постоянными магнитами

На примере такого устройства выше разъяснялся принцип работы шаговых двигателей. В реальности роторы таких двигателей имеют несколько постоянных магнитов. От их количества зависит число шагов, за которое ротор выполняет полный оборот. Максимальное значение – 48, угол шага при этом составляет 7,5 градусов.

Гибридные устройства

Если подключить к источнику постоянного тока катушки полюсов 1 — 1′, то ротор расположится вдоль этих полюсов. Если задействовать катушки полюсов 2 — 2′, а ка-тушки полюсов 1 — 1′ обесточить, то ротор повернется и займет положение вдоль полю-сов 2 — 2′. Такой же поворот ротора произойдет, если включить в сеть катушки полюсов 3 — 3′. Так, шагами, ротор будет следовать за своей обмоткой управления.

Каждые две катушки, расположенные на противоположных полюсах статора, образуют обмотку управления, включаемую, в сеть постоянного тока. Ротор — двухполюсный.

Если подключить к источнику постоянного тока катушки полюсов 1 — 1′, то ротор расположится вдоль этих полюсов. Если задействовать катушки полюсов 2 — 2′, а ка-тушки полюсов 1 — 1′ обесточить, то ротор повернется и займет положение вдоль полю-сов 2 — 2′. Такой же поворот ротора произойдет, если включить в сеть катушки полюсов 3 — 3′. Так, шагами, ротор будет следовать за своей обмоткой управления.

Преимущества шаговых двигателей

Преимуществом шаговых двигателей является то, что в них совершенно отсутствует самоход. Они поворачиваются и строго фиксируются с шагом, пропорциональным числу полюсов на статоре. Это качество делает его незаменимым в особо точных механизмах (для привода часов, механизмов подачи ядерного топлива в реакторах, в станках с ЧПУ и так далее).

Управление шаговыми двигателями ведется с применением различных электронных устройств (триггер Шмитта и другие).

Источники

http://robotosha.ru/electronics/how-stepper-motors-work.html
http://www.szemo.ru/press-tsentr/article/shagovye-dvigateli-vidy-printsip-raboty-sistema-upravleniya/
http://cable.ru/articles/id-1634.php
http://samelectrik.ru/chto-takoe-shagovyj-dvigatel-zachem-on-nuzhen-i-kak-rabotaet.html
http://ruaut.ru/content/publikacii/electro/printsip-raboty-shagovogo-elektroprivoda-i-shagovykh-elektrodvigateley-ikh-konstruktsiya-i-primeneni.html
http://electricalschool.info/spravochnik/maschiny/677-shagovye-dvigateli.html
http://24techno-guide.ru/shagovii-dvigatel—princip-raboti.php
http://zvondozvon.ru/tehnologii/rabota-sd
http://servomotors.ru/documentation/technical_means_of_automation_and_control/book/4_1.html
http://zaxis.ru/statyi/shagovyj-dvigatel-rabota-ustrojstvo.html
http://www.mtomd.info/archives/2696

общие сведения, принцип работы мотора

Практически все электрические приборы функционируют с помощью приводных механизмов. Они могут иметь различное строение и принцип работы, а также особенности настраивания. Существуют разные типы таких приспособлений. Одним из наиболее востребованных и доступных по цене считается биполярный шаговый двигатель, благодаря которому можно обеспечить реализацию систем точного позиционирования.

Общие сведения

Существует две разновидности приспособления: униполярный шаговый двигатель и биполярный. Устройство представляет собой синхронный бесщеточный электродвигатель, имеющий одну или несколько обмоток. Ток, который подается на обмотки статора, вызывает фиксацию ротора, благодаря чему осуществляются его дискретные угловые перемещения или шаги.

Первые модели таких приспособлений появились еще в 30-е годы XIX века и представляли собой своеобразный магнит, приводящий в движение храповое колесо. Во время включения оно перемещалось на величину зубцового шага. Раньше механизм использовался на кораблях военного флота Великобритании с целью перемещения торпед в нужную сторону.

Через несколько лет и армия США переняла это приспособление и стала активно применять его в своих военных кораблях и других механизмах. В 1919 году шотландец Уолкер получил патент на двигатель с ротором.

В настоящее время подобные механизмы востребованы и часто применяются. Шаговый мотор используется для обеспечения бесперебойного функционирования шлифовального и фрезерного станков, различных бытовых приборов, производственных механизмов и транспорта, а также жестких дисков персональных компьютеров. Именно поэтому он так востребован. Устройство состоит из нескольких частей:

  • контролер, предназначенный для регулирования работы шагового привода;
  • специальные магнитные части;
  • обмотки;
  • панель, выполняющая роль блока управления;
  • сигнализаторы и передатчики, благодаря которым работа устройства отлаженная и бесперебойная.

Биполярные двигатели имеют только одну обмотку в одной фазе, тогда как униполярные содержат две. Первые считаются более сложными в управлении, но обеспечивают плавную работу устройства.

Принцип работы

Шаговый двигатель работает по простым принципам. Первый этап — приложение напряжения к клеммам. Благодаря этому щетки на самом устройстве начинают постоянно двигаться. Двигатель холостого хода имеет свойство преобразовывать входящие импульсы.

Эти импульсы имеют прямоугольную направленность и преображение идет в заранее определенное положение ведущего вала, который к нему приложен. Вследствие этого вал перемещается под определенным углом. Оснащенные подобным редуктором приспособления довольно эффективны и надежны при условии наличия нескольких электромагнитов. Находиться они должны вокруг центральной детали из железа, имеющей зубчатую форму.

Внешняя цепь, отвечающая за управление, подает сигнал к магниту. При возникновении необходимости повернуть вал в ту или иную сторону тот электромагнит, на который был послан импульс, начинает быстро притягивать к себе зубья колеса. Они постепенно выравниваются с этим элементом, но смещаются по отношению к другим магнитным частям приспособления.

После выключения первого электромагнита включается второй и начинается беспрерывное движение шестеренки. Благодаря этому деталь выравнивается с предыдущим колесом. Такой цикл повторяется необходимое количество раз. Каждый из них и называется постоянным шагом. Именно поэтому двигатель получил такое название. Вычислить скорость его работы можно с помощью подсчета шагов, которые необходимы для обеспечения полного цикла.

Контролировать работу приспособления можно с помощью специального драйвера. Обычно это необходимо в случае настраивания станка или ветрогенератора.

Основные режимы

Изделие функционирует в нескольких режимах, которые предварительно настраиваются в зависимости от потребностей человека. Наиболее распространенными считаются следующие:

  • Волновой режим предполагает протекание электрического тока только через одну обмотку. Сегодня он используется редко, для того чтобы снизить нагрузку на двигатель и количество потребляемой электроэнергии.
  • Полношаговый — используется гораздо чаще и считается стандартным режимом для этого типа двигателя. Напряжение на обмотке при такой работе одинаково и приспособлению требует максимальное напряжение для корректного функционирования.
  • Полушаговый режим — один из оригинальных способов изменить работу приспособления и при этом не затрагивать блок управления. Заключается в одновременном запитывании всех пар обмоток, что приводит к повороту ротора на половину своего обычного шага. Используя этот метод, можно получить двигатель с двойной мощностью при минимальных затратах электроэнергии. Он будет меньше изнашиваться и прослужит дольше, чем тот, что постоянно работает в полношаговом режиме.
  • Микрошаговый режим сегодня считается наиболее часто применяемым при использовании шагового двигателя. Принцип действия заключается в подаче на обмотку не импульса, а сигнала, напоминающего синусоиду по форме. Такой режим делает работу двигателя более плавной, а переход от одного шага к другому незаметным. Благодаря этому уменьшаются рывки и скачки приспособления, оно может функционировать как обычный двигатель постоянного тока.

Последний режим имеет преимущество, поскольку представляет собой скорее метод подпитки двигателя, а не управления обмотками. Именно поэтому может использоваться при волновом или полношаговом способе работы приспособления. Если рассмотреть схему функционирования прибора в микрошаговом режиме, может показаться, что шаги становятся больше. На самом деле это не так, но процесс все равно становится плавным и отсутствуют рывки.

Разновидности приспособления

В зависимости от некоторых деталей различают несколько типов шаговых двигателей. Каждый из них имеет некоторые особенности функционирования.

Двигатель с постоянным магнитом считается наиболее популярным, отличается простотой настройки и эксплуатации. Устройство несет в себе магнит круглой формы, напоминающий диск и имеющий разные полюса. Обмотки статора при включении прибора притягивают и отталкивают магнит на роторе, что и обеспечивает кручение механизма.

При использовании такого типа двигателя величина шага измеряется, и показатель колеблется в пределах 45−90 градусов. Простота применения приспособления делает его востребованным, а длительный срок службы позволяет не думать о частой замене.

Прибор с переменными магнитами

Такие приспособления не имеют на роторе специального магнита. Эта деталь изготовлена из магнитного, мягкого металла, имеет форму зубчатого диска, напоминающего шестеренку. На статоре расположено более четырех разных обмоток. Запитываются они в противоположных парах и притягивают к себе ротор.

Стоит отметить, что величина крутящегося момента несколько снижается, поскольку в устройстве отсутствует постоянный магнит. Это считается недостатком, но есть и достоинство, поскольку при работе приспособления нет момента стопора.

Стопорящий момент заключается во вращении, создаваемом расположенными на роторе постоянными магнитами. Они притягиваются к статору, а именно к его арматуре при отсутствии в обмотках электрического тока. Зафиксировать этот момент просто — необходимо попытаться рукой повернуть двигатель в отключенном состоянии. При этом обычно слышны щелчки на каждом шаге. Диапазон шага в таком двигателе колеблется в пределах 5−15 градусов.

Гибридные модели

Название свое этот тип приспособлений получил из-за особенности работы, которая предполагает сочетание принципов шагового двигателя с постоянными и переменными магнитами. Обладает хорошими удерживающими и динамическими крутящими моментами. Достоинством прибора считается минимальная величина шага, которая не превышает показатель в 5 градусов. Именно благодаря этому обеспечивается максимальная точность.

Механические части приспособления вращаются гораздо быстрее, чем в других моделях с подобным принципом работы. Часто используются в станках для производства. Главным недостатком такого двигателя считается его высокая стоимость.

Известно, что обычный мотор с 8 обмотками будет иметь по 50 положительных и отрицательных полюсов, но произвести такой магнит невозможно. Именно поэтому устройство гибридного двигателя включает в себя 2 магнитных диска, каждый имеет 50 зубцов, а также постоянный магнит цилиндрической формы.

Диски в процессе изготовления прибора привариваются к разным полюсам этого цилиндрического магнита и получается, что один из них на каждом из своих зубьев имеет положительный полюс, а другой — отрицательный. Если смотреть на конструкцию сверху, она выглядит как один диск, имеющий 100 зубьев.

На один оборот такого двигателя приходится 75 шагов, каждый из которых имеет показатель не более, чем 1,5 градуса.

Двухфазные моторы

Двухфазный шаговый двигатель очень прост в использовании, установить его и настроить может даже человек без опыта и соответствующих навыков. Приспособление имеет два типа обмотки для катушек:

  1. Униполярная заключается в установке одной обмотки, а также специального магнитного крана в центре, влияющего на любую фазу. Каждая секция включается для обеспечения необходимого направления магнитного поля. Достоинством этой конструкции считается возможность функционирования без специального переключения. На каждую обмотку понадобится один транзистор, поэтому установка прибора облегчается. На одну фазу приходится три провода, а на выходной сигнал необходимо шесть проводов. Подключать обмотки можно также посредством присоединения проводов с постоянными магнитами. Стоит помнить, что повернуть вал будет непросто при прикосновении клемм. Это связано с тем, что общий провод по длине несколько больше, чем та часть, которая используется для присоединения катушек.
  2. Биполярные типы моторов имеют только одну обмотку. Электрический ток в нее поступает особенным переломным методом посредством полюса, обеспеченного магнитом. На любую фазу приходится два разных провода. Устройство несколько сложнее, чем в униполярных моделях, но эффективность выше.

Существуют также трехфазные двигатели, имеющие узкую область использования: дисководы, различные фрезерные станки, принтеры и некоторые автомобили, где используется необычная заслонка.

Другие типы устройств

Главная особенность реактивных приспособлений — маленький шаг, который достигает не более 1 градуса, а также расположение зубцов, находящихся на полюсах статора. Недостаток такого мотора — отсутствие синхронизирующего момента в случае обесточивания обмоток.

Для изготовления такого прибора понадобится специальный коммутатор, поэтому стоимость его высока. Самостоятельное создание также исключается по причине сложности конструкции.

Синхронные линейные шаговые моторы используются в случае, когда необходимо автоматизировать производственный процесс. Для этого следует обеспечить перемещение объектов в плоскости. С этой целью применяется специальный преобразователь, который изменяет вращательное движение на поступательное. Достичь этого можно путем использования кинематики.

Именно с этой целью и применяется линейный двигатель, преобразующий импульсы в перемещение по одной линии. Помимо автоматизации процесса, приспособление упростит кинематическую схему проводов. В таком приборе статор изготовлен из мягкого магнитного металла, а также имеется постоянный магнит. Стабильная работа двигателя осуществляется при условии постоянной подачи импульсов на обмотки.

Шаговые моторы — универсальные приспособления, обеспечивающие бесперебойное функционирование множества электрических приборов и производственного оборудования.

Как работает шаговый двигатель

Добавлено 22 июля 2019 в 16:12

Сохранить или поделиться

Узнайте все преимущества шаговых двигателей, а также достоинства и недостатки выбора этого типа двигателей для вашего проекта.

Если вы работаете над проектом, в котором есть движущаяся часть, вы, вероятно, будете искать двигатель, чтобы сделать это движение возможным. В этой серии статей мы рассматриваем наиболее популярные типы двигателей, которые используют разработчики. Пока мы рассмотрели:

Чтобы узнать, для каких проектов лучше всего подходят шаговые двигатели, ознакомьтесь с обзором:

Обзор шаговых двигателей

В мире разработчиков шаговые двигатели широко распространены в технологии 3D печати. Все потребительские 3D принтеры оснащены ими. Шаговые двигатели также широко используются и в робототехнике.

Шаговые двигатели широко используются в робототехнике и 3D принтерах

Шаговые двигатели часто сравнивают с серводвигателями, поскольку эти оба типа двигателей используются в системах, требующих высокого уровня точности позиционирования.

Однако способы, которыми каждый тип двигателя отслеживает свое положение, сильно отличаются. Как обсуждалось в предыдущей статье, серводвигатель содержит в себе потенциометр, который измеряет абсолютное положение двигателя. Поэтому в любой момент времени сервопривод точно знает, как расположен вал двигателя. Шаговый двигатель не измеряет угол своего вала.

Как работает шаговый двигатель?

Конструкция шагового двигателя похожа на более сложную версию бесколлекторного двигателя. Вы заметите, что многие детали, по сути, одинаковы, но в шаговом двигателе их конструкция значительно сложнее.

Основные компоненты шагового двигателя

В шаговом двигателе обмотки расположены вокруг внешней части кожуха. Постоянные магниты установлены на валу двигателя. Поскольку эти постоянные магниты достаточно тяжелые, шариковый подшипник с обеих сторон вала двигателя помогает стабилизировать двигатель.

Шаговые двигатели в теории работают аналогично бесколлекторным двигателям. Для создания магнитного поля обмотки возбуждаются и, воздействуя на постоянные магниты, заставляют вал двигателя двигаться.

Ребра на постоянных магнитах соответствуют похожим ребрам на обмотках на корпусе двигателя. Вместо непрерывного вращения шаговые двигатели перемещаются между этими ребрами дискретными шагами.

Различие с бесколлекторным двигателем заключается в том, что вместо того, чтобы каждый раз, когда обмотки переключают полярность, поворачиваться примерно на 30% от окружности, шаговый двигатель поворачивается очень немного, обычно всего на 1,8 градуса. Каждый из этих крошечных поворотов называется шагом. Контроллеры могут также управлять мощностью, подаваемой на обмотки, так, что шаговый двигатель может поворачиваться всего на 0,05625 градуса за шаг. Этот вид чрезвычайно точного управления движением позволяет шаговым двигателям достичь очень высокой точности позиционирования.

Достоинства шаговых двигателей

Высокая точность позиционирования

Основная причина существования шаговых двигателей заключается в том, что система управления движением обеспечивает высокую точность отслеживания положения.

Высокий крутящий момент на низких скоростях

Шаговые двигатели обеспечивают значительный крутящий момент на низких скоростях.

Оценка характеристик шаговых двигателей

Недостатки шаговых двигателей

Низкая максимальная скорость

Поскольку шаговые двигатели перемещаются определенными шагами, у них низкая максимальная скорость вращения.

Низкий крутящий момент на высоких скоростях

На более высоких скоростях шаговые двигатели теряют значительный крутящий момент, обеспечивая лишь около 20% от своего крутящего момента на более низких скоростях.

Оригинал статьи:

Теги

3D принтерДвигательРобототехникаШаговый двигательЭлектродвигатель

Сохранить или поделиться

Как работает шаговый мотор

Предшественником шагового двигателя является серводвигатель.

Шаговые (импульсные) двигатели непосредственно преобразуют управляющий сигнал в виде последовательности импульсов в пропорциональный числу импульсов и фиксированный угол поворота вала или линейное перемещение механизма без датчика обратной связи. Это обстоятельство упрощает систему привода и заменяет замкнутую систему следящего привода (сервопривода) разомкнутой, обладающей такими преимуществами, как снижение стоимости устройства (меньше элементов) и увеличение точности в связи с фиксацией ротора шагового двигателя при отсутствии импульсов сигнала.

Очевиден и недостаток привода с шаговым двигателем: при сбое импульса дальнейшее слежение происходит с ошибкой в угле, пропорциональной числу пропущенных импульсов [2].

Поэтому в задачах, где требуются высокие характеристики (точность, быстродействие) используются серводвигатели. В остальных же случаях из-за более низкой стоимости, простого управления и неплохой точности обычно используются шаговые двигатели.

Конструкция шагового электродвигателя

Шаговый двигатель, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

Шаговые двигатели надежны и недороги, так как ротор не имеет контактных колец и коллектора. Ротор имеет либо явно выраженные полюса, либо тонкие зубья. Реактивный шаговый двигатель — имеет ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами. Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах. Гибридный шаговый двигатель имеет составной ротор включающий полюсные наконечники (зубья) из магнитомягкого материала и постоянные магниты. Определить имеет ротор постоянные магниты или нет можно посредством вращения обесточенного двигателя, если при вращении имеется фиксирующий момент и/или пульсации значит ротор выполнен на постоянных магнитах.

Статор шагового двигателя имеет сердечник с явно выраженными полюсами, который обычно делается из ламинированных штампованных листов электротехнической стали для уменьшения вихревых токов и уменьшения нагрева. Статор шагового двигателя обычно имеет от двух до пяти фаз.

Характеристики

Так как шаговый двигатель не предназначен для непрерывного вращения в его параметрах не указывают мощность. Шаговый двигатель — маломощный двигатель по сравнению с другими электродвигателями.

Одним из определяющих параметров шагового двигателя является шаг ротора, то есть угол поворота ротора, соответствующий одному импульсу. Шаговый двигатель делает один шаг в единицу времени в момент изменения импульсов управления. Величина шага зависит от конструкции двигателя: количества обмоток, полюсов и зубьев. В зависимости от конструкции двигателя величина шага может меняться в диапазоне от 90 до 0,75 градусов. С помощью системы управления можно еще добиться уменьшения шага пополам используя соответствующий метод управления.

Типы шаговых двигателей

    По конструкции ротора выделяют три типа шаговых двигателей:
  • реактивный;
  • с постоянными магнитами;
  • гибридный.

Реактивный шаговый двигатель

Реактивный шаговый двигатель — синхронный реактивный двигатель. Статор реактивного шагового двигателя обычно имеет шесть явновыраженных полюсов и три фазы (по два полюса на фазу), ротор — четыре явно выраженных полюса, при такой конструкции двигателя шаг равен 30 градусам. В отличии от других шаговых двигателей выключенный реактивный шаговый двигатель не имеет фиксирующего (тормозящего) момента при вращении вала.

Ниже представлены осциллограммы управления для трехфазного шагового двигателя.

Осциллограммы управления для четырехфазного шагового двигателя показаны на рисунке ниже. Последовательное включение фаз статора создает вращающееся магнитное поле за которым следует ротор. Однако из-за того, что ротор имеет меньшее количества полюсов, чем статор, ротор поворачивается за один шаг на угол меньше чем угол статора. Для реактивного двигателя угол шага равен:

,

  • где NR — количество полюсов ротора;
  • NS – количество полюсов статора.

Чтобы изменить направление вращения ротора (реверс) реактивного шагового двигателя, необходимо поменять схему коммутации обмоток статора, так как изменение полярности импульса не изменяет направления сил, действующих на невозбужденный ротор [2].

Реактивные шаговые двигатели применяются только тогда, когда требуется не очень большой момент и достаточно большого шага угла поворота. Такие двигатели сейчас редко применяются.

    Отличительные черты:
  • ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами;
  • наименее сложный и самый дешевый шаговый двигатель;
  • отсутствует фиксирующий момент в обесточенном состоянии;
  • большой угол шага.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах. Статор обычно имеет две фазы.

По сравнению с реактивными, шаговые двигатели с активным ротором создают большие вращающие моменты, обеспечивают фиксацию ротора при снятии управляющего сигнала. Недостаток двигателей с активным ротором — большой угловой шаг (7,5—90°). Это объясняется технологическими трудностями изготовления ротора с постоянными магнитами при большом числе полюсов. Если угол фиксации находится в диапазоне от 7,5 до 90 градусов скорее всего это шаговый двигатель с постоянными магнитами нежели гибридный шаговый двигатель.

Обмотки могут иметь ответвление в центре для работы с однополярной схемой управления. Двухполярное управление требуется для питания обмоток без центрального ответвления.

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель

Униполярный шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет одну обмотку на фазу с ответвлением в центре. Каждая секция обмотки включается отдельно.

Таким образом расположение магнитных полюсов может быть изменено без изменения направления тока, а схема коммутации может быть выполнена очень просто (например на одном транзисторе) для каждой обмотки. Обычно центральное ответвление каждой фазы делается общим, в результате получается три вывода на фазу и всего шесть для обычного двухфазного двигателя.

Легкое управление однополярными двигателями сделало их популярными для любителей, они возможно являются наиболее дешевым способом чтобы получить точное угловое перемещение.

Биполярный шаговый двигатель

Двухполярные двигатели имеют одну обмотку на фазу. Для того чтобы изменить магнитную полярность полюсов необходимо изменить направление тока в обмотке, для этого схема управления должна быть более сложной, обычно с H-мостом. Биполярный шаговый двигатель имеет два вывода на фазу и не имеет общего вывода. Так как пространство у биполярного двигателя используется лучше, такие двигатели имеют лучший показатель мощность/объем чем униполярные. Униполярный двигатель имеет двойное количество проводников в том же объеме, но только половина из них используется при работе, тем не менее биполярный двигатель сложнее в управление.

Управление шаговым двигателем с постоянными магнитами

Для управления шаговым двигателем на постоянных магнитах к его обмоткам прикладывается сфазированный переменный ток. На практике это почти всегда прямоугольный сигнал сгенерированный от источника постоянного тока. Биполярная система управления генерирует прямоугольный сигнал изменяющийся от плюса к минусу, например от +2,5 В до -2,5 В. Униполярная система управления меняет направление магнитного потока катушки посредством двух сигналов, которые поочереди подаются на противоположные выводы катушки относительно ее центрального ответвления.

Волновое управление

Простейшим способом управления шаговым двигателем является волновое управление. При таком управлении в один момент времени возбуждается только одна обмотка. Но такой способ управления не обеспечивает максимально возможного момента.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами может иметь разную схему соединения обмоток статора.

На рисунке выше представлены схема биполярного шагового двигателя и двухполюсные осциллограммы управления. При таком управлении обе полярности («+» и «-«) подаются на двигатель. Магнитное поле катушки поворачивается за счет того, что полярность токов управления меняется.

На рисунке выше представлены схема униполярного шагового двигателя и однополюсные осциллограммы управления.Так как для управления униполярным шаговым двигателем требуется только одна полярность это существенно упрощает схему системы управления. При этом требуется генерация четырех сигналов так как необходимо два однополярных сигнала для создания переменного магнитного поля катушки.

Необходимое для работы шагового двигателя переменное магнитное поле может быть создано как униполярным так и биполярным способом. Однако для униполярного управления катушки двигателя должны иметь центральное ответвление.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами может иметь разную схему соединения обмоток статора. Схемы соединения шагового двигателя показаны на рисунке ниже.

Шаговый двигатель с 4 выводами может управляться только биполярным способом. 6-выводной двигатель предназначен для управления униполярным способом, несмотря на то, что он также может управляться биполярным способом если игнорировать центральные выводы. 5-выводной двигатель может управляться только униполярным способом, так как общий центральный вывод соединяет обе фазы. 8-выводная конфигурация двигателя встречается редко, но обеспечивает максимальную гибкость. Такой двигатель может быть подключен для управления также как 6- или 5- выводной двигатель. Пара обмоток может быть подключена последовательно для высоковольтного биполярного управления с малыми токами или параллельно для низковольтного управления с большими токами.

    8-выводные двигатели могут быть соединены в нескольких конфигурациях:
  • униполярной;
  • биполярной с последовательным соединением. Больше индуктивность, но ниже ток обмотки;
  • биполярной с параллельным соединением. Больше ток, но ниже индуктивность;
  • биполярной с одной обмоткой на фазу. Метод использует только половину обмоток двигателя при работе, что уменьшает доступный момент на низких оборотах, но требует меньше тока.
Полношаговое управление

Полношаговое управление обеспечивает больший момент, чем волновое управление так как обе обмотки двигателя включены одновременно. Положение ротора при полношаговом управлении показано на рисунке ниже.

Полношаговое биполярное управление показанное на рисунке выше имеет такой же шаг как и при волновом управлении. Униполярное управление (не показано) потребует два однополярных управляющих сигнала для каждого биполярного сигнала. Однополярное управление требует менее сложной и дорогой схемы управления. Дополнительная стоимость биполярного управления оправдана когда требуется более высокий момент.

Полушаговое управление

Шаг для данной геометрии шагового двигателя делится пополам. Полушаговое управление обеспечивает большее разрешение при позиционировании вала двигателя.

Полушаговое управление — комбинация волнового управления и полношагового управления с питанием по очереди: сначала одной обмотки, затем с питанием обоих обмоток. При таком управлении количество шагов увеличивается в двое по сравнению с другими методами управления.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридный шаговый двигатель был создан с целью объединить лучшие свойства обоих шаговых двигателей: реактивного и с постоянными магнитами, что позволило добиться меньшего угла шага. Ротор гибридного шагового двигателя представляет из себя цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль продольной оси с радиальными зубьями из магнитомягкого материала.

Статор обычно имеет две или четыре фазы распределенные между парами явно выраженных полюсов. Обмотки статора могут иметь центральное ответвление для униполярного управления. Обмотка с центральным ответвлением выполняется с помощью бифилярной намотки .

Заметьте что 48 зубьев на одной секции ротора смещены на половину зубцового деления λ относительно другой секции (рисунок ниже). Из-за этого смещения ротор фактически имеет 96 перемежающихся полюсов противоположной полярности.

Зубья на полюсах статора соответствуют зубьям ротора, исключая отсутствующие зубья в пространстве между полюсами. Таким образом один полюс ротора, скажем южный полюс, можно выровнять со статором в 48 отдельных положениях. Однако зуб южного полюса ротора смещен относительно северного зуба на половину зубцового деления. Поэтому ротор может быть выставлен со статором в 96 отдельных положениях.

Соседние фазы статора гибридного шагового двигателя смещены друг относительно друга на одну четверть зубцового деления λ. В результате ротор перемещается с шагом в четверть зубцового деления во время переменного возбуждения фаз. Другими словами для такого двигателя на один оборот приходится 2×96=192 шага.

    Шаговый гибридный двигатель имеет:
  • шаг меньше, чем у реактивного двигателя и двигателя с постоянными магнитами;
  • ротор — постоянный магнит с тонкими зубьями. Северные и южные зубья ротора смещены на половину зубцового деления для уменьшения шага;
  • полюсы статора имеют такие же зубья как и ротор;
  • статор имеет не менее чем две фазы;
  • зубья соседних полюсов статора смещены на четверть зубцового деления для создания меньшего шага.

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.

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.

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

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.

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.

«>

Как работает шаговый двигатель

Из этой обучающей статьи вы узнаете, как работает шаговый двигатель. Мы рассмотрим основные принципы работы шаговых двигателей, их режимы работы и типы шаговых двигателей по конструкции. Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать написанную статью.

РЕКОМЕНДУЕТСЯ

Принцип работы


Шаговый двигатель — это бесщеточный двигатель постоянного тока с ступенчатым вращением. Это очень полезно, потому что его можно точно позиционировать без какого-либо датчика обратной связи, который представляет собой контроллер с разомкнутым контуром.Шаговый двигатель состоит из ротора, который обычно представляет собой постоянный магнит, и он окружен обмотками статора. Когда мы активируем обмотки шаг за шагом в определенном порядке и пропускаем через них ток, они намагничивают статор и создают электромагнитные полюса, соответственно, которые вызывают движение двигателя. Это основной принцип работы шаговых двигателей.

Режимы движения


Существует несколько различных способов управления шаговым двигателем.Первый — это волновой привод или однокатушечное возбуждение. В этом режиме мы активируем только одну катушку за раз, что означает, что в этом примере двигателя с 4 катушками ротор будет выполнять полный цикл за 4 шага.

Далее идет режим полного шага привода, который обеспечивает гораздо более высокий выходной крутящий момент, потому что у нас всегда есть 2 активные катушки в данный момент. Однако это не улучшает разрешающую способность шагового двигателя, и снова ротор выполнит полный цикл за 4 шага.

Для увеличения разрешения шагового двигателя мы используем режим Half Step Drive.Этот режим фактически представляет собой комбинацию двух предыдущих режимов.

Здесь у нас есть одна активная катушка, за которой следуют 2 активные катушки, затем снова одна активная катушка, за которой следуют 2 активные катушки и так далее. Таким образом, в этом режиме мы получаем удвоенное разрешение при той же конструкции. Теперь ротор совершит полный цикл за 8 шагов.

Однако наиболее распространенным методом управления шаговыми двигателями в настоящее время является микрошаговый. В этом режиме мы подаем на катушки регулируемый ток в форме синусоидальной волны.Это обеспечит плавное движение ротора, снизит нагрузку на детали и повысит точность шагового двигателя.

Другой способ увеличения разрешающей способности шагового двигателя — это увеличение числа полюсов ротора и числа полюсов статора.

Типы шаговых двигателей по конструкции


По конструкции существует 3 различных типа шаговых двигателей: шаговый двигатель с постоянным магнитом, шаговый двигатель с переменным сопротивлением и гибридный синхронный шаговый двигатель.

Шаговый двигатель Permanent Magnet имеет ротор с постоянными магнитами, который приводится в движение обмотками статора. Они создают полюса противоположной полярности по сравнению с полюсами ротора, который приводит в движение ротор.

Следующий тип, шаговый двигатель Variable Reluctant , использует немагнитный ротор из мягкого железа. Ротор имеет зубья, смещенные относительно статора, и когда мы активируем обмотки в определенном порядке, ротор перемещается соответственно, так что между статором и зубьями ротора

имеется минимальный зазор.

Гибридный синхронный двигатель представляет собой комбинацию двух предыдущих шаговых двигателей.Он имеет зубчатый ротор с постоянными магнитами, а также зубчатый статор. Ротор состоит из двух противоположных по полярности секций, а их зубья смещены, как показано здесь.

Это вид спереди обычно используемого гибридного шагового двигателя, который имеет 8 полюсов на статоре, которые активируются двумя обмотками, A и B. Итак, если мы активируем обмотку A, мы намагнитим 4 полюса, два из которых будут имеют южную полярность, а две из них — северную.

Видно, что таким образом зубья роторов совмещены с зубьями полюсов А и не совмещены с зубьями полюсов В.Это означает, что на следующем этапе, когда мы отключим полюса A и активируем полюса B, ротор будет двигаться против часовой стрелки, и его зубцы будут совмещены с зубцами полюсов B.

Если мы продолжаем активировать полюса в определенном порядке, ротор будет двигаться непрерывно. Здесь мы также можем использовать различные режимы вождения, такие как волновой привод, полный шаговый привод, полушаговый привод и микрошаговый режим, для еще большего увеличения разрешения шагового двигателя.

Как работает шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это простой двухфазный бесщеточный синхронный двигатель, содержащий сегментированный намагниченный ротор и статор, состоящий из заданного количества электромагнитных катушек.Когда эти катушки находятся под напряжением, они создают полярные импульсы на север и юг, которые толкают или тянут сегментированный намагниченный ротор, заставляя его вращаться. На рисунке показана внутренняя конструкция и расположение зубьев типичного гибридного шагового двигателя. Мелкие зубья, равномерно расположенные по всему диаметру, обеспечивают постепенное угловое вращение, которое приводит к механическому движению.

Шаговые двигатели состоят из двух обмоток (2 фазы), питаемых постоянным током. Когда ток в одной обмотке меняется на противоположное, вал двигателя перемещается на один шаг.Путем изменения направления тока в каждой обмотке положение и скорость двигателя легко и точно регулируются, что делает шаговый двигатель чрезвычайно полезным для множества различных приложений управления движением. Размер шага определяется конструктивными особенностями двигателя, наиболее распространен угол шага 1,8 ° (состоит из 200 зубцов). Доступны другие углы шага. Количество шагов на оборот рассчитывается путем деления 360 ° на угол шага.

Шаговые двигатели выбираются по крутящему моменту и соответствующему номинальному току.Удерживающий момент определяет максимальный внешний крутящий момент, прилагаемый к двигателю (на который подается питание с его номинальным током), не вызывая непрерывного вращения. В момент, когда двигатель начинает вращаться, имеющийся крутящий момент часто называют крутящим моментом отрыва. Номинальные значения крутящего момента при оттягивании представлены в виде значений, нанесенных на кривые скорость / крутящий момент двигателя.

Катушки шагового двигателя могут иметь униполярную или биполярную конфигурацию. Поскольку для последовательного вращения катушек вала двигателя можно использовать простую электронику драйвера шагового двигателя, проще всего управлять униполярными конфигурациями.Биполярная схема требует более сложного драйвера для правильной последовательности обмоток для управления двигателем, что также обеспечивает дополнительные преимущества в производительности, такие как более высокий удерживающий момент.

Шаговые приводы

доступны в широком диапазоне номинальных значений напряжения и тока. Производительность двигателя сильно зависит от тока и напряжения, подаваемых приводом. Термины полный шаг, полушаг и микрошаг обычно используются для описания шаговых двигателей. Например, шаговый двигатель 1,8 ° имеет 200 дискретных положений при полном обороте на 360 °.Поскольку 360 °, разделенное на 200, равняется 1,8 °, вал двигателя будет перемещаться на 1,8 ° каждый раз, когда двигателю будет дана команда сделать один шаг, известный как полный шаг. Термин «полушаг» обозначает угол шага 0,9 ° (половина полного шага 1,8 °), который достигается с помощью техники переключения, при которой попеременно подается положительный ток, нулевой ток и отрицательный ток последовательно к каждой обмотке. Термин «микрошаг» относится к более сложной форме управления, которая выходит за рамки простого переключения мощности между фазными обмотками двигателя для управления величиной тока, подаваемого на отдельные обмотки.Основным преимуществом микрошага является уменьшение резонансной амплитуды, которая возникает, когда двигатель работает на собственной частоте. Микрошаг позволяет расположить вал в местах, отличных от положений 1,8 ° или 0,9 °, предусмотренных методами полного шага и полушага. Между двумя угловыми точками вращения ротора возникают микрошаговые положения. Наиболее распространенные приращения микрошага — 1/5, 1/10, 1/16, 1/32, 1/125 и 1/250 полного шага.

Другие ресурсы для ознакомления

По следам первого промышленного шагового двигателя »

Это один маленький шаг… Угол шага 0,9 против 1,8 »

Двигатели, разработанные для легкого управления: как работают шаговые двигатели?

Шаговые двигатели приводятся в действие импульсами постоянного тока. Как работают эти моторы? Ниже приводится простое объяснение функций шаговых двигателей и того, как они работают.

Что такое шаговый двигатель?

Вместо того, чтобы постоянно вращать вал, как это делает двигатель переменного или постоянного тока, шаговый двигатель вращает вал периодически, на фиксированный угол на каждом шаге.Двигатель отличается высокой точностью благодаря легкости, с которой угол и скорость вращения можно регулировать с помощью электрических импульсов (электрических сигналов, возникающих при включении и выключении источника питания).

, например, секундная стрелка на часах движется вперед на одну секунду. Это достигается за счет вращения вала с шагом 6 ° каждую секунду. То есть шаговые двигатели работают, вращаясь с фиксированными шагами в фиксированные моменты времени.

Шаговый двигатель оснащен и использует

Шаговые двигатели

просты, надежны и не требуют энкодера или других электронных компонентов для определения положения внутри.Кроме того, тот факт, что шаговые двигатели также обладают высокой точностью, делает этот двигатель привлекательным.

Управлять углом поворота очень просто, потому что он пропорционален количеству цифровых импульсов, подаваемых на двигатель. Другие преимущества включают способность вращаться с низкой скоростью, оставаться надежно заблокированным в положении при остановке и использовать управление положением без обратной связи.

К недостаткам относится тенденция к возникновению вибрации и шума, а также склонность к потере синхронизации при неожиданном изменении нагрузки.

Ниже приведены некоторые продукты, в которых используются шаговые двигатели.

  • Производственное оборудование
  • Медицинское оборудование
  • Банкоматы
  • Роботы
  • 3D принтеры
  • Приборы аналитические
  • Лазерные принтеры
  • Цифровые фотоаппараты
  • Торговые автоматы
  • Жалюзи кондиционера
  • Камеры видеонаблюдения

Типы шаговых двигателей

Шаговые двигатели

можно разделить на следующие три категории в зависимости от конструкции ротора вала двигателя.

Двигатель с постоянным магнитом (PM)
Ротор содержит постоянный магнит. Эта структура заключается в том, что она не может обеспечить гибкость по углу поворота (углу шага).

Электродвигатель с регулируемым сопротивлением (VR)
Ротор содержит сердечники, по форме напоминающие зубья шестерни. Это обеспечивает большую гибкость в настройке угла шага.

Гибридный (HB) мотор
Ротор содержит как постоянный магнит, так и сердечники, имеющие структуру зубцов шестерни.Этот тип двигателя сочетает в себе преимущества двигателей с постоянными магнитами и двигателей VR.
Шаговые двигатели

также можно разделить на следующие две категории в зависимости от того, как электрический ток течет через катушку.

Двигатель униполярный
Ток в униполярном двигателе всегда течет через каждую обмотку катушки в одном и том же направлении. Это упрощает соответствующую схему управления и хорошо работает для высокоскоростного привода. Недостатком является то, что он выдает меньший крутящий момент, чем биполярный двигатель.

Биполярный двигатель
Ток в биполярном двигателе может течь через обмотки катушки в обоих направлениях.Преимуществами являются простая внутренняя конструкция, позволяющая эффективно использовать обмотки двигателя и сводить к минимуму повышение температуры.

Как движутся шаговые двигатели

Шаговые двигатели состоят из статора с обмоткой и ротора со встроенным постоянным магнитом, намагниченным в осевом направлении. Переменный ток возбуждения в фазной обмотке статора продвигает двигатель вперед на его характерный угол поворота (угол шага).

Чтобы понять, как двигатель движется, рассмотрим пример двухфазного униполярного шагового двигателя с 1.Угол шага 8 °. Статор имеет восемь магнитных полюсов, расположенных с интервалом 45 °, каждый из которых имеет пять зубцов, расположенных с интервалом 7,2 °. Каждый магнитный полюс также имеет обмотку катушки, как показано на рисунке 1. Прохождение тока через катушку, как показано в таблице 1, создает вращающееся магнитное поле к статору, как показано на рисунке 2.

Рисунок 1 Статор

Таблица 1 Последовательность возбуждения (однофазное возбуждение)

Рисунок 2 Вращающееся магнитное поле, создаваемое чередующейся фазой возбуждения

Ротор состоит из магнита и двух сердечников ротора с 50 зубьями.Сердечники ротора смещены друг от друга на половину шага. На рисунке 3 показано, как движется ротор при чередовании фаз возбуждения ротора.

Рисунок 3 Привод с однофазным возбуждением

Шаг 1
Возбуждение фазы A заставляет зубцы полюса S сердечника ротора совмещаться с магнитными полюсами 1 и 5 статора, а зубцы полюса N совмещаться с магнитными полюсами 3 и 7, так что как S, так и N удерживаются устойчивыми магнитными полюсами. достопримечательности. В этом случае зубцы полюса S сердечника ротора отстают по фазе относительно магнитных полюсов 2 и 6 статора, а полюса N отстают по фазе относительно магнитных полюсов 4 и 8, в обоих случаях на одну четверть. шаг (1.8 °).

Шаг 2
Затем вместо этого возбуждается фаза B. Поскольку точка стабильности для этого возбуждения находится там, где зубцы магнитных полюсов 2 и 6 статора и магнитные полюса 4 и 8 выровнены с зубьями ротора, возбуждение фазы B заставляет ротор вращаться на четверть шага (1,8 °).

Шаг 3
Каждое последующее изменение возбуждения также заставляет ротор вращаться на четверть шага.

Как управляются шаговые двигатели

Вращение шагового двигателя точно контролируется подачей электрических сигналов.Сигналы представляют собой импульсы, генерируемые включением и выключением электричества, а угол поворота определяется количеством импульсов, подаваемых на драйвер. Точно так же скорость двигателя пропорциональна частоте пульса.

Угол, скорость и направление вращения можно контролировать с помощью любого из следующих трех шаблонов импульсного ввода.

Режим одиночного импульса

В этом режиме вводятся импульсы для управления вращением, а сигнал направления поддерживается высоким или низким, чтобы указать направление вращения.

Двойной импульсный режим

В этом режиме отдельные импульсные входы по часовой стрелке (CW) и против часовой стрелки (CCW) определяют направление вращения. То есть, импульсы CW вращают двигатель по часовой стрелке, а импульсы CCW — против часовой стрелки.

Импульсный режим фазы A / фазы B

В этом режиме отдельные импульсы фазы A и фазы B вводятся со смещением фазы около 90 °, и генерируемое направление вращения определяется тем, является ли эта разность фаз опережающей или запаздывающей.То есть двигатель вращается по часовой стрелке, если фаза A опережает, и против часовой стрелки, если фаза B опережает.

Изменения в последовательности возбуждения также могут дополнительно изменять характеристики двигателя в соответствии с различными приложениями, управляя им с полными шагами, полушагами или микрошагами. Микрошаговый привод обеспечивает более точное управление углом шага, подавая ток возбуждения, который отличается от гладкой синусоидальной волны только с очень небольшими градациями.

Типичный шаговый двигатель генерирует затухающие колебания из-за остановки после каждого шага.Это может быть источником вибрации и шума. Использование микрошагового привода потенциально может снизить эту низкоскоростную вибрацию и шум за счет уменьшения угла ступени, тем самым минимизируя эти затухающие колебания. Хотя микрошаговый привод имеет тенденцию немного снижать угловую точность по сравнению с другими режимами привода, это очень полезный вариант, когда требуется низкий уровень вибрации и шума.

Шаговые двигатели, приводимые в действие простым механизмом

Шаговые двигатели — это двигатели, которые вращаются с фиксированными угловыми приращениями.Благодаря простой конструкции, состоящей из магнита и катушек, их высокая точность и низкий уровень отказов делают их привлекательным предложением. Им легко управлять с помощью электрических импульсов, причем их угол и скорость вращения определяются количеством и скоростью ввода импульсов и режимом ввода импульсов. Мы надеемся, что вы сможете найти хорошее применение этим двигателям, если будете хорошо понимать, как ими управляют.

Решение ваших проблем с шаговыми двигателями

ASPINA поставляет не только автономные шаговые двигатели, но и системные продукты, которые включают системы привода и управления, а также механическую конструкцию.Они подкреплены всесторонней поддержкой, которая простирается от прототипирования до коммерческого производства и послепродажного обслуживания.
ASPINA может предложить решения, адаптированные к функциям и характеристикам, требуемым для различных отраслей промышленности, приложений и продуктов клиентов, а также для конкретных производственных условий.

ASPINA поддерживает не только клиентов, которые уже знают свои требования или спецификации, но и тех, кто сталкивается с проблемами на ранних стадиях разработки.
Вы боретесь со следующими проблемами?

Выбор двигателя

  • У вас еще нет подробных спецификаций или чертежей, но нужна консультация по двигателям?
  • У вас нет сотрудников, разбирающихся в двигателях, и вы не можете определить, какой двигатель лучше всего подойдет для вашего нового продукта?

Разработка двигателей и сопутствующих компонентов

  • Хотите сосредоточить свои ресурсы на основных технологиях и передать на аутсорсинг приводные системы и разработку двигателей?
  • Хотите сэкономить время и силы, связанные с изменением конструкции существующих механических компонентов при замене двигателя?

Уникальное требование

  • Нужен нестандартный двигатель для вашего продукта, но ваш обычный поставщик отказался от него?
  • Не можете найти двигатель, который дает вам необходимый контроль, и вот-вот теряете надежду?

Ищете ответы на эти проблемы? Свяжитесь с ASPINA, мы здесь, чтобы помочь.

Ссылки на глоссарий и страницы часто задаваемых вопросов

Список столбцов той же серии

Как работают шаговые двигатели

На рисунках ниже показаны два поперечных сечения 5-фазного шагового двигателя. Шаговый двигатель состоит в основном из двух частей: статора и ротора. Ротор состоит из трех компонентов: ротора 1, ротора 2 и постоянного магнита. Ротор намагничен в осевом направлении, так что, например, если ротор 1 поляризован на север, ротор 2 будет поляризован на юг.

Статор имеет десять магнитных полюсов с небольшими зубцами, каждый из которых снабжен обмоткой. Каждая обмотка подключена к обмотке противоположного полюса, так что оба полюса намагничиваются с одинаковой полярностью, когда ток проходит через пару обмоток. (Пропускание тока через данную обмотку намагничивает противоположную пару полюсов с той же полярностью, то есть северной или южной.)

Противоположная пара полюсов составляет одну фазу. Поскольку имеется пять фаз, от A до E, двигатель называется «5-фазным шаговым двигателем».«

На внешнем периметре каждого ротора имеется 50 маленьких зубцов, при этом маленькие зубья ротора 1 и ротора 2 механически смещены друг относительно друга на половину шага зубьев.

Возбуждение: Для подачи тока через обмотку двигателя

Магнитный полюс: Выступающая часть статора, намагничиваемая возбуждением

Маленькие зубцы:
Зубцы на роторе и статоре

Принцип работы

Ниже приводится объяснение взаимосвязи между маленькими зубцами намагниченного статора и маленькими зубьями ротора.

При возбуждении фазы «А»

Когда фаза A возбуждена, ее полюса поляризованы на юг. Это притягивает зубцы ротора 1, поляризованные на север, в то же время отталкивая зубцы ротора 2, поляризованные на юг. Таким образом, силы, действующие на весь блок в равновесии, удерживают ротор в неподвижном состоянии. В это время зубцы полюсов фазы B, которые не возбуждаются, смещены с зубьями ротора 2 с южной поляризацией, так что они смещены на 0,72˚. Это резюмирует взаимосвязь между зубьями статора и зубьями ротора при возбуждении фазы А.

Когда фаза «B» возбуждена

Когда возбуждение переключается с фазы A на B, полюса фазы B поляризованы на север, притягивая южную полярность ротора 2 и отталкивая северную полярность ротора 1.

Другими словами, когда возбуждение переключается с фазы A на B, ротор вращается на 0,72˚. Когда возбуждение переходит от фазы A к фазам B, C, D и E, а затем обратно к фазе A, шаговый двигатель вращается точно на 0.72 шага. Чтобы вращаться в обратном направлении, измените последовательность возбуждения на фазы A, E, D, C, B, а затем обратно на фазу A.

Высокое разрешение 0,72˚ присуще механическому смещению между статором и ротором, что позволяет добиться точного позиционирования без использования энкодера или других датчиков. Достигается высокая точность остановки, составляющая 3 угловых минуты (без нагрузки), поскольку единственными факторами, влияющими на точность остановки, являются вариации в точности обработки статора и ротора, точности сборки и сопротивления обмоток постоянному току.

Драйвер выполняет функцию переключения фаз, и его синхронизация регулируется импульсным сигналом, подаваемым на драйвер. В приведенном выше примере показано, как возбуждение продвигается по одной фазе за раз, но в реальном шаговом двигателе эффективное использование обмоток достигается за счет одновременного возбуждения четырех или пяти фаз.

Основные характеристики шаговых двигателей

Важным моментом, который следует учитывать при применении шаговых двигателей, является соответствие характеристик двигателя условиям эксплуатации.
В следующих разделах описываются характеристики, которые следует учитывать при применении шаговых двигателей.
Две основные характеристики шагового двигателя:

  • Динамические характеристики: Это пусковые и вращательные характеристики шагового двигателя, в основном влияющие на движение механизма и время цикла.
  • Статические характеристики: Это характеристики, относящиеся к изменениям угла, которые происходят, когда шаговый двигатель находится в режиме покоя, что влияет на уровень точности оборудования.

Динамические характеристики

Скорость — характеристики крутящего момента На приведенном выше рисунке показан график характеристик, показывающий взаимосвязь между скоростью и крутящим моментом управляемого шагового двигателя. Эти характеристики всегда учитываются при выборе шагового двигателя. По горизонтальной оси отложена скорость на выходном валу двигателя, а по вертикальной оси — крутящий момент. Характеристики крутящего момента и скорости определяются двигателем и приводом и в значительной степени зависят от типа используемого привода.

  • Максимальный удерживающий момент (TH) Максимальный удерживающий момент — это максимальная удерживающая мощность (крутящий момент) шагового двигателя при подаче питания (при номинальном токе), когда двигатель не вращается.
  • Момент отрыва Момент отрыва — это максимальный крутящий момент, который может быть выдан при заданной скорости. При выборе двигателя убедитесь, что требуемый крутящий момент находится в пределах этой кривой.
  • Максимальная пусковая частота (fS) Это максимальная скорость импульса, при которой двигатель может запускаться или останавливаться мгновенно (без времени ускорения / замедления), когда фрикционная нагрузка и инерционная нагрузка шагового двигателя равны 0.Приведение двигателя в движение с импульсной скоростью, превышающей эту скорость, потребует постепенного ускорения или замедления. Эта частота будет уменьшаться при добавлении инерционной нагрузки к двигателю. Обратитесь к характеристикам инерционной нагрузки — пусковой частоты ниже.

Максимальная частота срабатывания (fr) Это максимальная импульсная скорость, при которой двигатель может работать с постепенным ускорением или замедлением, когда фрикционная нагрузка и инерционная нагрузка шагового двигателя равны 0.На приведенном ниже рисунке показаны скоростные характеристики 5-фазного шагового двигателя и блока драйвера.

Инерционная нагрузка — характеристики пусковой частоты Эти характеристики показывают изменения пусковой частоты, вызванные инерцией нагрузки. Поскольку ротор и нагрузка шагового двигателя имеют свой собственный момент инерции, во время мгновенного пуска и останова на оси двигателя возникают задержки и опережения. Эти значения изменяются в зависимости от скорости импульса, но двигатель не может следовать за скоростью импульса за пределами определенной точки, что приводит к ошибкам.Скорость импульса непосредственно перед возникновением ошибки называется начальной частотой.

Изменения максимальной пусковой частоты с инерционной нагрузкой можно приблизительно рассчитать по следующей формуле:

Вибрационные характеристики

Шаговый двигатель вращается за счет серии шаговых движений. Шаговое движение можно описать как одноступенчатую реакцию, как показано ниже:

1. Один импульсный вход на шаговый двигатель в состоянии покоя ускоряет двигатель до следующего положения остановки.

2. Ускоренный двигатель проходит через положение остановки, выходит за определенный угол и возвращается назад в обратном направлении.

3. Двигатель останавливается в заданном положении остановки после демпфирующих колебаний.

Вибрация на низких скоростях вызвана ступенчатым движением, которое вызывает этот тип демпфирующих колебаний. График вибрационных характеристик ниже представляет величину вибрации вращающегося двигателя. Чем ниже уровень вибрации, тем плавнее будет вращение двигателя.

Статические характеристики

Характеристики угла — крутящего момента: Характеристики угла — крутящего момента показывают взаимосвязь между угловым смещением ротора и крутящим моментом, приложенным извне к валу двигателя, когда двигатель возбуждается номинальным током. График этих характеристик показан ниже:

На следующих рисунках показано взаимное расположение зубцов ротора и статора в пронумерованных точках на схеме выше.Когда он удерживается в стабильном положении в точке (1), внешнее приложение силы к валу двигателя будет создавать крутящий момент T (+) в левом направлении, пытаясь вернуть вал в стабильную точку (1). Вал остановится, когда внешняя сила сравняется с этим крутящим моментом в точке (2).

Если приложить дополнительную внешнюю силу, существует угол, при котором создаваемый крутящий момент достигнет максимума в точке (3). Этот крутящий момент называется максимальным удерживающим моментом TH.

Приложение внешней силы, превышающей это значение, приведет к перемещению ротора в неустойчивую точку (5) и далее, создавая крутящий момент T (-) в том же направлении, что и внешняя сила, так что он перемещается в следующую устойчивую точку (1 ) и останавливается.

Точки опоры: Точки остановки ротора, при этом зубья статора и зубья ротора точно совмещены. Эти точки чрезвычайно устойчивы, и ротор всегда будет останавливаться в них, если не будет приложена внешняя сила.


Точки нестабильности: Точки, в которых зубья статора и ротора находятся на половине шага от совмещения. Ротор в этих точках переместится в следующую устойчивую точку влево или вправо, даже под действием малейшей внешней силы.

Угловая точность

В условиях холостого хода шаговый двигатель имеет угловую точность в пределах ± 3 угловых минут (± 0,05 °). Небольшая погрешность возникает из-за разницы в механической точности статора и ротора и небольшого разброса сопротивления обмотки статора постоянному току. Как правило, угловая точность шагового двигателя выражается в точности положения остановки.

Точность положения остановки: Точность положения остановки — это разница между теоретическим положением остановки ротора и его фактическим положением остановки.Заданная точка остановки ротора принимается за начальную точку, тогда точность положения остановки — это разница между максимальным (+) значением и максимальным (-) значением в наборе измерений, сделанных для каждого шага полного вращения.

Точность положения остановки находится в пределах ± 3 угловых минуты (± 0,05˚), но только при отсутствии нагрузки. В реальных приложениях всегда присутствует одинаковая нагрузка на трение. Угловая точность в таких случаях обеспечивается угловым смещением, вызванным характеристиками угол — крутящий момент, основанными на фрикционной нагрузке.Если фрикционная нагрузка постоянна, угол смещения будет постоянным для работы в одном направлении.

Однако при работе в двух направлениях угол смещения увеличивается вдвое за один проход. Когда требуется высокая точность остановки, всегда выполняйте позиционирование в одном и том же направлении.

Последовательность возбуждения шагового двигателя и пакетов драйверов

Каждый 5-фазный двигатель и драйвер, перечисленные в нашем каталоге, состоят из нового пятиугольника, двигателя с пятью выводами и драйвера со специальной последовательностью возбуждения.Эта комбинация, запатентованная Oriental Motor, дает следующие преимущества:

  • Простые соединения для пяти выводов
  • Низкая вибрация

В следующих разделах описывается последовательность подключения и возбуждения.

Новый пятиугольник, 4-фазное возбуждение: система полного шага (0,72˚ / шаг)

Это уникальная система для 5-фазного двигателя, в которой возбуждаются четыре фазы. Угол шага составляет 0,72˚ (0,36˚).Он обеспечивает отличный демпфирующий эффект и, следовательно, стабильную работу.

Новый пятиугольник, 4-5-фазное возбуждение: полушаговая система (0,36˚ / шаг)

Последовательность шагов с чередованием 4-фазного и 5-фазного возбуждения обеспечивает вращение со скоростью 0,36˚ на шаг. Один оборот можно разделить на 1000 шагов.

Драйверы шагового двигателя

Есть две распространенные системы привода шагового двигателя: привод постоянного тока и привод постоянного напряжения.Схема для привода постоянного напряжения проще, но относительно труднее добиться характеристик крутящего момента на высоких скоростях.
Привод постоянного тока, с другой стороны, в настоящее время является наиболее часто используемым методом привода, поскольку он обеспечивает отличные характеристики крутящего момента на высоких скоростях. Все драйверы Oriental Motor используют систему привода постоянного тока.

Обзор системы привода постоянного тока

Шаговый двигатель вращается за счет последовательного переключения тока, протекающего через обмотки.Когда скорость увеличивается, скорость переключения также увеличивается, и рост тока замедляется, что приводит к потере крутящего момента. Прерывание постоянного напряжения, намного превышающего номинальное напряжение двигателя, гарантирует, что номинальный ток достигнет двигателя даже на более высоких скоростях.

Ток, протекающий по обмоткам двигателя, определяемый как напряжение через резистор для определения тока, сравнивается с опорным напряжением. Управление током осуществляется путем удержания переключающего транзистора Tr2 включенным, когда напряжение на резисторе обнаружения ниже опорного напряжения (когда оно не достигло номинального тока), или выключения Tr2, когда значение выше опорного напряжения ( когда он превышает номинальный ток), тем самым обеспечивая постоянный поток номинального тока.

Различия между характеристиками входа переменного и постоянного тока

Шаговый двигатель приводится в действие напряжением постоянного тока, подаваемым через драйвер. В двигателях и драйверах Oriental Motor с входным напряжением 24 В постоянного тока на двигатель подается 24 В постоянного тока. В двигателях и драйверах 100-115 В переменного тока вход выпрямляется до постоянного тока, а затем на двигатель подается примерно 140 В постоянного тока. (Некоторые продукты являются исключением.)

Эта разница в напряжениях, подаваемых на двигатели, проявляется как разница в характеристиках крутящего момента на высоких скоростях.Это связано с тем, что чем выше приложенное напряжение, тем быстрее будет нарастание тока через обмотки двигателя, что облегчает приложение номинального тока на более высоких скоростях.

Таким образом, двигатель с входом переменного тока и приводной блок имеют превосходные характеристики крутящего момента в широком диапазоне скоростей, от низких до высоких скоростей, обеспечивая большое передаточное отношение. Рекомендуется, чтобы в ваших приложениях учитывались двигатели с входом переменного тока и драйверы, которые совместимы с более широким диапазоном условий эксплуатации.

Технология привода Microstep

Технология привода

Microstep используется для разделения основного угла шага (0,72˚) 5-фазного шагового двигателя на более мелкие шаги (максимум до 250 делений) без использования механизма снижения скорости.

◇ Технология привода Microstep

Шаговый двигатель перемещается и останавливается с шагом шага, определяемым структурой явных полюсов ротора и статора,
легко обеспечивает высокую точность позиционирования.Шаговый двигатель, с другой стороны, вызывает изменение скорости ротора, потому что
двигатель вращается с шагом шага угла, что приводит к резонансу или большей вибрации при заданной скорости.

Microstepping — это технология, которая обеспечивает низкий резонанс и низкий уровень шума при работе на чрезвычайно низких скоростях за счет управления потоком электрического тока
, подаваемого на катушку двигателя, и тем самым деления основного угла шага двигателя на более мелкие ступени.

  • Угол основного шага двигателя (0.72˚ / полный шаг) можно разделить на более мелкие шаги от 1/1 до 1/250. Таким образом, микрошаг обеспечивает плавную работу.
  • Благодаря технологии плавного изменения тока привода двигателя вибрация двигателя может быть минимизирована для работы с низким уровнем шума.

◇ До 250 микрошагов

Благодаря микрошаговому драйверу можно установить разные углы шага (от 16 шагов до 250 делений) с помощью двух переключателей установки угла шага. Управляя входным сигналом для переключения угла шага через внешний источник, можно переключать угол шага между уровнями, установленными для соответствующих переключателей.

Характеристики Microstep Drive


● Низкая вибрация
Технология привода Microstep с помощью электроники делит угол шага на более мелкие шаги, обеспечивая плавное пошаговое движение на низких скоростях и значительно снижая вибрацию. В то время как демпфер или подобное устройство обычно используется для уменьшения вибрации, конструкция с низким уровнем вибрации, используемая для самого двигателя, наряду с технологией микрошагового привода, минимизирует вибрацию более эффективно.Меры по защите от вибрации можно значительно упростить, поэтому он идеально подходит для большинства чувствительных к вибрации приложений и оборудования.

● Низкий уровень шума
Технология привода Microstep эффективно снижает уровень шума, связанный с вибрацией, на низких скоростях, обеспечивая низкий уровень шума. Двигатель демонстрирует выдающиеся характеристики даже в самых чувствительных к шуму условиях.


● Улучшенная управляемость
Новый микрошаговый драйвер Pentagon с превосходными характеристиками демпфирования сводит к минимуму перерегулирование и недорегулирование в ответ на скачкообразные изменения, точно следуя импульсной последовательности и обеспечивая улучшенную линейность.Кроме того, можно уменьшить шок, обычно возникающий в результате движений при запуске и остановке.

Шаговый двигатель и пакет драйверов

Обзор системы управления

◇ Датчик для определения положения ротора

Датчик положения ротора встроен в встречный конец выходного вала двигателя:

Обмотка датчика определяет изменение магнитного сопротивления из-за углового положения ротора.

с инновационным замкнутым контуром управления

Счетчик отклонения вычисляет отклонение (отставание / опережение) фактического углового положения ротора по отношению к команде положения по импульсному сигналу. Результат расчета используется для обнаружения «области ошибочного шага» и управления двигателем путем переключения между режимами разомкнутого и замкнутого контура.

  • Если отклонение позиционирования меньше} 1,8˚, двигатель работает в режиме разомкнутого контура.
  • Если отклонение позиционирования составляет} 1,8˚ или более, двигатель работает в режиме замкнутого контура.

В режиме замкнутого контура возбуждение обмотки двигателя регулируется так, чтобы для данного углового положения ротора развивался максимальный крутящий момент. Такой метод управления позволяет исключить нестабильные точки (области ошибочного шага) в углово-крутящих характеристиках.

Особенности AlphaStep

◇ Повышенная производительность шагового двигателя

  • На высоких скоростях не будет «оплошностей».”Следовательно, в отличие от обычных шаговых двигателей, работа будет свободна от следующих ограничений:
  • Ограничения на скорость ускорения / замедления и коэффициент инерции, вытекающие из профиля импульсов контроллера.
  • Ограничение скорости стартового импульса, вызванное «ошибкой».
  • Используйте фильтр скорости для настройки скорости отклика при запуске / остановке. Чувствительность пуска / остановки можно регулировать с помощью 16 настроек без изменения данных контроллера (пусковой импульс, скорость ускорения / замедления).Эта функция предназначена для уменьшения ударов при работе и вибрации при работе на низкой скорости.

Возврат к работе в механическом режиме с использованием сигнала синхронизации возбуждения

● Сигнал синхронизации возбуждения
Сигнал синхронизации возбуждения (TIM.) Выводится, когда драйвер первоначально возбуждает шаговый двигатель (шаг «0»). Пятифазный шаговый двигатель и драйверы Oriental Motor выполняют начальное возбуждение при включении питания и продвигают последовательность
возбуждения каждый раз, когда вводится импульсный сигнал, завершая один цикл, когда вал двигателя вращается 7.2˚.

Используйте эти временные сигналы, когда необходимо выполнить возврат к механическому дому с высокой воспроизводимостью. В следующих разделах описывается возврат шагового двигателя к механическому домашнему режиму и использование сигналов синхронизации.

● Return to Mechanical Home Operation для шаговых двигателей

При включении питания для запуска автоматизированного оборудования или перезапуске оборудования после сбоя питания необходимо вернуть шаговые двигатели в их стандартное положение.Эта операция называется «возвращением к механическому домашнему режиму».

При возврате к механическому домашнему режиму для шаговых двигателей используются домашние датчики для обнаружения механического компонента, используемого для операции позиционирования. Когда обнаруженные сигналы подтверждаются, контроллер останавливает импульсный сигнал, и шаговый двигатель останавливается. Точность исходного положения при таком возврате к механическому домашнему режиму зависит от характеристик обнаружения домашних датчиков. Поскольку характеристики обнаружения домашних датчиков варьируются в зависимости от таких факторов, как температура окружающей среды и скорость приближения к зоне обнаружения механизма, необходимо уменьшить эти факторы для приложений, в которых требуется механическое обнаружение исходного положения с высокой воспроизводимостью.

● Улучшенная воспроизводимость с использованием сигнала синхронизации возбуждения

Метод обеспечения того, чтобы механическое исходное положение не изменялось из-за изменений в характеристиках обнаружения датчиков исходного положения, заключается в остановке импульсного сигнала путем логического умножения на сигнал синхронизации. Поскольку синхронизирующий сигнал выводится при начальном возбуждении, если импульсный сигнал останавливается при выводе тактового сигнала, механическое исходное положение всегда будет определяться при начальном возбуждении.

Взаимосвязь между длиной кабеля и частотой передачи

По мере увеличения длины кабеля импульсной линии максимальная частота передачи уменьшается. В частности, резистивная составляющая и паразитная емкость кабеля вызывают формирование схемы CR, тем самым задерживая время нарастания и спада импульса. Паразитная емкость в кабеле возникает между электрическими проводами и плоскостями заземления. Однако трудно предоставить четкие числовые данные, поскольку условия различаются в зависимости от типа кабеля, его разводки, трассировки и других факторов.

Частота передачи при работе в сочетании с нашими продуктами (контрольные значения фактических измерений) показаны ниже:

Влияние жесткости муфты на оборудование

Технические характеристики, указывающие на характеристики муфты, включают допустимую нагрузку, допустимую скорость, постоянную крутильной пружины, люфт (люфт) в муфте и допустимое смещение. На практике при выборе муфт для оборудования, которое требует высоких характеристик позиционирования или низкой вибрации, основным критерием выбора будет «жесткость, без люфта».«Однако в некоторых случаях жесткость муфты оказывает лишь незначительное влияние на общую жесткость оборудования.

В этом разделе приводится пример сравнения общей жесткости оборудования, состоящего из шарико-винтовой передачи, в двух приложениях, где используются кулачковая муфта, такая как MCS, и сильфонная муфта, обеспечивающая более высокую жесткость. (Данные взяты из технического документа KTR, по этой причине размеры муфт отличаются от продуктов, предлагаемых Oriental Motor.)

Обзор испытательного оборудования

Технические характеристики деталей

Жесткость пружины кручения кулачковой муфты
Cj = 21000 [Н м / рад]

Жесткость пружины кручения сильфонной муфты
Cb = 116000 [Н ・ м / рад]

Жесткость серводвигателя
Cm =

[Н м / рад]


Шаг шарико-винтовой передачи
h = 10 [мм]

Диаметр корневой окружности ШВП
d = 28.5 [мм]

Длина шарико-винтовой передачи
L = 800 [мм]

Жесткость подшипника в осевом направлении
Rbrg = 750 [Н / мкм]

Жесткость гайки шарико-винтовой передачи в осевом направлении
Rn = 1060 [Н / мкм]

Модуль упругости ШВП
Rf = 165000 [Н / мм2]

1. Получите жесткость на скручивание шарико-винтовой передачи, подшипника и гайки. Жесткость в осевом направлении шарико-винтовой передачи Rs рассчитывается следующим образом:

Таким образом, общая жесткость в осевом направлении шарико-винтовой передачи, подшипника и гайки Rt рассчитывается следующим образом:

Эта жесткость в осевом направлении применяется как жесткость на кручение Ct.

2. Обеспечьте общую жесткость оборудования C при использовании кулачковой муфты.


3. Обеспечьте общую жесткость оборудования C при использовании сильфонной муфты.

4. Результаты расчетов

Как работает шаговый двигатель? — Умные решения для дома

Шаговый двигатель — это бесщеточный двигатель постоянного тока , который преобразует электрические импульсы в механическое движение.Каждый импульс представляет собой поворот РОТОРА (подвижной части двигателя) на небольшой угол ( шаг ). Например, если шаговый двигатель имеет 200 шагов на оборот, то после подачи 50 импульсов он сделает четверть оборота. Частота и последовательность влияют на направление вращения и его скорость.

Введение

Шаговые двигатели

часто используются в устройствах, требующих высокой точности. Вы можете найти их в фрезерных станках с ЧПУ, 3D-принтерах, роботах на заводах, сканерах или приводах CD / DVD (если вы достаточно взрослые, чтобы помнить это 🙂).Степперы — действительно благодарные и приятные устройства, которые обязательно найдут место во многих ваших проектах. Кроме того, ими очень легко управлять, как я постараюсь показать вам в этой статье.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это бесщеточный двигатель постоянного тока. Как я упоминал ранее, он приводится в действие электрическими импульсами, которые преобразуются во вращательное движение. Вращение не такое плавное, как у классических двигателей постоянного тока. Полный поворот на 360 градусов состоит из определенного (в зависимости от конструкции) количества шагов.Это позволяет валу вращаться точно без какой-либо обратной связи. Так что кодировщик не нужен.

В мире хобби шаговые двигатели с 200 шагами на 360 ° являются самыми популярными. Это означает, что вал (ротор) будет поворачиваться на 1,8 ° каждый раз, когда мы даем импульс (360 ° / 200 = 1,8 °).

Направление вращения и его скорость в зависимости от последовательности и частоты импульсов.

Как устроен шаговый двигатель?

Шаговый двигатель, как и классический двигатель постоянного тока, состоит из РОТОРА и СТАТОРА .Статор — неподвижная часть, а ротор, установленный на двух подшипниках, вращается с помощью магнитного поля. Статор — из стали или другого металла, это рама для набора электромагнитов, которые представляют собой катушки, установленные в определенных местах вокруг ротора. Когда через катушки течет ток, вокруг них создается магнитное поле. Отдельные магнитные поля имеют направление и интенсивность в зависимости от силы и направления тока, протекающего через данную катушку.

Типы шаговых двигателей

Шаговые двигатели можно разделить по конструкции статора и ротора, которая влияет на то, как импульсы преобразуются в движение.И из-за способа подключения катушек.

Я опишу эти два фактора по отдельности, поскольку они полностью независимы друг от друга. Любой тип соединения может использоваться с любым типом двигателя.

По конструкции можно выделить:
  • Шаговый двигатель с переменным сопротивлением
  • Шаговый двигатель с постоянным магнитом
  • Гибридный шаговый двигатель
По методу намотки можно выделить:
  • Униполярный шаговый двигатель
  • Биполярный шаговый двигатель

Как работает шаговый двигатель?

Каждый тип работает по-своему, поэтому я опишу их отдельно.Запуск с электродвигателем с регулируемым сопротивлением.

Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением

Двигатели этого типа не обладают хорошими параметрами и были вытеснены из промышленности шаговыми двигателями других типов. Я расскажу о них в учебных целях. И чтобы помочь вам понять общий принцип работы.

ПОЛНЫЙ ШАГ

Сопротивление также известно как магнитное сопротивление. Если мы поместим проводник в магнитное поле электромагнита, он будет притягиваться.Чем ближе он подойдет, тем меньше будет сопротивление.

На анимации показан пример шагового двигателя с переменным сопротивлением с четырьмя катушками. Они намотаны попарно и на противоположных сторонах статора. Это дает нам восемь полюсов. Ротор сделан из какого-то проводника, а количество плеч отличается от количества катушек. Поскольку направление вехи в данном случае значения не имеет, я решил не отмечать его.

Как видите, когда соответствующая пара катушек запитана, самые близкие плечи ротора притягиваются больше всего.Таким образом, будет сделан один шаг. В случае с этим степпером это будет:

6 рычагов * 4 витков = 24 шагов

360 ° / 24 шагов = 15 °

15 ° — это ПОЛНЫЙ ШАГ для этого конкретного шагового двигателя. Я знаю, это звучит не очень впечатляюще.

ПОЛУШАГ

К счастью, можно очень легко увеличить разрешение. Чтобы удвоить количество шагов, мы будем использовать HALF STEP вместо FULL STEP .Звучит интуитивно понятно, правда? 🙂

Для этого нам нужно изменить последовательность включения катушек. В предыдущем случае мы использовали только одну пару за раз. На этот раз мы будем использовать две соседние пары, чтобы сделать промежуточный шаг. Теперь у нас есть 8 комбинаций (а не 4) катушек с питанием. Это означает, что мы удвоили разрешение до 48 шагов и 7,5 ° для одного шага.

Предположительно изображение говорит более миллиона слов, поэтому я думаю, что простая анимация объяснит это даже лучше.

МИКРО ШАГ

Но это еще не конец! Мы можем еще больше увеличить разрешение. Для этого нам нужно иметь возможность регулировать ток, протекающий через катушки. Чтобы на него можно было запитать, например, вдвое меньший ток. Благодаря этому мы удваиваем количество возможных состояний по сравнению с методом HALF STEP . Опять же — анимация 🙂

Теперь у нас есть 96 шагов и 3,25 ° на один шаг.

Таким образом, мы можем все больше и больше увеличивать разрешение.К сожалению, помимо очевидных преимуществ, у него есть и большие недостатки. Чем больше количество микрошагов, тем чаще переключаются катушки и, следовательно, меньше крутящий момент.

Я описал вышеупомянутые методы управления (FULL, HALF и MICRO STEPPS), основанные на шаговом двигателе с переменным сопротивлением, потому что он самый простой. Однако для любого последующего типа это будет работать точно так же. Поэтому для гибридных шаговых двигателей с постоянным магнитом и я опишу только метод FULL STEP .

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Шаговый двигатель с постоянным магнитом работает за счет взаимодействия полюсов магнитов. Не как в предыдущем случае — полюс и проводник. У каждого из магнитов по два полюса:

N — Север
S — Юг

Разные полюса (S — N) притягиваются друг к другу, а подобные (S — S и N — N) отталкиваются. В результате шаговые двигатели этого типа имеют гораздо больший крутящий момент.

В отличие от шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением, двигатель с постоянным магнитом не имеет зубцов на роторе. Он построен как бы из нескольких магнитов, попеременно и радиально намагниченных. Разрешение мотора зависит от их количества. Однако чем больше этих магнитов, тем они меньше, поэтому они меньше взаимодействуют с электромагнитами в статоре. В результате двигатель имеет меньший крутящий момент.

В следующем простом примере показан ротор с шестью магнитными полюсами. С двумя полюсами электромагнитов это дает 12 ПОЛНЫХ ШАГОВ на оборот.В реальном мире двигатели этого типа имеют 24 или даже 48 ступеней.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридные шаговые двигатели в настоящее время являются наиболее популярным типом, особенно в промышленности. Они сочетают в себе преимущества двигателей с постоянным магнитом и электродвигателей с переменным сопротивлением. Благодаря этому у них лучшие параметры, такие как крутящий момент и разрешение. Разрешение типичного гибридного шагового двигателя составляет от 0,9 ° до 3,6 °, что дает 100–400 ПОЛНЫХ ШАГОВ на оборот (и давайте не будем забывать, что мы также можем применить МИКРО ШАГОВ ).

Ротор изготовлен из постоянных магнитов, однако, в отличие от двигателя, описанного выше, магниты расположены аксиально, а не радиально. Кроме того, как вы можете видеть на картинке, ротор разделен на два (иногда четыре) кольца. У каждого из них маленькие зубы. Чем их больше, тем выше разрешение.

Зубья на обоих концах (кольцах) ротора смещены на ползуба. У статора тоже есть зубья, но они на одной прямой. Благодаря этому, когда зубцы одного кольца имеют разные полюса и притягиваются друг к другу, зубцы второго кольца (имеющего тот же полюс, что и катушка) будут точно посередине.Это улучшает характеристики двигателя и увеличивает его крутящий момент.

РОТОР СТАТОР

Статор такого двигателя обычно имеет две катушки и восемь полюсов. После включения одной катушки два противоположных полюса будут СЕВЕР , а два — ЮГ . Затем ротор будет вращаться, чтобы выровнять свои намагниченные зубья с полюсами статора, в отличие от ( S и N ).

Поскольку ротор имеет два кольца с разными полюсами, на каждом шаге он «удерживается» четырьмя катушками, что увеличивает его крутящий момент.

На этом конкретном шаговом двигателе ротор имеет 50 зубцов, и требуется ровно 4 шага, чтобы повернуть его на одну ступеньку. Таким образом, легко подсчитать, что ротору нужно 200 шагов, чтобы совершить оборот. Что составляет 1,8 ° на шаг ( FULL STEP ).

Униполярные и биполярные шаговые двигатели

Термин униполярный шаговый двигатель или биполярный шаговый двигатель не совсем точен. Это относится не ко всему двигателю, а только к обмотке его катушек.Хотя на практике очень часто можно четко определить, является ли данный шаговый двигатель униполярным или биполярным . Но вы также можете встретить шаговый двигатель, который может быть одновременно: «bi» или «uni» . Вам решать, как вы хотите относиться к нему.

Поэтому для дальнейшего рассмотрения предположим, что это касается метода шагового управления, а не его типа.

Биполярный шаговый двигатель

Биполярные шаговые двигатели имеют четыре провода.Они работают с двумя полностью изолированными друг от друга обмотками.

Эти степперы довольно сложно контролировать. Потому что, чтобы перевернуть магнитный полюс, мы должны изменить направление тока в обмотке. И это делается с помощью двух H-мостов (восемь транзисторов).

Но на этом недостатки заканчиваются, а дальше остаются только достоинства 🙂

Мы можем использовать всю длину катушки в каждой фазе, что приводит к высокому крутящему моменту. К тому же их конструкция довольно проста.

Униполярный шаговый двигатель

У униполярных шаговых двигателей пять проводов. Они работают с одной обмоткой с центральным отводом на фазу. Общий провод ( COM ) постоянно заземлен (чаще всего). Мы можем изменить направление магнитного поля, поставив соединители A или A ’ ( B или B’ ).

Благодаря такой конструкции для управления этим двигателем достаточно четырех транзисторов (а не восьми, как в биполярных шаговых двигателях).

Но поскольку мы можем использовать только половину катушки в каждой фазе, эти шаговые двигатели имеют относительно низкий крутящий момент.

Биполярный или униполярный шаговый двигатель

Этот тип шаговых двигателей имеет шесть проводов. Как вы можете видеть на картинке, это комбинация униполярных и биполярных двигателей. Он имеет две обмотки, отделенные друг от друга, но они разделены пополам и выведены в виде двух дополнительных проводов. Это решение позволяет управлять обоими способами.Вам решать, предпочитаете ли вы больший крутящий момент или более простое управление.

Что нужно учитывать при выборе шагового двигателя?

Недостатки
  • скорость шаговых двигателей не очень впечатляет — от нескольких или десятка оборотов в секунду
  • по мере увеличения скорости его удерживающий момент (Нм) уменьшается
  • относительно высокое энергопотребление
  • высокое тепловыделение
  • если нагрузка слишком велика, возможны пропуски ступеней
Преимущества
  • высокая точность позиционирования, без обратной связи
  • простота управления — количество импульсов определяет положение вала, а частота определяет скорость
  • возможность работы на низких скоростях (без шестерен)
  • срок службы шаговые двигатели довольно длинные, благодаря отсутствию фрикционных элементов

Резюме

В этой статье я рассмотрел не все типы шаговых двигателей.Но их так много, что я мог бы написать книгу. И я предполагаю, что вы здесь, потому что просто хотели узнать, как работают эти моторы. Поэтому я сосредоточился только на самых популярных типах, с которыми вы можете встречаться ежедневно.

Надеюсь, вы найдете эти знания полезными при выборе шагового двигателя для своего следующего проекта 🙂

Статьи по теме

Лучшие датчики качества воздуха для умного дома

По данным Всемирной организации здравоохранения, умирает даже 7 миллионов человек…

Как работает реле? — Полное иллюстрированное руководство

Реле (ЭМИ или электромагнитное реле) представляет собой электромеханический компонент…

Как запустить умный дом — часть 2

Если вы читаете это, значит, вы хотите…

Как работает шаговый двигатель? История шагового двигателя | Стрелка.com

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это тип бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC), который движется дискретными шагами в ответ на внешние управляющие сигналы, подаваемые на его обмотки статора. Хотя шаговые двигатели существуют уже давно, новые разработки все еще происходят в ответ на появляющиеся приложения, а также на отраслевые тенденции.

История шагового двигателя

Происхождение шагового двигателя можно проследить до «электромагнитного двигателя» 19 века; ключевой патент на конструкцию шаговых двигателей был выдан в 1919 году, а практическое применение появилось на военно-морских кораблях в 1920-х годах.Однако первые современные конструкции шаговых двигателей были впервые разработаны в 1950-х годах и стали популярными в течение следующего десятилетия.

Как работает шаговый двигатель?

Шаговый двигатель обычно содержит два набора обмоток статора, называемых «фазами», которые независимо управляются квадратурными сигналами. Последовательно запитывая каждую фазу, двигатель будет вращаться шаг за шагом, чтобы выровнять зубцы на роторе с катушкой статора, находящейся в данный момент под напряжением.Большинство конструкций шаговых двигателей включают магниты и зубья как на роторе, так и на статоре, с постоянными магнитами, расположенными на роторе, и электромагнитами в статоре. Скорость двигателя зависит от скорости изменения импульсов возбуждающего сигнала; направление вращения изменяется за счет изменения последовательности импульсов. Эта схема управления не требует, чтобы информация о положении передавалась обратно в контроллер, поэтому шаговые двигатели по своей сути являются устройствами с разомкнутым контуром.

Существует множество различных способов управления фазами статора, включая полные, полушаговые или микрошаговые, в зависимости от используемых методов управления.

Рис. 1. Выбор промышленных шаговых двигателей и контроллеров. (Источник: Arcus)

Преимущества и недостатки шаговых двигателей Шаговые двигатели

бывают разных размеров и стилей; Как и все двигатели, шаговые двигатели имеют преимущества и недостатки по сравнению с другими типами.

С другой стороны, шаговые двигатели дешевы, прочны, просты в сборке и обладают высокой надежностью. Их природа с разомкнутым контуром означает, что ими легко управлять и управлять ими.Шаговые двигатели также обеспечивают отличный крутящий момент на низких скоростях, до пяти раз превышающий постоянный крутящий момент щеточного двигателя того же размера или вдвое превышающий крутящий момент эквивалентного бесщеточного двигателя. Это часто устраняет необходимость в коробке передач. Наконец, шаговые двигатели более отказоустойчивы, чем серводвигатели, и не склонны к разгону, независимо от того, какой отказ внутри контроллера. Чтобы узнать больше о различиях между сервоприводом и шаговыми двигателями, щелкните здесь.

С другой стороны, у шаговых двигателей есть некоторые недостатки.Отсутствие элемента обратной связи означает, что абсолютное положение неизвестно — только относительное ступенчатое положение, поэтому каждый пропущенный шаг представляет собой возрастающую ошибку. Следовательно, двигатель должен быть сброшен в известное положение при включении питания или после сброса системы, обычно путем запуска двигателя во всем диапазоне хода до тех пор, пока не встретятся механические упоры. Кроме того, точность позиционирования зависит от точности используемых механических шестерен или ШВП. Работа с разомкнутым контуром также может привести к колебаниям с запаздыванием, которые трудно подавить, резонансным эффектам на определенных частотах ступеней и относительно длительному времени установления.

Шаговые двигатели потребляют ток независимо от условий нагрузки и поэтому склонны к перегреву; потери на скорости относительно велики и могут вызвать чрезмерный нагрев; и они часто шумят, особенно на высоких скоростях. Производительность на низкой скорости будет грубой, если не используется микрошаг, и они не оптимальны для высокоскоростных приложений, потому что они требуют последовательно более высоких напряжений, чтобы заставить ток изменяться своевременно по мере увеличения скорости.

Последние достижения в области шаговых двигателей Шаговые двигатели

были популярны с 1960-х годов, но это не означает, что технология находится в застое.За прошедшие годы произошло неуклонное улучшение многих аспектов шаговых двигателей и их систем управления, в частности, изобретение микрошаговых двигателей в 1970-х годах, за которым последовали коммерческие контроллеры десятью годами позже. Вот четыре последних тенденции в развитии шаговых двигателей.

Управление шаговым двигателем с обратной связью

Появление мощных недорогих микроконтроллеров и векторных или полевых стратегий управления привело к появлению контроллеров движения , которые могут запускать шаговые двигатели с обратной связью от энкодера, что приводит к управлению шаговыми двигателями с обратной связью, которое может исправить многие из недостатки перечисленные выше.

Посмотреть связанный продукт

Преимущества управления с обратной связью с шаговыми двигателями включают в себя значительно улучшенную плавность скорости и снижение энергопотребления по сравнению с шаговыми двигателями без обратной связи, а также гораздо более высокий крутящий момент при низкой скорости по сравнению с традиционными трехфазными бесщеточными серводвигателями. Кроме того, системы с обратной связью могут обнаруживать и исправлять ошибки положения пропущенного шага.

Шаговые двигатели с обратной связью применяются в полупроводниковом оборудовании, робототехнике, текстильных машинах, испытательных и инспекционных системах и намоточных машинах.

Применение миниатюрных шаговых двигателей

Одна тенденция, которая затрагивает практически все электронное оборудование — от разъемов до батарей и двигателей, — это неумолимый переход к более компактным и легким устройствам. Настольные машины теперь можно носить; оборудование, которое раньше требовало отдельного помещения, теперь перемещается на колесной тележке.Это, в свою очередь, приводит к тому, что компоненты становятся все меньше и меньше, и шаговые двигатели не являются исключением.

Рис. 2: Миниатюрный шаговый двигатель с линейным приводом и встроенной линзой. (Источник: Елабз)

Крошечные шаговые двигатели приводят к соответственно крошечным механическим аксессуарам. На рис. 2 показан миниатюрный узел шагового двигателя со встроенным ходовым винтом, который действует как линейный привод для перемещения линзы лазера в приводе HP DVD. Вся сборка удобно помещается на десять центов диаметром всего 17.9 мм!

Узлы сетевых шаговых двигателей

Современный автоматизированный завод использует несколько рабочих ячеек, распределенных по всему производственному цеху, которые управляются программируемыми контроллерами, которые обмениваются данными через промышленный сетевой протокол, такой как Fieldbus, Ethernet или CAN. Сеть позволяет критически важным и чувствительным ко времени данным и информации легко перемещаться между различными распределенными элементами управления, создавая очень сплоченную, но независимую рабочую ячейку системы управления.

В непрекращающемся стремлении к большей эффективности, более простому подключению, модульной масштабируемости, более простому устранению неисправностей и меньшему размеру, тенденция заключается в том, чтобы продвигать интеллект как можно дальше вниз по сигнальной цепи, что привело к разработке интегрированных решений с шаговыми двигателями. которые включают в себя шаговый двигатель, энкодер (при необходимости для работы с обратной связью) моторный привод и сетевой интерфейс в одном устройстве.

Традиционный шаговый двигатель вместе с энкодерами, драйвером и контроллером может занять 20 или более соединений проводов, что увеличивает вероятность ошибки. Новый подход дает множество преимуществ для OEM, включая более быструю установку, снижение вероятности электрических помех, меньшую занимаемую площадь, более низкую стоимость установки и более простой поиск и устранение неисправностей. Для конечного пользователя преимущества включают большую надежность, более простую замену, большее время безотказной работы и повышенную производительность.

Однако есть несколько недостатков.Первоначальная стоимость встроенного шагового двигателя выше, как и стоимость замены, поскольку необходимо заменить весь блок, даже если неисправен только один компонент. Многие производители интегрированных шаговых двигателей также немного снижают характеристики своих двигателей, чтобы уменьшить выделяемое тепло, которое является основной причиной отказа электроники. Кроме того, выбор встроенных шаговых двигателей, вероятно, будет более ограниченным, чем их разукрупненные аналоги.

Предотвращение отказа шагового двигателя

Многие шаговые двигатели работают в критически важных для безопасности приложениях, где любой отказ может привести к серьезной неисправности системы.Примеры можно найти в аэрокосмической, медицинской, транспортной, военной и ядерной областях. Существуют различные методы снижения вероятности такого отказа, в том числе концепции отказоустойчивого проектирования (система все еще может успешно работать после отказа одной из ее составных частей) и резервный дизайн, в котором каждая критическая операция выполняется на две или более дублирующих систем.

Для крупномасштабных установок возможно использование дублирующих систем, но это может оказаться невозможным во многих приложениях с ограниченным пространством.С точки зрения шагового двигателя отказоустойчивость подразумевает такие функции, как:

  • Более высокое резервирование с использованием идентичных сегментов двигателя на одном валу,
  • Гальванически развязанные фазы для предотвращения межфазного короткого замыкания,
  • Обмотки с магнитной развязкой, чтобы избежать снижения производительности в случае выхода из строя других фаз, и
  • Физически изолированные фазы для предотвращения распространения повреждения на соседние фазы и повышения теплоизоляции.

Недавним достижением в этой области является разработка миниатюрного отказоустойчивого двухфазного шагового двигателя с четырьмя независимыми друг от друга обмотками, которые по умолчанию обычно соединены. Однако в отказоустойчивой конструкции четыре обмотки электрически отделены друг от друга, что создает два двухфазных шаговых двигателя с физически и электрически изолированными фазами.

Обмотки магнитно связаны только частично; конфигурация с резервированием приводит к снижению крутящего момента примерно на 30 процентов по сравнению со стандартной конфигурацией; это можно компенсировать увеличением фазного тока.Многие миниатюрные двигатели предназначены для таких приложений, как медицинское оборудование, аэрокосмическая промышленность и фотоника.

Выбор правильного шагового двигателя

Arrow предлагает множество решений для управления шаговыми двигателями. Texas Instruments , например, имеет свой новый DRV8800 — драйвер шагового двигателя 2A с микрошаговым индексатором 1/16 и функцией AutoTune, которая автоматически настраивает шаговые двигатели для оптимального регулирования тока и компенсирует отклонения двигателя и эффекты старения.

Посмотреть связанный продукт

Microchip также имеет обширное портфолио, включая комплекты для разработки приводов шаговых двигателей, такие как dsPICDEM MCSM Development Board, предназначенная для управления как униполярными, так и биполярными шаговыми двигателями в режиме разомкнутого или замкнутого цикла. Предоставляется программное обеспечение для запуска двигателей в разомкнутом или замкнутом цикле с полным или регулируемым микрошагом, а также графический интерфейс пользователя для управления шаговыми командами, вводом параметров двигателя и режимами работы.

Посмотреть связанный продукт
DM330022
Технология микрочипов Платы и комплекты для разработки встроенных систем Вид

Основы и принцип работы шагового двигателя

Основы шагового двигателя
Что такое шаговый двигатель? Шаговый двигатель — это исполнительный механизм, преобразующий электрический импульс в угловое смещение.Обычно при получении импульсного сигнала шаговый двигатель будет вращаться на фиксированный угол (а именно «угол шага») в соответствии с направлением, установленным для шагового двигателя. Объем углового смещения можно контролировать, контролируя количество импульсов для достижения цели точного позиционирования. Между тем, скорость вращения и ускорение двигателя можно контролировать, регулируя частоту импульсов для достижения цели управления скоростью.

Принцип работы шагового двигателя
Как работает шаговый двигатель? Ротор шагового двигателя представляет собой постоянный магнит, когда ток течет через обмотку статора, обмотка статора создает векторное магнитное поле.Магнитное поле заставляет ротор вращаться на угол, так что пара магнитных полей ротора и направление магнитного поля статора согласованы. Когда векторное магнитное поле статора поворачивается на угол, ротор также вращается вместе с магнитным полем на угол. Каждый раз, когда подается электрический импульс, двигатель вращается еще на один градус. Выходное угловое смещение пропорционально количеству входных импульсов, а скорость пропорциональна частоте импульсов.Измените порядок мощности намотки, двигатель будет реверсивным. Следовательно, он может управлять вращением шагового двигателя, контролируя количество импульсов, частоту и электрическую последовательность каждой фазной обмотки двигателя.

Типы шаговых двигателей
Шаговые двигатели делятся на три типа: шаговые двигатели с постоянными магнитами (PM), шаговые двигатели с переменным сопротивлением (VR) и гибридные шаговые двигатели (HB).

    1. Шаговый двигатель с постоянными магнитами обычно двухфазный, с небольшим крутящим моментом и малым объемом; его шаговый угол обычно равен 7.5 ° или 15 °.
    2. Шаговый двигатель
    3. VR обычно трехфазный, может быть реализован высокий крутящий момент; угол шага обычно составляет 1,5, но шум и вибрация велики; Магнитная цепь ротора шагового двигателя VR изготовлена ​​из магнитомягких материалов. На роторе имеется многофазная обмотка возбуждения. Крутящий момент создается за счет изменения магнитной проводимости.
    4. Шаговый двигатель
    5. HB, показывающий сочетание преимуществ PM и VR, делится на 2-фазный, 3-фазный и 5-фазный.Угол шага для 2-фазной схемы обычно составляет 1,8 °, для 3-фазной схемы — 1,2 ° и для 5-фазной схемы — 0,72 °. В основном это широко применяется.

Выбор шагового двигателя

    1. Угол шага: необходимо выбрать угол шага двигателя в соответствии с требованиями точности нагрузки. Наименьший коэффициент разрешения нагрузки обычно преобразуется в вал двигателя, обратите внимание на угол для каждого коэффициента разрешения, а угол шага двигателя должен быть равен или меньше угла.Как правило, шаговый угол 2-фазного двигателя составляет 0,9 ° / 1,8 °, 3-фазного двигателя — 1,2 °, а 5-фазного — 0,36 ° / 0,72 °. Двухфазный шаговый двигатель ATO имеет угол шага 1,8 градуса, а трехфазный шаговый двигатель — угол шага 1,2 градуса.
    2. Статический крутящий момент: выберите статический крутящий момент в соответствии с нагрузкой двигателя, при этом нагрузку можно разделить на инерционную и фрикционную. При прямом запуске двигателя (обычно с низкой скорости на высокую) следует учитывать два вида нагрузки. При запуске двигателя с ускорением учитывайте инерционную нагрузку; когда двигатель вращается с постоянной скоростью, учитывайте только фрикционную нагрузку.Как правило, статический крутящий момент должен быть в пределах 2-3-кратной нагрузки трения.
    3. Ток: Что касается двигателей с одинаковым статическим крутящим моментом, их характеристики движения сильно различаются из-за разницы в текущих параметрах. О величине тока можно судить по диаграмме характеристики крутящего момента и частоты.

Если вы ищете шаговый двигатель Nema 17, шаговый двигатель Nema 23, шаговый двигатель Nema 34, сайт ATO.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.