Виды шаговых двигателей: Типы шаговых двигателей — обзор — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Типы шаговых двигателей — обзор

Существуют многочисленные типы систем управления движения, основанные на коллекторных двигателях постоянного тока, серводвигателях, шаговых двигателях и пр. Рассмотрим управление движением при помощи шаговых двигателей.

Теоретически, шаговый двигатель очень прост. В нем нет щеток или контактных колец. В целом — это синхронный шаговый двигатель, в котором магнитное поле статора вращаются с помощью электроники, а в роторе находятся постоянные магниты. Шаговый двигатель превращает управляющие импульсы в механическое вращение ротора. Преимущество шаговых двигателей — низкая стоимость, высокая надежность, высокий крутящий момент в области низких скоростей и простой конструкции, которая функционирует практически в любой окружающей среде.

Главные неудобства в использовании шаговых двигателей — эффект резонанса, часто проявляющийся на низких скоростях и падение крутящего момента на высоких скоростях.

Система управления, основанная на использовании шагового двигателя:

Indexer, он же контроллер — микропроцессор, генерирующий импульс «ШАГ» и «НАПРАВЛЕНИЕ», по сигналам, получаемым от пользователя. Обычно существует множество других сложных функций, возлагаемых на микропроцессор.

Driver, он же силовая часть — преобразователь сигналов контроллера в силовые управляющие импульсы, необходимые для вращения ротора. Есть много различных типов драйверов с различными величинами силы тока и формами управляющих импульсов. Не все драйверы являются подходящими, для различных двигателей.

Правильный выбор драйвера является очень важным при проектировании системы управления.

купить шаговый двигатель

купить блок управления шаговым двигателем

Существуют три типа шаговых двигателей:

с переменным магнитным сопротивлением
с постоянными магнитами
гибридные

В двигателях с переменным магнитным сопротивлением не используются постоянные магниты.

Как следствие, у двигателя отсутствует так называемый «detent torque» — стопорный момент. Этот тип конструкции не обеспечивает высокого крутящего момента.

У двигателей с постоянными магнитами величина шага редко бывает менее 7,5°, что связано с конструктивными особенностями его ротора.

Главным достоинством двигателей с постоянными магнитами является их низкая цена, а недостатком — низкие скорости вращения.

В гибридных двигателях многополюсный статор и ротор с постоянными магнитами позволяют, получить значительный крутящий момент (до 300 кгс*см) и малую величину шага (1,8° и менее).

Стопорный момент гибридных шаговых двигателей обычно составляет 10% от величины статического синхронизирующего момента.

По способу питания шаговые двигатели можно разделить на униполярные и биполярные.

Приведенные на рисунке схемы можно использовать как биполярные, так и как униполярные. В случае если отводы от средних точек обмоток соединены между собой внутри двигателя и пользователю доступны только пять выводов, что бывает очень редко, двигатель можно использовать только как униполярный.

Дополнительные рекомендации по выбору шагового двигателя здесь.

принцип действия, виды, режимы работы

Содержание

1 Принцип действия шаговых двигателей, разновидности
2 Режимы работы шаговых двигателей
3 Шаговые двигатели на постоянном магните
4 Гибридные синхронные двигатели
5 Вентильные шаговые двигатели
6 Шаговые двигатели Лавета
7 Параметры шаговых двигателей
8 Разновидности драйверов шаговых двигателей

Шаговый двигатель – электрический синхронный мотор, совершающий оборот некоторым количеством равноценных эквивалентных перемещений. От длины элементарного сегмента зависит точность, с которой ротор позиционируется нужным образом. В отдельности минимальное перемещение называется шагом.

Принцип действия шаговых двигателей, разновидности

Шаговый двигатель в комплекте с драйвером выполняет преобразование числа входящих импульсов в заданное угловое перемещение вала. Устройство сопрягается с цифровой техникой, управляющий сигнал часто аналоговый. Входы обмоток посещает синусоида нужной фазы. Драйвер, получающий на контакты цифровой сигнал, декодирует волну, формирует нужные сигналы управления двигателем. Одна, две, три, четыре фазы. Определяется конструкцией, нуждами техники.

Конструкция шагового двигателя

Особенностью шагового двигателя назовем форму стального ротора. Снабжен полюсами, подчеркнутыми путем вынесения на кончик острого либо тупого зубца. Мертвый металл, притягиваемый катушками статора. Характеризуется некоторой намагниченностью остаточного рода, вызванной действием поля. Точное позиционирование полюсов статора обеспечивает шаговому двигателю уникальное свойство: точное позиционирование по углу поворота вала. Из правила встречаются исключения, рассмотренные ниже по тексту.

Шаговые двигатели используются промышленностью, цифровой техникой – где требуется обеспечить точное позиционирование вала. Некоторые источники датируют изобретение серединой XIX века, первые сведения просочились в специализированные журналы в 20-х годах XX века. Речь о трехфазном реактивном шаговом двигателе. Исходное применение традиционно стало военным: на кораблях королевского флота Великобритании узлы направляли в нужную сторону торпеды. Позже технология перекочевала, посетив армию США.

Первый открытый патент получен на прибор с ротором, статором на 32 зуба шотландским инженером Уолкером в 1919 году. Прибор рассчитан работать с трехфазным напряжением. Сегодня шаговые двигатели встречаются в жестких дисках персональных компьютеров, автоматизированных линиях сборки. Ключевыми достоинствами считают низкую стоимость, простоту позиционирования. Альтернатив не придумано. Устройства применяются приблизительно с 70-х годов XX века, формируют четыре основные группы:

Шаговые двигатели на постоянных магнитах.
Гибридные синхронные двигатели.
Вентильные реактивные двигатели.
Шаговые двигатели Лавета.

Полюсы различной намотки, к примеру, унифилярной, бифилярной (см. Катушка индуктивности). В первом случае ротор совершает обороты однонаправленно, если не предусмотреть дополнительную коммутацию фаз. Бифилярный двигатель отрабатывает реверс простой подачей напряжения на другие пары контактов. На каждом полюсе нить проволоки намотана, образуя две катушки. Конструкция такова, что знаки полей противоположные. Обеспечивает простую организацию реверса. Схожие схемы видим на примере двигателя привода барабана стиральной машины.

Мировой практикой принята стандартизированная маркировка указанных разновидностей устройств:

Унифилярные:

Красный, желтый – первая обмотка.
Черный, оранжевый – вторая обмотка.

Бифилярные:

Обмотка с центральным общим выводом. Красный, черный, красный с белым – первая обмотка. Зеленый, белый, зеленый с белым – вторая обмотка.
Двойная обмотка полюса. Красный, красный с белым – первая пара первой обмотки. Желтый, желтый с белым – вторая пара первой обмотки. Черный, черный с белым —первая пара второй обмотки. Оранжевый, оранжевый с белым – вторая пара второй обмотки.

Каждая обмотка способна образовывать несколько полюсов. Для включения реверса бифилярных шаговых двигателей коммутируется другая пара контактов. И если для формирования обратного вращения унифилярных разновидностей нужен формирующий контроллер, здесь допустимо использовать рядовой контактор.

Режимы работы шаговых двигателей

Изделия функционируют в нескольких режимах:

Полный шаг реализуется поочередной подачей управляющих напряжений по фазам. Стандартное число – 200 перемещений на 1 оборот.
В режиме половинного шага после активации одной фазы, остается состояние неизменным часть времени включения следующей. Получается, на зуб действуют одновременно два полюса. Вал замирает, фиксируя промежуточное положение. Потом первая фаза пропадает, ротор делает полшага вперед. Несмотря на меньший развиваемый крутящий момент, режим находит большее применение промышленностью, благодаря сокращению уровня вибраций.
Электрический синхронный мотор
Микрошаговые режимы считаются искусными ноу-хау наработками конкретных производителей. Режимом заправляет специальный чип, генерирующий управляющие напряжения, чтобы точность позиционирования вала находилась в районе сотой шага (20000 перемещений на 1 оборот). Подобные изыски нужны микроэлектронике, не исключено возникновение потребности тонких технических решениях среди промышленных конвейеров. Драйвер генерирует 50 с лишним тысяч циклов управляющих напряжений на оборот.

Шаговые двигатели на постоянном магните

Род двигателей возможно встретить в помпе стиральной машины. К примеру, блок, удаляющий воду бака после стирки, между отдельными этапами цикла. Скорость вращения вала невелика, ротор в составе содержит постоянный магнит, шаг большой. Допустим, 45 градусов. На обмотки статора поочередно подается напряжение, создавая вращающееся магнитное поле. Постоянный магнит вала следует изменениям вектора напряженности.

Достоинствами шаговых двигателей назовем простоту, низкую стоимость. Постоянные магниты часто применяются принтерами. Отличие от других шаговых двигателей: ротор лишен зубцов, полюсов мало. Бывает два, катушек статора – 4, каждым перемещением вал совершает поворот 90 градусов. Требуется 4 фазы, сдвинутые друг относительно друга на 90 градусов. Драйвер просто реализовать при помощи конденсаторов.

Благодаря низкой скорости оборотов двигатель развивает высокий крутящий момент (загружая бумагу из лотка принтера).

Двигатель с постоянным магнитом

Гибридные синхронные двигатели

Гибридные синхронные двигатели используются промышленностью по причине развития высокого крутящего момента, хорошо держат статическую нагрузку. Вал по-прежнему представлен постоянным магнитом, снабжается зубцами, на статоре множество полюсов. Тип двигателей обеспечивает высокие скорости вращения. Каждый шаг в стандартном исполнении равен 1,8 угловых градусов (200 шагов/оборот). Выпускают специализированные исполнения:

0,9 градуса (400 шагов/оборот).
3,6 градуса (100 шагов/оборот).

Вентильные шаговые двигатели

Главным отличием вентильных двигателей считают отсутствие тяжелых постоянных магнитов. Благодаря чему жесткой фиксации положения не происходит при наличии высокой точности. Двигатели идеальны для просмотра слайдов кинопленки. Относительно плавное, точное движение идеально подходит случаю.

Ротор облегченный, стальной, имеет ярко выраженные, сравнительно немногочисленные зубцы. Шаг средний, например, для трех фаз, 12 полюсов выйдет 15 градусов. Расстояние меж полюсами составляет 30 градусов. Промежуточные положения вал занимает в случаях, когда активируются одновременно две соседние фазы. Чередование соответствует обычной промышленной сети (к примеру, 400 вольт).

Главной особенностью вентильных двигателей является сравнительно малое количество тупых зубцов. Высокой точности позиционирования ожидать не приходится. Для реализации продвинутых алгоритмов применяются сложные драйверы.

Шаговые двигатели Лавета

Шаговые двигатели Лавета временами применяются электрическими часами. Сконструированы работать с сигналом одной фазы. Благодаря возможности миниатюризации двигатели Лавета послужат исполнительной частью наручных часов. Название устройства получили именем изобретателя – инженера Мариуса Лавета.

Инженер Мариус Лавет позавидует

В 1936 году выпускник Высшей школы электрики сконструировал двигатель, принесший всемирную известность. Статор выглядит, как у электрического мотора с расщепленными полюсами. Одна катушка. Полюсы образованы единичными витками сравнительно толстой медной проволоки, расположенными на магнитопроводе, создавая нужную фазу ЭДС. Индуцированные токи обеспечивают нужный крутящий момент. Задержка распространения магнитного поля по сердечнику используется сдвигать фазу на 90 градусов, имитируя двухфазное напряжение. Ротор представлен постоянным магнитом.

Конструкции охотно используются бытовой техникой (блендерами, миксерами). Отличие двигателей Лавета в том, что благодаря зубцам вал фиксируется с некоторым шагом. Становится возможным характерное движение секундной стрелки. Как большинство шаговых двигателей, разновидность не предназначена работать на реверс.

Параметры шаговых двигателей

Отдельные параметры шаговых двигателей критичны при выборе соответствующего контроллера, формирующего управляющие напряжения:

Индуктивность. Высокое значение параметра обычно у низкоскоростных двигателей с явным крутящим моментом. При повышении количества оборотов вала параметры оборудования непременно ухудшатся. При низкой индуктивности ток вызывает быстрый отклик, требуется в приводах для чтения оптических дисков.
Потребляемый ток влияет на жесткость переключения меж соседними шагами. Более плавный режим требует снижения параметра. Большой потребляемый ток повышает крутящий момент. Таким образом, правильный выбор параметров загружает плечи проектировщика.
Предельный уровень рабочих температур шаговых двигатель невелик. Верхняя граница находится в области 90 градусов Цельсия. Перегрев возможен на высоких крутящих моментах при значительном потреблении тока. Для разгрузки иногда применяется режим удержания, когда вал стопорится некоторое время.

Разновидности драйверов шаговых двигателей

В глобальном смысле выделяют три группы драйверов управления шаговыми двигателями:

Униполярные формируют импульсы тока одного направления. Простой, неприхотливый метод, использование снижает крутящий момент на 40%. Специалисты объясняют феномен невозможностью одновременного питания всех обмоток, способных участвовать в движении. Методика подходит низким рабочим скоростям.
Драйверы с гасящими резисторами сегодня считаются устаревшими. Позволяют выжать из двигателя максимум скорости. Большое количество энергии выделяется теплом на гасящих резисторах.
Биполярные драйверы популярны сегодня. Игнорируя сложность конструкции, достигается высокая эффективность. Каждый драйвер содержит формирующий блок, составленный четырьмя транзисторами. Питание подается, минуя диоды, с резистора снимается сигнал обратной связи. Напряжение достигает определенного уровня, открываются нужные ключи для снижения. Форма сигнала принимает пилообразную форму, двигатель с высоким постоянством поддерживает заданную мощность.

RS Компоненты | Промышленные, электронные продукты и решения

Компоненты РС | Промышленные, электронные продукты и решения

Поддержка
Откройте для себя
для вдохновения
Найдите местное отделение

Разделы нашей продукции:

Аккумуляторы и зарядные устройства
Соединители
Дисплеи и оптоэлектроника
Контроль электростатического разряда, чистые помещения и прототипирование печатных плат
Пассивные компоненты
Блоки питания и трансформаторы
Raspberry Pi, Arduino и средства разработки

Полупроводники

Механизм автоматизации и управления
Кабели и провода
Корпуса и серверные стойки
Предохранители и автоматические выключатели
HVAC, вентиляторы и управление температурным режимом
Освещение
Реле и формирование сигналов
Переключатели

Доступ, хранение и обработка материалов
Клеи, герметики и ленты
Подшипники и уплотнения
Инженерные материалы и промышленное оборудование
Застежки и крепления
Ручной инструмент
Механическая передача энергии
Сантехника и трубопровод

Пневматика и гидравлика
Электроинструменты, Пайка и сварка

Компьютеры и периферия
Уборка и техническое обслуживание помещений
Офисные принадлежности
Средства индивидуальной защиты и рабочая одежда
Безопасность и скобяные изделия
Безопасность сайта
Испытания и измерения

Шаговые двигатели | Типы, свойства, управление

ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Шаговый двигатель (или шаговый двигатель) — это бесщеточный электродвигатель постоянного тока, который может разделить полный оборот на большое количество шагов.

Вал или шпиндель шагового двигателя вращается с дискретным приращением шага, когда на него подаются электрические импульсы управления в правильной последовательности, и положением двигателя можно точно управлять без какого-либо механизма обратной связи (контроллера с разомкнутым контуром), пока двигатель тщательно рассчитан на применение.

Шаговые двигатели могут использоваться для передвижения, перемещения, позиционирования и многих других функций, где требуется точное управление положением вала, рычага или другой движущейся части мехатронного устройства.

Шаговые двигатели состоят из катушек и магнитов и имеют вал, который движется при подаче питания. Разница между шаговым двигателем и двигателем постоянного тока заключается в том, как движется вал. Ротор движется, подавая мощность на различные катушки в заданной последовательности. Шаговый двигатель также может удерживать свое положение и сопротивляться вращению.

Как работают шаговые двигатели?

Шаговые двигатели преобразуют цифровую информацию в пропорциональное механическое движение. Они цифровые и отличаются от двигателей постоянного тока, которые управляются изменением тока через них. Электромагниты шагового двигателя запитываются от внешней схемы управления, например микроконтроллера. Чтобы заставить вал двигателя вращаться, сначала на один электромагнит подается мощность, которая заставляет зубья шестерни магнитно притягиваться к зубьям электромагнита. Когда зубья шестерни совмещены с первым электромагнитом, они немного смещены относительно следующего электромагнита. Таким образом, при включении следующего электромагнита и выключении первого шестерня немного поворачивается, чтобы совпасть со следующим, и оттуда процесс повторяется. Каждое из этих небольших вращений называется «шагом», при этом целое число шагов составляет полный оборот. Таким образом, двигатель можно повернуть на точный угол.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Типы шаговых двигателей

Доступны три основных типа шаговых двигателей; которые представляют собой постоянный магнит, переменное сопротивление и гибрид.

С переменным сопротивлением :

Шаговые двигатели с переменным сопротивлением, которые являются простейшим типом шаговых двигателей, состоят из многозубчатого ротора из мягкого железа и обмотки статора. Когда на обмотки статора подается постоянный ток, полюса намагничиваются. Вращение происходит, когда зубья ротора притягиваются к полюсам статора, находящимся под напряжением. Поскольку магниты шаговых двигателей с переменным магнитным сопротивлением меньше и легче, чем у шаговых двигателей с постоянными магнитами, они быстрее. Чем меньше площадь между шестернями ротора и статора шаговых двигателей типа ВР, тем меньше потери магнитной силы.

Постоянный магнит

Как следует из названия, шаговые двигатели с постоянными магнитами имеют постоянные магниты, добавленные к конструкции двигателя. Ротор больше не имеет зубьев, как у двигателя VR. Вместо этого ротор намагничен чередующимися северным и южным полюсами, расположенными на прямой линии, параллельной валу ротора. Эти намагниченные полюса ротора обеспечивают повышенную интенсивность магнитного потока, и благодаря этому двигатель с постоянными магнитами демонстрирует улучшенные характеристики крутящего момента, чем шаговые двигатели с переменным сопротивлением.

Гибридный

Гибридные шаговые двигатели сочетают в себе лучшие свойства шаговых двигателей с переменным магнитным сопротивлением и с постоянными магнитами, поэтому они дороже, чем шаговые двигатели с постоянными магнитами. Шаговые двигатели гибридного типа обеспечивают лучшую производительность в отношении шагового разрешения, крутящего момента и скорости. Ротор гибридного шагового двигателя многозубчатый, как и шаговые двигатели с переменным сопротивлением, и содержит аксиально намагниченный концентрический магнит вокруг своего вала. Зубья на роторе обеспечивают еще лучший путь, который помогает направлять магнитный поток в предпочтительные места в воздушном зазоре.

Наиболее распространенными типами шаговых двигателей являются гибридные двигатели и двигатели с постоянными магнитами. Конструкторы отдают предпочтение постоянным магнитам, если их проект не требует гибридных шаговых двигателей, поскольку стоимость постоянных магнитов меньше, чем у гибридов.

Биполярные и униполярные шаговые двигатели

Шаговые двигатели можно разделить на два класса по типу обмотки: биполярные и униполярные шаговые двигатели.

Униполярные шаговые двигатели имеют по одной обмотке с центральным отводом на фазу. Каждая секция обмоток включается для каждого направления магнитного поля. Поскольку в этом устройстве магнитный полюс можно поменять местами без переключения направления тока, схема коммутации может быть сделана очень простой для каждой обмотки. Как правило, при наличии фазы центральный отвод каждой обмотки делается общим: дает три вывода на фазу и шесть выводов для типичного двухфазного двигателя. Часто эти две общие фазы соединены внутри, поэтому двигатель имеет только пять выводов.

Биполярные шаговые двигатели имеют одну обмотку на фазу. Чтобы изменить магнитный полюс, необходимо изменить направление тока в обмотке. Поэтому схема управления должна быть более сложной. На каждую фазу приходится два вывода, и ни один из них не является общим.

Преимущества и недостатки шаговых двигателей

Преимущества:

Угол поворота двигателя пропорционален входному импульсу.

Если обмотки находятся под напряжением, двигатель имеет полный крутящий момент в состоянии покоя.

Они обеспечивают точное позиционирование и повторяемость движения, потому что хорошие шаговые двигатели имеют точность 3 5% шага, и эта ошибка не накапливается от одного шага к другому.

Отлично реагируют на пуск, остановку и реверс.

Поскольку в двигателе нет контактных щеток, шаговые двигатели очень надежны. Срок службы двигателя напрямую зависит от срока службы подшипника.

Реакция двигателей на цифровые входные импульсы обеспечивает управление без обратной связи, что делает управление двигателем более простым и менее затратным.

Можно добиться синхронного вращения на очень низкой скорости с нагрузкой, которая непосредственно связана с валом.

Может быть реализован широкий диапазон скоростей вращения, поскольку скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Недостатки :

При неправильном контроле могут возникнуть резонансы.

Нелегко работать на экстремально высоких скоростях.

Как использовать шаговые двигатели?

Поскольку обмотки шагового двигателя должны быть правильно запитаны для обеспечения правильной работы, нам необходимо знать не только электрические характеристики, но и механические характеристики при использовании шагового двигателя. Ниже поясняются некоторые важные характеристики.

Напряжение и ток:

В основном шаговые двигатели имеют номинальное напряжение 5,6 или 12 В. Не рекомендуется перегружать обмотки шагового двигателя. Поскольку, в отличие от обычных двигателей постоянного тока, вы можете сжечь обмотки, если будете применять перенапряжения более 30% от номинального. Номинальный ток зависит от приложения. Обычные типы могут потреблять токи в диапазоне от 50 мА до 1 А. Чем выше ток и напряжение, тем выше крутящий момент.

Важно учитывать, что номинальные токи даны для каждой обмотки. Таким образом, при разработке источника питания для использования шагового двигателя источник питания должен быть в состоянии подавать как минимум вдвое больший ток на обмотку или в восемь раз больший ток на обмотку в четырехфазном типе.

Последовательность:

При использовании шаговых двигателей необходимо определить последовательность импульсов, обеспечивающую правильную работу.

Угол шага:

Когда импульс в последовательности применяется к двигателю, он продвигается на один шаг, поэтому вал перемещается на заданное число градусов. Этот угол шага может варьироваться в зависимости от типа шагового двигателя.

Частота импульсов:

Частота импульсов определяет скорость двигателя. Чтобы определить скорость вращения шагового двигателя в минуту (об/мин), необходимо знать угол шага и количество импульсов в секунду.