Принцип работы и управления униполярного шагового двигателя

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.

Применяются в станках с ЧПУ, робототехнике, где требуется дискретные движения, фиксация положения и небольшая скорость.

Отличие и разновидности шаговых двигателей

По принципу работы они ближе к двигателям постоянного тока. Конструкция электродвигателей постоянно совершенствуется для уменьшения трудозатрат при изготовлении, повышения КПД и увеличения количество оборотов. У них по сравнению с двигателем постоянного тока нет щёток, коллектора, а обмотки с меньшим количеством витков.

Среди первых двигателей был создан миниатюрный двигатель для ручных часов и назван в честь французского инженера Мариус Лавета. Статор расцеплен на краях или в районе ротора имеет небольшие сужения. Ротор диаметром 1.5 мм, магнитный на основе кобальта. Одна обмотка в один ряд питание 1.5 вольта. Угол поворота 90 градусов.

Моторчик лавета применяется также и в медицине для перекачки различной жидкости, а также часто используется в миксерах и блендерах.

В последнее время ведутся разработки пьезоэлектрических двигателей с использованием пьезомагнитного эффекта и применяя в конструкции ферромагнитные материалы. Совершенствуются линейные электродвигатели, у которых вал не вращается, а совершает линейные движения. Для оборудования точной механики российские производители выпускают двигатели с маркировкой серии:

  1. ДШ.
  2. ДШР.
  3. ДШГ.
  4. ДШЛ.
  5. ШД.
  6. ДШЭ

В производстве их участвуют такие предприятия, как НПО «АТОМ», ZETEK, компания Электропривод, Stepmotor, Вексон, НПО РИФ, Саратовский эл. механический, корпорация ВНИИЭМ, ЗАО Уралэлектромаш, АРК «Энергосервис». Производством ШД FL 203, FL 28, FL 57, 35 HS, 57 HS, 17 HD занимаются зарубежные фирмы: Fulling motor, Autonics, Motionking YUHA motor, Jlangsu, Phytron и другие. Ассортимент выпускаемых ШД разнообразный: по типоразмерам, мощности, со встроенным редуктором и платой управления.

Конструкция и принцип работы

Шаговый двигатель состоит из статора и вращающегося ротора. Сердечник статора выполнен в виде набора листов электротехнической стали (штампованных). Это уменьшает вихревые токи и соответственно нагрев. Статор по окружности разбит на 4.6.8 продольных пазов. Применяется и больше. На выступах между пазами располагаются обмотки в виде катушек. Количество пазов соответствует количеству полюсов двигателя. Чем больше полюсов, тем меньше угол поворота ротора, то есть шаг.

Ротор состоит из одного или двух постоянных магнитов, с торцов, металлические пластины которого закреплены с зубьями. При этом плюса S и N постоянного магнита разбиваются на n полюсов, что соответствует количеству зубьев. Это также влияет на величину шага вращения. По конструкции ШД выпускаются трёх типов в зависимости от конструкции ротора:

  • реактивный;
  • ротор из постоянного магнита;
  • гибридный.

Реактивный — ротор выполнен из ферромагнитного материала с продольными пазами, полюсами. Он используется редко, только для выполнения простых задач. В основном из-за того, что у него нет стопорящего момента. Гибридный — ротор изготовлен из двух половинок ферромагнитного материала, с продольными пазами и между ними расположен постоянный магнит. Пазы половинок относительно друг друга, сдвинуты на небольшой угол, для понижения шага. Они чаще всего применяются.

При подаче импульсного напряжения на обмотку статора образуется электромагнитное поле. Взаимодействуя, с ближайшим полюсом постоянного магнита создаётся крутящий момент. Вал двигателя поворачивается на определённый угол. Угол поворота в основном зависит от количества полюсов ротора.

Такой двигатель и будет называться шаговым. Благодаря небольшим размерам ШД серии Em 422 применяется в матричных принтерах.

Методы управления фазами

Управление в основном зависит от количества полюсов и конфигурации обмоток статора. ШД выпускаются в основном со следующими обмотками:

  1. Две обмотки с 4 выводами.
  2. Две обмотки с 6 проводами со средним выводом.
  3. Четыре обмотки — 8 выводов.

Управлять можно двумя методами, использовать однополярное напряжение — униполярное или двухполярное — биполярное. Униполярный шаговый двигатель имеет 4 полюса и 2 обмотки. У четырехфазного каждая обмотка разделена пополам и располагается на противоположных полюсах. Вращение осуществляется поочерёдной подачей напряжения на обмотки. При 6 выводах или 5 тоже 2 обмотки, но с отводом от середины. Обычно средние выводы катушки соединяются вместе на минусовой провод, а плюсовой через управляемые ключи подаётся на обмотки.

Двигатели с биполярным управлением имеют 4 обмотки, по 2 на каждую фазу. Управление происходит при смене полярности обмотки. При таком управлении усложняется схема подключения шагового двигателя, но крутящий момент при этом получается больше. Основные характеристики — напряжение питания, потребляемый ток фазы, шаг, мощность и размер фланца. Посадочные места стандартизированы и указываются как, например, Nema 23. Это соответствует расстоянию между отверстиями под крепление 57 мм.

Способы управления шаговым двигателем

Применение ШД в станках с ЧПУ конкурирует только с сервоприводами, например, в эрозионных станках или принтерах, они даже превосходят их по своим техническим возможностям, себестоимости и простым схемам управления. Управление можно осуществлять на цифровых микросхемах, специализированных — А3977, на программированной PIC16, через ключи или драйверы SMSD 1.5.

Большинство драйверов управляются компьютером через порты RS-232, USB и LPT. Они вырабатывают сигналы управления: шаг, направление, разрешение и обеспечивают дробление шага на ½ до 1/32 и работают с программами: MACH3, KCam, DeskCNC, Turbocnc и другими. Кабелем подключить двигатель к драйверу согласно описанию. Изучив работу программы, запустить в работу несложно. Для включения используется напряжение от 5 вольт до 48 вольт. Исключения составляют двигатели на 220/110 вольт.

Микрошаговый режим привода

Основное время работы ШД происходит в пошаговом или полушаговом режиме, а при пуске и остановке желательно использовать микрошаговый режим для точной фиксации. Пошаговый режим определён конструкцией и импульсным управлением. При микрошаговой работе на обмотки подаются синусоидальные напряжения с нужным сдвигом фаз.

Ротор фиксируется при определённом соотношении фаз токов в обмотках. Расчёт точки равновесия произвести по формуле x = S *pi/2*arctg a/b где:

  • a — момент, создаваемый первой фазой и b — второй фазой;
  • x — точка равновесия ротора или микрошаг в радианах;
  • S — угол шага.

А также надо учитывать максимальную частоту управляющего сигнала, при которой нет потери или добавления лишнего шага в процессе работы. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя и обозначается в характеристиках, как частота приёмистости двигателя.

В процессе эксплуатации необходимо следить за чистотой вокруг привода и не допускать попадания металлической стружки, возможен выход из строя ШД. Найти способ защитить привод. Ремонт аналогичен ремонту коллекторного двигателя, требует аккуратности.

После разборки взять и продуть сжатым воздухом статор и ветошью протереть ротор. Проверить отсутствие биения подшипников.

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

ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ: ПРИНЦИП РАБОТЫ
И ОТЛИЧИЯ ОТ ДВИГАТЕЛЕЙ
ПОСТОЯННОГО ТОКА

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

Шаговый двигатель (ШД) может быть рассмотрен как ДПТ без коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система «мотор — контроллер» разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.

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

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

Схема униполярных шаговых двигателей (рис. 1)

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

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

Схема биполярных шаговых двигателей (рис. 2)

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

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

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

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

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

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

Последовательность управления для режима с единичным шагом. (рис. 3)

На рисунке 4 показана последовательность для режима с половинным шагом.

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

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

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

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

Последовательность управления для полушагового управления.

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

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

Система отработки угла выходного вала двигателя с использованием датчика обратной связи.

ШАГОВЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ АКТИВНОГО ТИПА

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

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

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

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

Принципиальная схема управления шаговым двигателем

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

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

Симметричная схема коммутации

Несимметричная схема коммутации

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

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

Kt = mу * n1 * n2,

где: n1 = 1 — при симметричной системе коммутации;

n1 = 2 — при несимметричной системе коммутации;

n2 = 1 — при однополярной коммутации;

n2 = 2 — при двуполярной коммутации.

Схемы, иллюстрирующие положения ротора шагового двигателя с постоянными магнитами при подключении к источнику питания одной (а) и двух (б) обмоток

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

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

αш = 360 / Kt * р

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

РЕАКТИВНЫЕ ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

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

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

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

Принцип действия реактивного редукторного шагового двигателя: (а) — исходное положение устойчивого равновесия; (б) — положение устойчивого равновесия, сдвинутое на один шаг

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

Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определяется выражением:

αш = 360 / Kt * Zр

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

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

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

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

Индукторные (гибридные шаговые двигатели

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

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

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

ЛИНЕЙНЫЕ ШАГОВЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

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

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

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

Схема, иллюстрирующая работу линейного шагового двигателя

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

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

ΔXш = tz / Кt

где Kt — число тактов схемы управления.

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

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

РЕЖИМЫ РАБОТЫ
СИНХРОННОГО ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

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

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

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

Процесс отработки шагов шаговым двигателем

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

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

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

Предельная механическая характеристика шагового двигателя

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

Предельная динамическая характеристика шагового двигателя

Приемистость падает с увеличением нагрузки.

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 2019 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.

Во многих своих разработках я применяю шаговые двигатели. Есть области точной механики в которых они просто незаменимы. Я постараюсь как можно проще объяснить, как работает шаговый двигатель, что он из себя представляет.

  • Принцип действия шаговых двигателей.
  • Биполярные и униполярные шаговые двигатели.
  • Виды шаговых двигателей.
  • Управление шаговыми двигателями
  • Недостатки и достоинства шаговых двигателей.
  • Характеристики шаговых двигателей.

Шаговый двигатель это бесколлекторный  синхронный двигатель, ротор которого совершает дискретные перемещения (шаги) определенной величины с фиксацией положения ротора в конце каждого шага.

Т.е. перемещение ротора происходит шагами известной величины. Подсчитав шаги можно определить, на сколько изменилось положение ротора, вычислить его абсолютную позицию.

Объединяя в себе двигатель и позиционирующее устройство без обратной связи, шаговый двигатель является идеальным приводом  в промышленном оборудовании, станках с ЧПУ, робототехнике…

Принцип действия шаговых двигателей

Представьте себе двухполюсный постоянный магнит на валу двигателя – это ротор, окруженный замкнутым магнитопроводом с четырьмя обмотками — статор. Вернее это две обмотки AB и CD с половинками, расположенными на противоположных полюсах статора.

Подключили к источнику напряжения  обмотку AB (полярность + -) как показано на рисунке. Ток в этой обмотке вызовет появление магнитного поля статора с полюсами сверху N, снизу S.

Как известно разноименные полюса магнитов притягиваются.

В результате ротор (постоянный магнит) займет положение, в котором оси магнитных полей ротора и работающих полюсов статора совпадают.  Механическое положение будет устойчивым. При попытке сдвинуть ротор, возникнет сила, возвращающая его назад.

Теперь снимем напряжение с обмотки AB и подадим на обмотку CD (полярностью + -). Ток в обмотке CD вызовет магнитное поле с горизонтальными полюсами, слева S, справа N.

Магнитное поле делает все, чтобы магнитный поток замкнулся по минимальному пути. Ротор повернется в положение указанное на рисунке. Механическое положение ротора опять устойчивое.  Это был первый шаг двигателя. В нашем случае он  равен одной четвертой оборота.

Отключаем обмотку CD и подаем напряжение опять на обмотку AB, но уже в другой полярности (- +). Опять магнитное поле статора повернется на 90°, а за ним и ротор.

Еще одна коммутация AB — отключаем, CD — подключаем (полярность  — +) и ротор совершает еще один шаг на одну четвертую окружности.

Следующая коммутация (с которой мы начали) вернет ротор в исходное положение. Мы сделали полный поворот за 4 шага.

Если продолжить переключение фаз, ротор будет вращаться с частотой, пропорциональной частоте переключения фазных обмоток.

Если коммутировать фазы в противоположной последовательности – крутиться в обратном направлении, прекратить коммутацию — остановится.

Биполярные и униполярные шаговые двигатели

Это был  биполярный шаговый  двигатель.

Биполярный двигатель имеет по одной обмотке для каждой фазы. На предыдущих рисунках это обмотки AB и CD. Для изменения магнитного поля должна обеспечиваться сложная коммутация обмоток. Каждая обмотка:

  • отключается от источника напряжения,
  • подключается в прямой полярности
  • подключается с противоположной полярностью.

Для такой коммутации требуется сложный мостовой драйвер. Примером такого устройства является микросхема L298N. Микросхема обеспечивает ток коммутации до 2 А. Если нужны большие токи, то задача управления биполярным двигателем еще усложняется.

Существует другой способ изменения магнитного поля в статоре с гораздо более простой схемой коммутации. Это применение двигателя с униполярными обмотками.

Схема двух фазного шагового двигателя с униполярными  обмотками и последовательность коммутаций обмоток выглядит так.

У всех четырех обмоток один вывод подключен к плюсовому выводу источника питания. А другие выводы A,B,C,D последовательно коммутируются к минусовому сигналу. Соответствующие обмотки создают магнитное поле, и ротор поворачивается вслед за ним.

Для коммутации обмоток таким способом достаточно четырех ключей, замыкающих обмотки на землю. Ключи часто управляются непосредственно с выводов микроконтроллеров.

Иногда средние выводы обмоток конструктивно объединены внутри двигателя, иногда выводятся все выводы отдельно. Кстати, это не повод называть двигатель четырехфазным. Все равно он будет двухфазным.

Биполярный двигатель обеспечивает, при тех же размерах, больший крутящий момент, по сравнению с униполярным. Оно и понятно. Одновременно  в униполярном двигателе работает только одна обмотка, вместо двух. Выигрыш в моменте у биполярного составляет около 40%.

Зато, если нет необходимости использовать двигатель на полную мощность, униполярным двигателем гораздо проще управлять.

Разновидности  шаговых двигателей

Основные виды шаговых двигателей:

  • с переменным магнитным сопротивлением
  • с  постоянными магнитами
  • гибридные.

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением

У двигателей с переменным магнитным сопротивлением в роторе нет постоянных магнитов. Их ротор выполнен из магнитомягкого материала и имеет зубчатую форму. Магнитный поток замыкается через ближайшие к полюсам статора зубцы. Зубцы притягиваются к полюсам. Этим и обеспечивается вращение.

При тех же размерах, двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют меньший крутящий  момент, чем другие типы шаговых двигателей.

Применяются они довольно редко. Я знаю только одну фирму, которая использовала такие двигатели. Я разрабатывал управление для них. Выбор двигателей именно с переменным магнитным сопротивлением был обусловлен тем, что фирма сама изготавливала все детали двигателя. А сделать ротор  для привода такого вида  намного проще, потому что в нем не используются  постоянные магниты.

Двигатели с  постоянными магнитами

У шаговых двигателей этого вида ротор содержит постоянные магниты. Общий принцип действия шагового двигателя я объяснял на двигателе с постоянным магнитом. Только в реальных двигателях магнитов больше.  Вот пример двигателя с тремя парами полюсов ротора.

У реальных двигателей с постоянными магнитами число шагов на оборот доходит до 48, что соответствует углу шага 7,5 °.

Гибридные двигатели

Гибридные двигатели обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и скорость. Число шагов на оборот для такого типа двигателей доходит до 400 (угол шага 0,9°).

При этом они более сложные в изготовлении и более дорогие. Я не хочу забивать читателю голову конструкцией этих двигателей. У них есть и зубчатый ротор, и постоянные магниты. По принципу действия гибридные двигатели эквивалентны двигателям с постоянными магнитами, но с гораздо большим числом полюсов.

Это самый распространенный тип шаговых двигателей.

Управление шаговым двигателем

Существуют три режима  управления шаговым двигателем:

  • полношаговый
  • полушаговый
  • микрошаговый.

Первый способ был описан в примерах выше. Это попеременная коммутация фаз, фазы не перекрываются, в каждый момент времени к источнику напряжения подключена только одна фаза.

Способ называется на английском one phase on full step – одна фаза на полный шаг. Точки равновесия ротора совпадают с полюсами статора.

Недостатком этого режима является то, что в один и тот же момент используется половина обмоток для биполярного двигателя, и только четверть для униполярного.

Есть вариант полношагового режима управления при котором в одно и то же время включены две фазы. Называется two-phase-on full step – две фазы на полный шаг. При таком способе ротор фиксируется между полюсами статора за счет подачи питания на все обмотки..

Это позволяет увеличить крутящий момент двигателя на 40%. Угол шага не меняется, просто ротор в состоянии равновесия смещен на пол шага.

Полушаговый режим.

Этот способ позволяет от двигателя получить в два раза больше шагов на оборот ротора. Каждый второй шаг включается одна фаза, а между ними — включаются сразу две.

В результате такой коммутации угловое перемещение шага уменьшается в два раза, или в два раза увеличивается число шагов.  Полный момент получить в полушаговом режиме не удается. Не смотря на это,  полушаговый режим используется часто. Уж очень простыми методами он удваивает число шагов двигателя.

Надо помнить, что для обоих режимов справедливо то, что при остановке двигателя со снятием напряжения со всех фаз, ротор двигателя находится в  свободном состоянии и может смещаться от механических воздействий. Чтобы зафиксировать положение ротора, необходимо формировать в обмотках двигателя ток удержания. Этот ток может быть значительно меньше номинального.

Способность шагового двигателя фиксировать свое положение при остановке  позволяет обходиться без механических фиксаторов, тормозных систем и т.п.

Микрошаговый режим.

Для получения еще большего числа шагов двигателя применяют микрошаговый режим. Включают две фазы, как на полушаговом режиме, но токи обмоток распределяют не равномерно. Магнитное поле статора смещается между полюсов, смещается и положение ротора. Как правило, диспропорция токов между рабочими фазами происходит с определенной дискретностью, микрошагом. Бывают микрошаги с величиной треть от полного шага. Бывают значительно больше. Я разрабатывал систему управления индукторным приводом, так там было больше 2019 микрошагов.

Микрошаговый режим способен значительно повысить точность позиционирования шагового двигателя.  Хотя система управления приводом становится намного сложнее.

Недостатки и достоинства шаговых двигателей.

Преимущества шаговых двигателей.

  • Точное позиционирование без обратной связи. Число импульсов определяет угол поворота.
  • Двигатель обеспечивает полный крутящий момент при снижении скорости вращения, вплоть до остановки.
  • Двигатель фиксирует свое положение при остановке за счет тока удержания.
  • Регулировка скорости вращения с высокой точностью без обратной связи.
  • Способность быстрого старта, остановки, реверса.
  • Высокая надежность. Отсутствие коллекторных щеток.

Недостатки шаговых двигателей.

  • Сложная система управления.
  • Невысокие скорости вращения.
  • Возможно явление резонанса.
  • Может произойти потеря позиционирования при механических перегрузках.
  • Низкая удельная мощность.

Как и всему на свете шаговому двигателю присущи определенные достоинства и недостатки. Но есть области в точной механике, в которых он просто незаменим. Там где надо перемещать механические узлы, мгновенно останавливать, двигать назад, регулировать скорость... Попробуйте мгновенно остановить коллекторный двигатель, и вы забудете о недостатках шагового.  Попробуйте реализовать изменение скорости коллекторного двигателя в широких пределах. Проще поставить шаговый с его недостатками.

В оборудовании, которое разрабатывал я, например, станок для розлива и запайки ампул содержит 7 шаговых двигателей, станок для фасовки сыпучих препаратов – 10 двигателей. И ни один из этих двигателей я не могу заменить на коллекторный. Если интересно, посмотрите фильм, как работают шаговые двигатели в оборудовании.

Характеристики шаговых двигателей.

Шаговый двигатель с точки зрения механики и электротехники очень сложное устройство, имеющее много механических и электрических параметров. Приведу расшифровку основных технических параметров, которые используются на практике.

  • Количество полных шагов за один оборот. Основной параметр двигателя, определяющий его точность, разрешающую способность, плавность движения. На двигателях серии FL57 этот параметр составляет 200 и 400 шагов на оборот.
  •  Угол полного шага. Представление в другом виде предыдущего параметра. Показывает на какой угол повернется вал при одном полном шаге. Может быть подсчитан как 360° / количество полных шагов за оборот. Для двигателей серии FL57 составляет 1,8 ° и 0,9°.
  • Номинальный ток. Основной электрический параметр. Наибольший допустимый ток, при котором электродвигатель может работать сколь угодно длительное время. Для этого тока указаны механические параметры двигателя.
  • Номинальное напряжение. Допустимое постоянное напряжение на обмотке двигателя в статическом режиме. Часто этот параметр не приводится. Вычисляется по закону Ома через номинальный ток и сопротивление обмотки.
  • Сопротивление обмотки фазы. Сопротивление обмотки двигателя на постоянном токе. Параметр вместе с номинальным током, показывает какое напряжение можно подавать на обмотку двигателя.
  • Индуктивность фазы. Параметр становится важным на значительных скоростях вращения. От него зависит скорость нарастания тока в обмотке. При высоких частотах переключения фаз приходится увеличивать напряжение, чтобы ток нарастал быстрее.
  • Крутящий момент. Основной механический параметр.  Показывает максимальный крутящий момент, который способен создать двигатель. Иногда приводится механическая характеристика в виде зависимости крутящего момента от частоты вращения.
  • Момент инерции ротора. Характеризует механическую инерционность ротора двигателя. Чем этот параметр меньше, тем двигатель быстрее разгоняется.
  • Удерживающий момент. Это крутящий момент при остановленном двигателе. При этом у двигателя должны быть запитаны две фазы номинальным током.
  • Стопорный момент. Момент, необходимый чтобы провернуть вал двигателя при отсутствующем напряжении питания.
  • Сопротивление изоляции. Как у всех электрических приборов – сопротивление между корпусом и обмотками.
  • Пробивное напряжение. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой изоляции между обмотками и корпусом.  Параметр из раздела электробезопасности.

Пример практической схемы контроллера шагового двигателя.

Автор публикации


56

Комментарии: 1306Публикации: 147Регистрация: 13-12-2015