Что такое шаговый двигатель?
Содержание статьи
Шаговый двигатель — это бесщёточный синхронный электродвигатель преобразующий электрическую энергию в механическую. Основное отличие шаговых электродвигателей от обычных, заключается в способе вращения «шагами», из-за чего и происходит данное название электродвигателя.На сегодняшнее время шаговые двигатели широко используются в различной оргтехнике, автоматическом электроинструменте, в машиностроении и т. д., там, где требуется достаточно высокая точность позиционирования. Не меньшей популярностью пользуются шаговые двигатели и для изготовления самодельных ветрогенераторов.
О том, что такое шаговый двигатель и зачем он нужен, будет рассказано в данной статье строительного журнала samastroyka.ru.
Шаговый двигатель — это электромеханическое устройство способное преобразовывать электрический ток в дискретные (состоящие из отдельных частей) угловые перемещения ротора. Благодаря наличию в конструкции шаговых двигателей постоянного магнита, обмотка последнего способна к самовозбуждению, что позволяет использовать шаговый двигатель в качестве основного элемента ветрогенератора, который производит постоянный электрический ток от вращения лопастей под воздействием силы ветра.
Однако основное применение шаговые двигатели получили в машиностроении и в различной оргтехнике. Благодаря высокой точности и простой интеграции с посторонними приложениями цифрового управления, шаговые электродвигатели позволяют легко автоматизировать работу отдельных систем и узлов сложного устройства. Ну а отсутствие таких элементов в конструкции шагового двигателя как щетки, для передачи электроэнергии, сказывается в первую очередь на длительном сроке службы и его довольно продолжительном ресурсе.
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.
Существуют различные виды шаговых двигателей: однофазные, многофазные и двухфазные, с пассивным либо активным ротором. Для управления шаговым двигателем используется специальный электронный блок управления, который обеспечивает поступление на обмотки электродвигателя определенную последовательность импульсов в зависимости от фазности электродвигателя.
Главным преимуществом шаговых двигателей, является высокая точность поворота ротора на заданный угол. Достичь такого показателя при использовании обычных щёточных электродвигателей попросту невозможно. Как следствие этому, шаговый двигатель — хорошая альтернатива сервоприводу, стоимость которого в разы выше.
Кроме того, неоспоримым преимуществом шаговых двигателей, является и их довольно продолжительный ресурс работы. Целесообразно заметить, что даже за внушительный срок эксплуатации, точность шагового двигателя падает совсем незначительно.
Что же касается недостатков шаговых двигателей, то связаны они, прежде всего с так называемым «проскальзыванием ротора» вследствие значительных нагрузок на вал электродвигателя. В большинстве случаев, избежать подобной проблемы помогает увеличение мощности шагового двигателя или установка специального датчика на своевременное обнаружение подобной проблемы.
Оценить статью и поделиться ссылкой:Шаговые двигатели присутствуют в автомобилях, принтерах, компьютерах, стиральных машинах, электробритвах и многих других устройствах из повседневного быта. Однако многие радиолюбители до сих пор не знают, как заставить такой мотор работать и что он вообще из себя представляет. Итак, давайте узнаем, как использовать шаговый двигатель.
Шаговые двигатели являются частью класса моторов, известных как безщеточные двигатели. Обмотки шагового двигателя 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.
Существуют три основных типа шаговых двигателей: переменной индуктивности, двигатели с постоянными магнитами, и гибридные двигатели.
Двигатели переменной индуктивности используют только генерируемое магнитное поле на центральном валу, заставляющее вращаться и находиться на одной линии с напряжением электромагнитов.
Двигатели с постоянными магнитами похожи на них, за исключением того, что центральный вал поляризован у северного и южного магнитных полюсов, которые будут соответствующим образом поворачивать его в зависимости от того, какие электромагниты включены.
Гибридный мотор - это сочетание двух предыдущих. У его намагниченного центрального вала имеется два набора зубов для двух магнитных полюсов, которые затем выстраиваются в линию с зубами вдоль электромагнитов. В связи с двойным набором зубов на центральном валу, гибридный двигатель имеет наименьший доступный размер шага и поэтому является одним из наиболее популярных типов шаговых двигателей.
Также существует ещё два типа шаговых двигателей: униполярные и биполярные. На фундаментальном уровне, эти два типа работать точно так же; электромагниты включены в последовательном виде, заставляя центральный вал двигателя вращаться.
Но униполярный шаговый двигатель работает только с положительным напряжением, а биполярный шаговый двигатель имеет два полюса - положительный и отрицательный.
То есть фактическая разница между этими двумя типами заключается в том, что для однополярных требуется дополнительный провод в середине каждой катушки, что позволит току проходить либо к одному концу катушки, либо другому. Эти два противоположных направления производят две полярности магнитного поля, фактически имитируя как положительные, так и отрицательные напряжения.
Хотя оба они имеют общий уровень питающих напряжений 5V, биполярный шаговый двигатель будет иметь больший крутящий момент, потому что ток течет через всю катушку, производя более сильное магнитное поле. С другой стороны, униполярные шаговые двигатели используют только половину длины катушки из-за дополнительного провода в середине катушки, а значит меньший крутящий момент доступен для удержания вала на месте.
Разные шаговые двигатели могут иметь разное количество проводов, как правило, 4, 5, 6, или 8. 4-х проводные линии могут поддержать только биполярные шаговые двигатели, поскольку у них нет центрального провода.
5-ти и 6-ти проводные механизмы могут быть использованы как для однополярного, так и биполярного шагового двигателя, в зависимости от того, используется центральный провод на каждой из катушек или нет. 5-ти проводная конфигурация подразумевает, что центральные провода на два комплекта катушек соединены внутри между собой.
Есть несколько различных способов управления шаговыми двигателями - полный шаг, полушаг, и микрошаговый. Каждый из этих стилей предлагают различные крутящие моменты, шаги и размеры.
Полный шаг - такой привод всегда имеет два электромагнита. Для вращения вала, один из электромагнитов выключается и далее электромагнит включен, вызывая вращение вала на 1/4 зуба (по крайней мере для гибридных шаговых двигателей). Этот стиль имеет самый сильный момент вращения, но и самый большой размер шага.
Полшага. Для вращения центрального вала, первый электромагнит находится под напряжением, как первый шаг, затем второй также под напряжением, а первый все еще работает на второй шаг. При третьем шаге выключается первый электромагнит и четвертый шаг - поворот на третий электромагнит, а второй электромагнит по-прежнему работает. Этот метод использует в два раза больше шагов, чем полный шаг, но он также имеет меньший крутящий момент.
Микрошаговый имеет наименьший размер шага из всех этих стилей. Момент вращения, связанный с этим стилем, зависит от того, как много тока, протекает через катушки в определенное время, но он всегда будет меньше, чем при полном шаге.
Чтобы управлять шаговым двигателем необходим контроллер. Контроллер — схема, которая подает напряжение к любой из четырех катушек статора. Схемы управления достаточно сложны, по сравнению с обычными электромоторчиками, и имеют много особенностей. Подробно рассматривать тут мы их не будем, а просто приведём фрагмент популярного контроллера на ULN2003A.
В общем шаговые двигатели являются отличным способом для того, чтобы повернуть что-то в точный размер угла с большим количеством крутящего момента. Другое преимущество их в том, что скорость вращения может быть достигнута почти мгновенно при изменении направления вращения на противоположное.
el-shema.ru
Шаговые двигатели широко используются в принтерах, автоматических инструментах, приводах дисководов, автомобильных приборных панелях и других приложениях, требующих высокой точности позиционирования.
Производители шаговых двигателей: Autonics, Motionking, Fulling motor и другие.
Двигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами Lenze 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 (Autonics, Motionking, Fulling motor) и серводвигатели (Lenze). 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 преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении. В то время как синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.
Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис. 1).
Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рис. 2).
За это упрощение приходится платить более сложным реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.
Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ-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, стопа, 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 применений.
Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.
На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.
На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.
Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.
В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя.
Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро%аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.
Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.
Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц 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.
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: симметричная и несимметричная.
При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления.
При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления.
Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки».
Число тактов KT системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде 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 = mуn1n2,
где: n1=1 при симметричной системе коммутации;
n1=2 при несимметричной системе коммутации;
n2=1 при однополярной коммутации;
n2=2 при двуполярной коммутации.
При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении, а при двуполярной в обеих. 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 двуполюсный 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/Ктр
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.
У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.
Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.
Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора.
При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.
Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:
αш=360/КтZр
В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, т.к. 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.
Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, 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, т.е. оси их полюсов полностью совпадают. Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, 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 больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики
При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.
Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов.
Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.
Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнито-провода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений 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, т.е. 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 магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.
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 котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода xследующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.
При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.
В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.
Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.
Предельная механическая характеристика это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.
Приемистость это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления.
Приемлемость падает с увеличением нагрузки.
В. П. Колодийчик.
market.elec.ru
Шаговые двигатели не сильно отличаются от многих классических двигателей. Для управления шаговым двигателем необходимо подавать постоянное напряжение на обмотки в точной последовательности. Благодаря этому принципу, можно обеспечить точный угол поворота оси.
Более того, оставив напряжение питания на одной или нескольких обмотках двигателя, мы переводим двигатель в режим удержания. Шаговые двигатели получили широкое распространение в технике, к примеру, их можно найти в гибких дисководах, сканерах и принтерах. Существует несколько типов шаговых двигателей.
Существуют три основных типа шаговых двигателей:
Шаговый двигатель с постоянными магнитами применяется наиболее часто в устройствах бытового назначения, нежели в промышленных устройствах. Это недорогой двигатель, имеющий низкий крутящий момент и низкую скорость вращения. Он идеально подходит для устройств компьютерной периферии.
Производство шагового двигателя с постоянными магнитами несложно и экономически оправдано, когда дело касается производства больших объемов. Однако из-за его относительной инертности, применение ограничено в устройствах, где требуется точное позиционирование по времени.
В шаговом двигателе с переменным магнитным сопротивлением нет постоянного магнита, и как результат этого — ротор вращается свободно, без остаточного крутящего момента. Этот тип двигателя часто используется в малогабаритных устройствах, например, в системах микро-позиционирования. Они не чувствительны к полярности тока и требуют систему управления отличную от других типов двигателей.
Гибридный двигатель, на сегодняшний день, является самым популярным двигателем в промышленной сфере. Его название происходит от того, что он сочетает в себе принципы работы двух других типов двигателя (с постоянными магнитами и переменным магнитным сопротивлением). Большинство гибридных двигателей имеют две фазы.
Работу гибридного шагового двигателя легко понять, глядя на очень простую модель, которая производит 12 шагов за один оборот.
Ротор этой машины состоит из двух частей, каждая из которых имеет три зуба. Между двумя частями находится постоянный магнит, намагниченный в направлении оси ротора, создавая, таким образом, южный полюс на одной части детали, и северного полюса на другой. Статор состоит из трубки, имеющей четыре зуба внутри нее. Обмотки статора намотаны вокруг каждого такого зуба.
Когда ток протекает через одну из обмоток, ротор занимает одно из положений, показанных на рисунках. Это связано с тем что, постоянный магнит ротора пытается минимизировать магнитное сопротивление обмотки. Крутящий момент, что стремится держать ротор в этих положениях, как правило, небольшой и называется «релаксация крутящего момента». Ниже изображена схема работы двигателя с 12 шагами.
Если ток течет по двум обмоткам статора, результирующие полюса будут притягивать зубы обратной полярности на каждом конце ротора. Есть три устойчивых позиций для ротора, столько же, сколько количество зубьев на роторе. Момент, необходимый для перемещения ротора от его стабильного положения во вращательное движение называется «удержание крутящего момента»
Изменяя ток первой до второй обмотки (В), магнитное поле статора поворачивается на 90 градусов и притягивает новую пару полюсов ротора. В результате этого ротор поворачивается на 30 градусов, что соответствует полному шагу. Возвращение к первому набору обмоток статора, но с питанием обратной полярности, изменяет магнитное поле статора еще на 90 градусов, и ротор поворачивается на 30 градусов (С).
Наконец, второй набор обмоток работает в противоположном направлении, обеспечивая третье положение ротора (еще 30 градусов). Теперь мы можем вернуться снова к первому этапу (А), и после прохождения заново всех этих четырех этапов, ротор будет перемещен еще на один зуб.
Очевидно, что если полярность питания обмоток будет противоположной описанной, то вращение двигателя так же сменится на противоположное.
Подавая питание поочередно на одну обмотку, а затем на две, ротор будет совершать вращение на 15 градусов в каждом шаге и таким образом количество шагов на один оборот увеличится в два раза. Этот режим называется режимом «полшага», и большинство промышленных устройств применяют этот режим. Даже если это иногда вызывает небольшую потерю крутящего момента, режим в полшага намного плавнее на низких скоростях и вызывает меньший резонанс в конце каждого шага.
Когда шаговый двигатель находится под контролем в режиме «неполного шага», две фазы одновременно находятся под напряжением и крутящий момент обеспечивается на каждом шаге. В режиме полушага, питание чередуется между двумя фазами, и отдельной обмоткой, как показано на рисунке.
От того какая у шагового двигателя форма обмоток, двигатели делятся на униполярные и биполярные. У биполярного двигателя по 1 обмотке в каждой фазе. Всего две обмотки и соответственно 4 вывода (рис. а). Для обеспечения вращения вала на эти обмотки должно подаваться напряжение с изменяемой полярностью. Поэтому для биполярного двигателя необходим полумостовой либо мостовой драйвер, снабженный двухполярным питанием.
Униполярный двигатель также как и биполярный, для каждой фазы имеет по одной обмотке, но каждая обмотка содержит отвод от середины. В связи с этим, путем переключения половинок обмотки шагового двигателя, появляется возможность менять направление магнитного поля.
В данном случае значительно упрощается структура драйвера двигателя. Он должен обладать всего лишь четырьмя силовыми ключами. Соответственно, в униполярном двигателе применяется иной метод изменения направления магнитного поля. Отводы обмоток зачастую объединяются внутри двигателя, вследствие этого данный тип двигателя может обладать пятью или шестью проводами (рис. б).
Порой униполярные двигатели снабжаются четырьмя обмотками, каждая из которых содержит собственные выводы – то есть их всего восемь (рис. в). При определенном соединении этих обмоток подобный шаговый двигатель возможно использовать как биполярный либо униполярный. Кстати, униполярный двигатель, имеющий две обмотки с отводами по середине, возможно использовать и как биполярный. В этом случае провода, идущие от середины обмоток не используются.
В качестве примера управления шаговым двигателем возьмем униполярный шаговый двигатель ШД-1ЕМ, имеющий характеристики: количество шагов — 200/об., ток обмотки – 0,5А, мощность — 12 Ватт.
Драйвером, управляющим обмотками шагового двигателя выберем микросхему ULN2003A. Эта уникальная микросхема, не что иное, как транзисторная сборка по схеме Дарлингтона с открытым коллектором, снабженная диодом, защищающим цепь питания нагрузки. ULN2003A имеет семь каналов управления с током нагрузки 500мА каждый.
Входы микросхемы ULN2003A можно напрямую подключать к выходам цифровых микросхем, поскольку она имеет резисторы, подключенные к базам транзисторов. Еще одним немаловажным моментом является то, что выходы ULN2003A снабжены диодами, которые защищают микросхему от индукционных выбросов в момент коммутации обмоток шагового двигателя.
Вывод 9 микросхемы ULN2003A подведен к источнику питания через стабилитрон, который защищает схему от ЭДС самоиндукции, появляющейся в момент выключения блока питания схемы. Управление шаговым двигателем производится с помощью компьютера через LPT порт при помощи программы:
Скачать программу управления шаговым двигателем (скачено: 1 638)
fornk.ru
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах механизмов с переменной производительностью, например в вентиляторах, насосах, компрессорах и в бытовой технике. В предлагаемом вентильно-индукторном четырехфазном нереверсивном двигателе, содержащем ротор с шестью полюсами, имеющими клювообразные выступы, и явнополюсный статор с восемью полюсами и сосредоточенными обмотками, соединенными в «звезду», согласно данному изобретению начала и концы обмоток соединены таким образом, что при протекании через обмотки токов одного направления полярность смежных полюсов противоположная, а полярность противоположных полюсов, принадлежащих одной фазе, одинаковая. Таким образом обеспечивается замыкание магнитного потока по кратчайшему пути с наименьшим магнитным сопротивлением. 4 ил.
Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах механизмов с переменной производительностью, например в вентиляторах, насосах, компрессорах и в бытовой технике.
Известен индукторный нереверсивный двигатель, содержащий явнополюсный статор, имеющий четыре полюса, и ротор в виде двух цилиндрических поверхностей, имеющих несовпадение осей, при этом поперечное сечение обеих поверхностей имеет высшую точку относительно центра ротора, каждая поверхность ограничена с краев выступом так, что нижние точки одного выступа и верхние точки другого выступа принадлежат одной поверхности, аналогично - для другой поверхности. Протяженность дуг обеих поверхностей составляет 180° [Патент США №3679953, МКИ Н02К 29/00. - Опубл. 25.07.1972 г.].
Известен нереверсивный двухфазный электродвигатель с переменным магнитным сопротивлением, содержащий явнополюсный статор с четырьмя полюсами, на которых размещены четыре сосредоточенных обмотки, и ротор с двумя полюсами, причем поверхность каждого из полюсов ротора выполнена в виде двух цилиндрических поверхностей разных диаметров, центры которых совпадают с осью ротора. [Патент РФ №2089034, МКИ Н02К 29/10. - Опубл. 27.08.97. Бюл. №24].
Известен двухтактный шаговый двигатель с искусственным расширением устойчивой зоны, содержащий явнополюсный статор с четырьмя полюсами и сосредоточенными обмотками и явнополюсный ротор с двумя клювообразными полюсами, направленными в сторону вращения [Дискретный электропривод с шаговыми двигателями. Под общ. ред. М.Г.Чиликина. М., Энергия, 1971. с.94-103.].
Основным недостатком этих двигателей является то, что в зависимости от положения ротора ток может протекать в одной или двух фазах, не создавая тормозной момент, за счет этого потребление энергии двигателями через схему управления от источника постоянного тока становится большим при протекании тока в одной фазе и меньшим, когда ток в одной фазе увеличивается, а в другой уменьшается, то есть протекает одновременно в двух фазах. Это приводит к низкой электромагнитной совместимости двигателя с источником постоянного тока.
Из известных технических решений наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому устройству является индукторный нереверсивный трехфазный двигатель, содержащий явнополюсный статор, имеющий шесть полюсов с сосредоточенными основными и рекуперационными обмотками, и ротор в виде двух цилиндрических поверхностей, имеющих несовпадение осей, при этом поперечное сечение обеих поверхностей имеет высшую точку относительно центра ротора, каждая поверхность ограничена с краев выступом так, что нижние точки одного выступа и верхние точки другого выступа принадлежат одной поверхности, аналогично - для другой поверхности. Протяженность дуг обеих поверхностей составляет 180° [Патент США №3679953, МКИ Н02К 29/00. - Опубл. 25.07.1972 г.].
Основным недостатком этого двигателя является то, что ток хотя и протекает большую часть времени по двум фазам, но при максимальном значении тока в одной из фаз ток в двух других фазах должен быть равен нулю. Это приводит к тому, что полюса одной фазы имеют разнополярную намагниченность. При этом магнитный поток замыкается через ротор и двумя ручьями через спинку статора, то есть по пути с наибольшим магнитным сопротивлением. Это уменьшает момент двигателя и увеличивает потери в магнитопроводе.
Таким образом, недостатками известного технического решения являются низкий момент и большие потери в магнитопроводе.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение момента и уменьшение потерь в магнитопроводе.
Поставленные цели достигаются тем, что вентильно-индукторный четырехфазный нереверсивный двигатель содержит ротор с шестью полюсами, имеющими клювообразные выступы, и явнополюсный статор с восьмью полюсами и сосредоточенными обмотками, соединенными в «звезду», начала и концы которых соединены таким образом, что при протекании через обмотки токов одного направления полярность смежных полюсов противоположная, полярность противоположных полюсов, принадлежащих одной фазе, одинаковая.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое устройство имеет следующий новый признак: полярность противоположных полюсов, принадлежащих одной фазе, одинаковая.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предлагаемого изобретения уменьшается длина пути замыкания потока и магнитное сопротивление, что приводит к увеличению момента и уменьшению потерь в магнитопроводе.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По этому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода.
Вентильно-индукторных четырехфазных нереверсивных двигателей, содержащих ротор с шестью полюсами, имеющими клювообразные выступы, и явнополюсный статор с восьмью полюсами и сосредоточенными обмотками, соединенными в «звезду», начала и концы которых соединены таким образом, что при протекании через обмотки токов одного направления полярность смежных полюсов противоположная, полярность противоположных полюсов, принадлежащих одной фазе, одинаковая, не обнаружено.
Таким образом, указанный признак обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенное отличие».
На фиг.1 показан вентильно-индукторный четырехфазный нереверсивный двигатель, где обозначено: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - обмотка; 4 - силовые магнитные линии.
На фиг.2 показана схема обмоток вентильно-индукторного четырехфазного нереверсивного двигателя.
На фиг.3 показана принципиальная схема управления вентильно-индукторным четырехфазным нереверсивным приводом.
На фиг.4 показаны диаграммы работы вентильно-индукторного четырехфазного нереверсивного двигателя, где обозначено: θ - угол поворота ротора; q - магнитная проводимость полюса статора в зависимости от угла поворота ротора; 
- производная магнитной проводимости полюса статора по углу поворота ротора; i - токи фаз; М - момент.
Вентильно-индукторный четырехфазный нереверсивный двигатель работает следующим образом. При положении ротора, показанном на фиг.1, которое соответствует углу поворота равному 22,5°, согласно диаграммам, показанным на фиг.4, в фазах В и D при помощи схемы управления, изображенной на фиг.3, транзисторами VT4 и VT2 при помощи широтно-импульсной модуляции и обратной связи по току, формируются токи равной амплитуды, а транзистор VT1 полностью открыт и поэтому ток в фазе А равен сумме токов фаз В и D. Так как обмотки выполнены по схеме, изображенной на фиг.2, то смежные полюса статора имеют разную полярность, а противоположные полюса статора, принадлежащие одной фазе, имеют одинаковую полярность, в результате чего магнитный поток замыкается в соответствии с фиг.1 через шесть полюсов статора и шесть полюсов ротора, создавая момент на валу двигателя. При повороте ротора под действием момента амплитуда тока фазы В, определяемая датчиком положения, уменьшается, а амплитуда тока фазы D увеличивается также благодаря сигналу датчика положения, при этом сумма токов фаз В и D остается равной току фазы А. При угле поворота 30°<θ<45° полностью открыт транзистор VT4, и ток в фазе D равен сумме токов в фазах С и А, причем ток в фазе С увеличивается, а ток в фазе А уменьшается. Далее изменение токов фаз происходит согласно диаграмме, показанной на фиг.4, по сигналу датчика положения.
Таким образом, использование вентильно-индукторного четырехфазного нереверсивного двигателя, содержащего ротор с шестью полюсами, имеющими клювообразные выступы, и явнополюсный статор с восьмью полюсами и сосредоточенными обмотками, соединенными в «звезду», начала и концы которых соединены таким образом, что при протекании через обмотки токов одного направления полярность смежных полюсов противоположная, полярность противоположных полюсов, принадлежащих одной фазе, одинаковая, позволяет увеличить момент вентильно-индукторного четырехфазного нереверсивного двигателя и уменьшить потери в магнитопроводе.
Использование предлагаемого устройства в различных промышленных системах позволит улучшить технические характеристики оборудования и улучшить электромагнитную совместимость с сетью.
Вентильно-индукторный четырехфазный нереверсивный двигатель, содержащий ротор с шестью полюсами, имеющими клювообразные выступы, и явнополюсный статор с восьмью полюсами и сосредоточенными обмотками, соединенными в «звезду», отличающийся тем, что, с целью увеличения момента и уменьшения потерь в магнитопроводе, начала и концы обмоток соединены таким образом, что при протекании через обмотки токов одного направления полярность смежных полюсов противоположная, а полярность противоположных полюсов, принадлежащих одной фазе, одинаковая.
www.findpatent.ru
Шаговые моторы все в большей степени становятся популярны в качество приводных механизмов в автомобилях и многих других случаях. Это объясняется той легкостью, с которой они могут управляться электрическими системами.
Шаговые моторы делятся на три группы:
Рис. Принципы действия шаговых электромоторов с изменяемым магнитный потоком, постоянным магнитом и гибридного типа
На рисунке проиллюстрирован принцип действия шаговых электромоторов каждой из перечисленных групп. Кратко описан основной принцип их функционирования. Моторы с изменяемым магнитным сопротивлением используют принцип максимального магнитного потока. Несколько обмоток устанавливается по окружности зубчатого статора. Ротор также имеет зубчатый профиль и изготавливается из магнитопроницаемого материала. Заметим, что в этом примере ротор имеет на два зуба меньше статора. Когда ток поступает на пару обмоток одной фазы, ротор повернется и установит два зубца так, чтобы обеспечить максимальный магнитный поток. Теперь, чтобы привести в движение ротор, остается просто подавать напряжение на обмотки в соответствующей последовательности. Например, если возбуждается фаза 4, мотор сделает один шаг по часовой стрелке. Если возбуждается фаза 2, то шаг будет против часовой стрелки.
Эти моторы не обеспечивают большой крутящий момент и не дают никакого крутящего момента в отсутствии возбуждения. Однако они могут работать на относительно высоких частотах. Углы поворота за один шаг обычно составляют 15″, 7,5″, 1,8″, или 0,45″.
Шаговые моторы с постоянным магнитом имеют значительно больший пусковой момент, а также обладают удерживающим моментом при снятии возбуждения. В данном случае ротор является постоянным магнитом. Для мотора с изменяемым магнитным сопротивлением направление тока в обмотках не имеет значения, однако для мотора с постоянным магнитом направление тока важно. Моторы с постоянным магнитом имеют шаг угла поворота 45″, 18″, 15″ и 7,5″. Вследствие большего крутящего момента и свойства удерживания моторы с постоянным магнитом становятся все более и более популярными.
Рис. Шаговый электромотор со сдвоенным статором смещенными полюсами
Гибридный шаговый мотор, показанный на рисунке, является, как предполагает его название, комбинацией двух предыдущих типов моторов. Эти моторы были разработаны в попытке объединить высокую скорость и хорошую разрешающую способность по углу поворота с лучшими свойствами по крутящему моменту. Пара зубчатых колес располагается на обеих сторонах ротора-магнита. Зубцы на «северном» и «южном» колесах сдвинуты друг относительно друга на половину шага. Это объединяет преимущества двигателя с изменяемым магнитным сопротивлением с высоким крутящим моментом двигателей с постоянным магнитом. Угловой шаг поворота таких моторов очень мал: 1,8″, 0,75″ или 0,36″.
Описанные типы электродвигателей применялись и применяются в различных системах автомобиля. Диапазон этих применений лежит от приборов управления холостым ходом и дроссельной заслонкой карбюратора до привода указателя скорости движения.
Давайте рассмотрим более детально функционирование и конструкцию шагового мотора с постоянным магнитом. Наиболее общая конструкция этого типа мотора включает два двойных статора, смещенных вокруг полюса на один угловой шаг. Ротор обычно изготовлен в форме кольцевого магнита из феррита бария методом спекания. Поскольку обмотки, показанные на рисунке, будут возбуждены и одном направлении раньше, чем в другом, мотор повернется на шаг в 90″. Шаг угла поворота — это просто 360″, деленное на число полюсов статора. Половинные шаги могут быть получены выключением обмоток прежде, чем возбуждение будет реверсировано. Это заставит ротор выстраиваться относительно оставшихся полюсов и совершить поворот на половину шага в 45″.
Рис. Четырехфазный шаговый электромотор и схема его управления
Направление вращении определяется порядком, в котором обмотки включаются, выключаются или реверсируются. На рисунке показан четырехфазный шаговый мотор и схема его управления.
Рис. Графики импульсных последовательностей для двухфазного шагового мотора для движения полушагами (первый) и полными шагами (второй)
Графики импульсных последовательностей для двухфазных шаговых моторов показаны на рисунке. Первый график — для полных шагов, второй график — для выполнения половинчатых шагов.
Основное преимущество шагового мотора заключается в том, что здесь не требуется обратной связи по положению, потому что мотор может быть привязан к известной начальной точке, и тогда определенное число шагов переместит ротор в любое требуемое положение.
Вычисления, необходимые для пошаговых перемещений, приведены ниже:
а = 360/zz = 360/аfe = nz/60n = (nz * 60)/zw = (fz * 2п)/zгде а — шаг угла поворота, n — число оборотов в минуту, w — угловая скорость, fz — частота шагов, я — число шагов за оборот.
ustroistvo-avtomobilya.ru
Шаговый двигатель представляет собой «цифровую» версию электродвигателя. Ротор перемещается дискретными ступенями, как заданный, а не вращается непрерывно, как обычный двигатель. При остановке, но под напряжением, шаговый двигатель (короткий для шагового двигателя) удерживает свою нагрузку устойчивой с удерживающим моментом . Широкое распространение шагового двигателя за последние два десятилетия было обусловлено господством цифровой электроники. Современная твердотельная электроника для водителя была ключом к ее успеху. И, микропроцессоры легко взаимодействуют с цепями драйвера шагового двигателя.
Примером, предшественником шагового двигателя был сервомотор. Сегодня это более дорогое решение для высокопроизводительных приложений управления движением. Расход и сложность серводвигателя обусловлены дополнительными компонентами системы: датчиком положения и усилителем ошибок. (Рис. Ниже ). По-прежнему можно позиционировать тяжелые нагрузки за пределы степеней более низкого уровня мощности. Высокое ускорение или необычно высокая точность все еще требуют серводвигателя. В противном случае по умолчанию используется степпер из-за низкой стоимости, простой электроники привода, хорошей точности, хорошего крутящего момента, умеренной скорости и низкой стоимости.
Шаговый двигатель против серводвигателя.
Шаговый двигатель позиционирует головки чтения-записи в дисковод гибких дисков. Они когда-то использовались с той же целью в жестких дисках. Тем не менее, высокая скорость и точность, необходимые для современного позиционирования головки жесткого диска, диктуют использование линейного сервомотора (звуковой катушки).
Сервоусилитель представляет собой линейный усилитель с некоторыми сложными для интеграции дискретных компонентов. Для оптимизации усиления сервоусилителя и фазового отклика на механические компоненты требуется значительное проектное усилие. Драйверы шагового двигателя представляют собой менее сложные полупроводниковые переключатели, которые либо «включены», либо «выключены». Таким образом, контроллер шагового двигателя является менее сложным и дорогостоящим, чем контроллер серводвигателя.
Синхронные двигатели Slo-syn могут работать от напряжения сети переменного тока, как однофазный асинхронный двигатель с постоянным конденсатором. Конденсатор генерирует вторую фазу 90 o . При прямом сетевом напряжении мы имеем двухфазный привод. В эти дни чаще встречаются сигналы возбуждения биполярных (±) квадратных волн 2-24 В. Биполярные магнитные поля могут также генерироваться из однополярных ( однополюсников ) напряжений, подаваемых на чередующиеся концы отцентрированной обмотки центра. (Рисунок ниже ) Другими словами, DC можно переключить на двигатель, чтобы он увидел переменный ток. Когда обмотки включаются последовательно, ротор синхронизируется с последующим магнитным полем статора. Таким образом, мы рассматриваем шаговые двигатели как класс синхронного двигателя переменного тока.
Униполярный привод центральной запертой катушки на (b), эмулирует ток переменного тока в одиночной катушке (a).
Шаговые двигатели являются прочными и недорогими, потому что ротор не содержит обмоточных колец или коммутатора. Ротор представляет собой цилиндрическое твердое тело, которое также может иметь либо выступающие полюса, либо мелкие зубы. Чаще всего ротор представляет собой постоянный магнит. Определите, что ротор представляет собой постоянный магнит, при помощи беспилотного ручного вращения, показывающего крутящий момент , крутящие моменты. Катушки с шаговым двигателем наматываются в слоистый статор, за исключением конструкции штабеля . Там может быть всего лишь две фазы обмотки или целых пять. Эти фазы часто разделяются на пары. Таким образом, 4-полюсный шаговый двигатель может иметь две фазы, состоящие из линейных пар полюсов, расположенных на расстоянии друг от друга на расстоянии 90 o . Также могут быть несколько пар полюсов на фазу. Например, 12-полюсный степпер имеет 6 пар пар, по три пары на фазу.
Так как шаговые двигатели не обязательно вращаются непрерывно, нет рейтинга мощности. Если они вращаются непрерывно, они даже не подходят к дробной номинальной мощности hp. Они поистине небольшие устройства с малой мощностью по сравнению с другими двигателями. Они имеют номиналы крутящего момента до тысячи дюймов (дюйм-унций) или десять нм (ньютон-метры) для единицы измерения 4 кг. Небольшой шагомер размера «копейки» имеет крутящий момент в сотне нонтон-метра или несколько дюймов-унций. Большинство степлеров составляют несколько дюймов в диаметре с долей нм или несколькими крутящими моментами в унции. Имеющийся крутящий момент зависит от скорости двигателя, инерции нагрузки, крутящего момента нагрузки и электроники привода, как показано на кривой скорости и крутящего момента . (Рис. Ниже ) Напряжённый шаговый держатель имеет относительно высокий рейтинг удерживающего момента . Для работающего двигателя меньше крутящего момента, уменьшающегося до нуля на некоторой высокой скорости. Эта скорость часто не достижима из-за механического резонанса комбинации нагрузки двигателя.
Характеристики скорости шага.
Шаговые двигатели перемещаются на один шаг за шагом, шаг за шагом , когда изменяются формы возбуждения. Шаг угла связан с деталями конструкции двигателя: количеством катушек, количеством полюсов, количеством зубьев. Он может составлять от 90 o до 0,75 o , что соответствует от 4 до 500 шагов за оборот. Приводная электроника может уменьшать шаг шага на пол, перемещая ротор в полушагах .
Степперы не могут мгновенно получать скорости на кривой крутящего момента. Максимальная начальная частота - это максимальная скорость, с которой может быть запущен остановленный и незагруженный степпер. Любая нагрузка сделает этот параметр недостижимым. На практике ступенчатая скорость нарастает во время начала с намного ниже максимальной начальной частоты. При остановке шагового двигателя скорость шага может быть уменьшена до остановки.
Максимальный крутящий момент, при котором шаговый двигатель может запускать и останавливаться, представляет собой момент затяжки . Эта крутящая нагрузка на шаговый двигатель обусловлена фрикционными (тормозными) и инерционными (маховиками) нагрузками на вал двигателя. Как только двигатель достигнет скорости, крутящий момент является максимальным устойчивым крутящим моментом без потери шагов.
Существует три типа шаговых двигателей в порядке возрастания сложности: переменное сопротивление, постоянный магнит и гибрид. Шаговый двигатель с переменным сопротивлением имеет твердотельный ротор из мягкой стали с выступающими полюсами. Шагомер с постоянным магнитом имеет цилиндрический ротор с постоянным магнитом. Гибридный степпер имеет мягкие стальные зубцы, добавленные к ротору постоянного магнита для меньшего угла шага.
Шаговый двигатель с переменным сопротивлением полагается на магнитный поток, стремящийся к самому низкому пути сопротивления через магнитную цепь. Это означает, что мягкий магнитный ротор неправильной формы будет двигаться, чтобы закончить магнитную цепь, минимизируя длину любого воздушного зазора с высоким сопротивлением. Статор, как правило, имеет три обмотки, распределенные между парами полюсов, с четырьмя выступающими полюсами ротора с шагом 30 o . (Рис. Ниже ). Обесточенный шаговый двигатель без фиксирующего момента при повороте руки может быть идентифицирован как шаговый двигатель с переменным сопротивлением.
Трехфазные и четырехфазные шаговые двигатели с переменной нагрузкой.
Формы сигналов возбуждения для шага 3-φ можно увидеть в разделе «Двигатель сопротивления». Привод для шага 4-φ показан на рисунке ниже . Последовательное переключение фаз статора создает вращающееся магнитное поле, которое следует за ротором. Однако из-за меньшего числа полюсов ротора ротор движется меньше, чем угол статора для каждого шага. Для шагового двигателя с переменным сопротивлением шаг шага определяется следующим образом:
Θ S = 360 o / N S Θ R = 360 o / N R Θ ST = Θ R - Θ S Где: Θ S = угол статора, Θ R = угол ротора, Θ ST = угол поворота N S = полюсы полюса числа, N P = полюсы числа роторов
Последовательность шага для шагового переключателя с переменным сопротивлением.
На рисунке выше , переходя от φ 1 к φ 2 и т. Д., Магнитное поле статора вращается по часовой стрелке. Ротор перемещается против часовой стрелки (CCW). Заметьте, чего не бывает! Зубчатый ротор не перемещается к следующему зубцу статора. Вместо этого поле φ2 статора притягивает другой зуб при перемещении ротора CCW, который является меньшим углом (15 o ), чем угол статора 30 o . Угол зубца ротора 45 o входит в расчет по вышеуказанному уравнению. Ротор перемещал CCW на следующий роторный зуб при 45 o , но он выравнивается с CW на зубье статора 30 o . Таким образом, фактическим углом шага является разность между углом статора 45 o и углом ротора 30 o . Как далеко шатер будет вращаться, если ротор и статор имеют одинаковое количество зубов? Нулевая нотация.
При запуске с фазой φ 1 возбуждаются три импульса (φ 2 , φ 3 , φ 4 ), чтобы выровнять «пунктирный» зуб ротора до следующего зубца CCW Tooth, который равен 45 o . С 3-мя импульсами на зуб статора и зубьями 8-статора 24-импульсы или ступени перемещают ротор на 360 o .
Перевернув последовательность импульсов, направление вращения обратнее справа. Направление, скорость шага и количество шагов контролируются контроллером шагового двигателя, подающим драйвер или усилитель. Это можно объединить в одну плату. Контроллер может быть микропроцессором или специализированной интегральной схемой. Драйвер не является линейным усилителем, а простым выключателем, способным обеспечивать достаточно высокий ток для подзарядки шагового усилителя. В принципе, драйвер может быть реле или даже тумблером для каждой фазы. На практике драйвер представляет собой либо дискретные транзисторные переключатели, либо интегральную схему. Оба драйвера и контроллер могут быть объединены в единую интегральную схему, принимающую команду направления и шаговый импульс. Он последовательно выводит ток в соответствующие фазы.
Шаговый двигатель с переменным сопротивлением.
Разберите шагомер нежелательности для просмотра внутренних компонентов. В противном случае мы покажем внутреннюю конструкцию шагового двигателя с переменным сопротивлением на рисунке выше . Ротор имеет выступающие полюса, так что они могут притягиваться к вращающемуся полюсу статора при его переключении. Фактический мотор, намного длиннее нашей упрощенной иллюстрации.
Винт с вилочным захватом с переменным сопротивлением.
Вал часто снабжен винтом. (Рис. Выше ). Это может перемещать головки гибкого диска по команде контроллера флоппи-дисковода.
Шаговые двигатели с изменяемым сопротивлением применяются, когда требуется только умеренный крутящий момент и достаточно грубый угол поворота. Винт-диск, используемый в дисковод гибких дисков, является таким приложением. Когда контроллер включается, он не знает положения каретки. Тем не менее, он может приводить в движение каретку к оптическому прерывателю, калибруя положение, при котором край ножа разрезает прерыватель как «домашний». Контроллер подсчитывает шаговые импульсы из этого положения. Пока момент нагрузки не превышает крутящий момент двигателя, контроллер будет знать положение каретки.
Краткое описание: шаговый двигатель с переменным сопротивлением
Шаговый двигатель с постоянным магнитом имеет цилиндрический ротор с постоянным магнитом. Статор обычно имеет две обмотки. Обмотки могут быть центрированы, чтобы обеспечить однополярную схему драйвера, где полярность магнитного поля изменяется путем переключения напряжения от одного конца к другому из обмотки. Для питания обмоток без центрального крана требуется биполярный привод с переменной полярностью. Чистый шагомер с постоянным магнитом обычно имеет большой угол шага. Вращение вала обесточенного двигателя демонстрирует момент затяжки. Если угол фиксации большой, например, от 7,5 до 90 o , он, скорее всего, является усилителем с постоянным магнитом, а не гибридным шаговым двигателем (следующий подраздел).
Для шаговых двигателей с постоянными магнитами требуются фазированные переменные токи, применяемые к двум (или более) обмоткам. На практике это почти всегда квадратные волны, генерируемые из постоянного тока твердотельной электроникой. Биполярный привод представляет собой квадратные волны, чередующиеся между полярностями (+) и (-), например, от +2,5 В до -2,5 В. Униполярный привод подает (+) и (-) переменный магнитный поток на катушки, разработанные из пары положительных квадратов Волны, приложенные к противоположным концам отцентрированной катушки. Время биполярной или униполярной волны - волновой привод, полный шаг или половинный шаг.
Последовательность волнового привода PM (a) φ 1 +, (b) φ 2 +, (c) φ 1 -, (d) φ 2 -.
Концептуально простейшим приводом является волновой привод . (Рис. Выше ). Последовательность поворота слева направо положительна. Φ-1 точка северного полюса ротора вверх, (+) φ-2 точки ротора на север справа, отрицательный φ-1 притягивает ротор к северу вниз, (-) φ-2 точки ротора влево , Приведенные ниже волновые формы показывают, что за один раз возбуждается только одна катушка. Хотя это просто, это не создает столько крутящего момента, как другие приводы.
Форма волны: биполярная волна.
Сигналы (рис. Выше ) являются биполярными, поскольку обе полярности (+) и (-) управляют степпиром. Магнитное поле катушки меняет направление вращения, поскольку полярность тока возбуждения меняется на противоположную.
Волновые формы: однополярный волновой привод.
Сигналы формы (рис. Выше ) являются униполярными, поскольку требуется только одна полярность. Это упрощает электронику привода, но требует в два раза больше драйверов. В два раза больше осциллограмм, потому что требуется пара (+) волн для создания переменного магнитного поля при приложении к противоположным концам отцентрированной катушки. Мотор требует переменные магнитные поля. Они могут быть получены либо однополярными, либо биполярными волнами. Однако моторные катушки должны иметь центральные краны для униполярного привода.
Шаговые двигатели с постоянным магнитом изготавливаются с различными конфигурациями свинцовых проволок. (Рисунок ниже )
Схемы подключения шагового двигателя.
4-проводный двигатель может управляться только биполярными сигналами. 6-проводный двигатель, наиболее распространенный вариант, предназначен для однополярного привода из-за центральных ответвлений. Хотя это может быть вызвано биполярными волнами, если центральные краны игнорируются. 5-проводный двигатель может управляться только однополярными волнами, так как общий центральный кран вмешивается, если обе обмотки подключены одновременно. 8-проводная конфигурация редка, но обеспечивает максимальную гибкость. Он может быть подключен для однополярного привода, как для 6-проводного или 5-проводного двигателя. Пара катушек может быть подключена последовательно для высоковольтного биполярного привода с малым током или параллельно для низковольтного высокоточного привода.
Бифилярная обмотка производится путем намотки катушек параллельно двумя проводами, часто красной и зеленой эмалированной проволокой. Этот метод обеспечивает точное соотношение оборотов 1: 1 для центральных резьбовых обмоток. Этот метод обмотки применим ко всем, кроме 4-проводного устройства выше.
Полный шаговый привод обеспечивает больше крутящего момента, чем волновой привод, потому что одновременно оба катушки включаются. Это привлекает полюсы ротора на полпути между двумя полюсами поля. (Рисунок ниже )
Полный шаг, биполярный привод.
Полноступенчатый биполярный привод, как показано на рисунке выше, имеет тот же шаг, что и волновой привод. Для однополярного привода (не показан) требуется пара однополярных сигналов для каждого из вышеуказанных биполярных сигналов, применяемых к концам обмотки с центральным ответвлением. Униполярный привод использует менее сложную и менее дорогостоящую схему драйвера. Дополнительная стоимость биполярного привода оправдана, когда требуется больше крутящего момента.
Шаг угла для данной геометрии шагового двигателя разрезается пополам с помощью полушагового привода. Это соответствует удвоенному количеству импульсов на оборот. (Рис. Ниже ). Половина ступеней обеспечивает большее разрешение при размещении вала двигателя. Например, при половинном шаге двигателе, перемещающем печатающую головку на бумаге струйного принтера, будет вдвое больше плотности точек.
Половина этапов, биполярный привод.
Привод на половину шага представляет собой комбинацию волнового привода и полного шагового привода с одной закрученной обмоткой, за которой следуют оба обмоток, приносящие в два раза больше шага. Ниже приведены однополярные формы сигналов для полушагового привода. Ротор выравнивается с полюсами поля, как для привода волн, так и между полюсами, как для полного шагового привода.
Микросхема возможна со специализированными контроллерами. Изменяя токи на обмотки синусоидально, многие микрошаги могут быть интерполированы между нормальными положениями.
Конструкция шагового двигателя с постоянным магнитом значительно отличается от чертежей выше. Желательно увеличить число полюсов за пределы, показанное для получения меньшего угла шага. Также желательно уменьшить количество обмоток или, по меньшей мере, увеличить количество обмоток для простоты изготовления.
Шаговый двигатель с постоянным магнитом, 24-полюсная конструкция из нержавеющей стали.
Шагомер с постоянным магнитом (рис. Выше ) имеет только две обмотки, но имеет 24 полюса в каждой из двух фаз. Этот стиль конструкции известен как может складываться . Фазовая обмотка обертывается мягкой стальной оболочкой, пальцы доставляются в центр. Один этап, на временной основе, будет иметь северную сторону и южную сторону. Каждая сторона обертывается к центру пончика с двенадцатью переплетенными пальцами в общей сложности 24 полюса. Эти чередующиеся пальцы с севера на юг будут привлекать ротор постоянного магнита. Если полярность фазы была обращена вспять, ротор скакал бы 360 o / 24 = 15 o . Мы не знаем, в каком направлении, что не полезно. Однако, если мы активизируем φ-1, за которым следует φ-2, ротор будет двигаться на 7.5 o, потому что φ-2 смещается (поворачивается) на 7.5 o от φ-1. См. Ниже смещение. И, если фазы чередуются, он будет вращаться в воспроизводимом направлении. Применение любой из вышеперечисленных осциллограмм приведет к вращению ротора постоянного магнита.
Обратите внимание, что ротор представляет собой серый ферритовый керамический цилиндр, намагниченный в 24-полюсном образце. Это можно просмотреть с помощью магнитной пленки-зрителя или железных опилок, нанесенных на бумажную упаковку. Хотя, цвета будут зелеными для северного и южного полюсов с пленкой.
(A) Внешний вид стека, (b) подробная информация о смещении поля.
Конструкция стиля стека шагового типа шагового генератора является отличительной и легко идентифицируемой уложенными «банками». (Рисунок выше ) Обратите внимание на смещение вращения между двумя фазовыми секциями. Это ключ к тому, что ротор следует за переключением полей между двумя фазами.
Описание: шаговый двигатель с постоянным магнитом
Гибридный шаговый двигатель сочетает в себе функции как шага с переменной степенью сопротивления, так и шагового двигателя с постоянным магнитом для создания меньшего угла шага. Ротор представляет собой цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль оси радиальными мягкими железными зубами (рис. Ниже ). Катушки статора наматываются на чередующиеся полюса с соответствующими зубьями. Обычно между фазовыми парами распределены две фазы обмотки. Эта обмотка может быть центрирована для однополярного привода. Центральный кран достигается за счет бифилярной обмотки , пары проводов, повернутых физически параллельно, но проводящихся последовательно. Полюсы север-юг полярности фазовой подстановки, когда ток возбуждения фазы меняется на противоположный. Для несъемных обмоток требуется биполярный привод.
Гибридный шаговый двигатель.
Обратите внимание, что 48-зубцы на одной секции ротора смещены на половину высоты от другого. См. Подробности полюса ротора. Это смещение зубьев ротора также показано ниже. Благодаря этому смещению ротор эффективно имеет 96 чередующихся полюсов противоположной полярности. Это смещение допускает вращение в 1/96 th шагов вращения, изменяя полярность поля одной фазы. Двухфазные обмотки являются общими, как показано выше и ниже. Хотя, может быть целых пять фаз.
Зубы статора на 8-полюсах соответствуют зубам 48-ротора, за исключением отсутствующих зубьев в пространстве между полюсами. Таким образом, один полюс ротора, скажем, южного полюса, может совпадать с статором в 48 различных положениях. Однако зубы южного полюса смещены от северных зубов на половину зуба. Поэтому ротор может совмещаться с статором в 96 различных положениях. Это смещение половины зуба показано в деталях полюса ротора выше или на рисунке ниже .
Как бы это было недостаточно сложно, основные полюсы статора делятся на две фазы (φ-1, φ-2). Эти фазы статора смещены друг от друга на одну четверть зуба. Эта деталь видна только на принципиальных схемах ниже. В результате ротор движется с шагом четверти зуба, когда фазы чередуются под напряжением. Другими словами, ротор движется в 2 × 96 = 192 шага за оборот для вышеупомянутого шагового устройства.
Вышеприведенный чертеж представляет собой настоящий гибридный шаговый двигатель. Однако мы приводим упрощенное графическое и схематическое представление (рисунок ниже ), чтобы проиллюстрировать детали, не очевидные выше. Обратите внимание на уменьшенное количество катушек и зубьев в роторе и статоре для простоты. На следующих двух рисунках мы попытаемся проиллюстрировать вращение четвертого зуба, вызванное двумя фазами статора, смещенными на четверть зуба, и смещением половины зуба ротора. Квадратное смещение статора зуба в сочетании с синхронизацией тока привода также определяет направление вращения.
Схема гибридного шагового двигателя.
Особенности схемы гибридного шагового двигателя (рисунок выше )
Последовательность вращения гибридного шагового двигателя.
Гибридное вращение шагового двигателя (рис. Выше )
Недействующий шаговый двигатель с крутящим моментом затяжки является либо шаговым двигателем с постоянным магнитом, либо гибридным шаговым двигателем. Гибридный шаговый двигатель будет иметь малый угол поворота, что намного меньше, чем 7,5 ° от постоянных магнитов. Шаг угла может составлять долю в градусах, что соответствует нескольким сотням шагов за оборот.
Описание: гибридный шаговый двигатель
shemabook.ru
