Шаговые двигатели принцип работы: Шаговые двигатели. Принцип работы и управление

Содержание

Шаговые двигатели. Принцип работы и управление

14.12.2020

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

Содержание:

Шаговые двигатели: принцип работы и отличия от двигателей постоянного тока

Шаговые синхронные двигатели активного типа

Реактивные шаговые двигатели

Линейные шаговые синхронные двигатели

Режимы работы синхронного шагового двигателя

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.

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.

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.

Назад к списку

устройство, принцип работы, типы, схемы подключения

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

Что такое шаговый двигатель?

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

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

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

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

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

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

Устройство и принцип работы

Рис. 1. Принцип действия шагового двигателя

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

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

Типы шаговых двигателей

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

По конструкции ротора

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

Реактивный

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

С переменным магнитным сопротивлением

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

С постоянными магнитами

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

С постоянным магнитом

Гибридные

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

Устройство гибридного шагового двигателя

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

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

Расположение пазов гибридника

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

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

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

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

По виду обмоток

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

Униполярный

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

Униполярный ШД

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

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

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

Биполярный шаговый двигатель

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

Подключение шагового двигателя

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

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

Типичные схемы подключения ШД

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

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

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

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

Управление шаговым двигателем

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

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

Волновое управление

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

Полношаговое управление

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

Полушаговое управление

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

Без контроллера

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

Схема Н-моста

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

С контроллером

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

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

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

Схема простейшего драйвера

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

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

Полезное видео

Принцип работы шагового двигателя — ООО «СЗЭМО Электродвигатель»

Шаговые двигатели широко используются в бытовых приборах, транспортных средствах, фрезерных и шлифовальных станках и других производственных механизмах. Устройство представляет собой движок постоянного тока, один оборот которого разделен на несколько одинаковых шагов (это обеспечивается благодаря контроллеру). Главное его отличие от моторов других типов – отсутствие щеточного механизма. Шаговый двигатель оснащен блоком управления (приборной панелью), передатчиками и сигнализаторами.

Как работает шаговый электродвигатель

Зная принцип работы шагового двигателя, вы сможете самостоятельно установить его или произвести ремонт. Он функционирует следующим образом:

После подачи напряжения на клеммы начинается непрерывное вращение специальных щеток. Входные импульсы устанавливают ведущий вал в положение, которое заранее определено.
Под воздействием импульсов вал перемещается под фиксированным углом.
Внешняя цепь управления, чаще всего представленная микроконтроллером, возбуждает электромагниты зубчатого типа. Один из них (тот, к которому приложена энергия) притягивает к себе зубья шестерни, вследствие чего вал движка делает поворот.
Будучи выровнены по отношению к ведущему электромагниту, остальные магниты смещаются по направлению к следующей магнитной детали.
Вращение шестеренки обеспечивается отключением первого электромагнита и включением следующего.
Шестеренка выравнивается по отношению к предыдущему колесу, после чего весь процесс повторяется столько раз, сколько необходимо.

Данные вращения являются постоянным шагом. Для определения скорости мотора нужно подсчитать количество шагов, требуемых для его полного оборота. Точность работы обеспечивается благодаря микропроцессорным системам управления шаговых двигателей.

Виды шаговых двигателей

Существует несколько разных моделей шаговых двигателей. Если конструкция устройства предусматривает наличие постоянного магнита, принцип работы основан на притяжении или отталкивании статором и ротором электромагнитного мотора. В переменно-шаговом движке ротор изготавливается из железа. Минимально допустимое отталкивание в нем происходит при наименьшем зазоре, что обеспечивает притяжение точек ротора к полюсам магнитного статора. В механизмах гибридного типа оба вышеприведенных принципа сочетаются и дополняют друг друга. Из-за сложности конструкции и изготовления такие приборы стоят дороже, чем остальные модели.

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

униполярные;
биполярные.

Механизмы первого типа оснащены одной обмоткой. Каждая фаза определяется центральным магнитным краном. При включении определенной секции обмотки обеспечивается нужное направление магнитного поля. Такая конструкция предусматривает работу магнитного полюса без дополнительного переключения, что обеспечивает предельно простую коммутацию цепи, равно как и направления тока. Для работы движка (с учетом фазного переключения) обычно достаточно трех проводов на фазу и шести для выходного сигнала. Микроконтроллер используется для активирования транзистора в нужной последовательности (она определяется программой).

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

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

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

Подключение шагового двигателя

Выбор схемы подключения шагового двигателя зависит от:

количества проводов в приводе;
способа запуска механизма.

Существующие модели движков имеют 4, 5, 6 или 8 проводов. Прибор с четырьмя проводами можно подключать только к биполярным устройствам. Он оснащен двумя фазными обмотками, каждая из которых имеет два провода. Для пошагового подключения драйвера необходимо определить пары проводов с непрерывной связью с помощью метра.

В механизме с шестью проводами каждая обмотка имеет два провода и центральный кран. Движки этой модели характеризуются высокой мощностью и подключаются как к биполярным, так и к однополярным исполнительным устройствам. В первом случае используется один центр-кран каждой обмотки и один конец провода. Во втором случае используются все шесть проводов. Разделение провода осуществляется с помощью измерительного прибора.

Отличие пятипроводного мотора от шестипроводной модели заключается в том, что соединение центральных клемм представляет собой сплошной кабель, который выходит к центральному проводу. Поскольку отделение одной обмотки от другой без разрывов не представляется возможным, необходимо определить центр провода, после чего соединять его с другими проводниками. Это будет самым безопасным и максимально эффективным решением. Затем движок подключается к сети и проводится проверка его работоспособности.

Для успешной эксплуатации механизма нужно иметь в виду следующие нюансы:

Номинальное напряжение производится первичной обмоткой при постоянном токе.
Изменение начальной скорости крутящего момента прямо пропорционально изменению тока.
Скорость понижения линейного момента на последующих высоких скоростях зависит от индуктивности обмоток и схемы привода.

Благодаря высокой степени защиты шаговые двигатели успешно работают в тяжелых условиях.

Схема управления шаговым двигателем и принцип работы

ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ — ПРИНЦИП РАБОТЫ

Шаговые двигатели — это устройства, задача которых преобразование электрических импульсов в поворот вала двигателя на определённый угол, для совершения механической работы, приводящей в движение различные механизмы.

Принцип работы шаговых двигателей

Принцип работы шаговых двигателей можно изложить кратко. ШД, как и все типы двигателей, состоят из статора (состоящего из катушек (обмоток)) и ротора, на котором установлены постоянные магниты.

На картинке изображены 4 обмотки, расположенные на статоре под углом в 90 градусов относительно друг друга. Тип обмотки зависит от конкретного типа подключения шагового двигателя (как подключить шаговый двигатель).На примере выше обмотки двигателя не соединены, значит двигатель с такой схемой имеет шаг поворота в 90 градусов. Обмотки задействуются поочередно по часовой стрелке, а направление вращения вала двигателя обусловлено порядком задействования обмоток. Вал двигателя вращается на 90 градусов каждый раз, когда через очередную катушку протекает ток.

Шаговые двигатели — применение

Область применения шаговых двигателей довольно широка, они используются в промышленности, в принтерах, автоматических инструментах, приводах дисководов, автомобильных приборных панелях и других приложениях, требующих высокой точности позиционирования.

Принято различать шаговые двигатели и серводвигатели. Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению, в качестве которого обычно используется 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 (униполярные и биполярные) 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).

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.

Управление биполярным шаговым двигателем требует наличия мостовой схемы. 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 физическими возможностями 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 вала двигателя.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.

Шаговые синхронные двигатели активного типа

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

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.

Число тактов K_T системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления K_T=4, а для несимметричной K_T=8.

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

K_T = m_уn₁n₂,

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.

α_ш=360/К_тр

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.

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

Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:

α_ш=360/К_тZ_р

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

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.

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

Линейные шаговые синхронные двигатели

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.

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.

ΔX_ш=t_z/К_t

где K_t — число тактов схемы управления.

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.

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

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

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.

Приемистость падает с увеличением нагрузки.

DARXTON

Шаговый двигатель

Дмитрий Левкин

Конструкция

Характеристики

Предшественником шагового двигателя является серводвигатель.

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

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

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

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

Гибридный шаговый электродвигатель

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

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

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

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

реактивный;

с постоянными магнитами;

гибридный.

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

Трехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 30°)

Четырехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 15°)

Ниже представлены осциллограммы управления для трехфазного шагового двигателя.

Униполярное волновое управление

Биполярное полношаговое управление

Биполярное 6-шаговое управление

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

где N_R — количество полюсов ротора;

N_S – количество полюсов статора.

Осциллограммы управления 4-х фазным реактивным шаговым двигателем

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

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

ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами;

наименее сложный и самый дешевый шаговый двигатель;

отсутствует фиксирующий момент в обесточенном состоянии;

большой угол шага.

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

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

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

униполярный (однополярный),

биполярный (двухполярный).

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель

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

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

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

Схема униполярного двухфазного шагового двигателя

Схема биполярного двухфазного шагового двигателя

Биполярный шаговый двигатель

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

Управление шаговым двигателем с постоянными магнитами

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

волновое,

полношаговое,

полушаговое.

Волновое управление

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

Положение ротора шагового двигателя при волновом управлении

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

Волновое управление биполярным шаговым двигателем

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

Волновое управление униполярным шаговым двигателем

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

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

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

Схема 4 выводного биполярного шагового двигателя

Схема 5 выводного униполярного шагового двигателя

Схема 6 выводного униполярного шагового двигателя

Схема 8 выводного шагового двигателя

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

униполярной;

биполярной с последовательным соединением. Больше индуктивность, но ниже ток обмотки;

биполярной с параллельным соединением. Больше ток, но ниже индуктивность;

биполярной с одной обмоткой на фазу. Метод использует только половину обмоток двигателя при работе, что уменьшает доступный момент на низких оборотах, но требует меньше тока.

Полношаговое управление

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

Положение ротора шагового двигателя при полношаговом управлении

Полношаговое биполярное управление шаговым двигателем

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

Полушаговое управление

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

Положение ротора шагового двигателя при полушаговом управлении

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

Полушаговое биполярное управление шаговым двигателем

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

Конструкция гибридного шагового двигателя (осевой разрез)

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

Гибридный шаговый двигатель (радиальный разрез)

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

Ротор гибридного шагового двигателя

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

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

шаг меньше, чем у реактивного двигателя и двигателя с постоянными магнитами;

ротор — постоянный магнит с тонкими зубьями. Северные и южные зубья ротора смещены на половину зубцового деления для уменьшения шага;

полюсы статора имеют такие же зубья как и ротор;

статор имеет не менее чем две фазы;

зубья соседних полюсов статора смещены на четверть зубцового деления для создания меньшего шага.

Библиографический список

ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.

Н.И.Волков, В.П.Миловзоров. Электромашинные устройства автоматики: Учеб. для вузов по спец. «Автоматика и телемеханика».- 2-е изд.- М.:Высш.шк., 1986.

Шаговый двигатель — принцип работы, применение, виды, характеристики, особенности, конструкции

Главная

/ Реестр

/ Что такое шаговый двигатель, конструкция, где применяется?

Шаговый двигатель представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. По конструкции это бесколлекторный синхронный мотор с ротором, совершающим дискретные перемещения с фиксацией положения после каждого смещения. Величина шага строго определена, что позволяет вычислять абсолютную позицию ротора, подсчитав количество шагов.

Принципы действия биполярных и униполярных шаговых двигателей

Биполярный

Основные элементы шагового двигателя – ротор и статор. Первый представляет собой постоянный двухполюсный магнит. Он располагается на валу устройства. Статор – это замкнутый магнитопровод в виде кольца, он состоит из двух обмоток, половинки которых находятся на противоположных полюсах. На обмотке АВ – вертикально размещенные, на СD – горизонтально расположенные.

При подаче напряжения на АВ появляется магнитное поле статора. Сверху полюс N, внизу S. Так как разноименные полюса притягиваются, ротор двигателя займет положение, при котором ось его магнитного поля совпадет с осью работающих АВ. Такое расположение ротора двигателя является очень устойчивым, если попытаться его сдвинуть, возникнет сила, которая будет его возвращать назад.

Напряжение с обмотки АВ снимается и подается на обмотку CD, в результате чего возникает магнитное поле, в котором полюса расположены горизонтально – справа N, а слева S. Соответственно, постоянный магнит ротора расположится по горизонтальной оси, проделав минимальный путь – повернувшись на четверть оборота. Это будет шагом двигателя.

Каждая последующая коммутация (со сменой полярности при подключении обмотки) заставит ротор поворачиваться на одну четвертую окружности. На полный оборот потребуется четыре шага. Частота вращения пропорциональна частоте переключения фазных обмоток. Если подключать фазы, меняя полярность в противоположной последовательности, ротор шагового двигателя будет вращаться в обратную сторону.

Униполярный

Выше был описан принцип работы биполярного шагового двигателя – у него для каждой фазы предусмотрено две обмотки. Чтобы менять магнитное поле, необходимо каждую обмотку:

отключить от источника электротока,

подключить в прямой полярности,

подключить в обратной полярности.

Осуществить коммутацию позволяет мостовой драйвер, который представляет собой сложную микросхему. Такой вариант подходит, если ток коммутации не превышает 2 А. Решить вопрос с управлением биполярным двигателем значительно сложнее при потребности в больших коммутационных токах. Значительно проще менять магнитное поле в статоре шагового двигателя, если использовать устройство с униполярными обмотками. В этом случае один вывод у всех четырех обмоток подсоединен к плюсовому выводу, а А, В, С и D последовательно подсоединяются к минусовому сигналу. В результате при каждой коммутации создается магнитное поле, заставляющее ротор двигателя повернуться. Коммутация по такому принципу обеспечивается четырьмя ключами, которые замыкают обмотки на землю. Управление ключами обычно осуществляется с выводов микроконтроллера.

При выборе шагового двигателя следует учитывать, что биполярный, при тех же габаритах, что и униполярный, обеспечивает больший крутящий момент. Выигрыш достигает 40 %. Это связано с тем, что в шаговом униполярном двигателе задействуется одна обмотка, а в биполярном две. Преимуществом устройства с одной обмоткой является простое управление.

Виды шаговых двигателей

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

Устройства с переменным магнитным сопротивлением

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

Устройства с постоянными магнитами

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

Гибридные устройства

В конструкции шаговых гибридных двигателей присутствует и зубчатый ротор, и постоянные магниты. Функционирует устройство по тому же принципу, что и двигатель с постоянными магнитами, но гибридный вариант отличается большим числом полюсов. За счет такого количества полюсов у гибридных шаговых двигателей больший момент, выше скорость и меньше величина шага. Максимальное число на один оборот может доходить до 400, при этом угол шага составляет 0,9 градусов. Гибридные устройства сложнее в изготовлении и дороже шаговых устройств других типов, но благодаря высокой функциональности пользуются спросом.

Особенности управления

Для управления двигателем с дискретным движением ротора используются следующие режимы: полношаговый, полушаговый и микрошаговый.

Полношаговый режим

При таком способе двигателем производится попеременная коммутация фаз. При этом к источнику напряжения фазы подключаются попеременно без перекрытия. Точки равновесия ротора при таком управлении совпадают с полюсами статора. К недостаткам полношагового режима относят то, что в каждый момент времени у биполярного двигателя используется половина обмоток, а у униполярного лишь четверть. Если подключить две фазы на полный шаг, то ротор будет зафиксирован между полюсами статора благодаря подаче питания на все обмотки. При этом увеличивается крутящий момент шагового двигателя, а положение ротора в состоянии равновесия смещается на полшага. Угол шага при этом остается неизменным.

Полушаговый режим

Если каждый второй шаг включать одну фазу, а между этим включать сразу две, можно увеличить количество перемещений на один оборот в два раза. Такая коммутация, соответственно, в два раза уменьшает угол шага. При этом достичь полного момента в полушаговом режиме невозможно. Режим активно используется, так как позволяет простым способом вдвое увеличить число шагов двигателя. Важно учитывать, что при снятии напряжения со всех фаз в полношаговом и полушаговом режиме ротор остается в свободном состоянии и может произойти его смещение при механических воздействиях. Для фиксации ротора требуется в обмотках двигателя формировать ток удержания. Обычно его значение намного меньше номинального. Благодаря способности шагового двигателя фиксировать положение ротора при остановке отсутствует необходимость использовать тормозную систему, фиксаторы и иные приспособления.

Микрошаговый режим

Чтобы максимально увеличить число шагов двигателя, используется микрошаговый режим. Для этого требуется включить две фазы и распределить ток обмоток неравномерно. При смещении магнитного поля статора относительно полюсов смещается и сам ротор. У диспропорции токов между рабочими фазами двигателя обычно наблюдается дискретность, которая определяет величину микрошага. Количество микрошагов на один оборот ротора шагового двигателя может составлять более 1 000. Устройство, работающее в таком режиме, можно максимально точно позиционировать. Однако данный способ управления является достаточно сложным.

Основные достоинства

К достоинствам шаговых двигателей относят:

точное позиционирование, которое не требует обратной связи. Угол поворота определяется числом электрических импульсов;

полный крутящий момент, который двигатель обеспечивает при снижении скорости вращении и до полной остановки;

фиксацию положения шагового двигателя при помощи тока удержания;

высокую точность регулировки скорости вращения без необходимости использования обратной связи;

быстрый старт и остановку двигателя, реверс;

высокую надежность. Устройства долговечны благодаря отсутствию коллекторных щеток.

Основные недостатки

К недостаткам шаговых двигателей можно отнести:

относительно невысокие скорости вращения;

сложную систему управления;

риск эффекта резонанса;

риск потери позиционирования ротора шагового двигателя под воздействием механических перегрузок;

низкую удельную мощность.

Характеристики

Двигатель шагового типа является сложным механическим и электротехническим устройством. Список основных характеристик, которые следует учитывать при выборе устройства, включает:

сопротивление обмотки фазы. Показатель сопротивления обмотки при работе на постоянном токе;

число полных шагов за один оборот ротора. Это основной параметр шагового двигателя, который определяет точность позиционирования, плавность движения, разрешающую способность;

угол полного шага. Это величина угла, на который поворачивается ротор за одно перемещение. Для расчета можно разделить 360° на количество шагов;

номинальный ток. Наибольшее значение тока, при котором двигатель может работать неограниченно долгое время;

номинальное напряжение. Максимально допустимое постоянное напряжение на обмотке при статическом режиме шагового двигателя;

сопротивление изоляции. Величина сопротивления между корпусом и обмотками;

момент инерции ротора. Чем меньше инерционность ротора, тем он быстрее разгоняется;

крутящий момент. Для шагового двигателя это ключевой механический параметр. Указывается максимальное значение для конкретной модели двигателя;

пробивное напряжение. Показатель минимального напряжения, при котором возникает пробой изоляции между корпусом и обмотками;

индуктивность фазы. Данный параметр принимают во внимание, если от двигателя требуется высокая скорость вращения. От него зависит скорость увеличения тока в обмотке. Если фазы следует переключать с высокой частотой, необходимо увеличивать напряжение для быстрого нарастания тока;

удерживающий момент. Это показатель крутящего момента при остановленном шаговом двигателе и при двух фазах, запитанных номинальным током.

Сфера применения

Шаговые двигатели рассчитаны на использование в составе устройств с дискретным управлением, где необходимо точно позиционировать исполнительные механизмы. Также они применяются в промышленном оборудовании с программным управлением, где требуется обеспечить непрерывное движение по заданной траектории и импульсное влияние исполнительными механизмами. Ротор шагового двигателя способен поворачиваться на заданный угол и на определенное количество оборотов вокруг своей оси. Благодаря этому шаговые устройства позволяют позиционировать считывающие головки проигрывателей оптических дисков, дисковых накопителей, печатающих головок сканеров, принтеров и иных устройств. Такие двигатели широко используются не только на производстве и в составе бытовой техники. Эти устройства востребованы радиотехниками, робототехниками, мастерами-любителями, изготавливающими самодельные станки с ЧПУ, движущиеся устройства и т. д. Для управления применяются специально разработанные контроллеры либо сложные электронные схемы. Управлять импульсными сигналами, заставляющими двигатель работать в заданном режиме, также можно через порт компьютера.

Твитнуть

Плюсануть

Класснуть

Шаговый двигатель

: основы, типы и работа

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель или шаговый двигатель — это бесщеточный синхронный двигатель, который делит полный оборот на несколько шагов. В отличие от бесщеточного двигателя постоянного тока, который непрерывно вращается при подаче на него фиксированного напряжения постоянного тока, шаговый двигатель вращается с дискретными углами шага. Таким образом, шаговые двигатели изготавливаются с шагом на оборот 12, 24, 72, 144, 180 и 200, что дает угол шага 30, 15, 5, 2,5, 2 и 1,8 градуса на шаг. Шаговый двигатель может управляться как с обратной связью, так и без нее.

Рис. 1. Изображение широко используемого бесщеточного шагового двигателя постоянного тока

Как работает шаговый двигатель?

Шаговые двигатели работают по принципу электромагнетизма. Вал ротора из мягкого железа или магнита окружен электромагнитными статорами. Ротор и статор имеют полюса, которые могут быть зубчатыми или нет, в зависимости от типа шагового двигателя. Когда на статоры подается питание, ротор перемещается, чтобы выровняться со статором (в случае шагового двигателя с постоянным магнитом) или перемещается, чтобы иметь минимальный зазор со статором (в случае шагового двигателя с переменным сопротивлением). Таким образом, статоры последовательно запитываются, чтобы вращать шаговый двигатель. Получите больше информации о работе шаговых двигателей с помощью интересных изображений на сайте stepper motor Insight.

Рис. 2: Общий обзор внутренней структуры и работы типичного шагового двигателя

Типы шагового двигателя

По строительству. Пошаговые двигатели входят в три широких класса:

1. Шаговый двигатель с постоянным магнитом

2. Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

3. Гибридный шаговый двигатель

Эти три типа подробно описаны в следующих разделах.

Тип 1: Постоянный магнит

1. Шаговый двигатель с постоянным магнитом :

Полюса ротора и статора шагового двигателя с постоянными магнитами не зубчатые. Вместо этого ротор имеет чередующиеся северный и южный полюса, параллельные оси вала ротора.

Рис. 3: Схема поперечного сечения двухфазного постоянного шагового двигателя

Когда статор находится под напряжением, он создает электромагнитные полюса. Магнитный ротор выравнивается вдоль магнитного поля статора. Затем в последовательности подается питание на другой статор, так что ротор движется и выравнивается с новым магнитным полем. Таким образом, подача питания на статоры в фиксированной последовательности приводит к вращению шагового двигателя на фиксированные углы.

Рис. 4. Схема, поясняющая работу шагового двигателя с постоянными магнитами

Разрешение шагового двигателя с постоянными магнитами можно увеличить, увеличив число полюсов ротора или количество фаз.

Рис. 5. Рисунок, показывающий способы увеличения разрешения шагового двигателя с постоянными магнитами

0005 2.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением :

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением имеет зубчатый ротор из немагнитного мягкого железа. Когда катушка статора находится под напряжением, ротор перемещается так, чтобы между статором и его зубьями был минимальный зазор.

Рис. 6: Принципиальная схема двухфазного шагового двигателя с регулируемым сопротивлением Теперь, когда на следующий статор подается питание, ротор перемещается, чтобы выровнять свои зубья со следующим статором. Таким образом, подача питания на статоры в фиксированной последовательности завершает вращение шагового двигателя.

Рис. 7. Диаграмма, поясняющая работу шагового двигателя с переменным сопротивлением

Разрешение шагового двигателя с переменным сопротивлением можно увеличить, увеличив количество зубцов в роторе и число фаз.

Рис. 8. Рисунок, показывающий способы увеличения разрешения шагового двигателя с переменным сопротивлением

0061

3. Гибридный шаговый двигатель :

Гибридный шаговый двигатель представляет собой комбинацию постоянного магнита и переменного сопротивления. Он имеет ротор с магнитными зубьями, который лучше направляет магнитный поток в нужное место в воздушном зазоре.

Рис. 9. Конструкция двухфазного гибридного двигателя

Магнитный ротор имеет две чашки. Один для северных полюсов и второй для южных полюсов. Чашки ротора сконструированы таким образом, что северный и южный полюса расположены попеременно. Узнайте о гибридном шаговом двигателе.

Рис. 10: Схема, показывающая внутреннюю структуру магнитного ротора в гибридном двигателе

Гибридный двигатель вращается по тому же принципу, что и обмотки статора.

Рис. 11: Диаграмма, объясняющая работу гибридного шагового двигателя

Типы проводки

Типы обмотки и вывод

. Степень. моторы. Они могут быть однополярными или биполярными. У униполярного шагового двигателя по две обмотки на фазу. Две обмотки к полюсу могут иметь один общий вывод, т. е. с отводом от центра. Униполярный двигатель, таким образом, имеет пять, шесть или восемь выводов. В конструкциях, в которых общие два полюса разделены, но имеют отвод посередине, двигатель имеет шесть выводов. Если центральные ответвления двух полюсов внутренне короткие, двигатель имеет пять проводов. Восьмивыводной униполярный двигатель обеспечивает как последовательное, так и параллельное соединение, в то время как пятивыводные и шестипроводные двигатели имеют последовательное соединение катушек статора. Униполярный двигатель упрощает работу, так как при их работе нет необходимости реверсировать ток в цепи возбуждения. Их еще называют бифилярными моторами.

Рис. 12. Схема подключения униполярного шагового двигателя с разными выводами

В биполярном шаговом двигателе имеется одна обмотка на полюс. Направление тока должно быть изменено управляющей схемой, поэтому управляющая схема биполярного шагового двигателя становится сложной. Их также называют унифилярными двигателями.

Рис. 13. Схема подключения биполярного шагового двигателя с выводами

Шаговые режимы

Существует три шаговых режима шагового двигателя. Шаговый режим относится к последовательности включения катушек статора.

1. Волновой привод (включение одной фазы)

2. Полный привод (включение двух фаз одновременно)

3. Полупривод (включение одной и двух фаз одновременно)

1 . Волновой привод :

В шаговом режиме волнового привода одновременно активируется только одна фаза.

Рис. 14. Шаблон шагового режима волнового привода в шаговом двигателе

2. Полный привод :

В режиме полного привода одновременно подаются две фазы.

Рис. 15: Схема шагового режима полного привода в шаговом двигателе

3. Полупривод : две фазы попеременно запитываются одной фазой и

половинами. Это увеличивает разрешение двигателя.

Рис. 16: Образец режима шаговой режима полупривода в шаговом двигателе

Подано: Последние статьи
.

Теория шагового двигателя

Другой распространенной обмоткой является униполярная обмотка. Он состоит из двух обмоток на полюсе, соединенных таким образом, что когда одна обмотка находится под напряжением, создается магнитный северный полюс, а когда другая обмотка находится под напряжением, создается южный полюс. Это называется униполярной обмоткой, потому что электрическая полярность, то есть ток, протекающий от привода к катушкам, никогда не меняется на противоположный. Последовательность шагов показана на рис. 6. Эта конструкция позволяет упростить электронный привод. Однако доступный крутящий момент примерно на 30% меньше по сравнению с биполярной обмоткой. Крутящий момент ниже, потому что катушка под напряжением использует вдвое меньше меди по сравнению с биполярной катушкой.

Рисунок 6: Униполярная обмотка

Другие ступенчатые углы

Для получения меньших углов шага требуется больше полюсов как на роторе, так и на статоре. На роторе требуется такое же количество пар полюсов, как и на одном статоре. Ротор двигателя 7,5° имеет 12 пар полюсов, а каждая полюсная пластина имеет 12 зубьев. Две полюсные пластины на катушку и две катушки на двигатель; следовательно, 48 полюсов в шаговом двигателе 7,5°. На рис. 7 показаны 4 полюсные пластины двигателя 7,5° в разрезе. Конечно, несколько шагов можно комбинировать, чтобы обеспечить более крупные движения. Например, шесть шагов шагового двигателя на 7,5° обеспечат перемещение на 45°.

Рис. 7. Частичный разрез, показывающий полюсные пластины углового двигателя с шагом 7,5°.

Точность

Точность для степперов со стопкой банок составляет 6–7 % на шаг, не суммируется. Шаговый двигатель с шагом 7,5° будет находиться в пределах 0,5° от теоретического положения для каждого шага, независимо от того, сколько шагов было сделано. Инкрементальные ошибки не являются кумулятивными, поскольку механическая конструкция двигателя диктует движение на 360° для каждого полного оборота. Физическое положение полюсных пластин и магнитная диаграмма ротора приводят к повторяемости диаграммы направленности при каждом повороте на 360° (без нагрузки).

Резонанс

Шаговые двигатели имеют собственную резонансную частоту в результате того, что двигатель представляет собой пружинно-массовую систему. Когда скорость шага равна собственной частоте двигателя, может быть слышно изменение шума, издаваемого двигателем, а также усиление вибрации. Резонансная точка будет варьироваться в зависимости от приложения и нагрузки, но обычно происходит где-то между 70 и 120 шагами в секунду. В тяжелых случаях двигатель может терять ступени на резонансной частоте. Изменение скорости шага — простейший способ избежать многих проблем, связанных с резонансом в системе. Кроме того, полушаг или микрошаг обычно уменьшают проблемы с резонансом. При разгоне до скорости необходимо как можно быстрее пройти зону резонанса.

Момент затяжки

Крутящий момент, создаваемый определенным роторным шаговым двигателем, зависит от:

• Шаг скорости
• Ток через обмотки
• Тип используемого привода

(Усилие, создаваемое линейным двигателем, также зависит от этих факторов. )

Крутящий момент представляет собой сумму момента трения (Tf) и момента инерции (Ti).

Момент трения (унции-дюймы или грамм-см) — это сила (F) в унциях или граммах, необходимая для перемещения груза, умноженная на длину в дюймах или см плеча рычага, используемого для привода груза ( г), как показано на рисунке 8.

Рис. 8. Момент трения — это сила (F), необходимая для перемещения груза, умноженная на длину плеча рычага ( р ).

Инерционный крутящий момент (Ti) — это крутящий момент, необходимый для ускорения груза (грамм-см2).

Следует отметить, что по мере увеличения частоты шагов двигателя увеличивается и противоэлектродвижущая сила (ЭДС) (т. е. генерируемое напряжение) двигателя. Это ограничивает протекание тока и приводит к уменьшению полезного выходного крутящего момента.

Линейные приводы

Вращательное движение шагового двигателя может быть преобразовано в линейное с помощью нескольких механических средств. К ним относятся зубчатая рейка, ремень, шкивы и другие механические соединения. Все эти варианты требуют различных внешних механических компонентов. Наиболее эффективный способ выполнить это преобразование — внутри самого двигателя. Линейный привод был впервые представлен в 1968. Некоторые типичные линейные приводы показаны ниже.

Рис. 9: Типовые линейные приводы

Преобразование вращательного движения в поступательное внутри линейного привода осуществляется с помощью резьбовой гайки и ходового винта. Внутренняя часть ротора имеет резьбу, а вал заменен ходовым винтом. Для создания линейного движения необходимо предотвратить вращение ходового винта. Когда ротор вращается, внутренняя резьба входит в зацепление с ходовым винтом, что приводит к линейному движению. Изменение направления вращения меняет направление линейного движения на противоположное. Базовая конструкция линейного привода показана на рис. 10.

Рис. 10. Линейный привод в разрезе, показывающий соединение ротора с резьбой и ходового винта.

Линейное перемещение на шаг двигателя определяется углом шага вращения двигателя и шагом резьбы комбинации гайки ротора и ходового винта. Резьба с крупным шагом обеспечивает большее перемещение на шаг, чем винты с мелким шагом. Однако при заданной скорости шага винты с мелким шагом обеспечивают большее усилие. Винты с мелким шагом, как правило, не могут быть закручены вручную или перемещены, когда двигатель обесточен, в то время как многие винты с крупным шагом могут. Между ротором и резьбой должен быть небольшой зазор, чтобы обеспечить свободу движения для эффективной работы. Это приводит к осевому люфту от 0,001 до 0,003 дюйма (также называемому люфтом). Если требуется исключительная точность позиционирования, люфт можно компенсировать, всегда приближаясь к конечному положению с одного и того же направления. Выполнение преобразования вращательного движения в поступательное внутри ротора значительно упрощает процесс обеспечения линейного движения для многих приложений. Поскольку линейный привод является автономным, требования к внешним компонентам, таким как ремни и шкивы, значительно снижаются или устраняются. Меньшее количество компонентов упрощает процесс проектирования, снижает общую стоимость и размер системы, а также повышает надежность продукта.

Усталость/жизнь

При правильном применении линейные приводы марки Haydon™ обеспечивают до 20 миллионов циклов, а роторные двигатели Haydon обеспечивают до 25 000 часов работы. В конечном итоге усталость двигателя и результирующий срок службы определяются уникальным применением каждого клиента. Следующие определения важны для понимания двигательной жизни и усталости.

Непрерывный режим: Работа двигателя при его номинальном напряжении.

Рабочий цикл 25%: Работа двигателя при удвоенном номинальном напряжении на приводе L/R. Двигатель включен примерно 25% времени. Мощность двигателя примерно на 60 % больше, чем при номинальном напряжении. Обратите внимание, рабочий цикл не связан с нагрузкой на двигатель.

Ресурс: Ресурс линейного привода — это количество циклов, которое двигатель может выполнять при заданной нагрузке и поддерживать точность шага. Срок службы роторного двигателя – это количество часов работы.

Один цикл: Цикл линейного привода состоит из выдвижения и возврата в исходное положение.

Существуют некоторые общие рекомендации, которые можно использовать для выбора подходящего двигателя и обеспечения максимального срока службы. В конечном счете, чтобы определить производительность шагового двигателя в данной системе, лучше всего провести тестирование окончательной сборки в «полевых условиях» или в настройках, которые максимально приближены к этим условиям.

Поскольку в шаговом двигателе нет изнашиваемых щеток, его срок службы обычно намного превышает срок службы других механических компонентов системы. Если шаговый двигатель выйдет из строя, вероятно, будут задействованы определенные компоненты. Подшипники и интерфейс ходового винта/гайки (в линейных приводах) обычно являются первыми компонентами, испытывающими усталость. Требуемый крутящий момент или тяга, а также условия эксплуатации являются факторами, влияющими на эти компоненты двигателя.

Если двигатель работает при номинальном крутящем моменте или тяге или близко к ним, это может повлиять на срок службы. Испытания Haydon Kerk Motion Solutions показали, что срок службы двигателя увеличивается в геометрической прогрессии при снижении рабочих нагрузок. Как правило, двигатели должны быть рассчитаны на работу с нагрузкой от 40% до 60% от их максимальной допустимой нагрузки. Факторы окружающей среды, такие как высокая влажность, воздействие агрессивных химикатов, чрезмерная грязь/мусор и высокая температура, влияют на срок службы двигателя. Механические факторы в сборке, такие как боковая нагрузка на вал линейных приводов или несбалансированная нагрузка в поворотных приводах, также отрицательно влияют на срок службы.

Если двигатель используется с уменьшенным рабочим циклом и к двигателю приложено чрезмерное напряжение, время «включения» должно быть таким, чтобы не превышался максимальный рост температуры двигателя. Если у двигателя недостаточно времени «выключено», будет выделяться слишком много тепла, что приведет к перегреву обмоток и, в конечном итоге, к выходу из строя.

Надлежащее проектирование системы, минимизирующей эти факторы, обеспечит максимальный срок службы двигателя. Первым шагом к максимальному увеличению срока службы является выбор двигателя с коэффициентом безопасности, равным двум или более. Вторым шагом является обеспечение механической прочности системы за счет сведения к минимуму боковых нагрузок, несбалансированных нагрузок и ударных нагрузок. Система также должна рассеивать тепло. Воздушный поток вокруг двигателя или монтаж, который обеспечивает некоторый отвод тепла, является типичным средством отвода тепла. Если в системе присутствуют агрессивные химикаты, двигатель и все остальные компоненты должны быть защищены. Наконец, тестирование двигателя и узла в «полевых условиях» обеспечит пригодность для применения.

При соблюдении этих простых правил линейные приводы Haydon™ обеспечивают надежную работу в широком диапазоне применений. Если вам нужна помощь в проектировании, инженеры по применению Haydon Kerk помогут вам добиться максимального срока службы и производительности наших двигателей.

Принцип работы шагового двигателя — руководство по электротехнике

Привет друзья,

В этой статье я обсуждаю 9Принцип работы шагового двигателя 0005 , его основы и применение. Вы найдете его информативным и интересным. Так что продолжайте читать.

Как следует из названия, шаговый двигатель в пределах своего рабочего диапазона и возможностей запускает, останавливает, реверсирует и перемещается на заданный угол шага по командам от электронного логического контроллера. Другими словами, шаговый двигатель — это устройство, которое преобразует цифровые импульсы в точное угловое движение.

Шаговый двигатель представляет собой двигатель постоянного тока с полем, размещенным на роторе в виде постоянных магнитов с двумя, тремя или четырьмя наборами катушек, называемых фазами, размещенными в статоре вокруг ротора. Обмотки подключены к внешнему логическому драйверу, который последовательно подает на обмотки импульсы напряжения. Двигатель реагирует на эти импульсы и по команде выполняет операции пуска, останова и реверса.

И ротор, и статор имеют определенное количество зубьев, соответствующее расчетному углу шага. Угол шага определяется как угловое смещение ротора в ответ на каждый импульс.

Положение ротора зависит от угла шага и количества импульсов. Скорость вращения зависит от скорости импульсов (а не напряжения питания), которые точно контролируются; что делает шаговый двигатель идеальным приводом для операций, связанных с точным позиционированием. В отличие от управляющих и серводвигателей, для замыкания контура и контроля положения и скорости ротора не требуется обмотка управления с обратной связью.

Принцип работы шагового двигателя поясняется на рисунке. Ротор занимает положение по возбуждению обмотки:

В положении (а) находится под напряжением только обмотка А .
В положении (b) обе обмотки, A и B , находятся под напряжением.
В положении (с) обмотка В находится под напряжением и т.д.

Из приведенного выше рисунка легко понять, что мы можем вращать ротор поэтапно, подавая ток на катушки статора в определенной последовательности. Это то, что мы делаем в шаговых двигателях. Подробную информацию о работе шагового двигателя вы можете найти в моей следующей статье.

Система шагового двигателя должна ускоряться и замедляться со скоростью, позволяющей двигателю преодолевать инерцию системы. По этой причине роторы имеют меньший диаметр и большую длину. Если шаговый двигатель динамически перегружен, у него будет проскальзывать фаза. Эти двигатели лучше всего подходят для приложений, где нагрузки находятся в пределах мощности двигателя.

Удерживающий момент — это максимальный момент нагрузки, который может преодолеть двигатель, не вызывая проскальзывания ротора из положения устойчивого равновесия.

Работа шагового двигателя точна и точна в широком диапазоне скоростей. Допуск точности – это максимальное отклонение от номинальных значений смещения каждого ротора в ответ на входной импульс в условиях холостого хода. Допуск точности обычно находится в диапазоне от 3 до 5%, и эта ошибка не является кумулятивной.

Диапазон срабатывания шагового двигателя

Если скорость переключения постепенно увеличивается, достигается точка, в которой любое дальнейшее увеличение скорости переключения не может разогнать двигатель от состояния покоя до синхронной скорости. Говорят, что двигатель достиг скорости «втягивания». Двигатель может работать как шаговый двигатель, реагируя на команды пуска-останова только в пределах этой скорости переключения, также называемой его «диапазоном отклика».

При дальнейшем увеличении скорости переключения двигатель работает в пределах диапазона поворота, при котором он не реагирует на команды пуска и останова, но развивает крутящий момент, достаточный для преодоления крутящего момента нагрузки. Дальнейшее увеличение скорости переключения приводит к выходу двигателя из синхронизма.

Контроллер шагового двигателя

Блок-схема типичного контроллера шагового двигателя показана на рисунке. Обмотки возбуждаются в определенной последовательности с заданной скоростью. Поскольку выходные сигналы логических последовательностей слишком слабы, чтобы подать питание на обмотки двигателя, они используются для управления тиристорами, которые, в свою очередь, подают питание на обмотки.

Резонанс в шаговом двигателе

Ротор колеблется из-за инерционного эффекта относительно каждого нового положения, и этот эффект более заметен на малых скоростях. Если ступенчатая частота соответствует одному из обратных пиков этих колебаний, двигатель может время от времени прыгать назад по фазе вместо шага вперед. Этот эффект известен как резонанс в шаговом двигателе и может нарушить работу. Самое простое решение — не работать вблизи зоны резонанса. Другими мерами по преодолению проблемы могут быть:

Работа в полушаговом режиме.
Улучшенное демпфирование.
Использование демпфирующих резисторов между фазами.

Применение шаговых двигателей

Чаще всего шаговые двигатели применяются в кварцевых аналоговых часах. Из-за простоты логического управления, точности и надежности шаговые двигатели широко используются в периферийных устройствах компьютеров, станках с ЧПУ, пультах дистанционного управления, контрольно-измерительных приборах и т. д. Рентгеновские плоттеры, матричные принтеры, головки чтения/записи гибких и винчестерских дисков — все используют шаговые двигатели в качестве приводов позиционирования. Двухфазные двигатели используются для приложений с очень малым крутящим моментом. В основном шаговые двигатели большей мощности относятся к 3-х или 4-х фазным типам.

Спасибо, что прочитали о «принципе работы шагового двигателя».

Читайте также: Как работает шаговый двигатель?

Что такое шаговый двигатель? Типы, конструкция, работа и применение

Содержание

Изобретение специальных плат драйверов шаговых двигателей и других технологий цифрового управления для сопряжения шагового двигателя с системами на базе ПК является причиной широкого распространения шаговых двигателей в последнее время. Шаговые двигатели становятся идеальным выбором для систем автоматизации, которым требуется точное управление скоростью или точное позиционирование, или и то, и другое.

Как мы знаем, многие промышленные электродвигатели используются с управлением с обратной связью с обратной связью для достижения точного позиционирования или точного управления скоростью, с другой стороны, шаговый двигатель может работать с контроллером без обратной связи. Это, в свою очередь, снижает общую стоимость системы и упрощает конструкцию машины по сравнению с сервосистемой управления. Давайте кратко обсудим шаговый двигатель и его типы .

Связанный пост: Серводвигатель — типы, конструкция, работа и применение

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой бесщеточное электромеханическое устройство, которое преобразует последовательность электрических импульсов, подаваемых на их обмотки возбуждения, в точно определенное пошаговое механическое вращение вала. Вал двигателя поворачивается на фиксированный угол для каждого дискретного импульса. Это вращение может быть линейным или угловым. Он получает одношаговое движение за один входной импульс.

При подаче последовательности импульсов она поворачивается на определенный угол. Угол, на который поворачивается вал шагового двигателя для каждого импульса, называется углом шага, который обычно выражается в градусах.

Количество входных импульсов, подаваемых на двигатель, определяет угол шага, и, следовательно, положение вала двигателя контролируется путем управления количеством импульсов. Благодаря этой уникальной особенности шаговый двигатель хорошо подходит для разомкнутой системы управления, в которой точное положение вала поддерживается с помощью точного количества импульсов без использования датчика обратной связи.

Чем меньше угол шага, тем больше будет количество шагов на оборот и выше будет точность полученного положения. Углы шага могут достигать 90 градусов и всего 0,72 градуса, однако обычно используемые углы шага составляют 1,8 градуса, 2,5 градуса, 7,5 градуса и 15 градусов.

Направление вращения вала зависит от последовательности импульсов, подаваемых на статор. Скорость вала или средняя скорость двигателя прямо пропорциональны частоте (частоте входных импульсов) входных импульсов, подаваемых на обмотки возбуждения. Следовательно, если частота низкая, шаговый двигатель вращается ступенчато, а при высокой частоте он непрерывно вращается, как двигатель постоянного тока, за счет инерции.

Как и все электродвигатели, имеет статор и ротор. Ротор представляет собой подвижную часть, не имеющую обмоток, щеток и коллектора. Обычно роторы бывают либо с переменным магнитным сопротивлением, либо с постоянными магнитами. Статор часто конструируется с многополюсными и многофазными обмотками, обычно из трех или четырех фазных обмоток, намотанных для необходимого количества полюсов, определяемого желаемым угловым смещением на входной импульс.

В отличие от других двигателей работает на запрограммированных дискретных управляющих импульсах, которые подаются на обмотки статора через электронный привод. Вращение происходит за счет магнитного взаимодействия между полюсами последовательно возбуждаемой обмотки статора и полюсами ротора.

Конструкция шагового двигателя

На современном рынке доступно несколько типов шаговых двигателей с широким диапазоном размеров, количества шагов, конструкции, проводки, зубчатой передачи и других электрических характеристик. Поскольку эти двигатели способны работать дискретно, они хорошо подходят для взаимодействия с цифровыми устройствами управления, такими как компьютеры.

Благодаря точному управлению скоростью, вращением, направлением и угловым положением они представляют особый интерес в системах управления промышленными процессами, станках с ЧПУ, робототехнике, системах автоматизации производства и контрольно-измерительных приборах.

Связанный пост: Бесщеточный двигатель постоянного тока — конструкция, принцип работы и применение

Типы шаговых двигателей

Существует три основных категории шаговых двигателей , а именно

Шаговый двигатель с постоянными магнитами
Шаговый двигатель с переменным сопротивлением
Гибридный шаговый двигатель

Во всех этих двигателях обмотки возбуждения используются в статоре, где количество обмоток соответствует количеству фаз.

Постоянное напряжение подается для возбуждения катушек обмоток, и каждый вывод обмотки подключается к источнику через полупроводниковый переключатель. В зависимости от типа шагового двигателя конструкция его ротора может быть выполнена из мягкой стали с выступающими полюсами, цилиндрического ротора с постоянным магнитом и постоянного магнита с зубьями из мягкой стали. Поговорим об этих типах подробно.

Вы также можете прочитать: Подключение трехфазного двигателя Звезда/треугольник (Y-Δ) Реверс/вперед с таймером питания и управления Диаграмма

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

Это базовый тип шагового двигателя , который существует уже давно и обеспечивает самый простой способ понять принцип работы с точки зрения конструкции. Как следует из названия, угловое положение ротора зависит от сопротивления магнитной цепи, образованной между полюсами (зубьями) статора и зубьями ротора.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

Конструкция шагового двигателя с переменным сопротивлением

Состоит из обмотанного статора и многозубчатого ротора из мягкого железа. Статор имеет пакет пластин из кремнистой стали, на которые намотаны обмотки статора. Обычно он намотан на три фазы, распределенные между парами полюсов.

Число полюсов на сформированном статоре равно четному кратному числу фаз, обмотки которых намотаны на статоре. На рисунке ниже статор имеет 12 одинаково расположенных выступающих полюсов, каждый из которых намотан катушкой возбуждения. Эти три фазы питаются от источника постоянного тока с помощью полупроводниковых переключателей.

Ротор без обмоток, явнополюсный, полностью из стальных пластин с прорезями. Выступающие зубья полюса ротора имеют ту же ширину, что и зубья статора. Количество полюсов на статоре отличается от числа полюсов ротора, что обеспечивает возможность самозапуска и двунаправленного вращения двигателя.

Отношение полюсов ротора к полюсам статора для трехфазного шагового двигателя определяется как Nr = Ns ± (Ns / q). Здесь Ns = 12, а q = 3, и, следовательно, Nr = 12 ± (12/3) = 16 или 8. Ниже показан ротор 8-полюсной конструкции без какого-либо возбуждения.

Конструкция шагового двигателя с переменным сопротивлением

Работа шагового двигателя с переменным сопротивлением

Шаговый двигатель работает по принципу , согласно которому ротор выравнивается в определенном положении с зубцами полюса возбуждения в магнитной цепи с минимальным сопротивлением путь есть. Всякий раз, когда к двигателю подается питание и возбуждается определенная обмотка, он создает свое магнитное поле и развивает свои собственные магнитные полюса.

Из-за остаточного магнетизма в магнитных полюсах ротора ротор перемещается в такое положение, чтобы достичь положения с минимальным магнитным сопротивлением, и, следовательно, один набор полюсов ротора совпадает с под напряжением набором полюсов статора. В этом положении ось магнитного поля статора совпадает с осью, проходящей через любые два магнитных полюса ротора.

Когда ротор выровнен с полюсами статора, его магнитная сила достаточна, чтобы удерживать вал от перемещения в следующее положение по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Рассмотрим принципиальную схему трехфазного двигателя с 6 полюсами статора и 4 зубьями ротора, показанную на рисунке ниже. Когда на фазу А-А’ подается постоянный ток путем замыкания переключателя -1, обмотка становится магнитом, в результате чего один зубец становится северным, а другой — южным. Таким образом, магнитная ось статора лежит вдоль этих полюсов.

Под действием силы притяжения катушка статора Северный полюс притягивает ближайший зубец ротора противоположной полярности, т. е. Южный и Южный полюс притягивают ближайший зубец ротора противоположной полярности, т. е. север. Затем ротор настраивается в положение минимального сопротивления, при котором магнитная ось ротора точно совпадает с магнитной осью статора.

Работа шагового двигателя с переменным сопротивлением

Когда на фазу BB’ подается питание посредством замыкающего переключателя -2, при этом фаза A-A’ остается обесточенной посредством размыкающего переключателя-1, обмотка BB’ будет создавать магнитный поток и, следовательно, магнитная ось статора смещается вдоль образованных им таким образом полюсов. Следовательно, ротор смещается с наименьшим сопротивлением с намагниченными зубьями статора и поворачивается на угол 30 градусов по часовой стрелке.

Когда на переключатель-3 подается питание после размыкания переключателя-2, включается фаза C-C’, зубья ротора выравниваются с новым положением, перемещаясь на дополнительный угол 30 градусов. Таким образом, ротор движется по часовой стрелке или против часовой стрелки, последовательно возбуждая обмотки статора в определенной последовательности. Угол шага этого трехфазного шагового двигателя с 4-полюсными зубьями ротора выражается как 360/(4 × 3) = 30 градусов (так как угол шага = 360/Nr × q).

Угол шага можно дополнительно уменьшить за счет увеличения числа полюсов на статоре и роторе, в этом случае двигатели часто наматывают с дополнительными фазными обмотками. Это также может быть достигнуто за счет принятия различных конструкция шаговых двигателей , такая как многоуровневое расположение и редукторный механизм.

Вы также можете прочитать: Подключение трехфазного двигателя по схеме ЗВЕЗДА/ТРЕУГОЛЬНИК без таймера Схемы питания и управления

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Двигатель с постоянными магнитами, возможно, является наиболее распространенным среди нескольких типов шаговых двигателей. Как следует из названия, он добавляет в конструкцию двигателя постоянные магниты. Этот тип шаговых двигателей также упоминается как 9.0005 мотор-контейнер или мотор-контейнер . Основным преимуществом этого двигателя является его низкая стоимость изготовления. Этот тип двигателя имеет 48-24 шага на оборот.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Конструкция Шаговый двигатель с постоянными магнитами

В этом двигателе статор является многополярным, и его конструкция аналогична конструкции шагового двигателя с переменным сопротивлением, как обсуждалось выше. Он состоит из щелевой периферии, на которую намотаны катушки статора. Он имеет выступающие полюса на щелевой конструкции, где намотанные обмотки могут быть двух-, трех- или четырехфазными.

Концевые выводы всех этих обмоток выкуплены и подключены к возбуждению постоянного тока через полупроводниковые переключатели в цепи привода.

Конструкция Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Ротор состоит из материала постоянного магнита, такого как феррит, который может иметь форму цилиндрического или выступающего полюса, но обычно он имеет гладкую цилиндрическую форму. Ротор спроектирован так, чтобы иметь четное количество постоянных магнитных полюсов с чередующимися северной и южной полярностью.

Работа шагового двигателя с постоянными магнитами

Работа этого двигателя основана на том, что разноименные полюса притягиваются друг к другу, а одноименные отталкиваются. Когда обмотки статора возбуждаются от источника постоянного тока, он создает магнитный поток и устанавливает северный и южный полюса. За счет силы притяжения и отталкивания между полюсами ротора с постоянными магнитами и полюсами статора ротор начинает двигаться вверх до положения, для которого на статор подаются импульсы.

Рассмотрим двухфазный шаговый двигатель с двумя полюсами ротора с постоянными магнитами, как показано на рисунке ниже.

Работа шагового двигателя с постоянными магнитами:

Когда на фазу A подается положительное напряжение по отношению к A’, обмотки устанавливают северный и южный полюса. Из-за силы притяжения полюса ротора совпадают с полюсами статора, так что ось магнитного полюса ротора совмещается с осью магнитного полюса статора, как показано на рисунке.

При переключении возбуждения на фазу В и выключении фазы А ротор дополнительно подстраивается под магнитную ось фазы В и таким образом поворачивается на 90 градусов по часовой стрелке.

Затем, если на фазу А подается отрицательный ток по отношению к А’, формирование полюсов статора заставляет ротор двигаться еще на 90 градусов по часовой стрелке.

Таким же образом, если фаза B возбуждается отрицательным током при замыкании переключателя фазы A, ротор поворачивается еще на 90 градусов в том же направлении. Далее, если фаза А возбуждается положительным током, ротор возвращается в исходное положение, совершая полный оборот на 360 градусов. Это означает, что всякий раз, когда статор возбуждается, ротор имеет тенденцию вращаться на 90 градусов по часовой стрелке.

Угол шага этого 2-фазного 2-полюсного двигателя с ротором на постоянных магнитах выражается как 360/(2 × 2) = 90 градусов. Размер шага может быть уменьшен за счет одновременной подачи питания на две фазы или последовательности режимов 1-фазного включения и 2-фазного включения с правильной полярностью.

Вы также можете прочитать: Термины и определения, относящиеся к управлению и защите двигателя

Гибридный шаговый двигатель

Это самый популярный тип шагового двигателя , так как он обеспечивает лучшую производительность, чем ротор с постоянными магнитами, с точки зрения шагового разрешения, удерживающего момента и скорости. Однако эти двигатели дороже, чем шаговые двигатели с постоянными магнитами. Он сочетает в себе лучшие характеристики шаговых двигателей с переменным сопротивлением и шаговых двигателей с постоянными магнитами. Эти двигатели используются в приложениях, требующих очень малого угла шага, например 1,5, 1,8 и 2,5 градуса.

Гибридный шаговый двигатель

Конструкция гибридного шагового двигателя

Статор этого двигателя такой же, как и его аналог с постоянным магнитом или реактивным двигателем. Катушки статора намотаны на чередующихся полюсах. При этом катушки разных фаз наматываются на каждый полюс, обычно две катушки на полюс, что называется бифилярным соединением.

Ротор состоит из постоянного магнита, который намагничивается в осевом направлении, образуя пару магнитных полюсов (полюса N и S). Каждый полюс покрыт равномерно расположенными зубьями. Зубья состоят из мягкой стали и двух секций, из которых на каждом полюсе смещены друг относительно друга на полшага зубьев.

Связанный пост Почему мощность электродвигателей указана в кВт, а не в кВА?

Работа гибридного шагового двигателя

Работа этого двигателя аналогична работе шагового двигателя с постоянными магнитами. На рисунке выше показан 2-фазный, 4-полюсный, гибридный шаговый двигатель с 6-зубчатым ротором. Когда фаза A-A’ возбуждается источником постоянного тока, оставляя BB’ невозбужденным, ротор выравнивается таким образом, что южный полюс ротора обращен к северному полюсу статора, а северный полюс ротора обращен к южному полюсу статора.

Работа гибридного шагового двигателя

Теперь, если возбуждена фаза B-B’, удерживая A-A’ выключенным таким образом, что верхний полюс становится северным, а нижний — южным, тогда ротор выровняется в новое положение на двигаясь против часовой стрелки. Если фаза B-B’ возбуждена противоположно, так что верхний полюс становится южным, а нижний становится северным, то ротор будет вращаться по часовой стрелке.

При правильной последовательности импульсов на статоре двигатель будет вращаться в нужном направлении. При каждом возбуждении ротор будет блокироваться в новом положении, и даже если возбуждение будет удалено, двигатель все еще сохраняет свое заблокированное состояние из-за возбуждения от постоянного магнита. Угол шага этого 2-фазного, 4-полюсного, 6-зубчатого роторного двигателя равен 360/(2 × 6) = 30 градусов. На практике гибридные двигатели конструируются с большим количеством полюсов ротора, чтобы получить высокое угловое разрешение.

Сообщение по теме: Что такое КПД двигателя и как его повысить?

Униполярные и биполярные шаговые двигатели

Вышеуказанные двигатели могут быть униполярными или биполярными в зависимости от схемы обмотки катушки. Униполярный двигатель используется с двумя обмотками на фазу, и, следовательно, направление тока, протекающего через эти обмотки, изменяет вращение двигателя. В этой конфигурации ток протекает в одном направлении в одной катушке и в противоположном направлении в другой катушке.

На рисунке ниже показан двухфазный униполярный шаговый двигатель, в котором катушки A и C предназначены для одной фазы, а B и D — для другой фазы. В каждой фазе каждая катушка несет ток в направлении, противоположном направлению другой катушки. Только одна катушка будет проводить ток в каждый момент времени в каждой фазе для достижения определенного направления вращения. Таким образом, просто переключая клеммы на каждую катушку, можно контролировать направление вращения.

Работа двухфазного униполярного шагового двигателя

В случае биполярного шагового двигателя каждая фаза состоит из одной обмотки, а не из двух в случае униполярного. При этом направление вращения контролируется реверсированием тока через обмотки. Следовательно, для реверсирования тока требуется сложная схема привода.

Двухфазный биполярный шаговый двигатель

Вы также можете прочитать: Что такое соленоид и магнитное поле соленоида

Шаговые режимы шагового двигателя

Типичное шаговое действие заставляет двигатель проходить последовательность положений равновесия в ответ на подаваемые на него импульсы тока. Шаговое действие можно изменять по-разному, просто изменяя последовательность подачи питания на обмотки статора. Ниже приведены наиболее распространенные режимы работы или вождения шаговых двигателей.

Шаг волны
Полный шаг
Полушаг
Микрошаг

Волновой ступенчатый режим

Волновой ступенчатый режим является самым простым из всех других режимов, в котором только одна обмотка находится под напряжением в любой момент времени. Каждая катушка фазы подключается к питанию попеременно. В таблице ниже показан порядок подачи питания на катушки в 4-фазном шаговом двигателе.

В этом режиме двигатель дает максимальный угол шага по сравнению со всеми другими режимами. Это самый простой и наиболее часто используемый способ степпинга; однако создаваемый крутящий момент меньше, поскольку он использует некоторую часть общей обмотки в данный момент времени.

Полношаговый режим

В этом приводе или режиме две фазы статора находятся под напряжением одновременно в любой момент времени. Когда две фазы находятся под напряжением вместе, ротор будет испытывать крутящий момент от обеих фаз и придет в положение равновесия, которое будет чередоваться между двумя соседними положениями ступеней волны или однофазными возбуждениями. Таким образом, этот шаг обеспечивает лучший удерживающий момент, чем волновой шаг. В таблице ниже показан полный шаговый привод для 4-фазного шагового двигателя.

Полушаговый режим

Комбинация волнового и полношагового режимов. При этом однофазное и двухфазное возбуждения осуществляются попеременно, т. е. однофазное включение, двухфазное включение и т. д. Угол шага в этом режиме становится половиной полного угла шага. Этот режим движения имеет самый высокий крутящий момент и стабильность по сравнению со всеми другими режимами. Таблица, содержащая последовательность импульсов фаз для 4-фазного двигателя в полушаге, приведена ниже.

Микрошаговый режим

В этом режиме каждый шаг двигателя подразделяется на несколько небольших шагов, даже сотни фиксированных положений, поэтому достигается большее разрешение позиционирования. При этом токи через обмотки постоянно меняются, чтобы получить очень маленькие ступени. При этом две фазы возбуждаются одновременно, но с неравными токами в каждой фазе.

Например, ток в фазе -1 поддерживается постоянным, в то время как ток в фазе 2 увеличивается ступенчато до максимального значения тока, независимо от того, положительное оно или отрицательное. Затем ток в фазе-1 постепенно уменьшается или увеличивается до нуля. Таким образом, двигатель будет производить небольшой размер шага.

Все эти режимы шагового двигателя могут быть получены каждым типом шагового двигателя, рассмотренным выше. Однако направление тока в каждой обмотке на этих этапах может варьироваться в зависимости от типа двигателя и быть однополярным или двухполярным.

Связанный пост Расчет размера кабеля для двигателей LT и HT

Преимущества шагового двигателя

В состоянии покоя двигатель имеет полный крутящий момент. Независимо от того, нет ли момента или изменения положения.
Хорошо реагирует на пуск, остановку и положение заднего хода.
Поскольку в шаговом двигателе нет контактных щеток, он надежен, а ожидаемый срок службы зависит от подшипников двигателя.
Угол поворота двигателя прямо пропорционален входным сигналам.
Это простое и менее затратное управление, поскольку двигатель обеспечивает управление без обратной связи при реагировании на цифровые входные сигналы.
Скорость двигателя прямо пропорциональна частоте входных импульсов, таким образом можно достичь широкого диапазона скорости вращения.
Когда нагрузка соединена с валом, все еще возможно реализовать синхронное вращение с низкой скоростью.
Точное позиционирование и повторяемость движения хорошие, так как точность шага составляет 3-5%, при этом ошибка не накапливается от одного шага к другому.

Шаговые двигатели

более безопасны и недороги (по сравнению с серводвигателями), имеют высокий крутящий момент на низких скоростях, высокую надежность и простую конструкцию, которая работает в любых условиях.

Недостатки шаговых двигателей

Шаговые двигатели с низким КПД.
Низкая точность.
Его крутящий момент очень быстро падает со скоростью.
Поскольку шаговый двигатель работает в режиме управления без обратной связи, нет обратной связи, указывающей на возможные пропущенные шаги.
Он имеет низкое отношение крутящего момента к моменту инерции, что означает, что он не может очень быстро разогнать груз.
Они шумные.

Применение шаговых двигателей

Шаговые двигатели используются в автоматизированном производственном оборудовании и автомобильных датчиках, а также в промышленных машинах, таких как упаковка, маркировка, наполнение и резка и т. д.
Он широко используется в устройствах безопасности, таких как камеры безопасности и наблюдения.
В медицинской промышленности шаговые двигатели широко используются в образцах, цифровой стоматологической фотографии, респираторах, жидкостных насосах, машинах для анализа крови, медицинских сканерах и т. д.
Они используются в бытовой электронике, в сканерах изображений, фотокопировальных машинах и печатных машинах, а также в цифровых камерах для функций и положений автоматического масштабирования и фокусировки.
Шаговые двигатели также используются в лифтах, ленточных конвейерах и разъездах.

Вы также можете прочитать:

Приводы постоянного тока – Конструкция, работа и классификация электрических приводов постоянного тока
Схемы подключения питания и управления трехфазным двигателем
Библиотека электродвигателей (переменного и постоянного тока)

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой бесщеточный синхронный электродвигатель, который преобразует цифровые импульсы в механическое вращение вала. Его нормальное движение вала состоит из дискретных угловых
движения практически одинаковой величины при движении от последовательно переключаемого постоянного тока
источник питания.

Шаговый двигатель — это цифровое устройство ввода-вывода. Он особенно хорошо подходит для типа
приложение, в котором управляющие сигналы появляются в виде цифровых импульсов, а не аналоговых напряжений.

Один цифровой импульс на привод шагового двигателя или транслятор заставляет двигатель увеличивать одно точное значение.
угол движения. По мере увеличения частоты цифровых импульсов шаговое движение меняется на
непрерывное вращение.

Некоторые промышленные и научные приложения шаговых двигателей включают робототехнику, станки, машины для захвата и размещения, автоматические машины для резки и соединения проводов и даже устройства для точного управления потоком.

Как работает шаговый двигатель?

Каждый оборот шагового двигателя делится на дискретное количество шагов, во многих случаях 200 шагов, и для каждого шага двигателю должен посылаться отдельный импульс. Шаговый двигатель может делать только один шаг за раз, и каждый шаг имеет одинаковый размер.

Поскольку каждый импульс заставляет двигатель поворачиваться на точный угол, обычно 1,8°, положением двигателя можно управлять без какого-либо механизма обратной связи. По мере увеличения частоты цифровых импульсов шаговое движение превращается в непрерывное вращение со скоростью вращения, прямо пропорциональной частоте импульсов.

Шаговые двигатели ежедневно используются как в промышленности, так и в коммерческих целях благодаря их низкой стоимости, высокой надежности, высокому крутящему моменту на низких скоростях и простой прочной конструкции, способной работать практически в любых условиях.

Угол поворота двигателя пропорционален входному импульсу.
Двигатель имеет полный крутящий момент в состоянии покоя (если обмотки находятся под напряжением).
Точное позиционирование и повторяемость движения, так как хорошие шаговые двигатели имеют точность от 3 до 5% шага, и эта ошибка не накапливается от одного шага к другому.
Отличный отклик на запуск/остановку/реверс.
Очень надежен, так как в двигателе нет контактных щеток. Поэтому срок службы шагового двигателя просто зависит от срока службы подшипника.
Реакция шаговых двигателей на цифровые входные импульсы обеспечивает управление без обратной связи, что делает управление двигателем более простым и менее затратным.
Можно добиться синхронного вращения на очень низкой скорости с нагрузкой, непосредственно соединенной с валом.
Может быть реализован широкий диапазон скоростей вращения, поскольку скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Выбор шагового двигателя и контроллера

Выбор шагового двигателя зависит от требований к крутящему моменту и скорости приложения. Используйте кривую крутящего момента двигателя (находится в технических характеристиках каждого привода), чтобы выбрать двигатель, который будет выполнять эту работу.

Каждый контроллер шагового двигателя в линейке Omegamation показывает кривые крутящий момент-скорость для двигателей, рекомендуемых для данного привода. Если ваши требования к крутящему моменту и скорости могут быть удовлетворены с помощью нескольких шаговых двигателей, выберите контроллер в зависимости от потребностей вашей системы движения (шаг/направление, автономное программирование, аналоговые входы, микрошаговый режим), а затем выберите один из рекомендуемых двигателей для этого контроллера. .

Список рекомендуемых двигателей основан на всесторонних испытаниях, проведенных производителем для обеспечения оптимальной работы комбинации шагового двигателя и контроллера.

Шаг и направление

Эти приводы принимают шаговые импульсы и сигналы направления/разрешения от контроллера шагового двигателя, такого как ПЛК или ПК. Каждый импульс шага заставляет двигатель поворачиваться на точный угол, а частота импульсов определяет скорость вращения. Сигнал направления определяет направление вращения (по часовой стрелке или против часовой стрелки), а сигнал разрешения включает или выключает двигатель.

Осциллятор

Приводы с шаговым двигателем со встроенным цифровым генератором принимают аналоговый вход или джойстик для управления скоростью. Эти системы обычно используются в приложениях, требующих непрерывного движения, а не управления положением, таких как миксеры, блендеры и диспенсеры.

Автономный Программируемый

Все эти контроллеры шаговых двигателей могут быть запрограммированы для автономной работы; программа управления движением создается с помощью простого интерфейса программного обеспечения высокого уровня с функцией перетаскивания (поставляется бесплатно), а затем загружается и выполняется при включении питания. Программа управления движением обычно ожидает ввода, такого как замыкание переключателя или нажатие кнопки, прежде чем выполнять запрограммированное движение.

Высокопроизводительные шаговые двигатели

Эти цифровые приводы с шаговыми двигателями предлагают расширенные функции, такие как самодиагностика, защита от сбоев, автонастройка, сглаживание пульсаций крутящего момента, сглаживание командных сигналов и антирезонансные алгоритмы. Некоторые приводы программируются автономно, в то время как другие предлагают шаг/направление и аналоговые входы. Высокопроизводительные приводы обеспечат наилучшую возможную производительность вашей системы управления перемещением.

Существует три основных типа шаговых двигателей:

Активный ротор: шаговый двигатель с постоянными магнитами (PM)
Реактивный ротор: шаговый двигатель с переменным сопротивлением (VR)
Комбинация VR и PM: гибридный шаговый двигатель (HY)

Это бесщеточные электрические машины, вращающиеся под фиксированным углом.
увеличивается при подключении к последовательно коммутируемому постоянному току.
При использовании переменного тока вращение существенно
непрерывный.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Этот тип шагового двигателя имеет ротор с постоянными магнитами. статор
может быть таким же, как у обычного 2- или 3-фазного индукционного
двигатель или конструкция, аналогичная штампованному двигателю. Последнее является
Самый популярный тип шагового двигателя.

а.) Обычный тип с постоянными магнитами. На рис. 1 показана схема обычного
шаговый двигатель с ротором на постоянных магнитах. 2-фазная обмотка
иллюстрируется. На рис. 1а показана фаза А.
под напряжением с положительной клеммой «А». Поле находится под углом 0°.
С катушкой, намотанной, как показано, северный полюс
ротор также находится в положении 0°.

Вал совершает один оборот за каждый полный оборот
электромагнитного поля в этом двигателе. На рис. 2 показан тот же шаговый двигатель с обеими обмотками под напряжением. Важный
разница здесь в том, что результирующее электромагнитное поле находится между
два полюса. На рис. 2 поле сместилось на 45° от
поле на рис. 1.

Как и в схеме однофазного включения, вал завершает один
оборот за каждый полный оборот электромагнитного поля.
Должно быть очевидно, что этот двигатель может работать на полшага; т. е. шаг в малом
ступенчатые приращения. Это возможно за счет объединения питания
показанный на рисунке 1 с показанным на рисунке 2. На рисунке 3 показаны схемы
Шаговый двигатель с ПМ с полушаговым движением ротора.

Как и на предыдущих схемах, ротор и вал движутся через
под тем же углом, что и поле. Обратите внимание, что каждый шаг приводил к повороту на 45°.
вместо 90° на предыдущей диаграмме.
Шаговый двигатель с постоянными магнитами можно намотать бифилярно.
обмотки, чтобы избежать необходимости менять полярность
обмотка. На рис. 4 показана бифилярная обмотка при
В Таблице IV показана последовательность подачи питания.

Бифилярные обмотки проще коммутировать с помощью транзисторного контроллера.
Требуется меньше переключающих транзисторов.
b.) Штампованный или может штабелироваться шаговый двигатель с постоянными магнитами.
Наиболее популярным типом шагового двигателя с постоянными магнитами является так
называется штампованным типом, когтевым зубом, листовым металлом, жестяной банкой или просто
недорогой мотор. Этот мотор трудно проиллюстрировать ясно
из-за того, как он устроен.

Этот двигатель имеет пару катушек, окружающих ротор с постоянными магнитами.
Катушки заключены в корпус из мягкого железа с зубьями на
внутри взаимодействует с ротором. Каждый корпус катушки имеет одинаковый
количество зубьев равно количеству полюсов ротора. Корпуса
радиально смещены друг относительно друга на половину шага зубьев.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

Этот тип шагового двигателя имеет электромагнитный статор с
ротор из магнитомягкого железа с зубьями и пазами, похожими на
ротор индукторного генератора. В то время как двигатели с постоянными магнитами в основном
2-фазные машины, двигатели VR требуют как минимум 3 фазы. Большинство VR
шаговые двигатели имеют 3 или 4 фазы, хотя 5-фазные двигатели VR
доступный.

В шаговом двигателе VR поле движется с другой скоростью, чем ротор.

Обратите внимание, что катушка фазы А имеет два
южные полюса и отсутствие северных полюсов для пути возврата потока. Вы можете отдохнуть
заверил, что будет. Поток вернется по пути
наименьшего нежелания, а именно через пары полюсов, которые являются ближайшими
на два зуба ротора. Это зависит от положения ротора. Поток вызывает
напряжение в катушках, намотанных на полюс. Это индуцирует ток в
обмотка, замедляющая ротор. Величина тока определяется
напряжение на катушке. Катушка с диодной фиксацией будет иметь больше
ток, чем обмотка с резисторным диодом или стабилитроном.

Гибридный шаговый двигатель

Этот тип двигателя часто называют двигателем с постоянным магнитом.
мотор. Он использует комбинацию постоянного магнита и переменного
Структура нежелания. Его конструкция аналогична конструкции
Индукционный двигатель.

Ротор имеет два
наконечники (хомуты) с выступающими полюсами, расположенными на равном расстоянии друг от друга, но радиально
со смещением друг от друга на половину шага зубьев. Круглый перманент
магнит разделяет их. Ярма имеют практически равномерный поток
противоположной полярности. Статор изготовлен из многослойной стали.
Некоторые двигатели имеют 4 катушки.
в две группы по 2 катушки последовательно. Одна пара катушек называется фазой А и
другая Фаза B.

Количество полных шагов за оборот можно определить из
по следующей формуле:

SPR = NR x Ø

Где: SPR = количество шагов на оборот

NR = общее количество зубьев ротора (всего для
оба ярма)

Ø = количество фаз двигателя

или: NR = SPR/Ø

Они имеют многозубчатые полюса статора и ротор с постоянными магнитами. Стандартные гибридные двигатели имеют 200 зубьев ротора и угол поворота 1,8º. Поскольку они демонстрируют высокий статический и динамический крутящий момент и работают с очень высокой частотой шагов, гибридные шаговые двигатели используются в самых разных коммерческих приложениях, включая компьютерные дисководы, принтеры/плоттеры и проигрыватели компакт-дисков.

Пошаговые режимы

«Шаговые режимы» шагового двигателя включают полный, половинный и микрошаг. Тип выхода шагового режима любого шагового двигателя зависит от конструкции контроллера. Omegamation™ предлагает приводы с шаговыми двигателями с выбираемыми переключателем полными и полушаговыми режимами, а также микрошаговые приводы с разрешающей способностью, выбираемой переключателем или программно.

Полный шаг

Стандартные гибридные шаговые двигатели имеют 200 зубьев ротора или 200 полных шагов на один оборот вала двигателя. Разделение 200 шагов на 360° вращения равно 1,8° полного угла шага. Обычно полношаговый режим достигается за счет подачи питания на обе обмотки с попеременным изменением направления тока. По сути, один цифровой импульс от драйвера эквивалентен одному шагу.

Полушаг

Половина шага просто означает, что шаговый двигатель вращается со скоростью 400 шагов за оборот. В этом режиме на одну обмотку подается питание, а затем поочередно подается питание на две обмотки, в результате чего ротор вращается на половине расстояния, или 0,9°. Хотя он обеспечивает примерно на 30% меньший крутящий момент, полушаговый режим обеспечивает более плавное движение, чем полношаговый режим.

Микросте

Микрошаг — это относительно новая технология шагового двигателя, которая регулирует ток в обмотке двигателя до такой степени, что количество позиций между полюсами далее подразделяется.

Микрошаговые приводы Omegamation способны делить полный шаг (1,8°) на 256 микрошагов, что дает 51 200 шагов на оборот (0,007°/шаг). Микрошаг обычно используется в приложениях, требующих точного позиционирования и более плавного движения в широком диапазоне скоростей. Как и полушаговый режим, микрошаг обеспечивает примерно на 30% меньший крутящий момент, чем полношаговый режим.

Линейный шаговый двигатель Управление

Вращательное движение шагового двигателя можно преобразовать в поступательное с помощью системы привода с ходовым винтом и червячной передачей (см. рис. B). Ход или шаг ходового винта — это линейное расстояние, пройденное за один оборот винта. Если ход равен одному дюйму на оборот, а на один оборот приходится 200 полных шагов, то разрешение системы ходового винта составляет 0,005 дюйма на шаг. Еще более высокое разрешение возможно при использовании системы шагового двигателя/привода в микрошаговом режиме.

Серия против параллельного соединения

Существует два способа подключения шагового двигателя последовательно или параллельно. Последовательное соединение обеспечивает высокую индуктивность и, следовательно, больший крутящий момент на низких скоростях. Параллельное соединение снизит индуктивность, что приведет к увеличению крутящего момента на более высоких скоростях.

Контроллер шагового двигателя Обзор технологии

Драйвер получает сигналы шага и направления от индексатора или контроллера шагового двигателя и преобразует их в электрические сигналы для запуска шагового двигателя. Для каждого шага вала двигателя требуется один импульс.

В полношаговом режиме со стандартным 200-шаговым двигателем для совершения одного оборота требуется 200 импульсов шага. Скорость вращения прямо пропорциональна частоте импульсов. Некоторые системы управления имеют встроенный генератор, который позволяет использовать внешний аналоговый сигнал или джойстик для установки скорости двигателя.

Характеристики скорости и крутящего момента шагового двигателя основаны на протекании тока от драйвера к обмотке двигателя. Фактор, который препятствует потоку или ограничивает время, необходимое току для возбуждения обмотки, известен как индуктивность. Эффекты индуктивности, большинство типов цепей управления рассчитаны на подачу большего напряжения, чем номинальное напряжение двигателя.

Чем выше выходное напряжение контроллера, тем выше уровень отношения крутящего момента к скорости. Как правило, выходное напряжение драйвера (напряжение шины) должно быть в 5-20 раз выше, чем номинальное напряжение двигателя. Чтобы защитить двигатель от повреждения, ток привода шагового двигателя должен быть ограничен номинальным током шагового двигателя.

Контроллер шагового двигателя Обзор

Индексатор, или контроллер шагового двигателя, выдает шаг и направление для драйвера. Для большинства приложений требуется, чтобы индексатор также управлял другими функциями управления, включая ускорение, замедление, количество шагов в секунду и расстояние. Индексатор также может взаимодействовать со многими другими внешними сигналами и управлять ими.

Связь с системой управления осуществляется через последовательный порт RS-232 и, в некоторых случаях, через порт RS485. В любом случае контроллер шагового двигателя способен получать высокоуровневые команды от главного компьютера и генерировать необходимые импульсы шага и направления для драйвера.

Контроллер включает вспомогательный ввод/вывод для контроля входов от внешних источников, таких как переключатель «Пуск», «Толчок», «Домой» или концевой выключатель. Он также может инициировать другие функции машины через выходные контакты ввода-вывода.

Автономная работа

В автономном режиме контроллер может работать независимо от главного компьютера. После загрузки в энергонезависимую память программы движения можно запускать с различных типов интерфейсов оператора, таких как клавиатура или сенсорный экран, или с переключателя через вспомогательные входы/выходы.

Автономная система управления шаговым двигателем часто комплектуется драйвером и источником питания, а также опциональной обратной связью энкодера для приложений с «замкнутым контуром», требующих обнаружения остановки двигателя и точной компенсации положения двигателя.

Многоосевое управление

Многие приложения управления движением имеют более одного шагового двигателя для управления. В таких случаях доступен многоосевой контроллер шагового двигателя. К сетевому концентратору HUB 444, например, может быть подключено до четырех шаговых приводов, причем каждый привод подключен к отдельному шаговому двигателю. Сетевой концентратор обеспечивает скоординированное движение для приложений, требующих высокой степени синхронизации, таких как круговая или линейная интерполяция.

Двигатели | Сопутствующие товары

См. больше Двигатели Шаговый двигатель

: типы, принципы работы и применение

Alan

02 марта 2021

1660

мотор. При работе от последовательно переключаемого источника питания постоянного тока нормальное движение вала состоит из дискретных угловых движений примерно одинаковой величины.

Что такое шаговый двигатель и как он работает?

Каталог

Ⅰ Шаговый двигатель определение

Шаговый двигатель – это бесщеточный синхронный двигатель постоянного тока, который, в отличие от многих других распространенных типов электродвигателей, не просто вращается в течение произвольного числа оборотов, прежде чем напряжение постоянного тока выключен.

шаговый двигатель

Шаговые двигатели, с другой стороны, являются типом цифрового ввода-вывода устройство, обеспечивающее точный запуск и остановку. Они сконструированы таким образом, что ток, проходящий через них, попадает на серию сфазированных катушек, которые можно включать и выключать в быстрой последовательности. Это позволяет двигателю совершать часть оборота за раз, и мы называем эти отдельные заранее определенные фазы «шагами».

Шаговый двигатель делит один полный оборот на серию гораздо меньших (но практически равных) частичных оборотов. Их можно использовать для указания шаговому двигателю двигаться на определенные градусы или углы поворота для практических целей. В результате шаговый двигатель можно использовать для передачи мельчайших точных движений механическим частям, требующим предельной точности.

Шаговые двигатели обычно имеют цифровое управление и играют важную роль в системе позиционирования с управлением движением без обратной связи. Они чаще всего используются в приложениях удержания и позиционирования, где их способность задавать гораздо более четко определенные положения вращения, скорости и крутящие моменты делают их идеальными для задач, требующих чрезвычайно точного управления движением.

Ⅱ Принцип работы шагового двигателя

Коллекторный двигатель постоянного тока работает за счет подачи напряжения на клеммы, что позволяет проволочной катушке вращаться с высокой скоростью в корпусе с фиксированным магнитом (статоре).

внутренняя структура шагового двигателя

Вращающаяся проволочная катушка (ротор) в этой конфигурации по существу становится электромагнитом и быстро вращается в ядре двигателя на основе хорошо известной теории магнитного притяжения и отталкивания. Щетки (электрические контакты) и коммутатор (поворотный электрический переключатель) работают вместе, чтобы легко регулировать направление тока, протекающего через проволочную катушку. Пока на сборку подается достаточное напряжение, катушка ротора непрерывно вращается в одном направлении.

Тот факт, что такой двигатель вращается бесконечно и бесконечное число оборотов до отключения питания, является возможным недостатком. Это затрудняет контроль точной точки остановки двигателя, что делает его непригодным для приложений, требующих большей точности. Ручное регулирование потока мощности к двигателю не обеспечит точность старт-стоп, необходимую для выполнения мельчайших точных движений.

Конфигурация шагового двигателя сильно отличается. Шаговые двигатели имеют фиксированный проволочный корпус (в данном случае статор), расположенный вокруг ряда «зубчатых» электромагнитов, вращающихся в сердечнике, а не ротор с проволочной катушкой, вращающийся внутри фиксированного корпуса магнитов. Пульсирующий электрический ток, управляемый драйвером шагового двигателя, преобразуется шаговым двигателем в точные одношаговые движения этой шестеренчатой зубчатой части вокруг центрального вала.

Ротор толкается на один точный и заданный шаг полного оборота каждым из этих импульсов шагового двигателя. Вращающаяся часть может совершать полные или частичные обороты по мере необходимости, когда ток изменяется между проволочными катушками, последовательно расположенными вокруг двигателя, или ее можно заставить очень внезапно останавливаться на любом из шагов вокруг ее вращения.

Реальное преимущество шагового двигателя перед стандартным щеточным двигателем постоянного тока состоит в том, что он может легко определить свое положение в известном и повторяемом месте или интервале, а затем поддерживать это положение столько времени, сколько потребуется. Это делает их подходящими для высокоточных приложений, таких как робототехника и печать.

Ⅲ Типы шаговых двигателей

Существует несколько различных типов шаговых двигателей, и изучение функций каждого из них поможет вам определить, какой из них лучше подходит для вашего приложения.

1.Биполярный шаговый двигатель

Биполярный шаговый двигатель имеет встроенный драйвер, который меняет направление тока по фазам с помощью Н-мостовой схемы. Все катушки можно заставить работать, вращая двигатель, запитывая фазы при изменении полярности.

На практике это гарантирует, что обмотки катушки биполярного шагового двигателя используются больше, чем у типичного униполярного шагового двигателя (который использует только половину катушек проволоки в любой момент времени), что позволяет биполярным шаговым двигателям работать более эффективно и экономично. Хотя биполярные шаговые двигатели теоретически более сложны в эксплуатации, они обычно поставляются со встроенным чипом драйвера, который отвечает за большинство необходимых инструкций и действий.

Поскольку униполярные шаговые двигатели не нуждаются в изменении тока для выполнения шаговых функций, они, как правило, поначалу более дорогие. Это делает их внутреннюю схему более плавной и быстрой в изготовлении.

2.Гибридный шаговый двигатель

Гибридные шаговые двигатели имеют гораздо большую точность благодаря полушаговым и микрошаговым технологиям. Микрошаг включает в себя программирование драйвера для подачи переменного синуса / косинуса на катушки, чтобы максимизировать заданное количество шагов в двигателе. Шаговые двигатели также будут настроены на работу быстрее и надежнее, чем в обычной конфигурации, если это будет достигнуто.

Полюса или зубья обычно смещены на двух отдельных чашках вдоль края магнитного ротора в гибридных шаговых двигателях. Это обеспечивает более точное управление фазами и вращением, а также более тихую работу, лучшее отношение крутящего момента к размеру и более высокие рабочие скорости, чем обычные шаговые двигатели.

Ⅳ Stepper motor applications

Stepper motors are used in a number of industries and disciplines, with some of the most famous examples being:

Computing
Robotics
Cameras
Scanners and принтеры, включая 3D-принтеры
Автоматизация систем и упаковочного оборудования
Размещение пилотной ступени клапана для систем управления жидкостью
Оборудование для точного размещения

1.Шаговые двигатели для 3D-принтеров

Шаговый двигатель любого типа почти всегда включен в стандартные списки деталей для 3D-принтеров. Это связано с тем, что использование шагового двигателя в 3D-принтере помогает выполнять очень точные, реалистичные движения и вращения, в то время как принтер пытается преобразовать детали компьютерного сканирования в реальные 3D-объекты.

Шаговые двигатели и драйверы в 3D-принтерах позволяют точно контролировать движение по осям X, Y и Z независимо или одновременно, обеспечивая невероятно точное перемещение и позиционирование без использования кодировщиков или какого-либо внешнего программного обеспечения или датчиков.

Несколько шаговых двигателей обычно используются как на строительных платформах, так и в экструдерах нитей 3D-принтеров, где они помогают протягивать нить и контролировать непрерывную и равномерную подачу материала в систему на протяжении всего тиража.

2.Шаговые двигатели для ЧПУ

Для питания большинства видов оборудования с ЧПУ шаговые двигатели являются альтернативой серводвигателям. Системы ЧПУ включают широкий спектр промышленных процессов, в которых компьютерное программное обеспечение используется для контроля работы и физического перемещения станков на заводе и в производственной среде.

Хотя шаговые двигатели часто рассматриваются как более дешевая альтернатива серводвигателям в приложениях с ЧПУ, это чрезмерное упрощение, зависящее от опыта более старых технологий, которое сегодня не соответствует действительности. При одинаковой мощности шаговые двигатели обычно дешевле серводвигателей, но современные модели столь же универсальны. В результате шаговые двигатели стали более доступными и использовались в более широком спектре устройств и систем, от станков до персональных компьютеров и автомобилей.

Шаговые двигатели с ЧПУ имеют еще одно важное преимущество перед серводвигателями: им не нужен энкодер. Серводвигатели, как правило, сложнее понять и контролировать, чем шаговые двигатели, и эта трудность усугубляется тем фактом, что они имеют энкодер, который более уязвим для отказа, чем любые другие части стабильного в остальном серводвигателя. Поскольку шаговым двигателям не нужен энкодер, они потенциально более эффективны, чем сервоприводы.

Кроме того, в отличие от серводвигателей, шаговые двигатели являются бесщеточными, что означает, что их не нужно заменять ежедневно, если их подшипники находятся в хорошем рабочем состоянии.

3.Шаговые двигатели для Raspberry Pi

Шаговые двигатели являются обычным периферийным устройством для подключения к одноплатным вычислительным модулям Raspberry Pi домашними энтузиастами, которые хотят изучить основы компьютерного программирования.

Стартовые комплекты Raspberry Pi обычно продаются в очень простой конфигурации с расчетом на то, что отдельный пользователь сможет установить любые дополнительные компоненты по своему выбору в свою систему в том порядке, в котором он узнает о них, расширяя свой набор возможностей, научившись управлять новые компоненты с использованием таких языков программирования, как Python.

Обучение работе с небольшими недорогими шаговыми двигателями и их мониторингу часто рассматривается как разумный следующий шаг после обучения управлению циклами включения/выключения светодиодов и другими основными типами переключателей или зуммеров среди пользователей Raspberry Pi. По сути, домашние любители начнут строить простого и программируемого робота, последовательно подключив пару таких шаговых двигателей.

Существует ряд подходящих шаговых двигателей для этого использования, начиная с очень недорогих моделей на 5 В, которые легко подключить к разъемам на материнской плате Raspberry Pi.

4. Шаговые двигатели для камер

Шаговые двигатели обычно используются в высокотехнологичных камерах для ряда приложений. Они используются в корпусах и внешней механике камер наблюдения и устройств удаленного мониторинга, а также для управления чрезвычайно точными внутренними компонентами, такими как автофокусировка в объективе и настройки диафрагмы.

Шаговые двигатели и моторизованные ползунки камеры, в частности, обеспечивают очень плавную работу установок позиционирования камеры, гарантируя, что видео, записанное камерами наблюдения, не будет иметь потенциально неприятных искажений изображения, вызванных вращением камеры в поле зрения.

Шаговые двигатели предлагают несколько дополнительных привлекательных функций, включая остановку с полным крутящим моментом, высокоточное и мгновенное время отклика на любое входное движение, постоянную повторяемость предварительно детализированных движений и простое управление без обратной связи, определяемое фиксированными размерами шага, для использования в камеры и системы видеонаблюдения.

Ⅴ Резюме

Шаговые двигатели — это невероятно универсальный, надежный, экономичный и точный способ управления точными движениями двигателей, который позволяет пользователю повысить запрограммированную подвижность и эффективность в самых разных областях применения и отраслях. Это делает их важным и широко используемым подмножеством в гораздо более широкой категории оборудования для автоматизации и управления.

Крайне важно выяснить, какие именно конфигурации лучше всего подходят для каких условий при планировании покупки с таким количеством марок, размеров, моментов крутящего момента, стилей дизайна и предполагаемых приложений для мирового рынка.

Поделиться этой публикацией

Часто задаваемые вопросы

1.Для чего используется шаговый двигатель?

 Шаговый двигатель используется для точного позиционирования с помощью двигателя, например, жестких дисков, робототехники, антенн, телескопов и некоторых игрушек.  Шаговые двигатели не могут работать на высоких скоростях, но имеют высокий удерживающий момент.

2. В чем разница между серводвигателем и шаговым двигателем?

 Различия в серводвигателях и шаговых двигателях для приложений управления движением. Основное различие между этими двигателями заключается в общем количестве полюсов. Шаговые двигатели имеют большое количество полюсов, обычно от 50 до 100. Серводвигатели имеют малое количество полюсов – от 4 до 12.

3. Шаговые двигатели переменного или постоянного тока?

 Однако шаговые двигатели сами по себе функционируют как двигатели переменного тока (они обычно считаются асинхронными машинами), потому что даже вход постоянного тока преобразуется в прямоугольную волну для управления отдельными обмотками двигателя. В случае шаговых двигателей большее приложенное напряжение вызывает более быстрое нарастание тока в обмотках двигателя.

4. Могут ли шаговые двигатели работать непрерывно?

Шаговые двигатели находятся где-то между обычным двигателем постоянного тока и серводвигателем.

Posted inДвигатель

Шаговые двигатели. Принцип работы и управление

ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ: ПРИНЦИП РАБОТЫ И ОТЛИЧИЯ ОТ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ШАГОВЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ АКТИВНОГО ТИПА

РЕАКТИВНЫЕ ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

ЛИНЕЙНЫЕ ШАГОВЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

РЕЖИМЫ РАБОТЫ

устройство, принцип работы, типы, схемы подключения

Что такое шаговый двигатель?

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

Устройство и принцип работы

Типы шаговых двигателей

По конструкции ротора

Реактивный

С постоянными магнитами

Гибридные

По виду обмоток

Униполярный

Биполярный

Подключение шагового двигателя

Типичные схемы подключения ШД

Управление шаговым двигателем

Без контроллера

С контроллером

Популярные схемы управления ШД

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Полезное видео

Принцип работы шагового двигателя — ООО «СЗЭМО Электродвигатель»

Как работает шаговый электродвигатель

Виды шаговых двигателей

Подключение шагового двигателя

Схема управления шаговым двигателем и принцип работы

Принцип работы шаговых двигателей

Шаговые двигатели — применение

Шаговые синхронные двигатели активного типа

Реактивные шаговые двигатели

Линейные шаговые синхронные двигатели

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

Шаговый двигатель

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель

Биполярный шаговый двигатель

Управление шаговым двигателем с постоянными магнитами

Волновое управление

Полношаговое управление

Полушаговое управление

Библиографический список

Шаговый двигатель — принцип работы, применение, виды, характеристики, особенности, конструкции

Принципы действия биполярных и униполярных шаговых двигателей

Виды шаговых двигателей

Особенности управления

Основные достоинства

Основные недостатки

Характеристики

Сфера применения

: основы, типы и работа

Тип 1: Постоянный магнит

0005 2.

0061

Типы проводки

Теория шагового двигателя

Принцип работы шагового двигателя — руководство по электротехнике

Диапазон срабатывания шагового двигателя

Контроллер шагового двигателя

Резонанс в шаговом двигателе

Применение шаговых двигателей

Что такое шаговый двигатель? Типы, конструкция, работа и применение

Что такое шаговый двигатель?

Как работает шаговый двигатель?

Выбор шагового двигателя и контроллера

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

Гибридный шаговый двигатель

Пошаговые режимы

Полный шаг

Полушаг

Микросте

Линейный шаговый двигатель Управление

Серия против параллельного соединения

Контроллер шагового двигателя Обзор технологии

Контроллер шагового двигателя Обзор

Автономная работа