Как работает шаговый двигатель

Как работают шаговые двигатели

Использование шаговых двигателей является одним из самых простых, дешевых и легких решений для реализации систем точного позиционирования. Эти двигатели очень часто используются в различных станках ЧПУ и роботах. Сегодня я расскажу о том, как устроены шаговые двигатели и как они работают.

Что такое шаговый двигатель?

Прежде всего, шаговый двигатель — это двигатель. Это означает, что он преобразует электрическую энергию в механическую. Основное отличие между ним и всеми остальными типами двигателей состоит в способе, благодаря которому происходит вращение. В отличие от других моторов, шаговые двигатели вращаются НЕ непрерывно! Вместо этого, они вращаются шагами (отсюда и их название). Каждый шаг представляет собой часть полного оборота. Эта часть зависит, в основном, от механического устройства мотора и от выбранного способа управления им. Шаговые двигатели также различаются способами питания. В отличие от двигателей переменного или постоянного тока, обычно они управляются импульсами. Каждый импульс преобразуется в градус, на который происходит вращение. Например, 1.8º шаговый двигатель, поворачивает свой вал на 1.8° при каждом поступающем импульсе. Часто, из-за этой характеристики, шаговые двигатели еще называют цифровыми.

Основы работы шагового двигателя

Как и все моторы, шаговые двигатели состоят из статора и ротора. На роторе установлены постоянные магниты, а в состав статора входят катушки (обмотки). Шаговый двигатель, в общем случае, выглядит следующим образом:

Здесь мы видим 4 обмотки, расположенные под углом 90° по-отношению друг к другу, размещенные на статоре. Различия в способах подключения обмоток в конечном счете определяют тип подключения шагового двигателя. На рисунке выше, обмотки не соединяются вместе. Мотор по такой схеме имеет шаг поворота равный 90°. Обмотки задействуются по кругу — одна за другой. Направление вращения вала определяется порядком, в котором задействуются обмотки. Ниже показана работа такого мотора. Ток через обмотки протекает с интервалом в 1 секунду. Вал двигателя поворачивается на 90° каждый раз, когда через катушку протекает ток.

Режимы управления

Теперь рассмотрим различные способы подачи тока на обмотки и увидим, как в результате вращается вал мотора.

Волновое управление или полношаговое управление одной обмоткой

Этот способ описан выше и называется волновым управлением одной обмоткой. Это означает, что только через одну обмотку протекает электрический ток. Этот способ используется редко. В основном, к нему прибегают в целях снижения энергопотребления. Такой метод позволяет получить менее половины вращающего момента мотора, следовательно, нагрузка мотора не может быть значительной.

У такого мотора будет 4 шага на оборот, что является номинальным числом шагов.

Полношаговый режим управления

Вторым, и наиболее часто используемым методом, является полношаговый метод. Для реализации этого способа, напряжение на обмотки подается попарно. В зависимости от способа подключения обмоток (последовательно или параллельно), мотору потребуется двойное напряжение или двойной ток для работы по отношению к необходимым при возбуждении одной обмотки. В этом случае мотор будет выдавать 100% номинального вращающего момента.

Такой мотор имеет 4 шага на полный оборот, что и является номинальным числом шагов для него.

Полушаговый режим

Это очень интересный способ получить удвоенную точность системы позиционирования, не меняя при этом ничего в «железе»! Для реализации этого метода, все пары обмоток могут запитываться одновременно, в результате чего, ротор повернется на половину своего нормального шага. Этот метод может быть также реализован с использованием одной или двух обмоток. Ниже показано, как это работает.

Используя этот метод, тот же самый мотор сможет дать удвоенное число шагов на оборот, что означает двойную точность для системы позиционирования. Например, этот мотор даст 8 шагов на оборот!

Режим микрошага

Микрошаговый режим наиболее часто применяемый способ управления шаговыми двигателями на сегодняшний день. Идея микрошага состоит в подаче на обмотки мотора питания не импульсами, а сигнала, по своей форме, напоминающего синусоиду. Такой способ изменения положения при переходе от одного шага к другому позволяет получить более гладкое перемещение, делая шаговые моторы широко используемыми в таких приложениях как системы позиционирования в станках с ЧПУ. Кроме этого, рывки различных деталей, подключенных к мотору, также как и толчки самого мотора значительно снижаются. В режиме микрошага, шаговый мотор может вращаться также плавно как и обычные двигатели постоянного тока.

Форма тока, протекающего через обмотку похожа на синусоиду. Также могут использоваться формы цифровых сигналов. Вот некоторые примеры:

Метод микрошага является в действительности способом питания мотора, а не методом управления обмотками. Следовательно, микрошаг можно использовать и при волновом управлении и в полношаговом режиме управления. Ниже продемонстрирована работа этого метода:

Хотя кажется, что в режиме микрошага шаги становятся больше, но, на самом деле, этого не происходит. Для повышения точности часто используются трапецевидные шестерни. Этот метод используется для обеспечения плавного движения.

Типы шаговых двигателей

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Ротор такого мотора несет постоянный магнит в форме диска с двумя или большим количеством полюсов. Работает точно также как описано выше. Обмотки статора будут притягивать или отталкивать постоянный магнит на роторе и создавать тем самым крутящий момент. Ниже представлена схема шагового двигателя с постоянным магнитом.

Обычно, величина шага таких двигателей лежит в диапазоне 45-90°.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

У двигателей этого типа на роторе нет постоянного магнита. Вместо этого, ротор изготавливается из магнитомягкого металла в виде зубчатого диска, типа шестеренки. Статор имеет более четырех обмоток. Обмотки запитываются в противоположных парах и притягивают ротор. Отсутствие постоянного магнита отрицательно влияет на величину крутящего момента, он значительно снижается. Но есть и большой плюс. У этих двигателей нет стопорящего момента. Стопорящий момент — это вращающий момент, создаваемый постоянными магнитами ротора, которые притягиваются к арматуре статора при отсутствии тока в обмотках. Можно легко понять, что это за момент, если попытаться повернуть рукой отключенный шаговый двигатель с постоянным магнитом. Вы почувствуете различимые щелчки на каждом шаге двигателя. В действительности то, что вы ощутите и будет фиксирующим моментом, который притягивает магниты к арматуре статора. Ниже показана работа шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением.

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют шаг, лежащий в диапазоне 5-15°.

Гибридный шаговый двигатель

Данный тип шаговых моторов получил название «гибридный» из-за того, что сочетает в себе характеристики шаговых двигателей и с постоянными магнитами и с переменным магнитным сопротивлением. Они обладают отличными удерживающим и динамическим крутящим моментами, а также очень маленькую величину шага, лежащую в пределах 0.9-5°, обеспечивая великолепную точность. Их механические части могут вращаться с большими скоростями, чем другие типы шаговых моторов. Этот тип двигателей используется в станках ЧПУ high-end класса и в роботах. Главный их недостаток — высокая стоимость.

Обычный мотор с 200 шагами на оборот будет иметь 50 положительных и 50 отрицательных полюсов с 8-ю обмотками (4-мя парами). Из-за того, что такой магнит нельзя произвести, было найдено элегантное решение. Берется два отдельных 50-зубых диска. Также используется цилиндрический постоянный магнит. Диски привариваются один с положительному, другой к отрицательному полюсам постоянного магнита. Таким образом, один диск имеет положительный полюс на своих зубьях, другой — отрицательный.

Фокус в том, что диски размещаются таким образом, что если посмотреть на них сверху, то они выглядят как один 100-зубый диск! Возвышения на одном диске совмещаются со впадинами на другом.

Ниже показана работа гибридного шагового двигателя, имеющего 75 шагов на оборот (1.5° на шаг). Стоит заметить, что 6 обмоток спарены, каждая имеет обмотку с противоположной стороны. Вы наверняка ожидали, что катушки расположены под углом в 60° следом друг за другом, но, на самом деле, это не так. Если предположить, что первая пара — это самая верхняя и самая нижняя катушки, тогда вторая пара смещена под углом 60+5° по отношению к первой, и третья смещена на 60+5° по отношению ко второй. Угловая разница и является причиной вращения мотора. Режимы управления с полным и половинным шагом могут использоваться, впрочем как и волновое управление для снижения энергопотребления. Ниже продемонстрировано полношаговое управление. В полушаговом режиме, число шагов увеличится до 150!

Не пытайтесь следовать за обмотками, чтобы понаблюдать, как это работает. Просто сфокусируйтесь на одной обмотке и ждите. Вы заметите, что всякий раз, когда обмотка задействована, есть 3 положительных полюса (красный) в 5° позади, которые притягиваются по направлению вращения и другие 3 отрицательных полюса (синий) в 5° впереди, которые толкаются в направлении вращения. Задействованная обмотка всегда находится между положительным и отрицательным полюсами.

Подключение обмоток

Шаговые двигатели относятся к многофазным моторам. Больше обмоток, значит, больше фаз. Больше фаз, более гладкая работа мотора и более выокая стоимость. Крутящий момент не связан с числом фаз. Наибольшее распространение получили двухфазные двигатели. Это минимальное количество необходимых для того, чтобы шаговый мотор функционировал. Здесь необходимо понять, что число фаз не обязательно определяет число обмоток. Например, если каждая фаза имеет 2 пары обмоток и мотор является двухфазным, то количество обмоток будет равно 8. Это определяет только механические характеристики мотора. Для упрощения, я рассмотрю простейший двухфазный двигатель с одной парой обмоток на фазу.

Существует три различных типа подключения для двухфазных шаговых двигателей. Обмотки соединяются между собой, и, в зависимости от подключения, используется различное число проводов для подключения мотора к контроллеру.

Биполярный двигатель

Это наиболее простая конфигурация. Используются 4 провода для подключения мотора к контроллеру. Обмотки соединяются внутри последовательно или параллельно. Пример биполярного двигателя:

Мотор имеет 4 клеммы. Два желтых терминала (цвета не соответствуют стандартным!) питают вертикальную обмотку, два розовых — горизонтальную обмотку. Проблема такой конфигурации состоит в том, что если кто-то захочет изменить магнитную полярность, то единственным способом будет изменение направления электрического тока. Это означает, что схема драйвера усложнится, например это будет H-мост.

Униполярный двигатель

В униполярном двигателе общий провод подключен к точке, где две обмотки соединены вместе:

Используя этот общий провод, можно легко изменить магнитные полюса. Предположим, например, что мы подключили общий провод к земле. Запитав сначала один вывод обмотки, а затем другой — мы изменяем магнитные полюса. Это означает, что схема для использования биполярного двигателя очень простая, как правило, состоит только из двух транзисторов на фазу. Основным недостатком является то, что каждый раз, используется только половина доступных катушечных обмоток. Это как при волновом управлении двигателем с возбуждением одной обмотки. Таким образом, крутящий момент всегда составляет около половины крутящего момента, который мог быть получен, если бы обе катушки были задействованы. Другими словами, униполярные электродвигатели должны быть в два раза более габаритными, по сравнению с биполярным двигателем, чтобы обеспечить такой же крутящий момент. Однополярный двигатель может использоваться как биполярный двигатель. Для этого нужно оставить общий провод неподключенным.

Униполярные двигатели могут иметь 5 или 6 выводов для подключения. На рисунке выше продемонстрирован униполярный мотор с 6 выводами. Существуют двигатели, в которых два общих провода соединены внутри. В этом случае, мотор имеет 5 клемм для подключения.

8-выводной шаговый двигатель

Это наиболее гибкий шаговый мотор в плане подключения. Все обмотки имеют выводы с двух сторон:

Этот двигатель может быть подключен любым из возможных способов. Он может быть подключен как:

• 5 или 6-выводной униполярный,
• биполярный с последовательно соединенными обмотками,
• биполярный с параллельно соединенными обмотками,
• биполярный с одним подключением на фазу для приложений с малым потреблением тока

Шаговые двигатели — конструкция, принцип работы и применение

Шаговый двигатель представляет собой бесщеточное электромеханическое устройство, которое преобразует последовательность электрических импульсов, приложенных к его обмоткам возбуждения, в точно определенное пошаговое механическое вращение. На каждый импульс вал двигателя вращается на фиксированный угол, при получении нескольких импульсов, он поворачивается на определенный угол. Этот угол, на который вал шагового двигателя поворачивается для каждого импульса, называется угловым шагом, который обычно выражается в градусах.

Количество входных импульсов, подаваемых на двигатель, определяет угловой шаг, и, следовательно, положение вала двигателя контролируется путем отправки пакета импульсов. Эта уникальная особенность делает шаговый двигатель хорошо подходящим для системы управления без обратной связи, в которой точное положение вала поддерживается с точным количеством импульсов без использования датчика обратной связи. Чем меньше угловой шаг, тем больше будет число шагов на оборот, и тем выше будет точность получаемого положения. Углы шага могут составлять от 90 градусов до 0,72 градуса, обычно используемые углы шага составляют 1,8 градуса, 2,5 градуса, 7,5 градуса и 15 градусов.

Направление вращения вала зависит от последовательности импульсов, поданных на обмотки статора. Скорость вращения вала двигателя прямо пропорциональна частоте входных импульсов, подаваемых на обмотки возбуждения.

Как и у всех электродвигателей, он имеет статор и ротор.

Ротор это подвижная часть, которая не имеет обмоток, щеток и коммутатора. Обычно роторы выполняются из магнито-мягкого или из магнито-твёрдого материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

Статор часто состоит из многополюсных и многофазных обмоток возбуждения , обычно из трех или четырехфазных, намотанных на необходимое количество полюсов, определяемое желаемым угловым смещением на импульс.

В отличие от других двигателей он работает с запрограммированными дискретными управляющими импульсами, которые подаются на обмотки статора через электронный привод. Вращение происходит за счет магнитного взаимодействия между полюсами последовательно включенной обмотки статора и полюсами ротора.

Типы Шаговых Двигателей

Существует три основных категории шаговых двигателей, а именно:

— реактивный (ротор из магнитомягкого материала) ;

— с постоянными магнитами (ротор из магнитотвёрдого материала);

Во всех этих двигателях в статоре используются обмотки возбуждения. Напряжение постоянного тока подается на катушки обмоток возбуждения, и каждый вывод обмотки подключается к источнику через твердотельный переключатель. В зависимости от типа шагового двигателя,конструкция ротора состоит из ротора из мягкой стали с выступающими полюсами, цилиндрического ротора с постоянным магнитом и постоянного магнита с зубьями из мягкой стали. Рассмотрим эти типы подробнее.

Реактивный шаговый двигатель

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

Конструкция реактивного шагового двигателя

Двигатель состоит из намотанного статора и многозубого ротора из магнитомягкого материала. Статор состоит из стальных пластин, на которые намотаны обмотки. Обычно он наматывается на три фазы, которые распределены между парами полюсов. Количество полюсов сформированного таким образом статора кратно четному числу фаз, для которых намотаны обмотки. На рисунке ниже, статор имеет 12 одинаково расположенных выступающих полюсов, где каждый полюс намотан возбуждающей катушкой. Эти три фазы запитываются от источника постоянного тока.

Ротор имеет выступающие полюса, выполненный полностью из магнитомягкого материала . Выступающие зубцы полюса ротора имеют такую же ширину, что и зубцы статора. Количество полюсов на статоре отличается от числа полюсов ротора, что обеспечивает возможность самостоятельного запуска и двунаправленного вращения двигателя.

Принцип работы реактивного шагового двигателя

Принцип работы шагового двигателя заключается в позиционировании ротора в определ енном положении с зубцами полюса возбуждения в магнитной цепи минимального сопротивления. При подачи сигнала на двигатель и возбуждении определенную обмотку, он создает свое магнитное поле и развивает собственные магнитные полюса. Из-за остаточного магнетизма в полюсах ротора сигнал заставит ротор двигаться в положение с минимальным сопротивлением, и, следовательно, один набор полюсов ротора совмещается с активным набором полюсов статора. В этом положении ось магнитного поля статора совпадает с осью, проходящей через любые два магнитных полюса ротора. Когда ротор совпадает с полюсами статора, он обладает достаточной магнитной силой, чтобы удержать вал от перемещения в следующее положение, либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки.

Рассмотрим принципиальную схему 3-фазного, 6 полюсов статора и 4 зубьев ротора, показанного на рисунке ниже. Когда фаза A-A снабжается подаче постоянного тока путем замыкания переключателя S1, обмотка становится магнитом, в результате чего один зуб становится «+», а другой «-«. Таким образом, магнитная ось статора лежит вдоль этих полюсов. Благодаря силе притяжения, катушка статора «+» притягивает ближайший зубец ротора противоположной полярности, то есть «+» и «-» притягивает ближайший зубец ротора противоположной полярности, то есть «+». Затем ротор настраивается в положение минимального сопротивления, где магнитная ось ротора точно совпадает с магнитной осью статора.

Когда фаза B-B запитывается от замыкания переключателя S2, а фаза A-A остается обесточенной при размыкании выключателя S1, обмотка B-B ‘создает магнитный поток, и, следовательно, магнитная ось статора смещается вдоль полюсов. таким образом, образованный им. Следовательно, ротор с намагниченными зубьями статора перемещается с минимальным сопротивлением и вращается на угол 30 градусов по часовой стрелке.

Когда на выключатель S3 подается напряжение после размыкания выключателя S2, на фазу C-C подается питание, зубья ротора выравниваются в новом положении, перемещаясь на дополнительный угол 30 градусов. Таким образом, ротор движется по часовой стрелке или против часовой стрелки, последовательно возбуждая обмотки статора с определенной последовательностью. Угол шага этого трехфазного 4-полюсного шагового двигателя с зубьями ротора выражается как 360 / (4 х 3) = 30 градусов (как угол шага = 360 / Nr х q).

Угол шага может быть дополнительно уменьшен путем увеличения числа полюсов на статоре и роторе, в таких случаях в двигателях часто наматываются дополнительные обмотки. Это также может быть достигнуто за счет использования различных конструкций шаговых двигателей, таких как многоступенчатое расположение и механизм редуктора.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Конструкция двигателя с постоянными магнитами является, пожалуй, наиболее распространенной среди нескольких типов шаговых двигателей. Как следует из названия, к конструкции двигателя добавляются постоянные магниты. Основным преимуществом этого мотора является его низкая себестоимость. Этот тип двигателя имеет 48 — 24 шагов на оборот.

Конструкция шагового двигателя с постоянными магнитами

В этом двигателе статор является многополюсным, и его конструкция аналогична реактивному шаговому двигателю, как обсуждалось выше. Он состоит из щелевой периферии, на которую намотаны катушки возбуждения статора, которые могут быть двух-, трех- или четырехфазными. Концевые клеммы всех этих обмоток выведены и подключены к возбуждению постоянного тока через полупроводниковые переключатели в цепи привода.

Ротор состоит из материала с постоянными магнитами, такого как феррит, который может иметь форму цилиндрического или выступающего полюса, но обычно это гладкий цилиндрический. Ротор спроектирован так, чтобы иметь четное количество постоянных магнитных полюсов с чередующимися «+» и «-» полярностями.

Принцип работы шагового двигателя с постоянным магнитом

Этот тип двигателя работает по принципу притяжения полюсов с разным знаком. Когда обмотки статора возбуждаются источником постоянного тока, он создает магнитный поток и устанавливает «+» и «-» полюса. Из-за силы притяжения и отталкивания между полюсами ротора с постоянными магнитами и полюсами статора ротор начинает двигаться в положение соответствующему поданному сигналу на статор.

Рассмотрим двухфазный шаговый двигатель с двумя полюсами с постоянным магнитом ротора, как показано на рисунке ниже.

Когда на фазу А подается обратное напряжение по отношению к обмотке А’ устанавливаются «+» и «-» полюса. Благодаря силе притяжения полюса ротора совмещаются с полюсами статора, так что ось магнитного полюса ротора регулируется относительно оси статора, как показано на рисунке.

Когда возбуждение переключается на фазу B и выключается фаза A, ротор дополнительно настраивается на магнитную ось фазы B’ и таким образом поворачивается на 90 градусов по часовой стрелке.

Затем, если на фазу A подается отрицательный ток по отношению к A’, образование 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 вращается еще на 90 градусов в том же направлении. Затем, если фаза A возбуждается положительным током, ротор возвращается в исходное положение, совершая полный оборот на 360 градусов. Это подразумевает, что при возбуждении статор, ротор имеет тенденцию вращаться на 90 градусов по часовой стрелке. Угол шага этого 2-фазного 2-полюсного ротора с постоянным магнитом выражается как 360 / (2 х 2) = 90 градусов. Размер шага может быть уменьшен путем одновременного включения двух фаз или последовательности режимов однофазного включения и двухфазного включения с правильной полярностью.

Гибридный шаговый двигатель

Это наиболее популярный тип шагового двигателя, поскольку он обеспечивает лучшую производительность, чем шаговый двигатель с постоянными магнитами, дискретностью шага, удерживающего момента и скорости. Однако эти двигатели стоят дороже. Этот тип сочетает в себе лучшие характеристики шаговых двигателей с переменным сопротивлением и шаговых двигателей с постоянными магнитами. Эти двигатели используются в устройствах, где требуется очень маленький угловой шаг, такой как 1,5, 1,8 и 2,5 градуса.

Конструкция гибридного шагового двигателя

Статор этого двигателя такой же, как у других типов. Катушки статора намотаны на чередующиеся полюса. При этом на каждом полюсе намотаны катушки разных фаз, обычно две катушки на полюсе, который называется бифилярным соединением.

Ротор состоит из постоянного магнита, который намагничен в осевом направлении для создания пары магнитных полюсов ( «+» и «-» полюсов). Каждый полюс покрыт равномерно расположенными зубцами. Зубья состоят из мягкой стали и двух секций, из которых на каждом полюсе смещены друг относительно друга на пол-зубца.

Принцип работы гибридного шагового двигателя

Этот двигатель работает аналогично двигателю с постоянным магнитом. На рисунке выше показан 2-фазный, 4-полюсный, 6-зубчатый роторный гибридный шаговый двигатель. Когда возбуждается фаза A-A’ источником постоянного тока, оставляя B-B’ невозбужденным, ротор выравнивается так, что «+» полюс ротора обращен к «-» полюсу статора, а «+» полюс ротора обращен к «-» полюсу статора.

Теперь, если возбуждается фаза B-B’, и если A-A’ отключить таким образом, что верхний полюс станет «+», а нижний «-«, тогда ротор выровняется в новое положение, двигаясь в направлении против часовой стрелки. Если фаза B-B’ возбуждается противоположным образом, так что верхний полюс становится «-«, а нижний «+», тогда ротор поворачивается по часовой стрелке. При правильной последовательности импульсов поданных на обмотки статора, двигатель будет вращаться в нужном направлении. При каждом возбуждении ротор блокируется в новом положении, и даже если возбуждение снимается, двигатель все еще сохраняет свое заблокированное состояние из-за возбуждения от постоянного магнита. Угол шага этого 2-фазного 4-полюсного 6-зубчатого роторного двигателя задан как 360 / (2 х 6) = 30 градусов. На практике гибридные двигатели конструируются с большим количеством полюсов ротора, чтобы получить высокое угловое разрешение.

Униполярные и биполярные шаговые двигатели
Рассмотренные выше двигатели могут быть однополярными или биполярными на основе устройств обмотки катушки. Однополярный двигатель используется с двумя обмотками на фазу, и, следовательно, направление тока через эти обмотки изменяет вращение двигателя. В этой конфигурации поток тока проходит через одно направление в одной катушке и противоположное направление в другой катушке.
На рисунке ниже показан двухфазный однополярный шаговый двигатель, в котором катушки A и C предназначены для одной фазы, а B и D для другой фазы. В каждой фазе каждая катушка проводит ток в направлении, противоположном направлению другой катушки. Только одна катушка будет проводить ток за раз в каждой фазе для достижения определенного направления вращения. Так что, просто переключая клеммы на каждую катушку, контролируется направление вращения.

В случае биполярного шагового двигателя каждая фаза состоит из одной обмотки, а не двух в случае однополярной. При этом направление вращения контролируется путем изменения направления тока через обмотки. Следовательно, он требует более сложной схемы привода для реверсирования тока.

Шаговые двигатели имеют три основных режима работы:

— полный шаг — за 1 импульс ротор совершает 1 шаг;.

— полушаг — за 1 импульс ротор совершает оборот на ½ шага за 1 такт.

— микрошаг — дробление значений оборотов ротора за 1 импульс на ¼, ⅛ и т.д. шага.

Полный шаг

One phase on full step – одна фаза на полный шаг.

Этот вариант был описан в примерах ранее, он заключается в попеременной коммутации фаз, фазы не перекрываются, в каждый момент времени к источнику напряжения подключена только одна фаза. Точки равновесия ротора совпадают с полюсами статора. Недостатком этого режима является использовании половины обмоток для биполярного двигателя, и лишь четверть для униполярного.

Two-phase-on full step — две фазы на полный шаг.

Этот вариант полношагового режима управления при котором в одно и то же время включены две фазы на полный шаг. Называется – две фазы на полный шаг. При таком способе ротор фиксируется между полюсами статора за счет подачи питания на все обмотки. Это позволяет увеличить крутящий момент двигателя на 40%. Угол шага не меняется, просто ротор в состоянии равновесия смещен на пол шага.

Полушаг

Этот способ позволяет получить в два раза больше шагов на оборот ротора от двигателя. На четных шагах возбуждается одна фаза, а на нечетных — возбуждаются сразу две. В результате такого подключения угловой шаг уменьшается в два раза. При использовании данного варианта приходится мериться с потерей момента. Надо помнить, что для обоих режимов справедливо то, что при остановке двигателя со снятием напряжения со всех фаз, ротор двигателя находится в свободном состоянии и может смещаться от механических воздействий. Для фиксирования положения ротора, необходимо подать на обмотки двигателя ток удержания. Данная возможность позволяет обходиться без механических фиксаторов, тормозных систем и т.п. В полушаговом режиме шаговый двигатель делает два раза больше шагов за оборот. Полушаговый режим обеспечивает более плавное вращение, чем полношаговый, но при переключении между обмотками теряется до 30% крутящий момент.

Микрошаговый

Для получения еще большего числа шагов двигателя применяют микрошаговый режим. Включают две фазы, как на полушаговом режиме, но токи обмоток распределяют не равномерно. Магнитное поле статора смещается между полюсами, смещая и положение ротора. Как правило, разница токов между рабочими фазами происходит с определенной дискретностью, это и называется микрошагом. Микрошаговый режим способен значительно повысить точность позиционирования шагового двигателя. Хотя система управления приводом становится намного сложнее. Этот режим используется в ситуациях, когда требуется высокоточное позиционирование. Как и в случае полушаговой операции, микрошаг повышает точность позиционирования за счет уменьшения крутящего момента.

Преимущества шагового двигателя

— точность позиционирования, погрешность отдельного шага не накапливается с шагами;

— низкая инертность при старте, реверсе и остановке;

— высокая надежность, из-за отсутствия трущихся деталей;

— скорость двигателя прямо пропорциональна частоте входных импульсов, таким образом, может быть достигнут широкий диапазон скорости вращения;

— угол поворота двигателя прямо пропорционален входным сигналам;

— фиксация положения при остановке током удержания;

— шаговые двигатели дешевле по сравнению с серводвигателями.

Недостатки шаговых двигателей:

— сложность системы управления;

— появление резонанса при определенных условиях;

— падение мощности с ростом скорости;

— отсутствие обратной связи;

— низкая скорость вращения;

— невысокая удельная мощность

Шаговый двигатель: что это такое и как он работает — принцип работы и устройство

1. Что такое шаговый двигатель
2. Принцип работы шагового электродвигателя
3. Какие бывают шаговые двигатели: рассмотрим их разновидности
4. Принцип управления шаговым двигателем
5. Достоинства и недостатки
6. Важные характеристики
7. Подключение
8. Виды управления
9. Полезные ролики по теме

Рассмотрим «сердце» фрезеровочных, шлифовальных, универсальных и многих других станков. Под прицелом внимания – шаговый двигатель: устройство и принцип работы, схема и сферы применения, типы конструкции и варианты программирования. Расскажем все эти и другие важные моменты, чтобы вы понимали, что он из себя представляет и какую его модель выбрать в соответствии со спецификой решаемых задач.

Сразу отметим, что предмет нашего интереса сегодня используется не только в сложном оборудовании, решающем ответственные задачи, но и в сравнительно простых производственных механизмах и даже в бытовых приборах. Он востребован во всех тех случаях, когда необходимо поддерживать достаточно скоростное вращение вала, одновременно сочетая его с точным позиционированием, и поэтому будет оставаться актуальным еще долгие годы.

Что такое шаговый двигатель

Согласно наиболее популярному определению, это машина, которая преобразует электрическую энергию (ее она получает из сети) в механическую осуществляя дискретные (внимание, не непрерывные, это важно) перемещения ротора. Причем после каждого такого действия положение динамической части фиксируется.

Все отдельные передвижения одинаковой величины, и вместе они формируют полный оборот (цикл). Поэтому, подсчитав их количество, можно без труда и с высокой точностью вычислить абсолютную позицию инструмента. Общее их число, кстати, зависит от ряда моментов: характер подключения, вид устройства, способ задания команд и другие факторы.

Принцип работы шагового электродвигателя

1. На клеммы подается напряжение, благодаря которому специальные щетки начинают вращаться.
2. Под воздействием входящих импульсов ротор устанавливается в начальное положение, а затем перемещается под одним и тем же углом.
3. Микроконтроллер (в большинстве случаев, хотя возможна и другая внешняя цепь управления) приводит в действие зубчатые электромагниты. Тот из них, к которому прикладывают энергию, притягивает шестерню, обеспечивая тем самым поворот вала.
4. Остальные магниты по умолчанию выровнены относительно ведущего, поэтому они сдвигаются вместе с ним по направлению к очередной детали.
5. Шестеренка вращается за счет переключения электромагнитов по порядку – от главного к следующему и так далее. При этом она выравнивается относительно предыдущего колеса, что завершает цикл.

Шаг шагового двигателя – это описанный выше алгоритм, и он повторяется необходимое для выполнения технологической операции количество раз.

Представление о внешнем виде и характере функционирования дополнит следующий рисунок:

Из него ясно, что к статору относятся четыре обмотки, расположенные крестообразно, то есть под углом в 90 0 друг к другу. Отсюда понятно, что и дискретное движение будет осуществляться на такую же величину градусов. Если напряжение подавать поочередно – U1, U2, U3 и так далее – ротор сделает полный оборот, а затем пойдет на второй круг, то есть начнет вращаться – до тех пор, пока его не потребуется остановить. Ну а, чтобы изменить направление его движения, достаточно задействовать витки в обратном порядке.

Какие бывают шаговые двигатели: рассмотрим их разновидности

Режимы работы мотора определяют 2 характеристики: величина шага и усилие, прикладываемое для перемещения. Варьировать их можно, меняя метод подключения, строение обмоток или вала.

Соответственно, классификация приводов осуществляется по следующим параметрам:

• По конструкции ротора – его строение играет ключевую роль, так как от него зависит специфика взаимодействия с электромагнитным полем статора. Выделяют 3 варианта, причем каждый из них мы рассмотрим ниже, со всеми особенностями, плюсами и минусами.
• По виду (числу обмоток) – с ростом их количества вращение становится более плавным, но одновременно увеличивается и стоимость силового агрегата, хотя крутящий момент остается неизменным. Могут быть уни- и биполярными, в первом случае подключаются с ответвлением от средней точки, во втором – через 4 выхода.

Теперь обратим внимание на строение вала.

Шаговые приводы с переменным магнитным сопротивлением

Как следует хотя бы из названия, собственный источник постоянного поля у него отсутствует; кроме того, его ротор сделан из магнитомягкого материала и отличается зубчатой формой. Через ближайшие к статору участки контакта и осуществляется замыкание – с притяжением к полюсам, обеспечивающее дискретные движения. По своему исполнению он похож на шестерню, в которой сила вращения появляется за счет противоположных пар и попеременного протекания тока.

Ключевое преимущество – нет стопорящего момента, ведь поле, в других случаях способное воздействовать на арматуру, банально отсутствует. Вы получаете синхронный силовой агрегат, в котором ротор и статор поворачиваются одновременно и в унисон.

Обладая теми же размерами, что и другие разновидности, данные модели развивают меньший крутящий момент. Перемещение осуществляется на 5-15 градусов, а это сравнительно грубо и, зачастую, неточно. Так объясняется несколько ограниченная сфера применения реактивного шагового двигателя: где используется мотор данного типа, так в специфических станках, все детали которых производитель изготавливает самостоятельно.

С постоянными магнитами

Опять же, сразу ясно, в чем их особенность – в наличии собственного источника постоянного поля, являющегося основой подвижного элемента и содержащего 2 и более полюсов. Именно последние и обеспечивают вращение ротора за счет подачи напряжения на обмотки и притяжения/отталкивания.

Перемещение может осуществляться либо полностью перпендикулярно предыдущему положению, либо наполовину; увеличивая число магнитных пар, можно регулировать длину, а значит и количество дискретных движений, доводя их общее число до 48 за полный оборот. Это позволяет очень точно устанавливать рабочий инструмент в нужное место и является конкурентным преимуществом силового агрегата.

Гибридные

Конструкция шагового двигателя этого типа была разработана, чтобы объединить достоинства двух предыдущих. Представляет собой цилиндрический источник поля, намагниченный продольно, то есть пару полюсов с особенными поверхностями – с нанесенными зубцами. Последние обеспечивают отличное удерживание, не снижая крутящий момент.

• малый шаг – 0,9-50 – что позволяет прецизионное позиционирование за счет большого количества дискретных перемещений (до 400 за один цикл);
• высокая скорость и плавность работы.

Да, они дороже двух предыдущих видов, так как сложнее в изготовлении, но это относительный минус. Благодаря своим преимуществам это наиболее распространенные сегодня варианты, использующиеся в самых ответственных случаях: устанавливаются в ЧПУ-станках, в приборах современной робототехники, на медицинском и офисном оборудовании.

Принцип управления шаговым двигателем

Выделяют 3 основных режима, задаваемых драйвером, то есть чипом, посылающим сигналы. Вот они:

• полно-,
• полу-,
• и микрошаговый.

Каждый из них обладает своими особенностями. Первый из них мы уже косвенно описывали выше, и он сводится к поочередной коммутации фаз; причем только одна из них в любой из моментов может быть подключена к источнику – они не должны перекрывать друг друга. Этот закон отражен в английском названии метода – one phase – one step. Точки равновесия при этом обязаны совпадать с направлением полюсов статора.

Минус здесь в том, что одновременно задействована лишь половина обмоток (у биполярного агрегата) или даже четверть (у униполярного).

Также можно выбрать принцип работы шагового мотора, при котором питание будет подаваться сразу на все витки. Он известен как способ two-phase-on (full step), и при нем ротор остается в состоянии равновесия между силовыми линиями неподвижной части вала, причем смещенным на половину дискретного движения. Благодаря такому решению крутящий момент может быть повышен до 35-40%.

Полушаговый режим

На каждом втором перемещении задействована одна фаза, в то время как между ними – пара. Это дает возможность вдвое уменьшить величину угла и, следовательно, в 2 раза повысить количество переходов в течение оборота. Удобен именно тем, что сравнительно просто обеспечивает результат, поэтому достаточно распространен.

При таком устройстве и работе шагового электродвигателя важно помнить, что его остановка должна производиться с формированием тока удержания – небольшого, намного меньше номинального, но все равно необходимого и важного. Он нужен, чтобы автоматически фиксировать положение ротора после полного отключения напряжения. Иначе подвижный вал будет в свободном состоянии и при механическом воздействии (которое весьма вероятно) сместится, чего нельзя допустить. Зато при его подаче отпадает потребность в организации тормозной системы, добавлении механического фиксатора или другого элемента, способного стать «слабым звеном», то есть снизить общую надежность силового агрегата.

Микрошаговый режим

Рассмотрим, как в этом случае действует пошаговый двигатель: принцип работы сводится ко включению двух фаз с неравномерным распределением тока обмоток. Благодаря этому смещается магнитное поле статора, а вслед за ним и позиция ротора. Диспропорция между переключениями отличается маленькой дискретностью.

За счет такого подхода осуществляются крайне малые шаги – в 1/3 от полного или еще короче, числом до 1000 за оборот. Это позволяет максимизировать точность установки инструментов, хотя и значительно усложняет систему контроля. На практике данное решение востребовано в особо сложных и ответственных случаях, при создании и использовании сравнительно дорогих, но прецизионных станков.

Достоинства и недостатки

Мы уже рассмотрели, как устроен, работает, и где применяется шаговый двигатель, что это такое, но наше описание было бы неполным без анализа плюсов и минусов его стандартных моделей.

В списке объективных преимуществ:

• Поддержка полного крутящего момента при постепенном уменьшении скорости хода, даже перед остановкой.
• Точное позиционирование в рамках выбранного режима, причем без какой-либо обратной связи; количество дискретных перемещений задается углом поворота.
• Положение силового агрегата фиксируется сразу же в момент прекращения движения – ток удержания обеспечивает отсутствие инерционных сдвигов.
• Быстрый старт и реверс, оперативное переключение.
• Регулировать вращение можно прецизионно, возвратного влияния при этом, опять же, не наблюдается.
• Высокий уровень общей надежности, отчасти объясняется тем, что нет коллекторных щеток и других элементов, которые могли бы стать «слабым звеном».

В числе практических недостатков:

• Принцип действия шагового двигателя может сопровождаться чересчур сложным управлением.
• Скорость не очень-то высока номинально.
• Иногда возникает резонанс, что чревато сбоями в установке инструментов.
• Удельная мощность сравнительно мала.
• Под воздействием механических перегрузок возможна потеря позиционирования.

Очевидно, что плюсы значительнее минусов, к тому же, есть области, в которых без рассматриваемых силовых агрегатов просто не обойтись, когда они в разы превосходят коллекторные. Это те случаи точной механики, в которых нужно перемещать узлы с мгновенными остановками и быстрым изменением вектора движения.

Важные характеристики

• С точки зрения электротехники, пошаговый привод – это достаточно сложное устройство, обладающее целым рядом параметров. Вот основные из них:
• Число полных шагов в течение одного цикла – от него зависит точность, плавность хода, разрешающая способность; у современных моделей должно быть на уровне 200-400.
• Угол дискретного перемещения (поворота вала) – рассчитывается как 360 0/количество отдельных передвижений за оборот; аналогичный предыдущему показатель, просто представленный в другом виде; его актуальные значения – 1,8-0,9 градусов.
• Пробивное напряжение – максимальное, по достижении которого нарушается изоляция, определяет безопасность использования.
• Допустимое постоянное напряжение – измеряется в статическом режиме на витках; в ряде случаев не приводится, но и тогда его можно рассчитать по закону Ома.
• Номинальный ток – наибольший из возможных для безопасного и бесперебойного функционирования силового агрегата.
• Сопротивление обмотки – оно, вместе с предыдущей характеристикой, говорит о том, какое количество Вольт можно подавать на пошаговые электродвигатели.
• Индуктивность фазы – определяет скорость нарастания тока; приобретает особенно важную роль при быстром вращении вала.
• Сопротивление изоляции – между обмотками и корпусом.

Отдельным семейством параметров являются моменты:

• крутящий – зависит от частоты вращения; указывается максимальный для данного силового агрегата;
• инерции – чем он меньше, тем быстрее разгон;
• стопорный – нужен для прокручивания вала в случае отсутствия питания;
• удерживающий – активен при полной остановке и запитывании номинальным током двух фаз.

Подключение

• общее число проводов;
• характер запуска.

Есть модели с 4, 5, 6, 8 соединителями; «четверка» подходит только для биполярных, так как у них пара фазных обмоток с двумя коннекторами и нужно устанавливать непрерывные связи. «Шестерка» обладает еще и центр-кранами на каждом витке и поэтому универсально применима ко всем силовым агрегатам.

Типичные варианты коммутации выглядят следующим образом:

Для беспроблемной эксплуатации важно помнить правила подачи номинального напряжения, а также изменения скорости крутящего момента и понижения линейного.

Виды управления

Помимо уже рассмотренных режимов – полно-, полу- и микро-, – есть и другие, определяющие, как сигналы подаются на полюса и, соответственно, как работает шаговый мотор. Рассмотрим два принципиально разных их типа.

Без контроллера

Реализуется благодаря Н-мосту (часто именно так и называется), позволяющему практически мгновенно переключать полярность и обеспечивать быстрый реверс. Система выстраивается на транзисторах и/или микросхемах: выбранные ЭРЭ гарантируют логическую цепочку, по которой перемещаются ключи. Подходит для бесколлекторных моделей.

Согласно данной схеме, напряжение идет от источника питания к мосту. Контакты включаются попарно (S1-S4 и S3-S2), благодаря чему ток проходит через обмотки, запуская вращение в нужную сторону.

С контроллером

Взглянем на него подробнее, ведь он определяет, как работает и что такое шаговый электродвигатель: это электронный блок, который формирует последовательность сигналов и посылает их на катушки статора. Чтобы он не вышел из строя при возникновении аварийной ситуации (например, при коротком замыкании), выводы привода снабжают диодами, не пропускающими обратные импульсы. Дает возможность реализовать самые разные режимы.

Популярные схемы управления

Предлагаем вашему вниманию два интересных варианта:

Ключевое преимущество здесь – помехозащищенность. Как прямой, так и инверсный сигнал подключаются к своим полюсам напрямую. При ее воплощении в жизнь необходимо озаботиться экранированием сигнального соединителя. Подходит, когда планируете с низкой мощностью использовать шаговый электродвигатель: принципы работы будут выполняться даже при условии высоких нагрузок.

Еще одно достойное решение:

Ключевая особенность – объединение вводов, подключаемых к положительному полюсу. Если при этом будет подаваться питание, превышающее 9 В, понадобится дополнить схему резистором-ограничителем тока. В общем же она очень удобна тем, что обеспечивает возможность строго и точно задавать скорость и количество перемещений в течение оборота.

Если на один его D-вывод подавать логическую 1, а на остальных оставлять 0, транзистор откроется, что обеспечит прохождение сигнала к катушке. Вот таким нехитрым способом осуществляется дискретное передвижение.

Советуем на практике посмотреть, что собой представляет шаговый двигатель, назначение устройства и принцип действия – попробуйте самостоятельно задать ему некоторые команды. Взяв последнюю разработку за основу, не проблема выполнить печатную плату, под заказ или даже своими силами, впаяв в нее необходимые ЭРЭ (почти все диоды, транзисторы, резисторы можно извлечь из отслужившей свое техники). Управление возможно осуществлять с обычного компьютера.

Полезные ролики по теме

Если на эксперименты нет времени или желания, и срочно нужен станок с надежным силовым агрегатом, вам есть из чего выбрать. Достойных производителей сегодня хватает, например, современное оборудование предлагает ижевский завод «Сармат», все модели которого отличаются эргономикой, эффективностью, высокой степенью безопасности.

Ну а напоследок посмотрите, как работает шаговый двигатель, видео помогут вам окончательно понять принцип действия данных приводов.

Устройство, принцип работы и применение шаговых электродвигателей

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

Устройство шагового электродвигателя состоит из основы: статора, на котором размещены обмотки, и ротора. Для создания ротора в большинстве случаев используются твердые или мягкие магнитные материалы. При производстве ротора выгоднее использовать магнитный материал, потому как именно шаговый электродвигатель, принцип работы которого основан на магнитном роторе, способен обеспечить больший крутящий момент. К тому же устройство из магнитного материала позволяет добиваться наилучшей фиксации ротора даже при обесточенных обмотках.

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

Принцип действия электродвигателя-гибрида основан на использовании основных полюсов, на которых закреплены обмотки. Кстати, благодаря тому что роторные зубцы у смешанной модели расположены в осевом направлении, они способны обеспечивать не только большее количество эквивалентных полюсов, но и оказывают заметно меньшее сопротивление магнитной цепи, что, в свою очередь, улучшает динамический и статический момент. К тому же ротор гибридного электродвигателя имеет постоянный магнит, расположенный между двумя его частями. Таким образом, зубцы верхней роторной части исполняют роль северных полюсов, а зубцы нижней части, соответственно, южных. Количество роторных полюсных пар всегда соответствует количеству зубцов на одной из его частей. Кроме того, зубчатые полюсные наконечники ротора, также как и статора, набираются только из отдельных пластин. Подобное устройство шагового электродвигателя помогает снизить потери, возникающие из-за вихревых токов.

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

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

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

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

Тем не менее у данного типа двигателей имеются и определенные недостатки. В частности, в шаговом двигателе существует довольно высокая вероятность так называемого проскальзывания ротора. Обычно этот недостаток проявляется при чрезмерной нагрузке на вал или при неверной настройке управляющей программы. Поскольку электрически это никоим образом не может быть зафиксировано, то во избежание ошибок при ответственных применениях обычно устанавливают специальные датчики для обратной связи, задачей которых является тщательный контроль над перемещениями и вращениями. К сожалению, подобные датчики имеют достаточно высокую стоимость.