Шаговый двигатель в часах как работает

Глядя на циферблат современных кварцевых часов с невероятным количеством стрелок, сложно поверить, что долгое время камнем преткновения в их производстве было изготовление шагового двигателя, способного поместиться в корпус разумных размеров.

Возвращаясь к истории развития кварцевых калибров, стоит вспомнить, что своеобразным мостиком от чистой механики к кварцу стали электро-механические часы самых разных конструкций. Мы с умилением рассматриваем хитроумные резонаторы, в т.ч. с использованием кварца, замысловатые системы передачи колебаний на колесную систему, и не задумываемся, что причиной всего этого разнообразия технических решений было отсутствие у часовщиков миниатюрного электродвигателя, способного поместиться в корпусе наручных часов. Традиционные моторы, использовавшиеся в 1950-1960-х годах, категорически не подходили для этой задачи. Перелом произошел, когда в часы удалось поместить шаговый электродвигатель.

Первую победу шаговый двигатель одержал в 1957 году, когда на Всемирной выставке в Брюсселе экспонировался первый в мире советский фрезерный станок с цифровым программным управлением. Этот экспонат был удостоен Большой золотой медали и открыл новую страницу в станкостроении. Современная техника немыслима без фрезерных, токарных, электроэрозионных и многих других станков с цифровым управлением. Большая часть из них действует благодаря шаговым двигателям.

Затем шаговые двигатели обосновались в механизмах управления прокатных станов, прессов и других металлургических машин, стали одним из самых распространенных элементов автоматики. Они работают на кораблях, самолетах и искусственных спутниках Земли — везде, где требуется быстрое, точное и надежное исполнение воли человека.

В обычном электродвигателе магнитное поле страгивает с места ротор, который дальше продолжает вращение по инерции. Точно предсказать, на сколько оборотов или на какую часть оборота повернется ротор, невозможно. Это приемлемо в электровозе, который останавливают с помощью тормозов, но не в часах, стрелки которых должны совершать точно отмеренные движения. Шаговые моторы получили свое название из-за того, что в них ротор каждый раз поворачивается на строго определенный угол, или шаг. Более того: ротор в них не имеет инерции и, даже будучи отключенным от питания, мотор надежно фиксирует вал в том положении, в котором его обесточили. Чтобы добиться таких характеристик, конструкцию классического электродвигателя пришлось кардинально пересмотреть.

На принципиальном уровне шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, имеющего намагниченные половины – одну отрицательную и одну положительную. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Он разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок.

Статор двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество положительных и отрицательных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки: чем больше зубцов, тем меньший шаг может сделать двигатель, а значит, выше будет его точность. К примеру, если у двигателя (как на рисунке 1), 4 основных катушки и 4 зубца на роторе, то за один шаг он сможет повернуться на 90 градусов. При наличии большего числа зубцов (рисунок 2) как на статоре, так и на роторе, длина шага уменьшится, а вместе с ней уменьшится и угол поворота. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.

Главное преимущество шаговых приводов — точность. При подаче тока на обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Чем меньше угол — тем выше точность.

Увы, описанный выше мотор не мог поместиться в часовой корпус. Но после долгих поисков японские инженеры из компании Seiko смогли произвести на свет миниатюрный шаговый двигатель (рис. 3), у которого была всего одна катушка индуктивности, а ротор и статор имели по два полярных «зубца». Проблем при производстве такого мотора было сразу несколько. Намотать несколько тысяч витков тончайшей проволоки на катушку, обеспечить невысокое энергопотребление данного изделия, получить достаточную мощность для вращения колесной системы – все эти задачи нужно было решить в одном изделии. Японцы с ними справились, и предложенная ими компоновка двигателя применяется и по сей день.

Шаг в секунду и быстрее

Решение японских инженеров произвело революцию в часовой отрасли и решило ключевую, но отнюдь не единственную задачу. Подобный мотор хорош для классического трехстрелочника, но плохо подходит для привода хронографа или дополнительного счетчика. Решение этой проблемы нашли уже швейцарские мастера, которые лишь спустя несколько лет после появления Astron смогли прийти в чувства и вновь начать удивлять публику, в том числе и на кварцевом поприще. Среди производителей механизмов особняком от всех стоит швейцарская компания Soprod, начавшая производство кварцевых калибров в 90-х. «Опытное» подразделение исконно механической фабрики стало производить демократичные калибры, но вскоре, оценив перспективы рынка, перенесло фокус внимания на кварцевые механизмы высокого класса. Основным достижением компании Soprod можно считать уникальную методику программирования и начало применения микромоторов с возможностью вращения стрелок в обе стороны благодаря использованию сразу двух маленьких, но мощных катушек индуктивности. Да и шаг стрелки теперь зависел не от колесной передачи, а от того, сколько микроскопических магнитных зубцов удавалось разместить не роторе, непосредственно на котором и была закреплена стрелка каждого счетчика.

Теперь стало можно свободно располагать в любой части циферблата без привязки к колесной системе любое количество стрелок и наделять их совершенно фантастичеким функционалом. Хотите ретроградный указатель дня недели, часа или даже ретроградные минутные или секундные счетчики? Никаких проблем, ведь запрограммировать схему отправлять импульс на микромотор можно в любом порядке и направлении. По одному импульсу в день и возврат в исходное положение на 8-й день – вот вам ретроградный календарь. Ранее такие функции были атрибутами высококлассной механики, теперь они реализованы в самых разных часах и доступны широкому кругу покупателей. Яркий пример подобных часов – флагманские модели бренда Adriatica или Vostok Europa.

Некоторые бренды идут дальше и предлагают совсем необычные решения. Одним из наиболее интересных подходов дизайнеров к платформе калибров свободной компоновки Soprod SOP FM13D является модель Victorinox Swiss Army Chrono Classic 1/100. В ней на два мотора прикреплены счетчики сотых долей секунд, первый диск показывает цифры первого порядка, другой – второго. При запуске хронографа стрелка отсчета секунд начинает движение, отсчитывая целые секунды, и диски начинали вращаться, отмеряя сотые доли. Удивительный симбиоз технической возможности и дизайнерской идеи произвел на свет одну из самых оригинальных моделей хронографов с возможностью отсчета одной сотой.

Точность и мощность

Именно этими двумя словами можно охарактеризовать калибры последнего поколения от лидера индустрии – компании ETA. Если об аспекте точности (PreciDrive) мы говорили в прошлой статье, посвященной вопросам термокомпенсации, то сегодня коснемся вопроса мощности часового мотора. Технология PowerDrive была разработана компанией ETA специально для высокоточных кварцевых хронографов. Шаговые моторы нового поколения способны делать 200 шагов в секунду, что кроме перспектив для маркетологов и дизайнеров открывает совершенно новые просторы в хронометрии. Безусловно, просто мотора для такой работы мало, необходимо изготовить микросхему, которая будет управлять одновременно сразу несколькими моторами, каждый из которых в определенном режиме будет иметь разный функционал. Кроме того, актуальным остается вопрос энергопотребления. В ETA не раскрывают секрета, но говорят, что при ускоренном перемещении стрелок (во время работы хронографа, или при переводе показаний в ускоренном режиме), потребление энергии даже ниже, чем в стандартном режиме. Увы, более подробную информацию о калибрах с данной технологией найти практически невозможно. Производитель хранит все детали в секрете, ведь сейчас это одно из главных конкурентных преимуществ кварцевой линейки некоторых брендов Swatch Group, таких как Certina, Hamolton, Longines.

В любую сторону света

Другим, стоящим отдельно от всех брендом Swatch Group является Tissot с технологией T-Touch. Тактильное стекло в рамках данной статьи мы рассматривать не станем, зато поговорим о том, как с помощью всего двух стрелок часы могут предоставлять информацию о перспективах изменений погоды (как заправский барометр) и даже указывать направление на север и юг (как самый настоящий компас). Процесс перехода из обычного режима отображения времени и превращение часовой и минутной стрелок в стрелки компаса выглядит как некое таинство. Если вращать часы, держа их горизонтально, то ни секунды не оставаясь на месте, стрелки все время будут упорно показывать вам верное направление к полюсам. А как только новоиспеченный турист наиграется с этим прекрасным усложнением, они вновь займут свои места и покажут текущее время. Как же это происходит?

Для этого нам придется заглянуть внутрь одних из первых часов в линейке T-Touch. Уже наметанным взглядом мы увидим по две катушки индуктивности для каждой из стрелок, расположенные не как у Soprod V-образно, а на оборот — параллельно друг другу. Дальше нам остается лишь понять, что под металлической платиной скрываются уже знакомые шаговые моторы с очень маленьким шагом, способные перемещать стрелки на очень маленький угол. Однако стоит отдать марке Tissot должное: даже в кулуарных разговорах с производителями современных калибров все признают, что скорость и точность движения стрелок в T-Touch для многих является недостижимой. Все остальные тонкости реализованы благодаря очень хитрой схеме управления с электронным компасом, барометром, альтиметром и прочими «наворотами», которая передает импульсы на моторы, чтобы те послушно исполнили команды.

Для самых маленьких

По иронии судьбы, самые компактные в мире моторы используются в одних из самых крупных и массивных часах на рынке. Речь идет о флагманских моделях Casio в линейке G-Shock. Несколько лет назад компания уже анонсировала самый маленький в мире шаговый мотор, да еще и приводимый в действие солнечной энергией. Но японцам было нужно больше места в и без того не маленьком корпусе. Для чего? Чтобы поместить в часы GPS-антенну, Bluetooth-передатчик и еще пару датчиков (удара и положения стрелок). Перебирая, на чем бы сэкономить место, остановились на моторах. Проволоку взяли потоньше, намотали ее поплотнее – уже минус в объеме и плюс в мощности. Всех секретов японцы опять же не раскрывают, но поместить сразу 5 моторов вместе со всем перечисленным выше списком деталей им удалось. Да и моторы обрели новый статус – «на 26% меньше чем самый маленький мотор в мире» — инженеры Casio улучшили свой собственный рекорд. А покупатели получили новые часы с широчайшим функционалом, потрясающей надежностью и хронографом 1/100 секунды.

Кварцевый люкс

Возможно, для кого-то это выражение звучит немного иронично, но только не для компании Seiko. В верхней линейке марки Grand Seiko кроме высококлассных автоматических или гибридных калибров вроде Spring Drive, имеются и чисто кварцевые модели, которые по качеству материалов и обработке платин не уступают люксовым швейцарским механическим изделиям.

Одной из проблем, характерной для кварцевых часов, является недостаточный момент, развиваемый шаговым двигателем, из-за чего дизайнеры вынуждены использовать облегченные стрелки. В линейке калибров 9F в Grand Seiko пластиковым деталям места нет, и чтобы обеспечить мотору мощность, достаточную для работы с металлической колесной системой, создатели калибра применили в нем двухимпульсную систему регулирования, отправляющую каждую секунду на мотор не один электрический импульс, а целых два. Развивать больший момент двигателю помогает и увеличение индуктивности катушки: разработанная Seiko технология позволила использовать при ее намотке более тонкую проволоку (толщиной 15 мк вместо обычных 30 мк) и добиться более плотной укладки. Как следствие, число витков и напряженность генерируемого катушкой магнитного поля увеличились в четыре с лишним раза. Позже эта технология очень пригодилась Seiko при создании Spring Drive. Теперь кварцевым механизмам линейки по плечу любые стрелки — даже те, с которыми ранее могли справиться только механические часы.

Автор: Дмитрий Лисов
При перепечатке активная ссылка обязательна

105 [Catalogue_ID] => 1 [Parent_Sub_ID] => 0 [Subdivision_Name] => Статьи [Template_ID] => 23 [ExternalURL] => [EnglishName] => articles [LastUpdated] => 2024-02-01 12:02:58 [Created] => 2016-09-26 11:34:35 [LastModified] => 2024-02-01 12:02:58 [LastModifiedType] => 1 [Hidden_URL] => /articles/ [Read_Access_ID] => 1 [Write_Access_ID] => 3 [Priority] => 3 [Checked] => 1 [Edit_Access_ID] => 3 [Checked_Access_ID] => 3 [Delete_Access_ID] => 3 [Subscribe_Access_ID] => 0 [Moderation_ID] => 1 [Favorite] => 0 [TemplateSettings] => [UseMultiSubClass] => 1 [UseEditDesignTemplate] => 0 [DisallowIndexing] => 0 [Description] => [Keywords] => [Title] => [ncH1] => [ncImage] => [ncIcon] => [ncSMO_Title] => [ncSMO_Description] => [ncSMO_Image] => [Language] => ru [DisplayType] => inherit [LabelColor] => purple [Cache_Access_ID] => 0 [Cache_Lifetime] => 0 [Comment_Rule_ID] => 0 [SitemapPriority] => 0.5 [SitemapChangefreq] => daily [IncludeInSitemap] => 1 [img] => [Pic] => [AlterTitle] => [MainMenu] => 1 [SubMenu] => 0 [SectionText] => [MainArea_Mixin_Settings] => [ncDisallowMoveAndDelete] => 0 [_nc_final] => 1 [img_name] => [img_url] => [img_preview_url] => [img_size] => [img_type] => [img_download] => [img_fs_type] => [Pic_name] => [Pic_url] => [Pic_preview_url] => [Pic_size] => [Pic_type] => [Pic_download] => [Pic_fs_type] => [ncIcon_name] => [ncIcon_url] => [ncIcon_preview_url] => [ncIcon_size] => [ncIcon_type] => [ncIcon_download] => [ncIcon_fs_type] => [ncImage_name] => [ncImage_url] => [ncImage_preview_url] => [ncImage_size] => [ncImage_type] => [ncImage_download] => [ncImage_fs_type] => [ncSMO_Image_name] => [ncSMO_Image_url] => [ncSMO_Image_preview_url] => [ncSMO_Image_size] => [ncSMO_Image_type] => [ncSMO_Image_download] => [ncSMO_Image_fs_type] => [_db_inherit_Template_ID] => 22 [_db_inherit_Read_Access_ID] => 1 [_db_inherit_Write_Access_ID] => 3 [_db_inherit_Edit_Access_ID] => 3 [_db_inherit_Checked_Access_ID] => 3 [_db_inherit_Delete_Access_ID] => 3 [_db_inherit_Moderation_ID] => 1 [_db_inherit_LastModifiedType] => 1 [_db_inherit_SitemapPriority] => 0.5 [_db_inherit_Language] => ru [_db_inherit_IncludeInSitemap] => 1 [_db_inherit_SitemapChangefreq] => daily [_db_inherit_DisallowIndexing] => 0 ) —>

Шаговый двигатель в часах как работает

Страница, которую вы запрашиваете, не существует. Возможно, она была удалена, или был введен неверный адрес. Попробуйте вернуться на главную страницу или воспользуйтесь навигацией.

Шаговый двигатель

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.

Шаговые двигатели. Принцип работы и управление

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

ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ: ПРИНЦИП РАБОТЫ И ОТЛИЧИЯ ОТ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

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

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

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

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

Схема униполярных шаговых двигателей (рис. 1)

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

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

Схема биполярных шаговых двигателей (рис. 2)

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

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

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

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

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

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

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

На рисунке 4 показана последовательность для режима с половинным шагом.

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

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

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

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

Последовательность управления для полушагового управления.

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

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

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

ШАГОВЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ АКТИВНОГО ТИПА

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

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

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

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

Принципиальная схема управления шаговым двигателем

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

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

Симметричная схема коммутации

Несимметричная схема коммутации

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

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

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.

Схема 10

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:

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.

Индукторные (гибридные шаговые двигатели)

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

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

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

ЛИНЕЙНЫЕ ШАГОВЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

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

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

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

Схема, иллюстрирующая работу линейного шагового двигателя

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

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

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.

Шаговый двигатель в часах как работает

Шаговый двигатель в часах как работает

Шаговый двигатель в часах как работает

Меню

Продукция

Контакты

Шаговый двигатель