Шаговый привод двигателей: разновидности, технические характеристики, особенности и принцип работы

Шаговые двигатели, принцип действия, разновидности, характеристики

Шаговый привод двигателей: разновидности, технические характеристики, особенности и принцип работы

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

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

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

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

Принцип действия шаговых двигателей

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

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

Как известно разноименные полюса магнитов притягиваются.

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

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

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

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

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

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

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

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

Биполярные и униполярные шаговые двигатели

Это был  биполярный шаговый  двигатель.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Разновидности  шаговых двигателей

Основные виды шаговых двигателей:

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

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением

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

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

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

Двигатели с  постоянными магнитами

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

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

Гибридные двигатели

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

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

Это самый распространенный тип шаговых двигателей.

Управление шаговым двигателем

Существуют три режима  управления шаговым двигателем:

  • полношаговый
  • полушаговый
  • микрошаговый.

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

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

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

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

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

Полушаговый режим.

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

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

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

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

Микрошаговый режим.

Для получения еще большего числа шагов двигателя применяют микрошаговый режим. Включают две фазы, как на полушаговом режиме, но токи обмоток распределяют не равномерно. Магнитное поле статора смещается между полюсов, смещается и положение ротора.

Как правило, диспропорция токов между рабочими фазами происходит с определенной дискретностью, микрошагом. Бывают микрошаги с величиной треть от полного шага. Бывают значительно больше.

Я разрабатывал систему управления индукторным приводом, так там было больше 1000 микрошагов.

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

Недостатки и достоинства шаговых двигателей.

Преимущества шаговых двигателей.

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

Недостатки шаговых двигателей.

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

Как и всему на свете шаговому двигателю присущи определенные достоинства и недостатки. Но есть области в точной механике, в которых он просто незаменим.

Там где надо перемещать механические узлы, мгновенно останавливать, двигать назад, регулировать скорость… Попробуйте мгновенно остановить коллекторный двигатель, и вы забудете о недостатках шагового.

 Попробуйте реализовать изменение скорости коллекторного двигателя в широких пределах. Проще поставить шаговый с его недостатками.

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

Характеристики шаговых двигателей.

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

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

Пример практической схемы контроллера шагового двигателя.

Источник: http://mypractic.ru/shagovye-dvigateli-princip-dejstviya-raznovidnosti-xarakteristiki.html

Шаговые электродвигатели. Виды, принцип действия, особенности

Шаговые электродвигатели. Виды, принцип действия, особенности

Шаговые электродвигатели легко решают проблему точного позиционирования, не затратив больших средств. Моторы чаще применяются в роботах, станках с программным управлением. Рассмотрим устройство и действие двигателей.

Устройство

Шаговые двигатели являются двигателями переводящими электричество в механическое движение. Главным отличием его от других электромоторов в методе действия. Благодаря этому методу вал вращается. Моторы с шагом созданы для прерывистого вращения, этим они отличаются от других. Их вращение состоит из шагов, от этого получилось название.

Шаг является частью оборота вала мотора. Размер шага зависит от механической части двигателя и от метода управления. Шаговые двигатели подключаются к различным типам питания.

В отличие от своих собратьев, шаговый мотор имеет управление импульсами, преобразующимися в градусы, а затем во вращение. Например, 2,20 шаговый мотор вращает вал на 2,20 при каждом поданном импульсе.

Эта характеристика дает повод называть их цифровыми.

Метод действия

Обмотки в количестве 4-х штук стоят по кругу равномерно между собой на статоре. В зависимости от того, как подключены эти обмотки будет определяться тип шагового двигателя. В нашем случае обмотки разделены, мотор с шагом, углом поворота в 90 градусов. Обмотки подключены по кругу.

Порядок подключения направление вращения двигателя с шагом. На рисунке видно, что вал вращается на 90 градусов в то время, как ток поступит в катушку, через 1 секунду.Стандартными составляющими шаговых двигателей являются ротор и статор. Ротор включает в себя сердечники, изготовленные из магнитов.

Схематически дано изображение.

Режимы управления

При разной подаче тока на катушки вал двигателя вращается по-разному.

Волновое управление

Метод практически нами рассмотрен, волновое действие на катушку. Ток идет через одну катушку. Такой метод редко применяется, характерен пониженным потреблением энергии, дает возможность получения меньше 50% момента вращения двигателя. Большую нагрузку при таком управлении шаговые электродвигатели не выдержат. На один оборот вала приходится четыре шага.

Управление полным шагом

Широко применяемый метод — полношаговый. По этому способу напряжение питания на катушки подается попарно. От того, как подключены обмотки, двигателю необходим двойной ток. Электродвигатель при такой схеме выдаст 100% момента вращения по номиналу.

Полный оборот двигателя соответствует четырем шагам, число шагов по номинальному значению.

Режим полушага

Это оригинальный метод получения двойной точности позиционирования, не изменяя конструкцию двигателя. Чтобы работать по этому способу, подключают одновременно все имеющиеся пары. Ротор поворачивается на 0,5 шага. Такой способ имеет место при применении двух или одной катушки.

Режим с 1 обмоткой            Режим с 2 обмотками

По этому способу один и тот же мотор может выдать шагов в 2 раза больше на один оборот. Это значит, что система позиционирования работает с двойной точностью. Наш мотор выдает восемь шагов на один оборот.

Микрошаговый режим

Смысл микрошага заключается в подаче на катушки двигателя напряжения питания сигнала определенной формы, похожей на синус, а не импульсов. При таком методе изменения положения дает возможность получения плавного перемещения.

Благодаря микрошаговому режиму шаговые электродвигатели широко применяются в позиционировании, в программно управляемых станках. Рывки деталей, работающих с двигателем,  толчки самого механизма понижаются. В микрошаговом режиме двигатель вращается плавно, как моторы постоянного тока.

Конфигурация графика тока, проходящего по обмотке, сходна с синусоидой. В эксплуатации применяются цифровые сигналы. Их примеры показаны на рисунках.

Способ микрошага — подключение питания двигателя, не управления катушками.

Отсюда следует, что микрошаг применяется при волновом типе.

В микрошаговом типе шаги не увеличиваются, хотя визуально это представляется. Для увеличения точности механизма применяют шестерни с трапецеидальными зубьями, чтобы обеспечить плавный ход.

Типы моторов

Мотор с постоянным магнитом

Ротор оборудован постоянным дисковым магнитом с несколькими полюсами. Действует по такому же принципу, как микрошаговый мотор. Катушки статора отталкивают и притягивают магнит, расположенный на роторе, образуя момент вращения.

Размер шага с постоянным магнитом находится в интервале от 45 до 90 градусов.

Шаговые электродвигатели с сопротивлением переменной величины

Ротор не имеет постоянных магнитов. Вместо них сердечник ротора производится из металла, похожего на диск с зубьями, или на шестерню. На статоре расположены обмотки в количестве более 4-х штук. Катушки подключаются в парах друг к другу.

Крутящий момент уменьшается, так как постоянные магниты отсутствуют. Однако, имеется положительная сторона — у шаговых моторов отсутствует момент стопорения. Стопорящий момент вращения создан постоянными магнитами, притягивающимися к корпусу статора при отключенном питании в катушках.

Можно просто определить, какой момент, если попробовать повернуть отсоединенный мотор. Сразу будут понятны ощутимые щелчки в двигателе при каждом шаге. Эти ощущения и будут являться моментом фиксации. Момент притягивает к себе магниты корпуса. На рисунке изображено действие мотора.

Шаг равен интервалу от 5 до 15 градусов.

Шаговый мотор гибридного типа

Шаговые электродвигатели называются «гибридными», потому что включают в себя разные типы характеристик. Они имеют хорошие моменты, малый размер шага, находящийся в интервале от 0,9 до 5 градусов. При этом он обеспечивает высокую точность.

Механическая конструкция вращается со значительными скоростями. Такие виды моторов применяются в станках с программным управлением, в роботах. Недостатком является высокая цена. Обыкновенный двигатель вместе с восьмью катушками.

Из-за невозможности изготовления магнита, нашли оригинальное решение. Взяли два диска с зубьями 50 штук, постоянный магнит. Приварили диски к полюсам. Получилось, что два диска имеют соответственно каждый полюс.

Оригинальность конструкции в том, что диски размещены так, что, смотря на них сверху, они похожи на один диск со 100 зубьями. Вершина зуба на одном диске совпадает со впадиной.

На рисунке изображено действие гибридного мотора 75 шагов на один оборот. Шесть обмоток сделаны парами, которые имеют катушку на противоположных краях.

Первая пара – это пара вверху и внизу обмотки, тогда 2-я пара смещена на угол 60+5 градусов от первой, а 3-я смещена на 65 градусов от второй.

Разница углов позволяет вращаться валу двигателя. Управляющие режимы применяются, как волновые для экономии электроэнергии.

Когда катушка задействована, имеется три положительных полюса в 5 градусов сзади, они притягиваются в сторону вращения, и три отрицательных полюса в 5 градусов впереди, толкают ротор в сторону вращения вала. Рабочая обмотка всегда расположена между отрицательным и положительным полюсами.

Схема подключения обмоток

Шаговые моторы принадлежат к моторам с несколькими фазами. Чем больше фаз, тем работа двигателя мягче, но и выше стоимость. Момент вращения не зависит от числа фаз.

Большое применение получили двигатели с 2-мя фазами. Двигатели подключают тремя типами схем для 2-фазных шаговых моторов.

Катушки соединены друг с другом, применено разное количество проводов для соединения двигателя с контроллером.

Биполярный двигатель

Это самая простая конструкция, применяется четыре провода для соединения мотора с контроллером. Катушки подключены параллельно или последовательно.

Параллельное или последовательное подключение

Двигатель имеет 4 контакта. Два желтых экрана подключают вертикальную катушку, два розовых – горизонтальную. Проблема в изменении полярности, можно изменить направление тока, драйвер станет сложнее.

Униполярный двигатель

Применяя общий провод, изменяют полюса магнитов. Если соединить общий провод с землей, один и другой вывод катушки к питанию, то полюса изменятся. Схема соединения двигателя биполярного типа простая для понимания, она обычно состоит из 2-х транзисторов на одну фазу.

Подключение с общим проводом

Недостаток – применение половины катушек, как при волновой управляемости электромотором. Момент вращения получается равным половине возможного значения.

Униполярные электромоторы необходимо изготавливать по двойным размерам, для обеспечения сопоставимого момента. 1-полярный электромотор имеет возможность применяться в качестве биполярного мотора.

Для этой цели необходимо провод отключить.

Униполярные шаговые электродвигатели имеют несколько вариантов подключения

Общий провод соединен внутри

Шаговый мотор с 8-ю выводами

Это мотор с гибким подключением, обмотки оснащены выводами с обеих сторон. Можно подключать двигатель по любому методу:

  • Униполярный с 5 или 6 выводами.
  • Биполярный с последовательной схемой.
  • Биполярный с параллельной схемой.
  • Биполярный с малым током.

Подключение 4 обмоток

Шаговые электродвигатели Лавета

Моторы Лавета используются в электрических часах. Их конструкция сделана для эксплуатации с одним фазовым сигналом. Моторы Лавета обладают возможностью делать их конструкцию миниатюрной, применяются для исполнительной части часов ручного ношения. Этот тип моторов изобрел инженер Мариус Лавет. По его имени назвали тип шаговых двигателей.

Лавет – выпускник школы электрики изобрел двигатель, который дал ему известность во всем мире. Вид статора похож на статор электромотора с расщепленными полюсами. Имеется одна обмотка, полюса созданы витками с одним проводом из медной жилы толстого сечения, расположены на магнитном проводе, образуют необходимую фазу. Токи индукции образуют необходимый момент вращения.

Магнитное поле распространяется с задержкой, применяется для сдвига фаз, на прямой угол 90 градусов, чтобы имитировать напряжение из двух фаз. Конструкция ротора создана в виде постоянного магнита.

Читайте также:  Термоусадочная трубка для проводов, ее размеры и области применения, рекомендации по установке термоусадок

Конструкции такого типа имеют широкую сферу применения в технике для быта (миксерах, блендерах). Моторы Лавета отличаются тем, что из-за зубцов вал стопорится с определенным шагом. Результатом этого возможно движение стрелки секунд.

Разновидность двигателя Лавета не предназначена для реверсивной работы, как и большинство шаговых моторов.

 Похожие темы:

:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/ustrojstva/shagovye-elektrodvigateli/

Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления

Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое биполярный шаговый двигатель, его принцип работы, как сделать и установить устройство своими руками, а также где купить такой генератор с редуктором.

Информация о шаговом приводе

Униполярный или биполярный шаговый привод (двигатель) – это специальный бесщеточный электрический двигатель постоянного тока, который разделяет полный оборот на несколько равных шагов. Для работы этого прибора необходимы специальная деталь: контроллер шагового двигателя.

Фото — Шаговый двигатель

Поимо магнитных деталей и обмоток, также в нем есть приборная панель (блок управления), сигнализаторы, передатчики.

Фото — Контроллер шагового двигателя

В основном он используется для шлифовального и фрезерного станка, работы различных бытовых устройств, производственных механизмов и транспортных средств.

Видео: шаговые двигатели

Принцип работы

Когда напряжение прикладывается к клеммам, специальные щетки двигателя начинают непрерывно вращаться. Шаговый движок холостого хода является уникальным благодаря своему важному свойству: преобразовывать поступающие входные импульсы (обычно прямоугольной направленности) в предварительно определенное положение приложенного ведущего вала.

Каждый импульс перемещает вал под фиксированным углом. Устройства с таким редуктором максимально эффективны, если имеют несколько электромагнитов зубчатого типа, расположенных вокруг центрального зубчато-образного куска железа.

Электромагниты возбуждаются от внешней цепи управления, которую чаще всего представляет микроконтроллер. Чтобы сделать поворот вала двигателя, один электромагнит, к которому прикладывается энергия, как бы притягивает к своей поверхности зубья зубчатого колеса.

Когда они выровнены по отношению к ведущему электромагниту, они слегка смещаются к следующей магнитной детали.

Первый электромагнит должен выключиться, а следующий включиться, тогда шестеренка будет вращаться, чтобы выровняться с предыдущим колесом, после чего процесс повторяется необходимое количество раз. Именно эти вращения называются постоянным шагом, скорость вращения двигателя определяется при помощи подсчета количества шагов для полного оборота или (оборотов) двигателя.

Фото — Шаговый двигатель в разборном виде

Схема управления шаговым двигателем имеет следующий вид:

Фото — Управление шаговым двигателемФото — Схема управления шаговым двигателемФото — Простая схема

Также для контроля работы устройства используется драйвер шагового двигателя. Это необходимо, если Вы будете настраивать мотор для работы станка с ЧПУ, отдельный ветрогенератор или используете его для работы ветряка.

Описание типов шаговых двигателей

Всего существует четыре основных типа шаговых двигателей:

  • С постоянным магнитом
  • Гибридный синхронный шаговый
  • Переменный.

Привод с постоянным магнитом

Устройства с магнитами применяют магнитную деталь в роторе. Они работают на принципе притяжения или отталкивания ротором и статором электромагнитного мотора.

Переменно-шаговый двигатель имеет простой ротор из железа и работает на основе фундаментального принципа, по которому минимально допустимое отталкивание происходит с наименьшим зазором, исходя из этого, точки ротора притягиваются к полюсам магнитного статора.

Устройства гибридного типа сочетают в себе оба описанных ранее принципа, это самые дорогие приборы.

Фото — Гибридный шаговый двигатель

Шаговые двухфазные двигатели

Самым распространенным типом данных механизмов по праву считается шаговый двухфазный мотор. Этот прибор достаточно простой, чтоб его можно было установить без какого-либо опыта, и довольно сложный, чтобы стоить дороже асинхронного движка.

Пошаговый двухфазный самодельный и купленный двигатель может иметь два основных типа обмотки для электромагнитных катушек: биполярную и униполярную.

Униполярные двигатели

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель оснащен одной обмоткой с центральным магнитным краном, который влияет на каждую фазу. Каждая секция обмотки включается для того, чтобы обеспечивать определенное направление магнитного поля.

Поскольку в такой конструкции магнитный полюс может работать без дополнительного переключения, то направления тока, коммутация цепи осуществляются очень просто (например, для стандартного среднемощного двигателя будет достаточно одного транзистора) для каждой обмотки.

Как правило, учитывая фазовые переключения: три провода на фазу и шесть для выходного сигнала являются типичными для двухфазного двигателя.

Фото — Чертеж двухфазного электродвигателя

Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления – это очень интересный раздел электротехнических наук. Микроконтроллер двигателя может быть использован для того, чтобы активировать транзистор в нужной (определенной программой) последовательности.

В свою очередь обмотки могут быть подключены путем прикосновения соединительных проводов вместе с постоянными магнитами двигателя. Если клеммы катушки соединятся, вал будет сложно повернуть.

Сопротивление между общим проводом и торцом катушки проволоки всегда равняется половине сопротивления между торцами катушек и торцами проводов.

Это потому что общий провод всегда длиннее, чем половина, соединяющая катушки.

Биполярный двигатель

Биполярные двигатели оснащены одной фазовой обмоткой. Ток в неё поступает переломным образом при помощи магнитного полюса, поэтому управляющая схема должна быть сложнее, как правило, с соединяющим мостом. Есть два провода на фазу, но они не являются общими. Смешение сигнала шагового двигателя на более высокой частоте, может снижать эффект трения системы.

Фото — Шаговый двухфазный двигатель

Также бывает трехфазный двигатель, у него более узкая область деятельности, такой шаговый механизм используется для фрезерных станков с ЧПУ (которые запускаются с компьютера), автомобилей типа Опель Вектра, Ниссан, Рено, ВАЗ и прочих транспортных средств, где необходимо использование дроссельной заслонке. Также для дисковода и принтера Epson используется шаговый мотор ЕМ-234 (EM-234).

Как подключить шаговый двигатель

Подключение шагового двигателя осуществляется по определенной схеме, в зависимости от того, сколько проводов имеет привод, и как Вы хотите запустить прибор.

Шаговые двигатели могут поставляться с четырьмя, пятью, шестью или восемью проводами. Если двигатель имеет четыре провода, то он может использоваться только с биполярным устройством. Каждая из двух фазных обмоток имеет пару проводов. Используйте метр, чтобы определить пары проводов с непрерывной связью между ними, чтобы подключить драйвер пошагово.

Мощный шести-проводной мотор имеет пару проводов для каждой обмотки и центр-кран для каждой обмотки. Он может быть подключен как к однополярному, так и к биполярному устройству.

Используйте измерительный прибор для разделения провода. Для подключения к однополярному устройству можно использовать все шесть проводов.

Для биполярного только один конец провода и один центральный кран каждой обмотки.

Пяти-проводной мотор похож на шестипроводной прибор, но центральные клеммы соединены внутри в качестве сплошного кабеля, и выходят к одному проводу.

Поэтому отделить обмотки одну от другой практически невозможно без разрывов.

Лучшее решение – это определить центр провода и соединять его с прочими проводниками, такой режим не только очень безопасен, но и максимально эффективен. После подключить прибор и проверить его работоспособность.

Фото — Установка шагового двигателя

Технические характеристики

Номинальное напряжение будет производить первичная обмотка при постоянном токе.

Начальная скорость крутящего момента шагового двигателя будет изменяться прямо пропорционально с током. От схемы привода и индуктивности обмоток зависит, как быстро линейный момент понижается на последующих высоких скоростях. Часто шаговые двигатели приспособлены к суровым условиям труда, они имеют IP65 степень защиты.

Часто сравнивают серводвигатель (сервопривод) и шаровую модель, но последние работают гораздо дольше и являются более продуктивными, им реже нужен ремонт. Но привод может пропустить больше вольт. Поэтому сравнивать эти модели нецелесообразно.

Перед тем, как выбрать прибор, нужно знать характеристики самых популярных шаровых двигателей российского производства:

Марка двигателя Шаг, градус Число фаз Крутящий момент, Нт
ШД-1 15 4 40
ДШ-0,04А 22,5 4 100
ДШИ 200 1,8 4 0,25
ДШ-6 18 4 2300

Не менее активно используются ДШР-40 (четырехфазные), NEMA 23, SanyoDenkiSM28, FDD (floppy-disk – флоппи диск), SM-200-0.22, SP-57, STH-39D1112, Purelogic R&D с энкодером. Чтобы подобрать нужный электрический двигатель, Вам нужно просчитать нужные параметры мощности, напряжение и крутящего момента. Чтобы определить эти данные, Вам нужно провести расчет.

Самой явной проблемой при работе шагового двигателя является управление шаговым двигателем без контроллера.

Чтобы решить эту незадачу Вам нужно использовать специальный блок логической связи, который поможет управлять устройством без микросхемы контроллера.

Но мы советуем разрабатывать систему контроля шагового двигателя именно на контроллере: Attiny2313, AVR-USB-MEGA16 (подсоединяется через usb), CNC-1318, HDD, PLCM-LPT, PIC, CD ULN, Arduino (Арудино) UNO, ATmega8, драйвер l293d.

Фото — Контроллер биполярного шагового двигателя

Обзор цен

Продажа шагового двигателя осуществляется в России, Украине, Беларуси и прочих странах в любом электротехническом магазине, цена зависит от типа прибора, мощности в кВт и его предназначения.

Город Цена на шаговый однополярный двигатель, у.е.
Киев 3500
Москва 3000
Харьков 4000
СПб 3500

Источник: https://www.asutpp.ru/elektrodvigatel/shagovyj-dvigatel.html

Как работают шаговые двигатели | РОБОТОША

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:

Читайте также:  Точечные светильники для натяжных потолков: виды, их особенности и расположение, советы по выбору и фото

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.

Однообмоточный режим

Двухобмоточный режим

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.

Два 50-зубых диска помещены сверху и снизу постоянного магнита

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.

Впадины на одном диске выровнены с возвышениями 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

Источник: http://robotosha.ru/electronics/how-stepper-motors-work.html

__________________________________________
Ссылка на основную публикацию