Гибридный шаговый двигатель принцип работы

Содержание

Биполярный шаговый двигатель: общие сведения, принцип работы мотора

Гибридный шаговый двигатель принцип работы

Практически все электрические приборы функционируют с помощью приводных механизмов. Они могут иметь различное строение и принцип работы, а также особенности настраивания. Существуют разные типы таких приспособлений. Одним из наиболее востребованных и доступных по цене считается биполярный шаговый двигатель, благодаря которому можно обеспечить реализацию систем точного позиционирования.

Существует две разновидности приспособления: униполярный шаговый двигатель и биполярный. Устройство представляет собой синхронный бесщеточный электродвигатель, имеющий одну или несколько обмоток. Ток, который подается на обмотки статора, вызывает фиксацию ротора, благодаря чему осуществляются его дискретные угловые перемещения или шаги.

Первые модели таких приспособлений появились еще в 30-е годы XIX века и представляли собой своеобразный магнит, приводящий в движение храповое колесо. Во время включения оно перемещалось на величину зубцового шага. Раньше механизм использовался на кораблях военного флота Великобритании с целью перемещения торпед в нужную сторону.

Через несколько лет и армия США переняла это приспособление и стала активно применять его в своих военных кораблях и других механизмах. В 1919 году шотландец Уолкер получил патент на двигатель с ротором.

В настоящее время подобные механизмы востребованы и часто применяются. Шаговый мотор используется для обеспечения бесперебойного функционирования шлифовального и фрезерного станков, различных бытовых приборов, производственных механизмов и транспорта, а также жестких дисков персональных компьютеров. Именно поэтому он так востребован. Устройство состоит из нескольких частей:

  • контролер, предназначенный для регулирования работы шагового привода;
  • специальные магнитные части;
  • обмотки;
  • панель, выполняющая роль блока управления;
  • сигнализаторы и передатчики, благодаря которым работа устройства отлаженная и бесперебойная.

Биполярные двигатели имеют только одну обмотку в одной фазе, тогда как униполярные содержат две. Первые считаются более сложными в управлении, но обеспечивают плавную работу устройства.

Принцип работы

Шаговый двигатель работает по простым принципам. Первый этап — приложение напряжения к клеммам. Благодаря этому щетки на самом устройстве начинают постоянно двигаться. Двигатель холостого хода имеет свойство преобразовывать входящие импульсы.

Эти импульсы имеют прямоугольную направленность и преображение идет в заранее определенное положение ведущего вала, который к нему приложен. Вследствие этого вал перемещается под определенным углом. Оснащенные подобным редуктором приспособления довольно эффективны и надежны при условии наличия нескольких электромагнитов. Находиться они должны вокруг центральной детали из железа, имеющей зубчатую форму.

Внешняя цепь, отвечающая за управление, подает сигнал к магниту. При возникновении необходимости повернуть вал в ту или иную сторону тот электромагнит, на который был послан импульс, начинает быстро притягивать к себе зубья колеса. Они постепенно выравниваются с этим элементом, но смещаются по отношению к другим магнитным частям приспособления.

После выключения первого электромагнита включается второй и начинается беспрерывное движение шестеренки. Благодаря этому деталь выравнивается с предыдущим колесом. Такой цикл повторяется необходимое количество раз. Каждый из них и называется постоянным шагом. Именно поэтому двигатель получил такое название. Вычислить скорость его работы можно с помощью подсчета шагов, которые необходимы для обеспечения полного цикла.

Контролировать работу приспособления можно с помощью специального драйвера. Обычно это необходимо в случае настраивания станка или ветрогенератора.

Основные режимы

Изделие функционирует в нескольких режимах, которые предварительно настраиваются в зависимости от потребностей человека. Наиболее распространенными считаются следующие:

  • Волновой режим предполагает протекание электрического тока только через одну обмотку. Сегодня он используется редко, для того чтобы снизить нагрузку на двигатель и количество потребляемой электроэнергии.
  • Полношаговый — используется гораздо чаще и считается стандартным режимом для этого типа двигателя. Напряжение на обмотке при такой работе одинаково и приспособлению требует максимальное напряжение для корректного функционирования.
  • Полушаговый режим — один из оригинальных способов изменить работу приспособления и при этом не затрагивать блок управления. Заключается в одновременном запитывании всех пар обмоток, что приводит к повороту ротора на половину своего обычного шага. Используя этот метод, можно получить двигатель с двойной мощностью при минимальных затратах электроэнергии. Он будет меньше изнашиваться и прослужит дольше, чем тот, что постоянно работает в полношаговом режиме.
  • Микрошаговый режим сегодня считается наиболее часто применяемым при использовании шагового двигателя. Принцип действия заключается в подаче на обмотку не импульса, а сигнала, напоминающего синусоиду по форме. Такой режим делает работу двигателя более плавной, а переход от одного шага к другому незаметным. Благодаря этому уменьшаются рывки и скачки приспособления, оно может функционировать как обычный двигатель постоянного тока.

Последний режим имеет преимущество, поскольку представляет собой скорее метод подпитки двигателя, а не управления обмотками. Именно поэтому может использоваться при волновом или полношаговом способе работы приспособления. Если рассмотреть схему функционирования прибора в микрошаговом режиме, может показаться, что шаги становятся больше. На самом деле это не так, но процесс все равно становится плавным и отсутствуют рывки.

Разновидности приспособления

В зависимости от некоторых деталей различают несколько типов шаговых двигателей. Каждый из них имеет некоторые особенности функционирования.

Двигатель с постоянным магнитом считается наиболее популярным, отличается простотой настройки и эксплуатации. Устройство несет в себе магнит круглой формы, напоминающий диск и имеющий разные полюса. Обмотки статора при включении прибора притягивают и отталкивают магнит на роторе, что и обеспечивает кручение механизма.

При использовании такого типа двигателя величина шага измеряется, и показатель колеблется в пределах 45−90 градусов. Простота применения приспособления делает его востребованным, а длительный срок службы позволяет не думать о частой замене.

Прибор с переменными магнитами

Такие приспособления не имеют на роторе специального магнита. Эта деталь изготовлена из магнитного, мягкого металла, имеет форму зубчатого диска, напоминающего шестеренку. На статоре расположено более четырех разных обмоток. Запитываются они в противоположных парах и притягивают к себе ротор.

Стоит отметить, что величина крутящегося момента несколько снижается, поскольку в устройстве отсутствует постоянный магнит. Это считается недостатком, но есть и достоинство, поскольку при работе приспособления нет момента стопора.

Стопорящий момент заключается во вращении, создаваемом расположенными на роторе постоянными магнитами. Они притягиваются к статору, а именно к его арматуре при отсутствии в обмотках электрического тока. Зафиксировать этот момент просто — необходимо попытаться рукой повернуть двигатель в отключенном состоянии. При этом обычно слышны щелчки на каждом шаге. Диапазон шага в таком двигателе колеблется в пределах 5−15 градусов.

Гибридные модели

Название свое этот тип приспособлений получил из-за особенности работы, которая предполагает сочетание принципов шагового двигателя с постоянными и переменными магнитами. Обладает хорошими удерживающими и динамическими крутящими моментами. Достоинством прибора считается минимальная величина шага, которая не превышает показатель в 5 градусов. Именно благодаря этому обеспечивается максимальная точность.

Механические части приспособления вращаются гораздо быстрее, чем в других моделях с подобным принципом работы. Часто используются в станках для производства. Главным недостатком такого двигателя считается его высокая стоимость.

Известно, что обычный мотор с 8 обмотками будет иметь по 50 положительных и отрицательных полюсов, но произвести такой магнит невозможно. Именно поэтому устройство гибридного двигателя включает в себя 2 магнитных диска, каждый имеет 50 зубцов, а также постоянный магнит цилиндрической формы.

Диски в процессе изготовления прибора привариваются к разным полюсам этого цилиндрического магнита и получается, что один из них на каждом из своих зубьев имеет положительный полюс, а другой — отрицательный. Если смотреть на конструкцию сверху, она выглядит как один диск, имеющий 100 зубьев.

На один оборот такого двигателя приходится 75 шагов, каждый из которых имеет показатель не более, чем 1,5 градуса.

Двухфазные моторы

Двухфазный шаговый двигатель очень прост в использовании, установить его и настроить может даже человек без опыта и соответствующих навыков. Приспособление имеет два типа обмотки для катушек:

  1. Униполярная заключается в установке одной обмотки, а также специального магнитного крана в центре, влияющего на любую фазу. Каждая секция включается для обеспечения необходимого направления магнитного поля. Достоинством этой конструкции считается возможность функционирования без специального переключения. На каждую обмотку понадобится один транзистор, поэтому установка прибора облегчается. На одну фазу приходится три провода, а на выходной сигнал необходимо шесть проводов. Подключать обмотки можно также посредством присоединения проводов с постоянными магнитами. Стоит помнить, что повернуть вал будет непросто при прикосновении клемм. Это связано с тем, что общий провод по длине несколько больше, чем та часть, которая используется для присоединения катушек.
  2. Биполярные типы моторов имеют только одну обмотку. Электрический ток в нее поступает особенным переломным методом посредством полюса, обеспеченного магнитом. На любую фазу приходится два разных провода. Устройство несколько сложнее, чем в униполярных моделях, но эффективность выше.

Существуют также трехфазные двигатели, имеющие узкую область использования: дисководы, различные фрезерные станки, принтеры и некоторые автомобили, где используется необычная заслонка.

Другие типы устройств

особенность реактивных приспособлений — маленький шаг, который достигает не более 1 градуса, а также расположение зубцов, находящихся на полюсах статора. Недостаток такого мотора — отсутствие синхронизирующего момента в случае обесточивания обмоток.

Для изготовления такого прибора понадобится специальный коммутатор, поэтому стоимость его высока. Самостоятельное создание также исключается по причине сложности конструкции.

Синхронные линейные шаговые моторы используются в случае, когда необходимо автоматизировать производственный процесс. Для этого следует обеспечить перемещение объектов в плоскости. С этой целью применяется специальный преобразователь, который изменяет вращательное движение на поступательное. Достичь этого можно путем использования кинематики.

Именно с этой целью и применяется линейный двигатель, преобразующий импульсы в перемещение по одной линии. Помимо автоматизации процесса, приспособление упростит кинематическую схему проводов. В таком приборе статор изготовлен из мягкого магнитного металла, а также имеется постоянный магнит. Стабильная работа двигателя осуществляется при условии постоянной подачи импульсов на обмотки.

Шаговые моторы — универсальные приспособления, обеспечивающие бесперебойное функционирование множества электрических приборов и производственного оборудования.

Читайте также  Что можно сделать из двигателя от триммера

Источник: https://220v.guru/elementy-elektriki/dvigateli/princip-raboty-i-raznovidnosti-bipolyarnogo-shagovogo-dvigatelya.html

Что такое шаговый двигатель и как он работает?

Наиболее широкое применение любых двигателей – это приводы, в которых необходим вращающийся вал. Вращение при этом может происходить в зависимости от поставленной задачи, но более одного полного оборота вала. Так продолжалось до появления полупроводниковых переключателей. Они создали условия для появления нового типа электрического двигателя – шагового (ШД). О нем и расскажем далее.

До изобретения ШД перемещение максимума магнитного поля и связанное с ним вращение ротора технически ограничивалось.

Это получалось лишь при использовании коллектора или переменного напряжения с фазовым сдвигом (либо числом фаз, либо конденсаторами с соответствующими обмотками).

Но, переключая обмотки статора, можно получать любые скорости перемещения его магнитного поля, так же, как и углы между начальным и конечным положением максимума силовых линий.

Следовательно, если ротор выполнен как постоянный магнит по аналогии с синхронным движком, получится точное следование перемещению максимума магнитного поля вплоть до его небольших смещений относительно начального положения.

Поэтому вполне допустимо рассматривать ШД как разновидность синхронного двигателя. В зависимости от режима работы коммутатора, питающего статор, будут создаваться импульсы.

Комбинация их и конструкции статора определит движение ротора ШД.

Конструкция статора содержит число полюсов, соответствующее минимальному углу поворота ротора ШД, которое необходимо получить. Чем этот угол меньше, тем больше полюсов у статора.

Каждый полюс или пара противоположных полюсов (в зависимости от конструкции ротора) – это одна обмотка. Если на нее подать импульс, ротор повернется к ближайшему полюсу под воздействием электромагнитного поля.

При этом ШД может выполнить необходимую механическую работу.

Поворот на минимальный угол – это один шаг ротора ШД. Если импульс, питающий обмотку статора, действует и после выполнения шага, ротор будет удерживаться в неподвижном положении.

Он будет противодействовать внешнему усилию при воздействии на его вал. Любой электродвигатель используется для создания силы, которая в основном определяется массой и габаритами сердечника статора. Поэтому чем больше движок, тем он мощнее.

В синхронных машинах больших размеров ротор питается через кольца.

Но маломощные синхронные двигатели содержат ротор, который изготавливается из специальных материалов – магнитомягких или магнитотвердых. А поскольку задачи, выполняемые шаговыми моторами, не требуют больших усилий, их роторы аналогичны маломощным синхронным двигателям. Они не содержат обмоток и колец, а делаются из магнитных материалов. Поэтому внешне ШД весьма схожи с маломощными синхронными двигателями.

Внешний вид ШД семейства ДШИ-200

Для ШД характерными являются такие положительные качества:

  • ротор поворачивается в зависимости от числа импульсов, подаваемых на статор – чем больше их число, тем больше угол поворота;
  • остановленный ротор при питании статора обладает противодействующим моментом;
  • точность угла поворота может составлять менее пяти процентов и не изменяться при этом при каждом новом полном повороте вала;
  • сверхбыстрая реакция ротора на управляющий сигнал в любом направлении вращения;
  • подшипники являются единственными деталями, которые изнашиваются механически;
  • простота схемы управления, в которой не требуются датчики слежения за положением ротора;
  • большой крутящий момент, в том числе на сверхнизких скоростях, что позволяет исключить редуктор в электроприводе;
  • один и тот же движок может работать в широком диапазоне оборотов вала.

 Однако для некоторых моделей ШД могут быть характерны следующие недостатки:

  • характеристическая резонансная частота, определяемая конструкцией двигателя, проявление которой влияет на точность поворота ротора;
  • с увеличением скорости вращения ротора может утрачиваться точность следования управляющим импульсам из-за проявления его инерционности и отсутствия схемы слежения;
  • постоянное потребление электроэнергии, которое не связано с величиной нагрузки на вале ШД;
  • работа по мере увеличения числа оборотов все более затрудняется;
  • механическая мощность, как правило, невелика;
  • для управления необходим сложно устроенный и дорогой коммутатор. 

Разновидности ШД

Отличия обусловлены материалом ротора. Поэтому ШД разделяют на три группы, у которых ротор:

  • содержит постоянные магниты;
  • выполнен из специального материала и в выключенном состоянии не намагничен (так называемый гистерезисный ротор);
  • гибридной конструкции.

Определить, какой именно ШД перед вами, несложно. Магнитный ротор притягивается к полюсам статора и занимает поэтому устойчивые положения. Если покрутить рукой вал, ощущаются заметные рывки при его повороте. Это ротор переходит от одного устойчивого положения к другому. У гибридных двигателей ротор проворачивается более плавно. А гистерезисный совсем не реагирует на полюсы статора, если ШД выключен.

Ротор и статор конструктивно должны соответствовать друг другу. Минимальное количество обмоток – две. Они располагаются крестообразно, и каждая обмотка охватывает противоположные полюсы. Если происходит переключение обмоток статора, полюсы ротора должны улавливать притяжение со стороны соседнего полюса. Иначе ротор не сможет повернуться. Особенно при медленном вращении, когда силы инерции невелики.  

ШД с гистерезисным ротором

Для примера показан ШД с гистерезисным ротором. Пока статор не запитан, его зубчатый ротор не намагничен и может располагаться произвольно. Если у статора в наличии три обмотки и шесть полюсов, а у ротора их четыре, получится шаг в тридцать градусов.

Пример конструкции ШД с тремя обмотками

Обмотки 1, 2, и 3 переключаются последовательно. Они намагничивают ротор, полюсы которого устремляются к ближайшим полюсам статора. Если из положения, соответствующего питанию обмотки 1, перейти к обмотке 3, ротор сделает шаг по часовой стрелке. Если перейти к обмотке 2, – получится шаг против часовой стрелки. И так далее. Полярность напряжения на выводах статорных обмоток не играет никакой роли.

Значение имеют только силы взаимодействия между полюсами-зубцами. Чтобы уменьшить угол поворота за один шаг, ротор делают похожим на шестерню. Подобный вид приобретает и статор, который также делается зубчатым. Недостатком гистерезисного ШД является меньшая мощность применительно к его размерам (удельное значение).

Магнитный ротор (магнитотвердый)

ШД с ротором, выполненным как постоянный магнит, который постоянно обладает сильным магнитным полем, позволяет получить более высокие значения удельной мощности. Конструктивно полюсы ротора вытянуты вдоль вала и обязательно чередуются друг с другом. Пример такого ШД показан далее.

Пример конструкции ШД с магнитным ротором

Его статор более простой конструкции в сравнении с предыдущим немагнитным вариантом. Обмоток здесь две, а не три. Но при этом, благодаря ротору с шестью полюсами, один шаг тоже равен повороту на тридцать градусов.

Обмотки статора, расположенные на противоположных полюсах, намагничивают их так, чтобы ротор притягивался к ним. Конструктивно модели ШД с магнитными роторами делаются так, чтобы за один оборот получалось от 24 до 48 шагов.

То есть по углам отклонения вала это составит 7,5…15 градусов.

ШД с магнитным ротором в разрезе

Изброженный ШД конструктивно выполнен с некоторыми особенностями с целью снижения себестоимости. Это достигается штампованным магнитопроводом в форме стаканчика. Обмотки для уменьшения диаметра корпуса расположены друг над другом.

Ротор соответственно вытянут. Постоянные магниты создают на больших скоростях генераторный эффект. Он негативно влияет на работу ШД, и его приходится ограничивать по скорости вращения.

Эта особенность является основным недостатком ШД с магнитным ротором. 

Гибридная конструкция ШД

Эта разновидность создана для того, чтобы максимально уменьшить величину шага. Хотя в результате цена гибридного ШД получается самой большой из всех трех разновидностей движков, в среднем число шагов в зависимости от модели составляет не менее двухсот и может быть даже более 400. А угол может быть в один градус. Конструктивно получается сочетание элементов обоих движков, рассмотренных до этого. 

ШД гибридной конструкции

В этом двигателе шестеренчатый ротор состоит из двух соосных цилиндрических частей. Они повернуты на угол, соответствующий половине шага. Внутреннее пространство этих частей заполнено магнитотвердым материалом. Получается кольцевой магнит с полюсами, расположенными вдоль вала. Зубчатые части ротора, как и статор, набраны из стальных пластин так же, как и в других электрических машинах, с целью уменьшения потерь от токов Фуко.

Зубчатый статор существенно улучшает взаимодействие с ротором так же, как это получается в гистерезисном ШД. Повернутые части ротора позволяют получить оптимальное положение зубцов, что положительно сказывается на величинах моментов – как на статическом, так и на динамическом. В конструкции ШД имеется зависимость параметров ротора, статора и обмоток:

Формула

Для более наглядного представления далее показан разрез вдоль вала, на котором стрелками изображены силовые магнитные линии. Силовые линии, которые соответствуют черным стрелкам, не создают крутящего момента. Белые линии проходят через зазоры, которые отличаются из-за повернутых частей – половинок ротора.

Гибридный ШД: разрез вдоль вала

Именно через эти меньшие зазоры проходит магнитный поток, определяющий крутящий момент. Часть силовых линий на сечении не видна, поскольку для их просмотра необходимо объемное отображение двигателя. Гибридные ШД содержат весьма малые зазоры, величина которых – порядка одной десятой миллиметра. При сборке в заводских условиях специальная оснастка и технологии позволяют достичь необходимых расстояний.

Но если кустарным способом разбирать и вновь собирать такой ШД, скорее всего, результат будет плачевным. Двигатель утратит свою работоспособность из-за соприкосновения ротора и статора. К тому же, вал такого двигателя тонкий и хрупкий.

Он изготовлен из специальной стали с немагнитными свойствами. При неправильном обращении вал может треснуть. А умельцы об этом обычно не имеют представления.

Важнейшим конструктивным принципом, который используется в ШД, является минимизация инерционности ротора.

Для этого диаметр его стараются сделать как можно меньшим. А для получения необходимой величины сил взаимодействия ротора и статора конструкцию удлиняют вдоль вала. В результате получают несколько секций, расположенных на вале друг за другом.

Это позволяет получить оптимальные соотношения моментов – крутящего и инерции. Если важнее получить минимальную инерцию ротора, а не большой крутящий момент, используются специальные конструктивные решения.

Например, ротор в виде плоского намагниченного диска.

Однако наиболее функциональными получаются гибридные ШД. По этой причине они получили наиболее широкое распространение. В среднем модели этих движков обеспечивают сто или двести шагов за один оборот вала, или угол в два градуса. Получение более высокой точности достигается современными аппаратными и программными решениями. Но все получаемые регуляторы присоединяются к обмоткам движков.

Классификация по конструкции статора

Простейший статор в шаговом движке содержит две обмотки. Чтобы изменить движение ротора на противоположное, потребуется изменить полярность напряжения на ее выводах (это вариант «а» на изображении далее). Такой движок называют биполярным ШД.

Варианты конструкции обмоток ШД

Если обмотка состоит из двух соединенных частей, каждая из которых определяет одно направление перемещения ротора, ШД именуется униполярным. При этом рекомендуется не забывать указывать то, что речь именно о шаговом двигателе.

Это связано с тем, что существует отдельная группа униполярных двигателей, которые конструктивно отличны от всех других. Соединение обмоток можно разорвать, и тогда в движке получатся четыре отдельные обмотки.

Но такой ШД также является униполярным (изображения «б» и «в»).

Варианты управляющих сигналов обмоток

В ШД применяется несколько вариантов подачи управляющих импульсов на обмотки. Первый вариант предусматривает подачу напряжения только на одну обмотку. В остальных управляющий сигнал отсутствует. Одна обмотка создает на полюсах сердечника статора меньший по величине магнитный поток в сравнении с питанием нескольких обмоток. Поэтому крутящий момент в этом режиме управления получается наименьшим (изображение «а» ниже, «one phase on»).

Читайте также  Самодельный регулятор оборотов коллекторного двигателя

Режимы работы

Если управляющие импульсы подаются одновременно на две обмотки и это приводит к намагниченности соответствующих полюсов, крутящий момент увеличивается процентов на сорок. Величина шага в обоих вариантах получается одинаковой. Существующие при этом точки равновесия ротора во втором случае смещены на половину шага (изображение «б» выше, «two-phase-on»). 

При комбинации первых двух рассмотренных вариантов достигается уменьшение шага наполовину. Таким способом можно получить небольшой шаг, не прибегая к замене двигателя более многополюсным и дорогим.

По этой причине вариант управления «в» (на изображении выше «one and two-phase-on») используется наиболее широко.

Его достоинствами также является большой крутящий момент, который при использовании эффективных коммутаторов близок к 100% значения, которое можно достичь.

Применением специальных управляющих схем получают минимальные перемещения ротора, и соответствующий режим работы ШД именуется как микрошаговый.

Для этого применяются специальные схемы с микроконтроллерами и слежением за перемещением ротора. Пример схемы такого контроллера показан далее на изображении. Его управляющие выходы, как правило, маломощные.

Поэтому их соединяют либо с базами биполярных, либо с затворами полевых транзисторов – ключей.

Пример контроллера для управления ШД

Вход, на который подаются импульсы управления, может быть соединен с ЭВМ. Это максимально расширяет функциональные возможности привода с таким ШД. Можно управлять даже несколькими ШД одной ЭВМ. Для этого при необходимости используется дополнительная микросхема, согласующая режим работы порта компьютера. Как, например, в схеме, показанной далее. 

Схема

Кроме аппаратного обеспечения, для многофункционального управления ШД требуются специализированные программы. Но это уже отдельная обширная тема, которую нет смысла рассматривать в этой статье.

Источник: https://domelectrik.ru/oborudovanie/dvigatel/shagovyj-motor

Шаговый двигатель

Предшественником шагового двигателя является серводвигатель.

Шаговые (импульсные) двигатели непосредственно преобразуют управляющий сигнал в виде последовательности импульсов в пропорциональный числу импульсов и фиксированный угол поворота вала или линейное перемещение механизма без датчика обратной связи.

Это обстоятельство упрощает систему привода и заменяет замкнутую систему следящего привода (сервопривода) разомкнутой, обладающей такими преимуществами, как снижение стоимости устройства (меньше элементов) и увеличение точности в связи с фиксацией ротора шагового двигателя при отсутствии импульсов сигнала.

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

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

Конструкция шагового электродвигателя

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

Гибридный шаговый электродвигатель

Шаговые двигатели надежны и недороги, так как ротор не имеет контактных колец и коллектора. Ротор имеет либо явно выраженные полюса, либо тонкие зубья. Реактивный шаговый двигатель — имеет ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами. Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах.

Гибридный шаговый двигатель имеет составной ротор включающий полюсные наконечники (зубья) из магнитомягкого материала и постоянные магниты.

Определить имеет ротор постоянные магниты или нет можно посредством вращения обесточенного двигателя, если при вращении имеется фиксирующий момент и/или пульсации значит ротор выполнен на постоянных магнитах.

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

Характеристики

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

Одним из определяющих параметров шагового двигателя является шаг ротора, то есть угол поворота ротора, соответствующий одному импульсу. Шаговый двигатель делает один шаг в единицу времени в момент изменения импульсов управления.

Величина шага зависит от конструкции двигателя: количества обмоток, полюсов и зубьев. В зависимости от конструкции двигателя величина шага может меняться в диапазоне от 90 до 0,75 градусов.

С помощью системы управления можно еще добиться уменьшения шага пополам используя соответствующий метод управления.

Реактивный шаговый двигатель

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

Ниже представлены осциллограммы управления для трехфазного шагового двигателя.

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

,

  • где NR — количество полюсов ротора;
  • NS – количество полюсов статора.

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

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

    Отличительные черты:

  • ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами;
  • наименее сложный и самый дешевый шаговый двигатель;
  • отсутствует фиксирующий момент в обесточенном состоянии;
  • большой угол шага.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

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

По сравнению с реактивными, шаговые двигатели с активным ротором создают большие вращающие моменты, обеспечивают фиксацию ротора при снятии управляющего сигнала. Недостаток двигателей с активным ротором — большой угловой шаг (7,5—90°).

Это объясняется технологическими трудностями изготовления ротора с постоянными магнитами при большом числе полюсов.

Если угол фиксации находится в диапазоне от 7,5 до 90 градусов скорее всего это шаговый двигатель с постоянными магнитами нежели гибридный шаговый двигатель.

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

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель

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

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

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

Биполярный шаговый двигатель

Двухполярные двигатели имеют одну обмотку на фазу. Для того чтобы изменить магнитную полярность полюсов необходимо изменить направление тока в обмотке, для этого схема управления должна быть более сложной, обычно с H-мостом. Биполярный шаговый двигатель имеет два вывода на фазу и не имеет общего вывода.

Так как пространство у биполярного двигателя используется лучше, такие двигатели имеют лучший показатель мощность/объем чем униполярные.

Униполярный двигатель имеет двойное количество проводников в том же объеме, но только половина из них используется при работе, тем не менее биполярный двигатель сложнее в управление.

Управление шаговым двигателем с постоянными магнитами

Для управления шаговым двигателем на постоянных магнитах к его обмоткам прикладывается сфазированный переменный ток. На практике это почти всегда прямоугольный сигнал сгенерированный от источника постоянного тока.

Биполярная система управления генерирует прямоугольный сигнал изменяющийся от плюса к минусу, например от +2,5 В до -2,5 В.

Униполярная система управления меняет направление магнитного потока катушки посредством двух сигналов, которые поочереди подаются на противоположные выводы катушки относительно ее центрального ответвления.

Волновое управление

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

Положение ротора шагового двигателя при волновом управлении

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

Волновое управление биполярным шаговым двигателем

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

Волновое управление униполярным шаговым двигателем

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

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

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

Шаговый двигатель с 4 выводами может управляться только биполярным способом. 6-выводной двигатель предназначен для управления униполярным способом, несмотря на то, что он также может управляться биполярным способом если игнорировать центральные выводы.

5-выводной двигатель может управляться только униполярным способом, так как общий центральный вывод соединяет обе фазы. 8-выводная конфигурация двигателя встречается редко, но обеспечивает максимальную гибкость. Такой двигатель может быть подключен для управления также как 6- или 5- выводной двигатель.

Пара обмоток может быть подключена последовательно для высоковольтного биполярного управления с малыми токами или параллельно для низковольтного управления с большими токами.

    8-выводные двигатели могут быть соединены в нескольких конфигурациях:

  • униполярной;
  • биполярной с последовательным соединением. Больше индуктивность, но ниже ток обмотки;
  • биполярной с параллельным соединением. Больше ток, но ниже индуктивность;
  • биполярной с одной обмоткой на фазу. Метод использует только половину обмоток двигателя при работе, что уменьшает доступный момент на низких оборотах, но требует меньше тока.

Полношаговое управление

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

Положение ротора шагового двигателя при полношаговом управлении

Читайте также  Как подключить асинхронный двигатель от стиральной машины

Полношаговое биполярное управление шаговым двигателем

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

Полушаговое управление

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

Положение ротора шагового двигателя при полушаговом управлении

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

Полушаговое биполярное управление шаговым двигателем

Гибридный шаговый двигатель

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

Конструкция гибридного шагового двигателя (осевой разрез)

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

Гибридный шаговый двигатель (радиальный разрез)

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

Ротор гибридного шагового двигателя

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

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

    Шаговый гибридный двигатель имеет:

  • шаг меньше, чем у реактивного двигателя и двигателя с постоянными магнитами;
  • ротор — постоянный магнит с тонкими зубьями. Северные и южные зубья ротора смещены на половину зубцового деления для уменьшения шага;
  • полюсы статора имеют такие же зубья как и ротор;
  • статор имеет не менее чем две фазы;
  • зубья соседних полюсов статора смещены на четверть зубцового деления для создания меньшего шага.

Источник: http://engineering-solutions.ru/motorcontrol/stepper/

Принцип действия шаговых двигателей, разновидности

Шаговый двигатель в комплекте с драйвером выполняет преобразование числа входящих импульсов в заданное угловое перемещение вала. Устройство сопрягается с цифровой техникой, управляющий сигнал часто аналоговый.

Входы обмоток посещает синусоида нужной фазы. Драйвер, получающий на контакты цифровой сигнал, декодирует волну, формирует нужные сигналы управления двигателем. Одна, две, три, четыре фазы.

Определяется конструкцией, нуждами техники.

Конструкция шагового двигателя

Особенностью шагового двигателя назовем форму стального ротора. Снабжен полюсами, подчеркнутыми путем вынесения на кончик острого либо тупого зубца. Мертвый металл, притягиваемый катушками статора.

Характеризуется некоторой намагниченностью остаточного рода, вызванной действием поля. Точное позиционирование полюсов статора обеспечивает шаговому двигателю уникальное свойство: точное позиционирование по углу поворота вала.

Из правила встречаются исключения, рассмотренные ниже по тексту.

Шаговые двигатели используются промышленностью, цифровой техникой – где требуется обеспечить точное позиционирование вала.

Некоторые источники датируют изобретение серединой XIX века, первые сведения просочились в специализированные журналы в 20-х годах XX века. Речь о трехфазном реактивном шаговом двигателе.

Исходное применение традиционно стало военным: на кораблях королевского флота Великобритании узлы направляли в нужную сторону торпеды. Позже технология перекочевала, посетив армию США.

Первый открытый патент получен на прибор с ротором, статором на 32 зуба шотландским инженером Уолкером в 1919 году. Прибор рассчитан работать с трехфазным напряжением.

Сегодня шаговые двигатели встречаются в жестких дисках персональных компьютеров, автоматизированных линиях сборки. Ключевыми достоинствами считают низкую стоимость, простоту позиционирования. Альтернатив не придумано.

Устройства применяются приблизительно с 70-х годов XX века, формируют четыре основные группы:

  1. Шаговые двигатели на постоянных магнитах.
  2. Гибридные синхронные двигатели.
  3. Вентильные реактивные двигатели.
  4. Шаговые двигатели Лавета.

Полюсы различной намотки, к примеру, унифилярной, бифилярной (см. Катушка индуктивности). В первом случае ротор совершает обороты однонаправленно, если не предусмотреть дополнительную коммутацию фаз.

Бифилярный двигатель отрабатывает реверс простой подачей напряжения на другие пары контактов. На каждом полюсе нить проволоки намотана, образуя две катушки. Конструкция такова, что знаки полей противоположные. Обеспечивает простую организацию реверса.

Схожие схемы видим на примере двигателя привода барабана стиральной машины.

Мировой практикой принята стандартизированная маркировка указанных разновидностей устройств:

  1. Красный, желтый – первая обмотка.
  2. Черный, оранжевый – вторая обмотка.
  1. Обмотка с центральным общим выводом. Красный, черный, красный с белым – первая обмотка. Зеленый, белый, зеленый с белым – вторая обмотка.
  2. Двойная обмотка полюса. Красный, красный с белым – первая пара первой обмотки. Желтый, желтый с белым – вторая пара первой обмотки. Черный, черный с белым —первая пара второй обмотки. Оранжевый, оранжевый с белым – вторая пара второй обмотки.

Каждая обмотка способна образовывать несколько полюсов. Для включения реверса бифилярных шаговых двигателей коммутируется другая пара контактов. И если для формирования обратного вращения унифилярных разновидностей нужен формирующий контроллер, здесь допустимо использовать рядовой контактор.

Режимы работы шаговых двигателей

Изделия функционируют в нескольких режимах:

  1. Полный шаг реализуется поочередной подачей управляющих напряжений по фазам. Стандартное число – 200 перемещений на 1 оборот.
  2. В режиме половинного шага после активации одной фазы, остается состояние неизменным часть времени включения следующей. Получается, на зуб действуют одновременно два полюса. Вал замирает, фиксируя промежуточное положение. Потом первая фаза пропадает, ротор делает полшага вперед. Несмотря на меньший развиваемый крутящий момент, режим находит большее применение промышленностью, благодаря сокращению уровня вибраций.

    Электрический синхронный мотор

  3. Микрошаговые режимы считаются искусными ноу-хау наработками конкретных производителей. Режимом заправляет специальный чип, генерирующий управляющие напряжения, чтобы точность позиционирования вала находилась в районе сотой шага (20000 перемещений на 1 оборот). Подобные изыски нужны микроэлектронике, не исключено возникновение потребности тонких технических решениях среди промышленных конвейеров. Драйвер генерирует 50 с лишним тысяч циклов управляющих напряжений на оборот.

Шаговые двигатели на постоянном магните

Род двигателей возможно встретить в помпе стиральной машины. К примеру, блок, удаляющий воду бака после стирки, между отдельными этапами цикла. Скорость вращения вала невелика, ротор в составе содержит постоянный магнит, шаг большой. Допустим, 45 градусов. На обмотки статора поочередно подается напряжение, создавая вращающееся магнитное поле. Постоянный магнит вала следует изменениям вектора напряженности.

Достоинствами шаговых двигателей назовем простоту, низкую стоимость. Постоянные магниты часто применяются принтерами. Отличие от других шаговых двигателей: ротор лишен зубцов, полюсов мало. Бывает два, катушек статора — 4, каждым перемещением вал совершает поворот 90 градусов. Требуется 4 фазы, сдвинутые друг относительно друга на 90 градусов. Драйвер просто реализовать при помощи конденсаторов.

Благодаря низкой скорости оборотов двигатель развивает высокий крутящий момент (загружая бумагу из лотка принтера).

Двигатель с постоянным магнитом

Гибридные синхронные двигатели

Гибридные синхронные двигатели используются промышленностью по причине развития высокого крутящего момента, хорошо держат статическую нагрузку. Вал по-прежнему представлен постоянным магнитом, снабжается зубцами, на статоре множество полюсов. Тип двигателей обеспечивает высокие скорости вращения. Каждый шаг в стандартном исполнении равен 1,8 угловых градусов (200 шагов/оборот). Выпускают специализированные исполнения:

  • 0,9 градуса (400 шагов/оборот).
  • 3,6 градуса (100 шагов/оборот).

Вентильные шаговые двигатели

Главным отличием вентильных двигателей считают отсутствие тяжелых постоянных магнитов. Благодаря чему жесткой фиксации положения не происходит при наличии высокой точности. Двигатели идеальны для просмотра слайдов кинопленки. Относительно плавное, точное движение идеально подходит случаю.

Ротор облегченный, стальной, имеет ярко выраженные, сравнительно немногочисленные зубцы. Шаг средний, например, для трех фаз, 12 полюсов выйдет 15 градусов. Расстояние меж полюсами составляет 30 градусов. Промежуточные положения вал занимает в случаях, когда активируются одновременно две соседние фазы. Чередование соответствует обычной промышленной сети (к примеру, 400 вольт).

Главной особенностью вентильных двигателей является сравнительно малое количество тупых зубцов. Высокой точности позиционирования ожидать не приходится. Для реализации продвинутых алгоритмов применяются сложные драйверы.

Шаговые двигатели Лавета

Шаговые двигатели Лавета временами применяются электрическими часами. Сконструированы работать с сигналом одной фазы. Благодаря возможности миниатюризации двигатели Лавета послужат исполнительной частью наручных часов. Название устройства получили именем изобретателя – инженера Мариуса Лавета.

Инженер Мариус Лавет позавидует

В 1936 году выпускник Высшей школы электрики сконструировал двигатель, принесший всемирную известность. Статор выглядит, как у электрического мотора с расщепленными полюсами. Одна катушка.

Полюсы образованы единичными витками сравнительно толстой медной проволоки, расположенными на магнитопроводе, создавая нужную фазу ЭДС. Индуцированные токи обеспечивают нужный крутящий момент.

Задержка распространения магнитного поля по сердечнику используется сдвигать фазу на 90 градусов, имитируя двухфазное напряжение. Ротор представлен постоянным магнитом.

Конструкции охотно используются бытовой техникой (блендерами, миксерами). Отличие двигателей Лавета в том, что благодаря зубцам вал фиксируется с некоторым шагом. Становится возможным характерное движение секундной стрелки. Как большинство шаговых двигателей, разновидность не предназначена работать на реверс.

Параметры шаговых двигателей

Отдельные параметры шаговых двигателей критичны при выборе соответствующего контроллера, формирующего управляющие напряжения:

  1. Индуктивность. Высокое значение параметра обычно у низкоскоростных двигателей с явным крутящим моментом. При повышении количества оборотов вала параметры оборудования непременно ухудшатся. При низкой индуктивности ток вызывает быстрый отклик, требуется в приводах для чтения оптических дисков.
  2. Потребляемый ток влияет на жесткость переключения меж соседними шагами. Более плавный режим требует снижения параметра. Большой потребляемый ток повышает крутящий момент. Таким образом, правильный выбор параметров загружает плечи проектировщика.
  3. Предельный уровень рабочих температур шаговых двигатель невелик. Верхняя граница находится в области 90 градусов Цельсия. Перегрев возможен на высоких крутящих моментах при значительном потреблении тока. Для разгрузки иногда применяется режим удержания, когда вал стопорится некоторое время.

Разновидности драйверов шаговых двигателей

В глобальном смысле выделяют три группы драйверов управления шаговыми двигателями:

  1. Униполярные формируют импульсы тока одного направления. Простой, неприхотливый метод, использование снижает крутящий момент на 40%. Специалисты объясняют феномен невозможностью одновременного питания всех обмоток, способных участвовать в движении. Методика подходит низким рабочим скоростям.
  2. Драйверы с гасящими резисторами сегодня считаются устаревшими. Позволяют выжать из двигателя максимум скорости. Большое количество энергии выделяется теплом на гасящих резисторах.
  3. Биполярные драйверы популярны сегодня. Игнорируя сложность конструкции, достигается высокая эффективность. Каждый драйвер содержит формирующий блок, составленный четырьмя транзисторами. Питание подается, минуя диоды, с резистора снимается сигнал обратной связи. Напряжение достигает определенного уровня, открываются нужные ключи для снижения. Форма сигнала принимает пилообразную форму, двигатель с высоким постоянством поддерживает заданную мощность.

Источник: https://VashTehnik.ru/enciklopediya/shagovyj-dvigatel.html

Понравилась статья? Поделить с друзьями: