Шаговой двигатель для ЧПУ: как определиться с выбором? Шаговые двигатели маленькие


Основные заблуждения при использовании шаговых электродвигателей

Даже опытные инженеры часто имеют не совсем верное представление о шаговых электродвигателях и способах управления ими. В данной статье мы разберем лишь несколько основных заблуждений что, надеюсь, поможет и новичкам и бывалым инженерам при выборе драйверов управления. Было бы хорошо разобрать все особенности, но тогда эта статья превратилась бы в книгу.

В этой статье речь пойдет о биполярных шаговых электродвигателях, поскольку они являются наиболее популярными в использовании на сегодняшний день. Униполярные шаговые электродвигатели все еще используются в некоторых устройствах, однако их популярность с каждым годом снижается. Это снижение обуславливается преобладанием относительно недорогих драйверов для биполярных двигателей. Учитывая снижение стоимости управления, почему бы не использовать биполярные шаговые электродвигатели? В конце концов у них есть еще один плюс – больший крутящий момент.

Температура

Многие инженеры ошибочно полагают, что если шаговый электродвигатель имеет небольшой размер, значит, его температура тоже должна быть небольшой. Этот миф легко развеять, взяв документацию на электрическую машину, пирометр, и произвести замер. То, что при касании может показаться «очень горячим», на самом деле не будет даже подходить к максимально допустимой температуре машины. Шаговые электродвигатели обычно имеют повышенную температуру, это связано с внутренними процессами в самой машине. Даже когда они не вращаются они также подвержены потерям. Тем не менее, если вы сомневаетесь – перестрахуйтесь и проверьте температуру. Естественно, если температура превысит предельно допустимую, указанную в паспорте, это может привести к необратимым последствиям (выход из строя или значительное сокращение срока службы).

Драйвер для управления шаговым электродвигателем

В случаях, когда есть необходимость снизить потребление электроэнергии в режиме простоя, можно использовать специальные драйверы, в которые данная функция включена. Однако это повлияет не только на значение тока в обмотках, но и на удерживающий момент, что в определенных механизмах тоже важно.

Микрошаговый режим

Микрошаги это не магия. Существуют специальные драйверы для микрошагового управления. Это позволяет увеличить точность позиционирования, однако достигается за счет значительного крутящего момента. Кроме того, наличие драйвера, обеспечивающего  шаг 1/32, не значит, что ваш электродвигатель сможет это реализовать. После определенного порога (1/10 и иногда 1/16) требуются высококачественные драйверы и двигатели. Даже если ваш шаговый электродвигатель и драйвер смогут реализовать микрошаг в 1/32, возможно ли это интегрировать в общую систему управления?

Шаговая электрическая машина

Рассмотрим следующий пример. Линейное перемещение с 10 шагами на дюйм ходового винта напрямую соединенного с типичным шаговым двигателем, имеющим 200 шагов на оборот. Каждый полный шаг электрической машины будет переведен в 0,0005 дюйма линейного движения. Казалось бы, что, якобы, та же система микрошагов 1/32 сможет уменьшить линейный шаг до 0,000015. Но в реальности реализации данной системы практически не возможна,  так как упругость и силы трения не позволят преобразовать настолько миниатюрные шаги к линейному движению.

Микрошаговый режим реально полезен при проверке системы с шаговой электрической машиной на резонанс. Это дает определенные возможности для избегания резонанса. Как известно, любая механическая система имеет резонансную частоту. Для шаговых электродвигателей достижение этой частоты, как правило, происходит на определенной скорости, после чего двигатель начнет сильно шуметь.  Эти шумы могут привести к «пропусканию шагов», что чревато серьезными последствиями для определенных систем. В некоторых случаях это может привести к слишком большим вибрациям. В случаях с режущими машинами, такими как токарные станки, этот звук можно спутать с рабочим звуком обработки поверхности заготовки. Микрошаговый режим уменьшает расстояние пройденное валом между шагами (на появление шумов тратится меньше энергии).

Номинальное напряжение и напряжение питания

Наверное, одним из самых запутанных моментов является несоответствие напряжения на обмотке, указанного в паспорте машины, и реального напряжения источника питания, используемого для питания электрической машины. Если в техпаспорте указывается напряжение обмотки равное 3,4 В, то как получается, что электродвигатель подключается к источнику 48 В постоянного тока? Или иногда и к 80 В.

Номинальное напряжение не настолько критично, обратите внимание на ток.

Такое подключение стало возможным благодаря тому, что большинство современных драйверов имеют встроенное ШИМ управление выходным напряжением. Драйверы контролируют ток обмотки. Когда ток доходит до максимального значения (определяется максимальным током электрической машины), драйвер отключает питание, или снижает значение тока. При этом превышать максимальное напряжение драйвера нельзя.

Рассмотрим небольшой пример на основе шагового электродвигателя с номинальными данными: Uн = 12 В, Iн = 0,33 А, активное сопротивление обмотки R = 32,6 Ом, реактивное сопротивление обмотки L = 48 мГн.

12 В – это не максимально допустимое напряжение. Это напряжение нормальной работы, при котором в обмотке будет протекать ток равный 0,33 А.

Если вы управляете электрической машиной с помощью очень простого или Н-мостового драйвера, то вам необходимо ограничивать напряжение 12 В для предотвращения превышения номинального тока.

В случае использования драйвера с прерывателем (chopper drive), превышение номинального напряжения не является проблемой. Чем выше будет напряжение – тем быстрее машина достигнет магнитного насыщения. Приведенная ниже формула это иллюстрирует:

Ток обмотки шагового электродвигателя

Приведенная формула вычисляет ток обмотки электродвигателя за определенный промежуток времени.

Контроллер от IndraControl

Ток, через катушку индуктивности 50 мГн, в течении 1 мс увеличивается пропорционально напряжению.

Если двигатель «перешагнет» прежде, чем сможет достаточно насытиться для развития необходимого момента, он начнет «терять» шаги. Если вы обнаружите, что такое происходит с вашей машиной на большом ходу – рассмотрите вариант повышения напряжения питания.

elenergi.ru

Шаговые двигатели (подробный разбор 4 типов)

Шаговый двигатель это бесколлекторный двигатель, ротор которого вращается не плавно, а шагами (дискретно). Полный оборот ротора состоит из нескольких шагов. Меняя форму сигнала, количество импульсов, их длительность и фазовый сдвиг, можно задавать скорость вращения, направление вращения и количество оборотов ротора двигателя.

Общие сведения:

Шаговые двигатели состоят из ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть). На статоре устанавливают электромагниты, а части ротора взаимодействующие с электромагнитами выполняются из магнитотвердого (двигатель с постоянными магнитами) или магнитомягкого (реактивный двигатель) материала.

Виды шаговых двигателей по типу ротора:

По типу ротора, шаговые двигатели делятся на: двигатели с постоянными магнитами, реактивные двигатели и гибридные двигатели.

  • Двигатель с постоянными магнитами (ротор из магнитотвердого материала). На роторе установлен один, или несколько, постоянных магнитов. Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества постоянных магнитов на роторе, и количества электромагнитов на статоре. Обычно в одном обороте от 4 до 48 шагов (один шаг от 7,5° до 90°).
  • Реактивный двигатель (ротор из магнитомягкого материала). Еще такие двигатели называют двигателями с переменным магнитным сопротивлением. Ротор не имеет постоянных магнитов, он выполнен из магнитомягкого материала в виде многоконечной звезды. Данные двигатели встречаются редко, так как у них наименьший крутящий момент, по сравнению с остальными, при тех же размерах. Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества зубцов на звезде ротора, и количества электромагнитов на статоре. Обычно в одном обороте от 24 до 72 шагов (один шаг от 5° до 15°.)
  • Гибридный двигатель (совмещает технологии двух предыдущих двигателей). Ротор выполнен из магнитотвердого материала (как у двигателя с постоянными магнитами), но имеет форму многоконечной звезды (как у реактивного двигателя). Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества постоянных магнитов на звезде ротора, и количества электромагнитов на статоре. Количество шагов в одном обороте таких двигателей может доходить до 400 (один шаг от 0,9°).

Какой тип шагового двигателя у меня?

Если вручную покрутить ротор отключённого двигателя, то можно заметить, что он движется не плавно, а шагами. После того, как Вы покрутили ротор, замкните все провода двигателя и покрутите ротор повторно. Если ротор крутится также, значит у Вас реактивный двигатель. Если для вращения ротора требуется прикладывать больше усилий, значит у вас двигатель с постоянными магнитами или гибридный. Отличить двигатель с постоянными магнитами от гибридного можно подсчитав количество шагов в одном обороте. Для этого не обязательно считать все шаги, достаточно примерно понять, их меньше 50 или больше. Если меньше, значит у Вас двигатель с постоянными магнитами, а если больше, значит у Вас гибридный двигатель.

Виды шаговых двигателей по типу соединения электромагнитов статора:

По типу соединения электромагнитов, шаговые двигатели делятся на: униполярные и биполярные.

Виды шаговых двигателей по типу статора

На рисунке представлено упрощённое, схематическое, представление обмоток. На самом деле, каждая обмотка состоит из нескольких обмоток электромагнитов, соединённых последовательно или параллельно

  • Биполярный двигатель имеет 4 вывода. Выводы A и A питают обмотку AA, выводы B и B питают обмотку BB. Для включения электромагнита, на выводы обмотки необходимо подать разность потенциалов (два разных уровня), поэтому двигатель называется биполярным. Направление магнитного поля зависит от полярности потенциалов на выводах.
  • Униполярный двигатель имеет 5 выводов. Центральные точки его обмоток соединены между собой и являются общим (пятым) выводом, который, обычно, подключают к GND. Для включения электромагнита, достаточно подать положительный потенциал на один из выводов обмотки, поэтому двигатель называется униполярным. Направление магнитного поля зависит от того, на какой именно вывод обмотки подан положительный потенциал.
  • 6-выводной двигатель имеет ответвление от центральных точек обмоток, но обмотка AA не соединена с обмоткой BB. Если не использовать выводы центральных точек обмоток, то двигатель будет биполярным, а если эти выводы соединить и подключить к GND, то двигатель будет униполярным.
  • 8-выводной двигатель является наиболее гибким в плане подключения электромагнитов. Данный двигатель можно не только использовать как биполярный или униполярный, но и самим определять, как соединить электромагниты обмоток, последовательно или параллельно.

Какой тип шагового двигателя у меня?

Если у Вашего двигателя 4 вывода, значит он биполярный. Если у Вашего двигателя 5 выводов, значит он униполярный. Но если у Вашего двигателя 6 и более выводов, то это не значит что некоторые из них являются центральными выводами катушек электромагнитов. Дело в том, что есть двигатели, некоторые выводы которых (обычно крайние), электрически замкнуты, так биполярный двигатель может иметь 6 выводов. Точно определить тип соединений, для двигателей с 6 и более выводами, можно только измеряя сопротивление между выводами.

Режимы работы шаговых двигателей:

    Для работы шагового двигателя (вне зависимости от его вида) можно выбрать один из трех режимов работы:
  • Полношаговый режим - ротор поворачивается на 1 шаг за 1 такт.
  • Полушаговый режим - ротор поворачивается на ½ шага за 1 такт.
  • Микрошаговый режим - ротор поворачивается на ¼, ⅛ и т.д. шагов за 1 такт.

Ниже рассмотрены режимы работы, на примере биполярного двигателя с постоянным магнитом и полным шагом 90°.

Полношаговый режим (одна фаза на полный шаг). Номинальные значения шагового двигателя указываются именно для этого режима.

Полношаговый режим работы шагового двигателя - одна фаза

Полношаговый режим (две фазы на полный шаг). Этот режим позволяет увеличить крутящий момент почти в половину от номинального.

Полношаговый режим работы шагового двигателя - две фазы

Полушаговый режим. Этот режим позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в два раза, при незначительном уменьшении крутящего момента.

Полушаговый режим работы шагового двигателя

Микрошаговый режим. Этот режим является наиболее распространённым, он позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в четыре раза, благодаря неравномерному распределению токов в обмотках. Снижение токов можно достичь снижением напряжения (как показано на картинке) или подавать полное напряжение через подключаемую внешнюю нагрузку.

Микрошаговый режим работы шагового двигателя

Если подавать уровни не «0» - «½» - «1» (как на картинке), а «0» - «¼» - «½» - «¾» - «1», то количество шагов в полном обороте увеличится не в 4 раза, а в 8 раз. Можно увеличить количество шагов в 16, 32, 64 раза и т.д., а если заменить дискретные уровни сигналов на синусоиды, то мотор будет вращаться плавно (без шагов).

Режимы пониженного энергопотребления - доступны только для 8-выводных двигателей. Эти режимы отличаются от обычных тем, что используют только половину фазы (половину электромагнитов). Данные режимы используются редко, так как они значительно снижают крутящий момент двигателя.

Работа шагового двигателя в режимах пониженного энергопотребления

Пример работы шаговых двигателей с разными видами роторов:

Пример работы шаговых двигателей с разными видами роторов

Подключение шаговых двигателей к Arduino:

Электромоторы нельзя подключать к выводам Arduino напрямую, так как они потребляют значительные токи, шаговые двигатели не являются исключением, поэтому их подключают через драйверы.

Драйверы делятся на две категории:

  • Повторяющие форму сигналов. Этот тип драйверов не формирует импульсы, а лишь повторяет их форму для управления двигателем. Формирование импульсов отводится микроконтроллерам (например Arduino). К этой категории относятся такие драйверы как MotorShield на базе чипа L298.
  • Формирующие сигналы управления. Используя данный тип драйверов, можно обойтись без микроконтроллеров, так как для их работы достаточно подать меандр и выбрать режимы работы. К этой категории относятся такие драйверы как например A4988.

wiki.iarduino.ru

Выбор шагового двигателя для ЧПУ: критерии, рекомендации

Шаговый двигатель понадобится любому человеку, который собрался самостоятельно собрать станок с ЧПУ. Главное – заранее определиться со сферой применения устройства. Наибольших усилий и показателей требует обработка цветных металлов, что отдельно учитывается при выборе шагового двигателя для ЧПУ.

Какие критерии определяющие для выбора?

Надо помнить о том, что, по сравнению с обычными двигателями, шаговые требуют более сложных схем для управления. А критериев не так уж много.

  1. Параметр индуктивности.

Первый шаг – определение квадратного корня из индуктивности обмотки. Результат потом умножаем на 32. Значение, полученное в качестве итога, потом требуется сравнивать с напряжением источника, от которого питание идёт к драйверу.

Эти числа не должны отличаться друг от друга слишком сильно. Мотор будет греться и шуметь слишком сильно, если напряжение питания больше полученного значения на 30 и больше %. Если же он меньше, то, по мере нарастания скорости, крутящий момент убывает. Чем больше индуктивность – тем проще сохранить высокий крутящий момент. Но для этого надо подобрать драйвер, имеющий большое напряжение питания. Только в этом случае шаговой двигатель работает нормально.

  1. График того, как крутящий момент и скорость зависят друг от друга.

Это позволит понять, насколько двигатель в принципе соответствует запросам и техническому заданию.

шаговый двигаетель станка чпу

  1. Параметры геометрического плана.

Особое внимание рекомендуется уделить диаметру вала, фланцу и длине двигателя.

Кроме того, следующие показатели так же рекомендуется внимательно изучить:

  • Максимальный статический синхронизирующий момент.
  • Момент по инерции у роторов.
  • Ток внутри фазы по номиналу.
  • Общее сопротивление фаз омического типа.

О разновидностях двигателей

Для станка используемая разновидность шаговых двигателей – параметр не менее важный, чем остальные. Каждая модель наделена своими особенностями.

  1. Биполярные чаще всего применяются совместно с ЧПУ.

Главное достоинство – возможность легко выбрать новый драйвер, если старый выходит из строя. На малых оборотах при этом сохраняется высокое удельное сопротивление.

  1. Трёхфазные.

Для них характерна высокая скорость. Актуальны, если именно данному параметру уделяют больше всего внимания в случае выбора.

  1. Униполярные.

Это несколько видов биполярных двигателей, которые отличаются друг от друга и подбираются в зависимости от подключения обмотки.

Можно изучить готовые модели станков, предлагаемые текущим рынком. Благодаря подобному подходу выбор значительно упрощается. Главное – чтобы характеристики и размеры подходили к создаваемому проекту.

разные шаговые двигателя станка

Об усилиях резания

Часто владельцы думают, что на фрезу агрегата надо сильно давить, иначе она будет неправильно работать. Это заблуждение, которое не соответствует истине. Важнее всего то, как правильно пользователь задаёт параметры рабочего процесса.

Не обязательно пользоваться сложными специальными формулами, чтобы понять, как правильно действовать. Это можно проверить и прямо голыми руками.

По поводу резонанса при средних частотах

Шаговые двигатели связаны с возникновением сильного резонанса. По сути, они работают, как маятник с подвешенным на пружине грузиком. Роль груза выполняет ротор, а поле с магнитной энергией — пружина. Собственные колебания имеют частоту, определяемую по двум показателям:

  1. Инерция ротора.
  2. Сила тока.

Резонанс появляется, когда разность между скоростью и фазностью момента достигает 180 градусов. Это означает, что присутствует соответствие скорости и изменений внутри магнитного поля. Движение становится быстрым при позиционировании по новому шагу. Крутящий момент падает из-за того, что больше всего энергии уходит, чтобы преодолеть инерцию.

Об энкодерах и драйверах, подключениях

Специальные драйверы нужны для того, чтобы управлять устройством. Они подключаются к LTP портам у персональных компьютеров. От программы идёт генерация сигналов, которые потом принимаются драйверами. После чего двигатель и получает определённые команды. Подача тока на обмотки позволяет организовать работу всего устройства. Программное обеспечение облегчает контроль:

  • По двигательной величине.
  • Для скоростей.
  • По траекториям.

Драйвер – это блок, отвечающий за управление всем двигателем. Формирование управляющего сигнала происходит при участии специального контроллера. Что предполагает подключение к устройству сразу четырёх выводов шагового двигателя. С блока питания идёт энергия, отрицательная и положительная, она и соединяется с моторами для дальнейшей работы.

С контроллера ПУ сигналы идут к драйверу. Далее организуется управление процессом, во время которого переключаются ключи, составляющие схему с питающим напряжением. Последнее идёт с блока питания, на двигатель, проходя по ключам.

шаговый двигатель и контроллер

Дополнительные рекомендации по выбору

Максимум по току требуемого напряжения, идущего к выводам – главный фактор, на основании которого следует делать выбор. Ток, выдаваемый драйвером, может быть следующих типов:

  1. Такой же, что потребляет двигатель.
  2. Выше, чем упомянутое ранее значение.

Желаемые параметры по исходному напряжению выбираются при помощи специальных переключателей.

Шаговые двигатели могут иметь различный порядок подключения. Обычно он зависит от того, каким количеством проводов снабжён привод. Надо обратить внимание и на назначение устройства. На рынке выпускается множество моделей, и практически у каждой используется свой вариант подключаемой схемы. Внутри размещается до 4-6 проводов. Биполярные модули сопровождают стандартно именно варианты с четырьмя проводами.

Каждые две обмотки идут с двумя приводами. Нужно использовать обычный метр, чтобы не допустить ошибок. Шестипроводные двигатели отличаются максимальной мощностью. Это значит, что каждая обмотка сопровождается двумя проводами и одним центр-краном. Такие аппараты допускают два вида соединений:

  1. С биполярными аппаратами.
  2. С униполярными моделями.

Для разделения проводов так же применяются приборы измерения. Однополярные устройства предполагают, что используются все шесть проводов. В случае с биполярными можно взять всего один центральный кран вместе с проводами по одной обмотке.

Что ещё учесть?

Центр-краном называют обычный провод. Ещё для него используют обозначения «центральный», «средний». Часть моделей шаговых двигателей снабжаются подобными приспособлениями. Каждая обмотка идёт совместно с тремя проводами, когда речь идёт об униполярных вариантах. Два из них организуют соединение с транзисторами. Центр-кран или средний идёт прямо до источника питания или напряжения.

шаговые двигателя

Два боковых провода вообще можно игнорировать, если транзисторы использовать не планируется.

Пяти- и шестипроводные модели во многом похожи друг на друга. Но внутри центральные провода выводятся в один общий кабель, вместе с остальными составляющими. Обмотки не удастся соединить друг с другом, если будут отсутствовать разрывы. Лучше всего именно средний провод соединять с другими проводниками. Тогда об эффективности и безопасности устройства можно будет не волноваться. Нужно просто брать подходящие детали.

Заключение

Подобрать подходящую модель двигателя для станка будет проще, если заранее изучить основные характеристики, а так же предложения на соответствующем рынке. Главное – обращаться к поставщикам, которые заслуживают доверия. Малейший брак и ошибка приведут к выходу из строя весьма дорогостоящих деталей.

vseochpu.ru

Шаговые двигатели

Шаговый двигатель представляет собой «цифровую» версию электродвигателя. Ротор перемещается дискретными ступенями, как заданный, а не вращается непрерывно, как обычный двигатель. При остановке, но под напряжением, шаговый двигатель (короткий для шагового двигателя) удерживает свою нагрузку устойчивой с удерживающим моментом . Широкое распространение шагового двигателя за последние два десятилетия было обусловлено господством цифровой электроники. Современная твердотельная электроника для водителя была ключом к ее успеху. И, микропроцессоры легко взаимодействуют с цепями драйвера шагового двигателя.

Примером, предшественником шагового двигателя был сервомотор. Сегодня это более дорогое решение для высокопроизводительных приложений управления движением. Расход и сложность серводвигателя обусловлены дополнительными компонентами системы: датчиком положения и усилителем ошибок. (Рис. Ниже ). По-прежнему можно позиционировать тяжелые нагрузки за пределы степеней более низкого уровня мощности. Высокое ускорение или необычно высокая точность все еще требуют серводвигателя. В противном случае по умолчанию используется степпер из-за низкой стоимости, простой электроники привода, хорошей точности, хорошего крутящего момента, умеренной скорости и низкой стоимости.

Шаговый двигатель против серводвигателя.

Шаговый двигатель позиционирует головки чтения-записи в дисковод гибких дисков. Они когда-то использовались с той же целью в жестких дисках. Тем не менее, высокая скорость и точность, необходимые для современного позиционирования головки жесткого диска, диктуют использование линейного сервомотора (звуковой катушки).

Сервоусилитель представляет собой линейный усилитель с некоторыми сложными для интеграции дискретных компонентов. Для оптимизации усиления сервоусилителя и фазового отклика на механические компоненты требуется значительное проектное усилие. Драйверы шагового двигателя представляют собой менее сложные полупроводниковые переключатели, которые либо «включены», либо «выключены». Таким образом, контроллер шагового двигателя является менее сложным и дорогостоящим, чем контроллер серводвигателя.

Синхронные двигатели Slo-syn могут работать от напряжения сети переменного тока, как однофазный асинхронный двигатель с постоянным конденсатором. Конденсатор генерирует вторую фазу 90 o . При прямом сетевом напряжении мы имеем двухфазный привод. В эти дни чаще встречаются сигналы возбуждения биполярных (±) квадратных волн 2-24 В. Биполярные магнитные поля могут также генерироваться из однополярных ( однополюсников ) напряжений, подаваемых на чередующиеся концы отцентрированной обмотки центра. (Рисунок ниже ) Другими словами, DC можно переключить на двигатель, чтобы он увидел переменный ток. Когда обмотки включаются последовательно, ротор синхронизируется с последующим магнитным полем статора. Таким образом, мы рассматриваем шаговые двигатели как класс синхронного двигателя переменного тока.

Униполярный привод центральной запертой катушки на (b), эмулирует ток переменного тока в одиночной катушке (a).

 

Характеристики

Шаговые двигатели являются прочными и недорогими, потому что ротор не содержит обмоточных колец или коммутатора. Ротор представляет собой цилиндрическое твердое тело, которое также может иметь либо выступающие полюса, либо мелкие зубы. Чаще всего ротор представляет собой постоянный магнит. Определите, что ротор представляет собой постоянный магнит, при помощи беспилотного ручного вращения, показывающего крутящий момент , крутящие моменты. Катушки с шаговым двигателем наматываются в слоистый статор, за исключением конструкции штабеля . Там может быть всего лишь две фазы обмотки или целых пять. Эти фазы часто разделяются на пары. Таким образом, 4-полюсный шаговый двигатель может иметь две фазы, состоящие из линейных пар полюсов, расположенных на расстоянии друг от друга на расстоянии 90 o . Также могут быть несколько пар полюсов на фазу. Например, 12-полюсный степпер имеет 6 пар пар, по три пары на фазу.

Так как шаговые двигатели не обязательно вращаются непрерывно, нет рейтинга мощности. Если они вращаются непрерывно, они даже не подходят к дробной номинальной мощности hp. Они поистине небольшие устройства с малой мощностью по сравнению с другими двигателями. Они имеют номиналы крутящего момента до тысячи дюймов (дюйм-унций) или десять нм (ньютон-метры) для единицы измерения 4 кг. Небольшой шагомер размера «копейки» имеет крутящий момент в сотне нонтон-метра или несколько дюймов-унций. Большинство степлеров составляют несколько дюймов в диаметре с долей нм или несколькими крутящими моментами в унции. Имеющийся крутящий момент зависит от скорости двигателя, инерции нагрузки, крутящего момента нагрузки и электроники привода, как показано на кривой скорости и крутящего момента . (Рис. Ниже ) Напряжённый шаговый держатель имеет относительно высокий рейтинг удерживающего момента . Для работающего двигателя меньше крутящего момента, уменьшающегося до нуля на некоторой высокой скорости. Эта скорость часто не достижима из-за механического резонанса комбинации нагрузки двигателя.

Характеристики скорости шага.

Шаговые двигатели перемещаются на один шаг за шагом, шаг за шагом , когда изменяются формы возбуждения. Шаг угла связан с деталями конструкции двигателя: количеством катушек, количеством полюсов, количеством зубьев. Он может составлять от 90 o до 0,75 o , что соответствует от 4 до 500 шагов за оборот. Приводная электроника может уменьшать шаг шага на пол, перемещая ротор в полушагах .

Степперы не могут мгновенно получать скорости на кривой крутящего момента. Максимальная начальная частота - это максимальная скорость, с которой может быть запущен остановленный и незагруженный степпер. Любая нагрузка сделает этот параметр недостижимым. На практике ступенчатая скорость нарастает во время начала с намного ниже максимальной начальной частоты. При остановке шагового двигателя скорость шага может быть уменьшена до остановки.

Максимальный крутящий момент, при котором шаговый двигатель может запускать и останавливаться, представляет собой момент затяжки . Эта крутящая нагрузка на шаговый двигатель обусловлена ​​фрикционными (тормозными) и инерционными (маховиками) нагрузками на вал двигателя. Как только двигатель достигнет скорости, крутящий момент является максимальным устойчивым крутящим моментом без потери шагов.

Существует три типа шаговых двигателей в порядке возрастания сложности: переменное сопротивление, постоянный магнит и гибрид. Шаговый двигатель с переменным сопротивлением имеет твердотельный ротор из мягкой стали с выступающими полюсами. Шагомер с постоянным магнитом имеет цилиндрический ротор с постоянным магнитом. Гибридный степпер имеет мягкие стальные зубцы, добавленные к ротору постоянного магнита для меньшего угла шага.

Шаговый усилитель с переменной степенью

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением полагается на магнитный поток, стремящийся к самому низкому пути сопротивления через магнитную цепь. Это означает, что мягкий магнитный ротор неправильной формы будет двигаться, чтобы закончить магнитную цепь, минимизируя длину любого воздушного зазора с высоким сопротивлением. Статор, как правило, имеет три обмотки, распределенные между парами полюсов, с четырьмя выступающими полюсами ротора с шагом 30 o . (Рис. Ниже ). Обесточенный шаговый двигатель без фиксирующего момента при повороте руки может быть идентифицирован как шаговый двигатель с переменным сопротивлением.

Трехфазные и четырехфазные шаговые двигатели с переменной нагрузкой.

Формы сигналов возбуждения для шага 3-φ можно увидеть в разделе «Двигатель сопротивления». Привод для шага 4-φ показан на рисунке ниже . Последовательное переключение фаз статора создает вращающееся магнитное поле, которое следует за ротором. Однако из-за меньшего числа полюсов ротора ротор движется меньше, чем угол статора для каждого шага. Для шагового двигателя с переменным сопротивлением шаг шага определяется следующим образом:

Θ S = 360 o / N S Θ R = 360 o / N R Θ ST = Θ R - Θ S Где: Θ S = угол статора, Θ R = угол ротора, Θ ST = угол поворота N S = полюсы полюса числа, N P = полюсы числа роторов

Последовательность шага для шагового переключателя с переменным сопротивлением.

На рисунке выше , переходя от φ 1 к φ 2 и т. Д., Магнитное поле статора вращается по часовой стрелке. Ротор перемещается против часовой стрелки (CCW). Заметьте, чего не бывает! Зубчатый ротор не перемещается к следующему зубцу статора. Вместо этого поле φ2 статора притягивает другой зуб при перемещении ротора CCW, который является меньшим углом (15 o ), чем угол статора 30 o . Угол зубца ротора 45 o входит в расчет по вышеуказанному уравнению. Ротор перемещал CCW на следующий роторный зуб при 45 o , но он выравнивается с CW на зубье статора 30 o . Таким образом, фактическим углом шага является разность между углом статора 45 o и углом ротора 30 o . Как далеко шатер будет вращаться, если ротор и статор имеют одинаковое количество зубов? Нулевая нотация.

При запуске с фазой φ 1 возбуждаются три импульса (φ 2 , φ 3 , φ 4 ), чтобы выровнять «пунктирный» зуб ротора до следующего зубца CCW Tooth, который равен 45 o . С 3-мя импульсами на зуб статора и зубьями 8-статора 24-импульсы или ступени перемещают ротор на 360 o .

Перевернув последовательность импульсов, направление вращения обратнее справа. Направление, скорость шага и количество шагов контролируются контроллером шагового двигателя, подающим драйвер или усилитель. Это можно объединить в одну плату. Контроллер может быть микропроцессором или специализированной интегральной схемой. Драйвер не является линейным усилителем, а простым выключателем, способным обеспечивать достаточно высокий ток для подзарядки шагового усилителя. В принципе, драйвер может быть реле или даже тумблером для каждой фазы. На практике драйвер представляет собой либо дискретные транзисторные переключатели, либо интегральную схему. Оба драйвера и контроллер могут быть объединены в единую интегральную схему, принимающую команду направления и шаговый импульс. Он последовательно выводит ток в соответствующие фазы.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением.

Разберите шагомер нежелательности для просмотра внутренних компонентов. В противном случае мы покажем внутреннюю конструкцию шагового двигателя с переменным сопротивлением на рисунке выше . Ротор имеет выступающие полюса, так что они могут притягиваться к вращающемуся полюсу статора при его переключении. Фактический мотор, намного длиннее нашей упрощенной иллюстрации.

Винт с вилочным захватом с переменным сопротивлением.

Вал часто снабжен винтом. (Рис. Выше ). Это может перемещать головки гибкого диска по команде контроллера флоппи-дисковода.

Шаговые двигатели с изменяемым сопротивлением применяются, когда требуется только умеренный крутящий момент и достаточно грубый угол поворота. Винт-диск, используемый в дисковод гибких дисков, является таким приложением. Когда контроллер включается, он не знает положения каретки. Тем не менее, он может приводить в движение каретку к оптическому прерывателю, калибруя положение, при котором край ножа разрезает прерыватель как «домашний». Контроллер подсчитывает шаговые импульсы из этого положения. Пока момент нагрузки не превышает крутящий момент двигателя, контроллер будет знать положение каретки.

Краткое описание: шаговый двигатель с переменным сопротивлением

  • Ротор представляет собой мягкий железный цилиндр с выступающими (выступающими) полюсами.
  • Это наименее сложный, самый недорогой шаговый двигатель.
  • Шаговый шаговый двигатель без вращающего момента в ручном вращении обесточенного вала двигателя.
  • Большой угол поворота
  • Вильный штырь часто крепится к валу для линейного ступенчатого движения.

Постоянные магниты

Шаговый двигатель с постоянным магнитом имеет цилиндрический ротор с постоянным магнитом. Статор обычно имеет две обмотки. Обмотки могут быть центрированы, чтобы обеспечить однополярную схему драйвера, где полярность магнитного поля изменяется путем переключения напряжения от одного конца к другому из обмотки. Для питания обмоток без центрального крана требуется биполярный привод с переменной полярностью. Чистый шагомер с постоянным магнитом обычно имеет большой угол шага. Вращение вала обесточенного двигателя демонстрирует момент затяжки. Если угол фиксации большой, например, от 7,5 до 90 o , он, скорее всего, является усилителем с постоянным магнитом, а не гибридным шаговым двигателем (следующий подраздел).

Для шаговых двигателей с постоянными магнитами требуются фазированные переменные токи, применяемые к двум (или более) обмоткам. На практике это почти всегда квадратные волны, генерируемые из постоянного тока твердотельной электроникой. Биполярный привод представляет собой квадратные волны, чередующиеся между полярностями (+) и (-), например, от +2,5 В до -2,5 В. Униполярный привод подает (+) и (-) переменный магнитный поток на катушки, разработанные из пары положительных квадратов Волны, приложенные к противоположным концам отцентрированной катушки. Время биполярной или униполярной волны - волновой привод, полный шаг или половинный шаг.

Волновой привод

Последовательность волнового привода PM (a) φ 1 +, (b) φ 2 +, (c) φ 1 -, (d) φ 2 -.

Концептуально простейшим приводом является волновой привод . (Рис. Выше ). Последовательность поворота слева направо положительна. Φ-1 точка северного полюса ротора вверх, (+) φ-2 точки ротора на север справа, отрицательный φ-1 притягивает ротор к северу вниз, (-) φ-2 точки ротора влево , Приведенные ниже волновые формы показывают, что за один раз возбуждается только одна катушка. Хотя это просто, это не создает столько крутящего момента, как другие приводы.

Форма волны: биполярная волна.

Сигналы (рис. Выше ) являются биполярными, поскольку обе полярности (+) и (-) управляют степпиром. Магнитное поле катушки меняет направление вращения, поскольку полярность тока возбуждения меняется на противоположную.

Волновые формы: однополярный волновой привод.

Сигналы формы (рис. Выше ) являются униполярными, поскольку требуется только одна полярность. Это упрощает электронику привода, но требует в два раза больше драйверов. В два раза больше осциллограмм, потому что требуется пара (+) волн для создания переменного магнитного поля при приложении к противоположным концам отцентрированной катушки. Мотор требует переменные магнитные поля. Они могут быть получены либо однополярными, либо биполярными волнами. Однако моторные катушки должны иметь центральные краны для униполярного привода.

Шаговые двигатели с постоянным магнитом изготавливаются с различными конфигурациями свинцовых проволок. (Рисунок ниже )

Схемы подключения шагового двигателя.

4-проводный двигатель может управляться только биполярными сигналами. 6-проводный двигатель, наиболее распространенный вариант, предназначен для однополярного привода из-за центральных ответвлений. Хотя это может быть вызвано биполярными волнами, если центральные краны игнорируются. 5-проводный двигатель может управляться только однополярными волнами, так как общий центральный кран вмешивается, если обе обмотки подключены одновременно. 8-проводная конфигурация редка, но обеспечивает максимальную гибкость. Он может быть подключен для однополярного привода, как для 6-проводного или 5-проводного двигателя. Пара катушек может быть подключена последовательно для высоковольтного биполярного привода с малым током или параллельно для низковольтного высокоточного привода.

Бифилярная обмотка производится путем намотки катушек параллельно двумя проводами, часто красной и зеленой эмалированной проволокой. Этот метод обеспечивает точное соотношение оборотов 1: 1 для центральных резьбовых обмоток. Этот метод обмотки применим ко всем, кроме 4-проводного устройства выше.

Полный привод

Полный шаговый привод обеспечивает больше крутящего момента, чем волновой привод, потому что одновременно оба катушки включаются. Это привлекает полюсы ротора на полпути между двумя полюсами поля. (Рисунок ниже )

Полный шаг, биполярный привод.

Полноступенчатый биполярный привод, как показано на рисунке выше, имеет тот же шаг, что и волновой привод. Для однополярного привода (не показан) требуется пара однополярных сигналов для каждого из вышеуказанных биполярных сигналов, применяемых к концам обмотки с центральным ответвлением. Униполярный привод использует менее сложную и менее дорогостоящую схему драйвера. Дополнительная стоимость биполярного привода оправдана, когда требуется больше крутящего момента.

Пошаговый привод

Шаг угла для данной геометрии шагового двигателя разрезается пополам с помощью полушагового привода. Это соответствует удвоенному количеству импульсов на оборот. (Рис. Ниже ). Половина ступеней обеспечивает большее разрешение при размещении вала двигателя. Например, при половинном шаге двигателе, перемещающем печатающую головку на бумаге струйного принтера, будет вдвое больше плотности точек.

Половина этапов, биполярный привод.

Привод на половину шага представляет собой комбинацию волнового привода и полного шагового привода с одной закрученной обмоткой, за которой следуют оба обмоток, приносящие в два раза больше шага. Ниже приведены однополярные формы сигналов для полушагового привода. Ротор выравнивается с полюсами поля, как для привода волн, так и между полюсами, как для полного шагового привода.

Микросхема возможна со специализированными контроллерами. Изменяя токи на обмотки синусоидально, многие микрошаги могут быть интерполированы между нормальными положениями.

строительство

Конструкция шагового двигателя с постоянным магнитом значительно отличается от чертежей выше. Желательно увеличить число полюсов за пределы, показанное для получения меньшего угла шага. Также желательно уменьшить количество обмоток или, по меньшей мере, увеличить количество обмоток для простоты изготовления.

Шаговый двигатель с постоянным магнитом, 24-полюсная конструкция из нержавеющей стали.

Шагомер с постоянным магнитом (рис. Выше ) имеет только две обмотки, но имеет 24 полюса в каждой из двух фаз. Этот стиль конструкции известен как может складываться . Фазовая обмотка обертывается мягкой стальной оболочкой, пальцы доставляются в центр. Один этап, на временной основе, будет иметь северную сторону и южную сторону. Каждая сторона обертывается к центру пончика с двенадцатью переплетенными пальцами в общей сложности 24 полюса. Эти чередующиеся пальцы с севера на юг будут привлекать ротор постоянного магнита. Если полярность фазы была обращена вспять, ротор скакал бы 360 o / 24 = 15 o . Мы не знаем, в каком направлении, что не полезно. Однако, если мы активизируем φ-1, за которым следует φ-2, ротор будет двигаться на 7.5 o, потому что φ-2 смещается (поворачивается) на 7.5 o от φ-1. См. Ниже смещение. И, если фазы чередуются, он будет вращаться в воспроизводимом направлении. Применение любой из вышеперечисленных осциллограмм приведет к вращению ротора постоянного магнита.

Обратите внимание, что ротор представляет собой серый ферритовый керамический цилиндр, намагниченный в 24-полюсном образце. Это можно просмотреть с помощью магнитной пленки-зрителя или железных опилок, нанесенных на бумажную упаковку. Хотя, цвета будут зелеными для северного и южного полюсов с пленкой.

(A) Внешний вид стека, (b) подробная информация о смещении поля.

Конструкция стиля стека шагового типа шагового генератора является отличительной и легко идентифицируемой уложенными «банками». (Рисунок выше ) Обратите внимание на смещение вращения между двумя фазовыми секциями. Это ключ к тому, что ротор следует за переключением полей между двумя фазами.

Описание: шаговый двигатель с постоянным магнитом

  • Ротор - постоянный магнит, часто ферритовый гильза намагничена многочисленными полюсами.
  • Конструкция из нержавеющей стали обеспечивает множество полюсов из одной катушки с чередующимися пальцами из мягкого железа.
  • Скользящий угол от большой до умеренной.
  • Часто используется в компьютерных принтерах для продвижения бумаги.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридный шаговый двигатель сочетает в себе функции как шага с переменной степенью сопротивления, так и шагового двигателя с постоянным магнитом для создания меньшего угла шага. Ротор представляет собой цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль оси радиальными мягкими железными зубами (рис. Ниже ). Катушки статора наматываются на чередующиеся полюса с соответствующими зубьями. Обычно между фазовыми парами распределены две фазы обмотки. Эта обмотка может быть центрирована для однополярного привода. Центральный кран достигается за счет бифилярной обмотки , пары проводов, повернутых физически параллельно, но проводящихся последовательно. Полюсы север-юг полярности фазовой подстановки, когда ток возбуждения фазы меняется на противоположный. Для несъемных обмоток требуется биполярный привод.

Гибридный шаговый двигатель.

Обратите внимание, что 48-зубцы на одной секции ротора смещены на половину высоты от другого. См. Подробности полюса ротора. Это смещение зубьев ротора также показано ниже. Благодаря этому смещению ротор эффективно имеет 96 чередующихся полюсов противоположной полярности. Это смещение допускает вращение в 1/96 th шагов вращения, изменяя полярность поля одной фазы. Двухфазные обмотки являются общими, как показано выше и ниже. Хотя, может быть целых пять фаз.

Зубы статора на 8-полюсах соответствуют зубам 48-ротора, за исключением отсутствующих зубьев в пространстве между полюсами. Таким образом, один полюс ротора, скажем, южного полюса, может совпадать с статором в 48 различных положениях. Однако зубы южного полюса смещены от северных зубов на половину зуба. Поэтому ротор может совмещаться с статором в 96 различных положениях. Это смещение половины зуба показано в деталях полюса ротора выше или на рисунке ниже .

Как бы это было недостаточно сложно, основные полюсы статора делятся на две фазы (φ-1, φ-2). Эти фазы статора смещены друг от друга на одну четверть зуба. Эта деталь видна только на принципиальных схемах ниже. В результате ротор движется с шагом четверти зуба, когда фазы чередуются под напряжением. Другими словами, ротор движется в 2 × 96 = 192 шага за оборот для вышеупомянутого шагового устройства.

Вышеприведенный чертеж представляет собой настоящий гибридный шаговый двигатель. Однако мы приводим упрощенное графическое и схематическое представление (рисунок ниже ), чтобы проиллюстрировать детали, не очевидные выше. Обратите внимание на уменьшенное количество катушек и зубьев в роторе и статоре для простоты. На следующих двух рисунках мы попытаемся проиллюстрировать вращение четвертого зуба, вызванное двумя фазами статора, смещенными на четверть зуба, и смещением половины зуба ротора. Квадратное смещение статора зуба в сочетании с синхронизацией тока привода также определяет направление вращения.

Схема гибридного шагового двигателя.

Особенности схемы гибридного шагового двигателя (рисунок выше )

  • Верх ротора с постоянным магнитом - южный полюс, нижний север.
  • Зубы ротора с севера на юг смещены на половину зуба.
  • Если статор φ-1 временно находится под напряжением северной вершины, южный дно.
  • Верхние зубья статора φ-1 выровнены на север к южным зубам ротора.
  • Нижние зубья φ-1 'статора выровнены на юг к северным зубам ротора.
  • Достаточный крутящий момент, приложенный к валу для преодоления момента затяжки, приведет к перемещению ротора на один зуб.
  • Если полярность φ-1 была изменена на обратную, ротор будет двигаться на половину зуба, неизвестное направление. Выравнивание было бы южным верхом статора до дна северного ротора, северным дном статора до южного ротора.
  • Зубцы статора φ-2 не совпадают с зубьями ротора при включении φ-1. Фактически, зубцы φ-2 статора смещены на четверть зуба. Это позволит вращать эту величину, если φ-1 обесточен и φ-2 под напряжением. Полярность φ-1 и привода определяет направление вращения.

Последовательность вращения гибридного шагового двигателя.

Гибридное вращение шагового двигателя (рис. Выше )

  • Верх ротора - это постоянный магнит на юг, внизу север. Поля φ1, φ-2 переключаются: включены, выключены, обратные.
  • ( A ) φ-1 = on = north-top, φ-2 = off. Выравнивание (сверху вниз): φ-1 stator-N: ротор-топ-S, φ-1 'stator-S: ротор-снизу-N. Начальное положение, вращение = 0.
  • (B) φ-1 = off, φ-2 = on. Выровнять (справа налево): φ-2 stator-N-right: rotor-top-S, φ-2 'stator-S: rotor-bottom-N. Поверните 1/4 зуб, общее вращение = 1/4 зуба.
  • (C) φ-1 = reverse (on), φ-2 = off. Выравнивание (снизу вверх): φ-1 stator-S: ротор-нижний-N, φ-1 'статор-N: ротор-топ-S. Поверните 1/4 зуба из последнего положения. Общее вращение от начала: 1/2 зуб.
  • Не показано: φ-1 = выключено, φ-2 = обратное (включено). Выровнять (слева направо): общее вращение: 3/4 зуб.
  • Не показано: φ-1 = on, φ-2 = off (то же, что и (a)). Выровнять (сверху вниз): общее вращение 1 зуб.

Недействующий шаговый двигатель с крутящим моментом затяжки является либо шаговым двигателем с постоянным магнитом, либо гибридным шаговым двигателем. Гибридный шаговый двигатель будет иметь малый угол поворота, что намного меньше, чем 7,5 ° от постоянных магнитов. Шаг угла может составлять долю в градусах, что соответствует нескольким сотням шагов за оборот.

Описание: гибридный шаговый двигатель

  • Шаг угла меньше, чем переменный уровень сопротивления или шаговый двигатель с постоянными магнитами.
  • Ротор - это постоянный магнит с тонкими зубцами. Северные и южные зубы смещены на половину зуба для меньшего угла шага.
  • Полюсы статора имеют соответствующие тонкие зубцы того же тона, что и ротор.
  • Обмотки статора разделены на не менее двух фаз.
  • Полюсы одной обмотки статора смещены на четверть зуба для еще меньшего угла шага.

shemabook.ru

маленькие шаговые двигатели Завод, Вы можете непосредственно заказать продукты с Китайских маленькие шаговые двигатели Заводов в списке.

Основные Продукции: Шаговый Двигатель, Шаговый Двигатель, Шаг Двигателя, Драйвер Шагового Двигателя, Редукторный Шаговый Двигатель

ru.made-in-china.com

Шаговые двигатели. Принцип действия. Различные способы управления

Шаговые двигатели: принцип действия и отличия от двигателей постоянного тока

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

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

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

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

Униполярный шаговый двигатель с постоянными магнитами

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

Биополярный и гибридный шаговый двигатель

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

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

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

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

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

Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.

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

Управляющая последовательность для режима с единичным шагом

На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.

Управляющая последовательность для режима с половинным шагом

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

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

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

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

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

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

Система отработки угла выходного вала двигателя с использованием датчика обратной связи

Шаговые синхронные двигатели активного типа

В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.

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

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

Принципиальная схема управления шаговым двигателем

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

Симметричная схема коммутации

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

Несимметричная система коммутации

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

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

KT = mуn1n2,

где: n1=1 — при симметричной системе коммутации;

n1=2 — при несимметричной системе коммутации;

n2=1 — при однополярной коммутации;

n2=2 — при двуполярной коммутации.

Схемы, иллюстрирующие положения ротора шагового двигателя с постоянными магнитами при подключении к источнику питания одной и двух обмоток

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении, а при двуполярной — в обеих. Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают. Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1). Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.

Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:

αш=360/Ктр

Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р=4…6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.

Реактивные шаговые двигатели

У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.

Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.

Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора.

Принцип действия реактивного редукторного двигателя

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

Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:

αш=360/КтZр

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

Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.

Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.

Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, можно достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, т.е. оси их полюсов полностью совпадают. Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.

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

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

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

Линейные шаговые синхронные двигатели

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

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

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

Схема — работа линейного шагового двигателя

Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнито-провода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.

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

ΔXш=tz/Кt

где Kt — число тактов схемы управления.

Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.

В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.

Режимы работы синхронного шагового двигателя

Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.

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

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.

Процесс отработки шагов шаговым двигателем

В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.

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

Предельная механическая характеристика — это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.

Предельная механическая характеристика шагового двигателя

Приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления.

Предельная динамическая характеристика шагового двигателя

Приемлемость падает с увеличением нагрузки.

Автор: В. П. Колодийчик.

Журнал «Электротехнический рынок» №12 (18) декабрь 2007

vt-tech.eu


Смотрите также