Теория управления шаговыми двигателями

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

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

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.
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.

купить блок управления шаговым двигателем

купить шаговый двигатель

Принципиальная схема управления шаговым двигателем

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.
При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления

Симметричная система коммутации

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

Несимметричная система коммутации

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

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

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

K_T=m_yn₁n₁,

где n₁=1 при симметричной системе коммутации;

n₁=2 при несимметричной системе коммутации;

n₂=1 при однополярной коммутации;

n₂=2 при двуполярной коммутации.

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

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении; 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:

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 шагового двигателя: (а) — исходное положение
устойчивого
равновесия; (б) — положение устойчивого равновесия. cдвинутое на один шаг

Если зубцы ротора соосны с одной диаметрально расположенной парой полюсов статора, то они сдвинуты
относительно
каждой из оставшихся трех пар полюсов статора соответственно на ј, Ѕ и ѕ зубцового деления.
При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.
Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:

В выражении для КТ 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

Схема, иллюстрирующая работу линейного шагового двигателя

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание
магнитопроводов производится постоянным магнитом.
Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного
магнитопровода 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.

где
KТ — 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 следующего импульса заданный угол вращения. Это
значит, что в
начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0

Процесс отработки шагов шаговым двигателем

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.
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.

Продолжение статьи (на англ. языке)

Шаговые двигатели (Лекция 27)

§ 3.1. Общие сведения о шаговых двигателях

В современных системах управления широко используются устройства, оперирующие с цифровой
формой сигнала. Цифровая форма представления сигнала привела к созданию нового
типа двигателей – шаговых двигателей (ШД).

Шаговые двигатели – это электромеханические
устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное)
перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной
связи.

Современные ШД являются по сути синхронными двигателями без пусковой обмотки на роторе, что объясняется не асинхронным а
частотным пуском ШД. Роторы могут быть возбужденными (активными) и
невозбужденными (пассивными).

Рассмотрим принцип действия простейшего однофазного шагового двигателя.

Двухполюсный ротор из магнитомягкой стали с клювообразными выступами
помещен в четырехполюсный статор (рис.3.1). Одна пара полюсов выполнена из
постоянных магнитов, на другой – находится обмотка управления.

Пока тока в обмотках управления нет, ротор ориентируется вдоль
постоянных магнитов и удерживается около них с определенным усилием, которое
определяется магнитным потоком полюсов Ф_пм.

При подаче постоянного напряжения на обмотку управления возникает
магнитный поток Ф_у примерно вдвое больший, чем
поток постоянных магнитов. Под действием электромагнитного усилия, создаваемого
этим потоком, ротор поворачивается, преодолевая нагрузочный момент и момент,
развиваемый постоянными магнитами, стремясь занять положение соосное с полюсами
управляющей обмотки. Поворот происходит в сторону клювообразных выступов, т.к.
магнитное сопротивление между статором и ротором в этом направлении меньше, чем
в обратном.

Рис. 3.1. Схема простейшего однофазного ШД

Следующий управляющий импульс отключает напряжение с обмотки управления
и ротор поворачивается под действием потока постоянных магнитов в сторону клювообразных выступов.

Достоинством однофазных ШД с постоянными магнитами является простота
конструкции и схемы управления. Для фиксации ротора при обесточенной обмотке
управления не требуется потребление энергии, угол поворота сохраняет свое
значение и при перерывах в питании. Двигатели этого типа отрабатывают импульсы
с частотой до 200-300 Гц. Их недостатки – низкий КПД и невозможность реверса.

§ 3.2. Реверсивные шаговые двигатели

Для осуществления реверса зубцы статора и ротора ШД должны быть
симметричными (без клювообразных выступов). Рассмотрим работу двухфазного
двухполюсного ШД с активным ротором в виде постоянного магнита. Будем считать,
что намагничивающие силы фаз (НС) распределены по синусоидальному закону.

При включении фазы под постоянное напряжение (условно положительной
полярности) вектор НС статора совпадет с осью фазы А. В результате
взаимодействия НС статора с полем постоянного магнита ротора возникнет
синхронизирующий момент М_с = M_maxsinq, где q — угол
между осью ротора и вектором НС.

При отсутствии тормозного момента ротор займет положение, при котором
его ось совпадет с осью фазы А (рис. 3.2, первый
такт). Если теперь отключить фазу А и включить фазу В, вектор НС
и ротор повернуться на 90^о(второй такт на рис. 3.2). При
включении фазы А на напряжение обратной полярности (третий такт на рис.
3.2) НС и ротор повернутся еще на 90^о и т.д.

Если к ротору ШД приложен момент нагрузки, то при переключении фаз
ротор будет отставать от вектора НС на некоторый угол q_н= arcsin(M_н/M_max).

Рис. 3.2. Устойчивые положения ротора при включении фаз

Рассмотренный способ переключения обмоток можно представить в виде табл.1

Таблица 1

Полярность импульсов	Такты коммутации
	1	2	3	4
+UA
+UB
-UA
-UB

Такой же шаг двигателя, но в раз большое значение намагничивающей силы (и
соответственно синхронизирующего момента) можно получить при одновременном
переключении двух обмоток по алгоритму, показанному в табл. 2

Таблица 2

Полярность импульсов	Такты коммутации
	1	2	3	4
+UA	X			X
+UB	X	X
-UA		X	X
-UB			X	X

Шаг двигателя можно уменьшить в 2 раза, если обмотки переключать в
соответствии с табл.3

Таблица 3

Полярность импульсов	Такты коммутации
	1	2	3	4	5	6	7	8
+UA	X	X						X
+UB		X	X	X
-UA				X	X	X
-UB						X	X	X

В зависимости от типа электронного коммутатора управление ШД может быть:

·одноплярным или разнополярным;

·симметричным или несимметричным;

·потенциальным или импульсным.

При однополярном управлении напряжение каждой фазе изменяется от 0 до
+U, а при разнополярном – от -U до +U.

Управление называется симметричным, если в каждом такте
коммутации задействуется одинаковое число обмоток, и несимметричным –
если разное. Способы переключения обмоток, соответствующие тал. 1 и 2 будут
симметричными, а по табл.3 – несимметричным.

При потенциальном управлении напряжение на обмотках изменяется только в
моменты поступления управляющих импульсов. При отсутствии управляющего сигнала
обмотка или группа обмоток находятся под напряжением, а положение ротора
фиксируется полем обмоток. При импульсном управлении напряжение на обмотки
подается только на время отработки шаг, после чего оно снимается и ротор
удерживается в заданном положении либо реактивным моментом, либо внешним
фиксирующим устройством.

В двухполюсной машине число устойчивых положений в пределах одного
оборота ротора n следующее (m — число фаз):

1. при однополярной коммутации и
симметричном управлении n = m;

2.при разнополярной коммутации с
симметричным управлением n = 2m;

3.при несимметричной
разнополярной коммутации n = 4m.

Очевидно, что несимметричная коммутация возможно только при m ³ 2.

В многополюсных ШД число устойчивых положений возрастает
пропорционально числу пар полюсов р.

Одним из определяющих параметров ШД является шаг ротора, т.е. угол
поворота ротора, соответствующий одному управляющему импульсу (угол между двумя
соседними устойчивыми состояниями)

Для рассмотренных двигателей р = 1, m = 2 (в первом двигателе
одному такту соответствует действие возбужденных полюсов, а другому, при отключении
обмотки, – действие полюсов с постоянными магнитами). Следовательно, при
разнополярной симметричной коммутации шаг двигателейa = 90^o. При несимметричной разнополярной коммутации a = 45^o.

Если в двухфазном двигателе выполнить выводы средних точек, он
фактически превращается в четырехфазный ШД (рис.3.3). В отличие
от двигателей с обычной двухфазной обмоткой, питаемой разнополярными
импульсами, данный двигатель можно питать однополярными импульсами, что
значительно упрощает коммутатор, хотя и приводит к несколько худшему
использованию материалов.

Рис.3.3. Схема обмоток и порядок коммутации 4-х фазного ШД

Магнитоэлектрические ШД удается выполнить с шагом до 15^о.
Дальнейшее уменьшение шага ограничено технологическими трудностями создания
ротора в виде постоянного магнита с числом пар полюсов больше шести.

Гораздо более мелкий шаг (до долей градуса) можно получить в
редукторных (индукторных) ШД. Индукторные ШД выполняются с числом фаз m
= 2¸4. Они имеют зубчатый ротор с равномерно
расположенными z_p зубцами и гребенчатые зоны статора,
смещенные относительно друг друга на угол 2p/(mz_p) (например, рис. 3.4). Число пазов статора и ротора, их геометрические
размеры выбираются такими, чтобы обеспечить необходимую величину шага и
синхронизирующего момента при заданном виде коммутации токов.

Рис. 3.4. Геометрия магнитной системы индукторного ШД

Основной особенностью индукторных двигателей является то, что магнитное
поле в зазоре содержит постоянную и переменную составляющие. Постоянная
составляющая поля возбуждается либо постоянной составляющей тока обмоток
управления – у двигателей с самовозбуждением, либо специальной обмоткой
возбуждения – у двигателей с независимым возбуждением, либо постоянными
магнитами – у магнитоэлектрических двигателей. Переменная составляющая
магнитного поля создается импульсами тока обмоток управления, поступающими от
электронного коммутатора.

Далее…

Теория шагового двигателя — руководство по его истории и применению

Теория шаговых двигателей: основы

Шаговый двигатель — это двигатель, который предназначен для выполнения шагов, а не просто вращения сразу после подачи питания. Шаговые двигатели различной конструкции будут иметь разное количество шагов, но два наиболее распространенных имеют 200 (1,8 градуса) или 400 шагов (0,9 градуса).

В результате их совершенно другой конструкции они обычно используются в совершенно иных приложениях, чем двигатели постоянного тока или бесколлекторные двигатели постоянного тока (хотя есть некоторые кроссоверы).

Единственный способ заставить шаговый двигатель работать так, как он предназначен, — это использовать специальный драйвер или контроллер шагового двигателя. Если вы попытаетесь подключить кабели на шаговом двигателе к источнику питания (как вы сделали бы с щеточным двигателем постоянного тока), он просто зафиксирует двигатель в одном положении (и начнет нагреваться, если вы оставите его подключенным на некоторое время! ).

Королевский флот впервые применил шаговые двигатели в орудийных башнях в 1930-х годах.

Краткая история шагового двигателя и его развития

Вопрос о том, кто на самом деле изобрел шаговый двигатель, до сих пор остается открытым, отчасти потому, что оригинальные версии не были сразу известны как шаговые двигатели.

Однако для большинства инженеров (включая нас) это в значительной степени связано с Фрэнком В. Вудсом, который запатентовал двигатель на основе 5 катушек статора, которые можно было заряжать в различных комбинациях для обеспечения пошагового движения.

Первый зарегистрированный пример шагового двигателя, использованного в практическом применении, был сделан одним из крупнейших новаторов в 18-19 гг.го и 20 века, Британский Королевский флот. Система была разработана в 1930-х годах как средство управления орудийными башнями и орудиями на больших кораблях, и подобные системы используются и сегодня.

В 1960-х годах этот тип основного шагового двигателя начал заменяться шаговыми двигателями с постоянными магнитами с большим углом наклона, аналогичными типам, обычно используемым сегодня.

Однако у этих моторов был ряд проблем. Точность позиционирования была ограничена из-за отсутствия точных контроллеров шагового двигателя, а проблемы с резонансом в корпусе двигателя часто приводили к остановке и перезапуску двигателя.

На протяжении 1970-х и особенно в 1980-х и 1990-х годах были достигнуты значительные успехи в разработке контроллеров, которые могли решить некоторые из проблем резонанса, встречающихся в шаговых двигателях, а также в производственных разработках, которые снизили стоимость шаговых двигателей. Однако шаговые двигатели в то время оставались дорогими и обычно использовались в оборонных и аэрокосмических целях.

К началу 2000-х эти разработки были настолько значительными, что стоимость шаговых двигателей и контроллеров шаговых двигателей начала падать, что позволило использовать их в ряде приложений, где раньше они были слишком дорогими.

Почему шаги полезны для двигателя?

Имея возможность выполнять определенные шаги, можно с невероятной точностью контролировать вращение двигателя вплоть до процентов градуса.

Если представить циферблат с одной стрелкой, то «традиционный» двигатель постоянного тока сможет вращаться только с постоянной скоростью.

Любое позиционирование должно контролироваться по времени или с использованием замкнутой системы с энкодером для определения положения. Однако с помощью шагового двигателя можно быстро и просто перемещать стрелку из любого положения на часах в любое другое положение с любой необходимой скоростью.

В зависимости от используемого контроллера шагового двигателя можно управлять ускорением и замедлением каждого движения и даже программировать определенные последовательности.

Что такое неэффективность?

Первое, что нужно понять, это внутренняя конструкция шагового двигателя. Шаговый двигатель — это тип бесщеточного двигателя (только в том смысле, что у него нет щеток), и у него есть магнит, непосредственно прикрепленный к валу в центре двигателя.

Что отличает его от других двигателей, так это то, что вокруг магнита есть зубья, похожие на зубья шестерни. На самом деле он имеет 2 набора зубьев вокруг ротора, которые смещены и имеют чередующиеся северный и южный полюса.

Настоящие катушки (которые включаются и выключаются контроллером шагового двигателя) устанавливаются снаружи двигателя.

Как работает шаговый двигатель

Типичный шаговый двигатель имеет 2 набора катушек, расположенных друг напротив друга (на расстоянии 180 градусов).

Чтобы заставить двигатель вращаться, катушки включаются, одна положительная, а другая отрицательная. Это создает в шаговом двигателе двойной эффект «тяни-толкай», который перемещает его на один шаг.

После завершения одного шага другая пара делает то же самое, и двигатель делает еще один шаг.

Поскольку этот процесс ускоряется с помощью используемого контроллера шагового двигателя, двигатель начинает вращаться более плавно (а не шаг, шаг, шаг, шаг) и может достигать скорости до 1000 об/мин.

Затем этот процесс повторяется в четыре этапа:

1. Катушка 1 положительная, катушка 3 отрицательная = 1 шаг

2. Катушка 2 положительная, катушка 4 отрицательная = 1 шаг

3. Катушка 1 отрицательная, катушка 3 положительный = 1 шаг

4. Катушка 2 отрицательная, катушка 3 положительная = 1 шаг

В зависимости от типа вашего контроллера можно включить микрошаг. Микрошаг — это умный способ увеличить количество возможных шагов в двигателе, который имеет только 200 механических шагов, путем введения дробного управления входным электрическим сигналом.

Наилучший тип двигателя для таких применений, как дозирование, где важно позиционное управление

Типичный шаговый двигатель, такой как шаговый двигатель NEMA 23 в ZD4N2318, фактически имеет 200 возможных шагов за один полный оборот на 360 градусов. Это наиболее распространенная конфигурация шагового двигателя, но есть и другие типы, которые имеют больше (например, ZDSPN1709 имеет 400 шагов).

Таким образом, со стандартным 200-шаговым двигателем мы получаем 1,8 градуса на шаг (при условии, что мы работаем в полношаговом режиме).

Если учесть, что контроллер шагового двигателя, такой как Zikodrive ZD2, может работать с разрешением до 128 микрошагов (это означает, что он имеет 128 отдельных «микрошагов» в 1 полном шаге), становится ясно, что шаговый двигатель может обеспечивать исключительно точное позиционное точность.

Это делает его чрезвычайно полезным в таких приложениях, как насосы или приложения для управления технологическими процессами, где может иметь значение высокоточное позиционирование. Контроллеры шаговых двигателей Zikodrive широко используются в приложениях управления насосами и технологическими процессами.

Важность контроллера шагового двигателя для определения фактической производительности двигателя

Как вы можете догадаться из приведенного выше описания, одним из наиболее важных факторов, влияющих на производительность шагового двигателя, является используемый контроллер шагового двигателя.

Проще говоря, без контроллера шаговый двигатель не сможет предложить вам ничего в плане механических характеристик, кроме заблокированного вала.

Очень простой драйвер шагового двигателя сможет вращать шаговый двигатель, но не будет обеспечивать большой диапазон параметров управления и производительности, которые помогут вам действительно извлечь выгоду из характеристик производительности, которые может предложить шаговый двигатель.

Тем не менее, усовершенствованный микрошаговый программируемый контроллер, такой как Zikodrive ZD4, обеспечит широкий диапазон производительности шагового двигателя по вашему выбору. Этот тип контроллера может обеспечить высокоточное позиционирование и может быть настроен для обеспечения необходимой производительности с рядом дополнительных функций безопасности, таких как защита от перегрузки по току, защита от обратной полярности и многое другое.

Все это может существенно повлиять на работу двигателя, срок службы двигателя и контроллера и эффективность всей системы.

Если вы понимаете основные принципы, изложенные выше, и знаете, что этот тип двигателя подходит для вашего приложения, вы можете начать с просмотра нашего ассортимента серийных комплектов шаговых двигателей.

Они дадут вам хорошее представление о типах функций, доступных в нашей линейке, а также о номинальных значениях мощности и скорости, которых вы можете достичь.

Если у вас есть дополнительные вопросы, вы всегда можете связаться с нами для обсуждения.

Мы стараемся поддерживать онлайн-чат между 9и 5 по Гринвичу (хотя мы не всегда можем это сделать, если мы все заняты), но если нет, вы всегда можете отправить нам электронное письмо или позвонить нам, чтобы обсудить ваш проект и то, что требуется для его успеха.

Шаговый двигатель

: основы, типы и работа

 

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель или шаговый двигатель — это бесщеточный синхронный двигатель, который делит полный оборот на несколько шагов. В отличие от бесщеточного двигателя постоянного тока, который непрерывно вращается при подаче на него фиксированного напряжения постоянного тока, шаговый двигатель вращается с дискретными углами шага. 9Поэтому шаговые двигатели 0117 производятся с шагом на оборот 12, 24, 72, 144, 180 и 200, что дает углы шага 30, 15, 5, 2,5, 2 и 1,8 градуса на шаг. Шаговый двигатель может управляться как с обратной связью, так и без нее.

 

Рис. 1. Изображение широко используемого бесщеточного шагового двигателя постоянного тока

 

Как работает шаговый двигатель?

Шаговые двигатели работают по принципу электромагнетизма. Вал ротора из мягкого железа или магнита окружен электромагнитными статорами. Ротор и статор имеют полюса, которые могут быть зубчатыми или нет, в зависимости от типа шагового двигателя. Когда на статоры подается питание, ротор перемещается, чтобы выровняться со статором (в случае шагового двигателя с постоянным магнитом) или перемещается, чтобы иметь минимальный зазор со статором (в случае шагового двигателя с переменным сопротивлением). Таким образом, статоры последовательно запитываются, чтобы вращать шаговый двигатель. Получите больше информации о работе шаговых двигателей с помощью интересных изображений на сайте stepper motor Insight.

Рис. 2: Общий обзор внутренней структуры и работы типичного шагового двигателя

Типы шагового двигателя

По строительству. Пошаговые двигатели составляют три широких класса:

1. Шаговый двигатель с постоянными магнитами

2.      Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

3.      Гибридный шаговый двигатель

Эти три типа подробно описаны в следующих разделах.

 

 

Тип 1: Постоянный магнит

1.     Шаговый двигатель с постоянным магнитом :

Полюса ротора и статора шагового двигателя с постоянными магнитами не зубчатые. Вместо этого ротор имеет чередующиеся северный и южный полюса, параллельные оси вала ротора.

 

Рис. 3: Схема поперечного сечения двухфазного постоянного шагового двигателя

 

Когда статор находится под напряжением, он создает электромагнитные полюса. Магнитный ротор выравнивается вдоль магнитного поля статора. Затем в последовательности подается питание на другой статор, так что ротор движется и выравнивается с новым магнитным полем. Таким образом, подача питания на статоры в фиксированной последовательности приводит к вращению шагового двигателя на фиксированные углы.

 

 

Рис. 4. Схема, поясняющая работу шагового двигателя с постоянными магнитами

 

Разрешение шагового двигателя с постоянными магнитами можно увеличить, увеличив число полюсов ротора или количество фаз.

 

Рис. 5. Рисунок, показывающий способы увеличения разрешения шагового двигателя с постоянными магнитами0117 2.       Шаговый двигатель с переменным сопротивлением :    

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением имеет зубчатый ротор из немагнитного мягкого железа. Когда катушка статора находится под напряжением, ротор перемещается так, чтобы между статором и его зубьями был минимальный зазор.

 

Рис. 6: Принципиальная схема двухфазного шагового двигателя с переменным сопротивлением

 

Зубья ротора сконструированы таким образом, что при их совмещении с одним статором они смещаются со следующим статором. Теперь, когда на следующий статор подается питание, ротор перемещается, чтобы выровнять свои зубья со следующим статором. Таким образом, подача питания на статоры в фиксированной последовательности завершает вращение шагового двигателя.

 

 

Рис. 7: Диаграмма, поясняющая работу шагового двигателя с переменным сопротивлением

 

Разрешение шагового двигателя с переменным сопротивлением можно увеличить, увеличив количество зубцов в роторе и число фаз.

 

 

Рис. 8. Рисунок, показывающий способы увеличения разрешения шагового двигателя с переменным сопротивлением

 

 

Тип 3: гибридный0173

3.     Гибридный шаговый двигатель :

Гибридный шаговый двигатель представляет собой комбинацию постоянного магнита и переменного магнитного сопротивления. Он имеет ротор с магнитными зубьями, который лучше направляет магнитный поток в нужное место в воздушном зазоре.

 

Рис. 9. Конструкция двухфазного гибридного двигателя

 

Магнитный ротор имеет две чашки. Один для северных полюсов и второй для южных полюсов. Чашки ротора сконструированы таким образом, что северный и южный полюса расположены попеременно. Узнайте о гибридном шаговом двигателе.

 

Рис. 10: Схема, показывающая внутреннюю структуру магнитного ротора в гибридном двигателе

 

Гибридный двигатель вращается по тому же принципу, что и обмотки статора.

Рис. 11: Диаграмма, объясняющая работу гибридного шагового двигателя

Типы проводки

Типы обмолки и лидирующие 9000 9000 2

Типы сетки и ведущие 9000 9000 2

. моторы. Они могут быть однополярными или биполярными. У униполярного шагового двигателя по две обмотки на фазу. Две обмотки к полюсу могут иметь один общий вывод, т. е. с отводом от центра. Униполярный двигатель, таким образом, имеет пять, шесть или восемь выводов. В конструкциях, в которых общие два полюса разделены, но имеют отвод посередине, двигатель имеет шесть выводов. Если центральные ответвления двух полюсов внутренне короткие, двигатель имеет пять проводов. Восьмивыводной униполярный двигатель обеспечивает как последовательное, так и параллельное соединение, в то время как пятивыводные и шестипроводные двигатели имеют последовательное соединение катушек статора. Униполярный двигатель упрощает работу, так как при их работе нет необходимости реверсировать ток в цепи возбуждения. Их еще называют бифилярными моторами.

 

 

Рис. 12: Схема подключения униполярного шагового двигателя с разными выводами

 

В биполярном шаговом двигателе имеется одна обмотка на полюс. Направление тока должно быть изменено управляющей схемой, поэтому управляющая схема биполярного шагового двигателя становится сложной. Их также называют унифилярными двигателями.

 

Рис. 13. Схема подключения биполярного шагового двигателя с выводами

 

 

 

Шаговые режимы

Существует три шаговых режима шагового двигателя.