Как работает шаговый двигатель: Как работают шаговые двигатели | РОБОТОША

Содержание

Как работают шаговые двигатели | РОБОТОША

Использование шаговых двигателей является одним из самых простых, дешевых и легких решений для реализации систем точного позиционирования. Эти двигатели очень часто используются в различных станках ЧПУ и роботах. Сегодня я расскажу о том, как устроены шаговые двигатели и как они работают.

 
 
 

Что такое шаговый двигатель?

Прежде всего, шаговый двигатель — это двигатель. Это означает, что он преобразует электрическую энергию в механическую. Основное отличие между ним и всеми остальными типами двигателей состоит в способе, благодаря которому происходит вращение. В отличие от других моторов, шаговые двигатели вращаются НЕ непрерывно! Вместо этого, они вращаются шагами (отсюда и их название). Каждый шаг представляет собой часть полного оборота. Эта часть зависит, в основном, от механического устройства мотора и от выбранного способа управления им. Шаговые двигатели также различаются способами питания. В отличие от двигателей переменного или постоянного тока, обычно они управляются импульсами. Каждый импульс преобразуется в градус, на который происходит вращение. Например, 1.8º шаговый двигатель, поворачивает свой вал на 1.8° при каждом поступающем импульсе. Часто, из-за этой характеристики, шаговые двигатели еще называют цифровыми.

 

Основы работы шагового двигателя

Как и все моторы, шаговые двигатели состоят из статора и ротора. На роторе установлены постоянные магниты, а в состав статора входят катушки (обмотки). Шаговый двигатель, в общем случае, выглядит следующим образом:

Здесь мы видим 4 обмотки, расположенные под углом 90° по-отношению друг к другу, размещенные на статоре. Различия в способах подключения обмоток в конечном счете определяют тип подключения шагового двигателя. На рисунке выше, обмотки не соединяются вместе. Мотор по такой схеме имеет шаг поворота равный 90°. Обмотки задействуются по кругу — одна за другой. Направление вращения вала определяется порядком, в котором задействуются обмотки. Ниже показана работа такого мотора. Ток через обмотки протекает с интервалом в 1 секунду. Вал двигателя поворачивается на 90° каждый раз, когда через катушку протекает ток.

 

Режимы управления

Теперь рассмотрим различные способы подачи тока на обмотки и увидим, как в результате вращается вал мотора.

Волновое управление или полношаговое управление одной обмоткой

Этот способ описан выше и называется волновым управлением одной обмоткой. Это означает, что только через одну обмотку протекает электрический ток. Этот способ используется редко. В основном, к нему прибегают в целях снижения энергопотребления. Такой метод позволяет получить менее половины вращающего момента мотора, следовательно, нагрузка мотора не может быть значительной.

 У такого мотора будет 4 шага на оборот, что является номинальным числом шагов.

Полношаговый режим управления

Вторым, и наиболее часто используемым методом, является полношаговый метод. Для реализации этого способа, напряжение на обмотки подается попарно. В зависимости от способа подключения обмоток (последовательно или параллельно), мотору потребуется двойное напряжение или двойной ток для работы по отношению к необходимым при возбуждении одной обмотки. В этом случае мотор будет выдавать 100% номинального вращающего момента.

Такой мотор имеет 4 шага на полный оборот, что и является номинальным числом шагов для него.

Полушаговый режим

Это очень интересный способ получить удвоенную точность системы позиционирования, не меняя при этом ничего в «железе»! Для реализации этого метода, все пары обмоток могут запитываться одновременно, в результате чего, ротор повернется на половину своего нормального шага. Этот метод может быть также реализован с использованием одной или двух обмоток. Ниже показано, как это работает.

Однообмоточный режим


Двухобмоточный режим

Используя этот метод, тот же самый мотор сможет дать удвоенное число шагов на оборот, что означает двойную точность для системы позиционирования. Например, этот мотор даст 8 шагов на оборот!

Режим микрошага

Микрошаговый режим наиболее часто применяемый способ управления шаговыми двигателями на сегодняшний день. Идея микрошага состоит в подаче на обмотки мотора питания не импульсами, а сигнала, по своей форме, напоминающего синусоиду. Такой способ изменения положения при переходе от одного шага к другому позволяет получить более гладкое перемещение, делая шаговые моторы широко используемыми в таких приложениях как системы позиционирования в станках с ЧПУ. Кроме этого, рывки различных деталей, подключенных к мотору, также как и толчки самого мотора значительно снижаются. В режиме микрошага, шаговый мотор может вращаться также плавно как и обычные двигатели постоянного тока.

Форма тока, протекающего через обмотку похожа на синусоиду. Также могут использоваться формы цифровых сигналов. Вот некоторые примеры:

Метод микрошага является в действительности способом питания мотора, а не методом управления обмотками. Следовательно, микрошаг можно использовать и при волновом управлении и в полношаговом режиме управления. Ниже продемонстрирована работа этого метода:

Хотя кажется, что в режиме микрошага шаги становятся больше, но, на самом деле, этого не происходит. Для повышения точности часто используются трапецевидные шестерни. Этот метод используется для обеспечения плавного движения.

 

Типы шаговых двигателей

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Ротор такого мотора несет постоянный магнит в форме диска с двумя или большим количеством полюсов. Работает точно также как описано выше. Обмотки статора будут притягивать или отталкивать постоянный магнит на роторе и создавать тем самым крутящий момент. Ниже представлена схема шагового двигателя с постоянным магнитом.

Обычно, величина шага таких двигателей лежит в диапазоне 45-90°.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

У двигателей этого типа на роторе нет постоянного магнита. Вместо этого, ротор изготавливается из магнитомягкого металла в виде зубчатого диска, типа шестеренки. Статор имеет более четырех обмоток. Обмотки запитываются в противоположных парах и притягивают ротор. Отсутствие постоянного магнита отрицательно влияет на величину крутящего момента, он значительно снижается. Но есть и большой плюс.  У этих двигателей нет стопорящего момента. Стопорящий момент — это вращающий момент, создаваемый постоянными магнитами ротора, которые притягиваются к арматуре статора при отсутствии тока в обмотках. Можно легко понять, что это за момент, если попытаться повернуть рукой отключенный шаговый двигатель с постоянным магнитом. Вы почувствуете различимые щелчки на каждом шаге двигателя. В действительности то, что вы ощутите и будет фиксирующим моментом, который притягивает магниты к арматуре статора. Ниже показана работа шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением.

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют шаг, лежащий в диапазоне 5-15°.

Гибридный шаговый двигатель

Данный тип шаговых моторов получил название «гибридный» из-за того, что сочетает в себе характеристики шаговых двигателей и с постоянными магнитами и с переменным магнитным сопротивлением. Они обладают отличными удерживающим и динамическим крутящим моментами, а также очень маленькую величину шага, лежащую в пределах 0.9-5°, обеспечивая великолепную точность. Их механические части могут вращаться с большими скоростями, чем другие типы шаговых моторов. Этот тип двигателей используется в станках ЧПУ high-end класса и в роботах. Главный их недостаток — высокая стоимость.

Обычный мотор с 200 шагами на оборот будет иметь 50 положительных и 50 отрицательных полюсов с 8-ю обмотками (4-мя парами). Из-за того, что такой магнит нельзя произвести, было найдено элегантное решение. Берется два отдельных 50-зубых диска. Также используется цилиндрический постоянный магнит. Диски привариваются один с положительному, другой к отрицательному полюсам постоянного магнита. Таким образом, один диск имеет положительный полюс на своих зубьях, другой — отрицательный.

Два 50-зубых диска помещены сверху и снизу постоянного магнита

Фокус в том, что диски размещаются таким образом, что если посмотреть на них сверху, то они выглядят как один 100-зубый диск! Возвышения на одном диске совмещаются со впадинами на другом.

Впадины на одном диске выровнены с возвышениями на другом

Ниже показана работа гибридного шагового двигателя, имеющего 75 шагов на оборот (1.5° на шаг). Стоит заметить, что 6 обмоток спарены, каждая имеет обмотку с противоположной стороны. Вы наверняка ожидали, что катушки расположены под углом в 60° следом друг за другом, но, на самом деле, это не так. Если предположить, что первая пара — это самая верхняя и самая нижняя катушки, тогда вторая пара смещена под углом 60+5° по отношению к первой, и третья смещена на 60+5° по отношению ко второй. Угловая разница и является причиной вращения мотора. Режимы управления с полным и половинным шагом могут использоваться, впрочем как и волновое управление для снижения энергопотребления. Ниже продемонстрировано полношаговое управление. В полушаговом режиме, число шагов увеличится до 150!

Не пытайтесь следовать за обмотками, чтобы понаблюдать, как это работает. Просто сфокусируйтесь на одной обмотке и ждите.  Вы заметите, что всякий раз, когда обмотка задействована, есть 3 положительных полюса (красный) в 5° позади, которые притягиваются по направлению вращения и другие 3 отрицательных полюса (синий) в 5° впереди, которые толкаются в направлении вращения. Задействованная обмотка всегда находится между положительным и отрицательным полюсами.

 

Подключение обмоток

Шаговые двигатели относятся к многофазным моторам. Больше обмоток, значит, больше фаз. Больше фаз, более гладкая работа мотора и более выокая стоимость. Крутящий момент не связан с числом фаз. Наибольшее распространение получили двухфазные двигатели. Это минимальное количество необходимых для того, чтобы шаговый мотор функционировал. Здесь необходимо понять, что число фаз не обязательно определяет число обмоток. Например, если каждая фаза имеет 2 пары обмоток и мотор является двухфазным, то количество обмоток будет равно 8. Это определяет только механические характеристики мотора. Для упрощения, я рассмотрю простейший двухфазный двигатель с одной парой обмоток на фазу.

Существует три различных типа подключения для двухфазных шаговых двигателей. Обмотки соединяются между собой, и, в зависимости от подключения, используется различное число проводов для подключения мотора к контроллеру.

Биполярный двигатель

Это наиболее простая конфигурация. Используются 4 провода для подключения мотора к контроллеру. Обмотки соединяются внутри последовательно или параллельно. Пример биполярного двигателя:

Мотор имеет 4 клеммы. Два желтых терминала (цвета не соответствуют стандартным!) питают вертикальную обмотку, два розовых — горизонтальную обмотку. Проблема такой конфигурации состоит в том, что если кто-то захочет изменить магнитную полярность, то единственным способом будет изменение направления электрического тока. Это означает, что схема драйвера усложнится, например это будет H-мост.

Униполярный двигатель

В униполярном двигателе общий провод подключен к точке, где две обмотки соединены вместе:

Используя этот общий провод, можно легко изменить магнитные полюса. Предположим, например, что мы подключили общий провод к земле. Запитав сначала один вывод обмотки, а затем другой — мы изменяем магнитные полюса. Это означает, что схема для использования биполярного двигателя очень простая, как правило, состоит только из двух транзисторов на фазу. Основным недостатком является то, что каждый раз, используется только половина доступных катушечных обмоток. Это как при волновом управлении двигателем с возбуждением одной обмотки. Таким образом, крутящий момент всегда составляет около половины крутящего момента, который мог быть получен, если бы обе катушки были задействованы. Другими словами, униполярные электродвигатели должны быть в два раза более габаритными, по сравнению с биполярным двигателем, чтобы обеспечить такой же крутящий момент. Однополярный двигатель может использоваться как биполярный двигатель. Для этого нужно оставить общий провод неподключенным.

Униполярные двигатели могут иметь 5 или 6 выводов для подключения. На рисунке выше продемонстрирован униполярный мотор с 6 выводами. Существуют двигатели, в которых два общих провода соединены внутри. В этом случае, мотор имеет 5 клемм для подключения.

8-выводной шаговый двигатель

Это наиболее гибкий шаговый мотор в плане подключения. Все обмотки имеют выводы с двух сторон:

Этот двигатель может быть подключен любым из возможных способов. Он может быть подключен как:

  • 5 или 6-выводной униполярный,
  • биполярный с последовательно соединенными обмотками,
  • биполярный с параллельно соединенными обмотками,
  • биполярный с одним подключением на фазу для приложений с малым потреблением тока

 


Еще по этой теме

Вы можете пропустить чтение записи и оставить комментарий. Размещение ссылок запрещено.

устройство, принцип работы, типы, схемы подключения

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

  • В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
  • Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
  • Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
  • Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
  • Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
  • Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
  • Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
  • Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

  • Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
  • Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
  • Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
  • Сложности управления из-за особенности схемы

Устройство и принцип работы

Рис. 1. Принцип действия шагового двигателя

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие  с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется  из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора.  Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от  5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом
Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси.  Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

 

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть  деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему  легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта  можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс  или серию импульсов в определенной последовательности.  В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата.  При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

  • Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
  • Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
  • При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
  • При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
  • Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
  • Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый  — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Популярные схемы управления ШД

Схема управления от контроллера с дифференциальным выходом

Является одним из наиболее помехозащищенных способов работы. При этом прямой и инверсный сигнал напрямую подключается к соответствующим полюсам. В такой схемы должно применяться экранирование сигнального проводника. Прекрасно подходит для нагрузки с низкой мощностью.

Схема управления от контроллера с выходом типа «открытый коллектор»

В данной схеме происходит объединение положительных вводов контроллера, которые подключаются к положительному полюсу. В случае питания выше 9В требуется включение в схему специального резистора для ограничения тока. Позволяет задавать необходимое количество шагов со строго установленной скоростью, определить ускорение и т.д.

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль)  происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному  USB порту.

Полезное видео

Принцип работы шагового двигателя — ООО «СЗЭМО Электродвигатель»

Шаговые двигатели широко используются в бытовых приборах, транспортных средствах, фрезерных и шлифовальных станках и других производственных механизмах. Устройство представляет собой движок постоянного тока, один оборот которого разделен на несколько одинаковых шагов (это обеспечивается благодаря контроллеру). Главное его отличие от моторов других типов – отсутствие щеточного механизма. Шаговый двигатель оснащен блоком управления (приборной панелью), передатчиками и сигнализаторами.

Как работает шаговый электродвигатель

Зная принцип работы шагового двигателя, вы сможете самостоятельно установить его или произвести ремонт. Он функционирует следующим образом:

  • После подачи напряжения на клеммы начинается непрерывное вращение специальных щеток. Входные импульсы устанавливают ведущий вал в положение, которое заранее определено.
  • Под воздействием импульсов вал перемещается под фиксированным углом.
  • Внешняя цепь управления, чаще всего представленная микроконтроллером, возбуждает электромагниты зубчатого типа. Один из них (тот, к которому приложена энергия) притягивает к себе зубья шестерни, вследствие чего вал движка делает поворот.
  • Будучи выровнены по отношению к ведущему электромагниту, остальные магниты смещаются по направлению к следующей магнитной детали.
  • Вращение шестеренки обеспечивается отключением первого электромагнита и включением следующего.
  • Шестеренка выравнивается по отношению к предыдущему колесу, после чего весь процесс повторяется столько раз, сколько необходимо.

Данные вращения являются постоянным шагом. Для определения скорости мотора нужно подсчитать количество шагов, требуемых для его полного оборота. Точность работы обеспечивается благодаря микропроцессорным системам управления шаговых двигателей.

Виды шаговых двигателей

Существует несколько разных моделей шаговых двигателей. Если конструкция устройства предусматривает наличие постоянного магнита, принцип работы основан на притяжении или отталкивании статором и ротором электромагнитного мотора. В переменно-шаговом движке ротор изготавливается из железа. Минимально допустимое отталкивание в нем происходит при наименьшем зазоре, что обеспечивает притяжение точек ротора к полюсам магнитного статора. В механизмах гибридного типа оба вышеприведенных принципа сочетаются и дополняют друг друга. Из-за сложности конструкции и изготовления такие приборы стоят дороже, чем остальные модели.

Чаще всего в быту и на производстве применяются двухфазные шаговые двигатели. В зависимости от типа обмотки электромагнитных катушек они подразделяются на:

  • униполярные;
  • биполярные.

Механизмы первого типа оснащены одной обмоткой. Каждая фаза определяется центральным магнитным краном. При включении определенной секции обмотки обеспечивается нужное направление магнитного поля. Такая конструкция предусматривает работу магнитного полюса без дополнительного переключения, что обеспечивает предельно простую коммутацию цепи, равно как и направления тока. Для работы движка (с учетом фазного переключения) обычно достаточно трех проводов на фазу и шести для выходного сигнала. Микроконтроллер используется для активирования транзистора в нужной последовательности (она определяется программой).

Для подключения обмоток соединительные провода должны прикасаться к постоянным магнитам двигателя. При соединении клемм катушки вал проворачивается с трудом. Поскольку общий провод длиннее, чем провод, соединяющий катушки, сопротивление между торцами проводов и торцами катушек в два раза больше сопротивления между торцом катушки и общим проводом.

В механизмах второго типа есть только одна фазовая обмотка. Управляющая схема такого движка обычно сложнее, так как ток в обмотку поступает при помощи магнитного полюса переломным образом. Два провода на фазу не являются общими.

Трехфазный шаговый двигатель устанавливается на фрезерных станках с ЧПУ, запускаемых с компьютера, и транспортных средствах, в которых используется дроссельная заслонка.

Подключение шагового двигателя

Выбор схемы подключения шагового двигателя зависит от:

  • количества проводов в приводе;
  • способа запуска механизма.

Существующие модели движков имеют 4, 5, 6 или 8 проводов. Прибор с четырьмя проводами можно подключать только к биполярным устройствам. Он оснащен двумя фазными обмотками, каждая из которых имеет два провода. Для пошагового подключения драйвера необходимо определить пары проводов с непрерывной связью с помощью метра.

В механизме с шестью проводами каждая обмотка имеет два провода и центральный кран. Движки этой модели характеризуются высокой мощностью и подключаются как к биполярным, так и к однополярным исполнительным устройствам. В первом случае используется один центр-кран каждой обмотки и один конец провода. Во втором случае используются все шесть проводов. Разделение провода осуществляется с помощью измерительного прибора.

Отличие пятипроводного мотора от шестипроводной модели заключается в том, что соединение центральных клемм представляет собой сплошной кабель, который выходит к центральному проводу. Поскольку отделение одной обмотки от другой без разрывов не представляется возможным, необходимо определить центр провода, после чего соединять его с другими проводниками. Это будет самым безопасным и максимально эффективным решением. Затем движок подключается к сети и проводится проверка его работоспособности.

Для успешной эксплуатации механизма нужно иметь в виду следующие нюансы:

  • Номинальное напряжение производится первичной обмоткой при постоянном токе.
  • Изменение начальной скорости крутящего момента прямо пропорционально изменению тока.
  • Скорость понижения линейного момента на последующих высоких скоростях зависит от индуктивности обмоток и схемы привода.

Благодаря высокой степени защиты шаговые двигатели успешно работают в тяжелых условиях.


Шаговый двигатель принцип работы

Автор Почемучка На чтение 17 мин. Просмотров 329

Метод микрошага является в действительности способом питания мотора, а не методом управления обмотками. Следовательно, микрошаг можно использовать и при волновом управлении и в полношаговом режиме управления. Ниже продемонстрирована работа этого метода:

Основы работы шагового двигателя

Как и все моторы, шаговые двигатели состоят из статора и ротора. На роторе установлены постоянные магниты, а в состав статора входят катушки (обмотки). Шаговый двигатель, в общем случае, выглядит следующим образом:

Чаще всего в быту и на производстве применяются двухфазные шаговые двигатели. В зависимости от типа обмотки электромагнитных катушек они подразделяются на:

Чаще всего в быту и на производстве применяются двухфазные шаговые двигатели. В зависимости от типа обмотки электромагнитных катушек они подразделяются на:

  • униполярные;
  • биполярные.

Для подключения обмоток соединительные провода должны прикасаться к постоянным магнитам двигателя. При соединении клемм катушки вал проворачивается с трудом. Поскольку общий провод длиннее, чем провод, соединяющий катушки, сопротивление между торцами проводов и торцами катушек в два раза больше сопротивления между торцом катушки и общим проводом.

В механизмах второго типа есть только одна фазовая обмотка. Управляющая схема такого движка обычно сложнее, так как ток в обмотку поступает при помощи магнитного полюса переломным образом. Два провода на фазу не являются общими.

Трехфазный шаговый двигатель устанавливается на фрезерных станках с ЧПУ, запускаемых с компьютера, и транспортных средствах, в которых используется дроссельная заслонка.

Особого внимания заслуживает гибридный вариант шаговых двигателей, который вобрал в себя все лучшие качества электродвигателей с постоянным и переменным магнитным сопротивлением. Ниже мы рассмотрим устройство, принцип работы и применение шаговых электродвигателей-гибридов.

  • ВКонтакте
  • Facebook
  • ok
  • Twitter
  • YouTube
  • Instagram
  • Яндекс.Дзен
  • TikTok

Шаговый тип электродвигателей представляет собой синхронное бесщеточное устройство с парой обмоток, через которые, собственно, и подается ток. Принцип действия электродвигателя подобного типа заключается в том, что ток, передаваемый на одну из обмоток статора, провоцирует фиксацию ротора. Как следствие, попеременная активация обмоток устройства вызывает шаги ротора, иначе говоря, его дискретные угловые перемещения.

Особого внимания заслуживает гибридный вариант шаговых двигателей, который вобрал в себя все лучшие качества электродвигателей с постоянным и переменным магнитным сопротивлением. Ниже мы рассмотрим устройство, принцип работы и применение шаговых электродвигателей-гибридов.

Шаговый электродвигатель, принцип работы которого основан на гибридном использовании постоянного и переменного тока, широко применяется в машиностроении.

Точность определения шага зависит от качества механической обработки ротора и статора электродвигателя. Большинство производителей современных шаговых двигателей готовы гарантировать точность выставления шага до 5 процентов от величины шага.

Однако в приводах большинства механизмов, работающих в старт-стопном режиме, чаще применяется другой тип — шаговый электродвигатель, управление которого связано с интегрированным контроллером. Они способны создавать высокий крутящий момент даже при весьма низких скоростях вращения. Этот тип широко используется в устройствах компьютерной памяти (НГМД, НЖМД и прочие).

Основным преимуществом всех современных шаговых электродвигателей является их точность. Более того, подобные устройства располагают к себе отличным соотношением цены и качества. В частности, шаговые приводы практически в два раза дешевле аналогичных сервоприводов. Шаговые электродвигатели также прекрасно справляются с автоматизацией отдельных систем и узлов, которые не нуждаются в высокой динамике.

По типу исполнения ротора шаговые электродвигатели подразделяются на машины:

К достоинствам данного типа электрических машин можно отнести:

  • высокие скорости пуска, остановки, реверса;
  • вал поворачивается в соответствии с командой управляющего устройства на заданный угол;
  • четкая фиксация положения после остановки;
  • высокая точность позиционирования, без жестких требований к наличию обратной связи;
  • высокая надежность за счет отсутствия коллектора;
  • поддержание максимального крутящего момента на низких скоростях.
  • возможно нарушение позиционирования при механической нагрузке на вал выше допустимой для конкретной модели двигателя;
  • вероятность резонанса;
  • сложная схема управления;
  • невысокая скорость вращения, но это нельзя отнести к весомым недостаткам, поскольку шаговые двигатели не используются для простого вращения чего-либо, как бесколлекторные, например, а для позиционирования механизмов.

Шаговый двигатель также называют «электродвигатель с конечным числом положений ротора». Это и есть наиболее ёмкое и в то же время краткое определение таких электромашин. Они активно применяются в ЧПУ-станках, 3D-принтерах и роботах. Главным конкурентом шагового двигателя является сервопривод, но у каждого из них есть свои преимущества и недостатки, которые определяют уместность использования одного или другого в каждом конкретном случае.

Конструкция и применение шаговых двигателей

Принцип работы шагового электропривода и шаговых электродвигателей

Конструкция и применение шаговых двигателей

Шаговые электродвигатели относятся к синхронным машинам. Их можно разделить на вращающиеся, линейные и комбинированные. Во вращающихся шаговых электродвигателях катушки обмоток укладываются в пазах железа статора с угловым смещением, зависящим от числа фаз.

Плоский линейный шаговый электродвигатель

естественная интеграция с приложениями цифрового управления;

Шаговым двигателем называют электромеханическое устройство, преобразующее электрические сигналы в дискретные угловые перемещения вала. Применение шаговых двигателей позволяет рабочим органам машин совершать строго дозированные перемещения с фиксацией своего положения в конце движения.

Шаговые двигатели являются приводными исполнительными механизмами, обеспечивающими фиксированные угловые перемещения (шаги). Каждое изменение угла поворота ротора — это реакция шагового двигателя на входной импульс.

Дискретный электропривод с шаговым двигателем естественным образом сочетается с цифровыми управляющими устройствами, что позволяет успешно использовать его в станках с числовым программным управлением, в промышленных роботах и манипуляторах, в часовых механизмах.

Дискретный электропривод может быть реализован также с помощью серийных асинхронных электродвигателей, которые за счет специального управления могут работать в шаговом режиме.

Шаговые двигатели применяются в электроприводах мощностью от долей ватта до нескольких киловатт. Расширение шкалы мощности дискретного электропривода может быть достигнуто при использовании серийных асинхронных электродвигателей, которые за счет соответствующего управления могут работать в шаговом режиме.

Принцип действия шаговых двигателей всех типов состоит в следующем. С помощью электронного коммутатора вырабатываются импульсы напряжения, которые подаются на обмотки управления, расположенные на статоре шагового двигателя.

В зависимости от последовательности возбуждения обмоток управления происходит то или иное дискретное изменение магнитного поля в рабочем зазоре двигателя. При угловом перемещении оси магнитного поля обмоток управления шагового двигателя его ротор дискретно поворачивается вслед за магнитным полем. Закон поворота ротора определяется последовательностью, скважностью и частотой управляющих импульсов, а также типом и конструктивными параметрами шагового двигателя.

Принцип действия шагового двигателя (получение дискретного перемещения ротора) рассмотрим на примере простейшей схемы двухфазного шагового двигателя (рис. 1).

Рис. 1. Упрощенная схема шагового двигателя с активным ротором

Шаговый двигатель имеет на статоре две пары явно выраженных полюсов, на которых Находятся обмотки возбуждения (управления): обмотка 3 с выводами 1Н — 1К и обмотка 2 с выводами 2Н — 2К. Каждая обмотка состоит из двух частей, находящихся на противоположных полюсах статора 1 ШД.

Ротор в рассматриваемой схеме представляет собой двухполюсный постоянный магнит. Обмотки питаются импульсами от устройства управления, которое преобразует одноканальную последовательность входных импульсов управления f упр, в многоканальную (по числу фаз шагового двигателя).

Рассмотрим работу шагового двигателя, предположив, что в начальный момент напряжение подано на обмотку 3. Ток в этой обмотке вызовет намагничивание вертикально расположенных полюсов N и 8. В результате взаимодействия магнитного поля с постоянным магнитом ротора последний займет равновесное положение, в котором оси магнитных полей статора и ротора совпадают.

Положение будет устойчивым, поскольку на ротор действует синхронизирующий момент, стремящийся возвратить ротор в положение равновесия: М = М m ах х sin α ,

где М m ах — максимальный момент, α — угол между осями магнитных полей статора и ротора.

Основной режим работы шагового двигателя — динамический. Шаговые двигатели в отличие от синхронных рассчитаны на вхождение в синхронизм из состояния покоя и принудительное электрическое торможение. Благодаря этому в шаговом электроприводе обеспечивается пуск, торможение, реверс и переход с одной частоты управляющих импульсов на другую.

Пуск шагового двигателя осуществляется скачкообразным или постепенным увеличением частоты входного сигнала от нуля до рабочей, торможение — снижением ее до нуля, а реверс — изменением последовательности коммутации обмоток шагового двигателя.

Шаговые двигатели характеризуются следующими параметрами: число фаз (обмоток управления) и схема их соединения, тип шагового двигателя (с активным или пассивным ротором), одиночный шаг ротора (угол поворота ротора при единичном импульсе), номинальное напряжение питания, максимальный статический хронизирующий момент, номинальный вращающий момент, момент инерции ротора, частота приемистости.

Шаговые двигатели бывают однофазными, двухфазными и многофазными с активным или пассивным ротором. Управление шаговым двигателем обеспечивается электронным блоком управления. Пример схемы управления шаговым двигателем приведен на рисунке 2.

Рис. 2. Функциональная схема разомкнутого электропривода с шаговым двигателем

Сигнал управления f упр в виде импульсов напряжения поступает на вход блока 1, преобразующего последовательность импульсов, например в четырехфазную систему однополярных импульсов (в соответствии с числом фаз шагового двигателя).

Блок 2 формирует эти импульсы по длительности и амплитуде, необходимым для нормальной работы коммутатора 3, к выходам которого подключены обмотки шагового двигателя 4. Коммутатор и остальные блоки питаются от источника постоянного тока 5.

При повышенных требованиях к качеству дискретного привода применяют замкнутую схему шагового электропривода (рис. 3), которая кроме шагового двигателя включает преобразователь П, коммутатор К и датчик шага ДШ. В таком дискретном приводе информация о действительном положении вала рабочего механизма РМ и скорости шагового двигателя поступает на вход автоматического регулятора, который обеспечивает заданный характер движения привода.

Рис. 3. Функциональная схема замкнутого дискретного привода

В современных системах дискретного привода применяются микропроцессорные средства управления. Область применения приводов с шаговыми двигателями постоянно расширяется. Их использование перспективно в сварочных автоматах, приборах времени, лентопротяжных и регистрирующих механизмах, системах управления топливоподачей двигателей внутреннего сгорания.

Преимущества шаговых двигателей:

высокая точность, даже в разомкнутой структуре управления, т. е. без датчика угла поворота;

естественная интеграция с приложениями цифрового управления;

отсутствие механических коммутаторов, которые часто создают проблемы в двигателях других типов.

Недостатки шаговых двигателей:

малый вращающий момент но сравнению с двигателями приводов непрерывного типа;

высокий уровень вибрации из-за скачкообразного движения;

большие ошибки и колебания при потере импульсов в системах с разомкнутым контуром управления.

Преимущества шаговых двигателей намного превосходят их недостатки, поэтому они часто применяются в тех случаях, когда достаточно небольшой мощности приводных устройств.

В статье использованы материалы книги Дайнеко В.А., Ковалинский А.И. Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий.

Сделайте небольшой донат на развитие сайта «Школа для электрика»!

© 2016-2020 24techno-guide.ru
Все права защищены.
Использование материалов сайта
возможно только при условии
установки активной прямой
ссылки на наш ресурс.

© 2016-2020 24techno-guide.ru
Все права защищены.
Использование материалов сайта
возможно только при условии
установки активной прямой
ссылки на наш ресурс.

Главная (Главная страница сайта)
Авто (Обзоры, отзывы, тест-драйвы автомобилей)
Двигатели (Описание и устройство различных двигателей)
Техно (Статьи про технику и механику)
Тюнинг (Обзор тюнингованых автомобилей)
Ремонт (Ремонт своими руками)
Трактора (Тракторная спец техника)
Осаго (Все про автострахование)
Автозвук (Музыка в машину)
АвтоЗАКОНЫ (Пдд, штрафа и автозаконы)
Лайфхаки (Хитрости жизни)
Фото/Видео (Без комментариев)
Все статьи (Все публикаций которые есть на сайте)

Данный процесс повторяется и двигатель совершает высокоточные движения. Разрешение угла шага может быть улучшено при помощи дробления шага. Интересно отметить, что северные зубчатые наконечники находятся между южными зубчатыми наконечниками, таким образом гарантируется выравнивание полюсов с противоположными полярностями.

Как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Для начала давайте разберемся, как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением, который является самым простым. Позднее мы рассмотрим устройство высокоточного и широко используемого типа двигателя. У этого двигателя 6 зубьев на статоре, которые могут быть запитаны от трех отдельных источников постоянного тока.

p, blockquote 3,0,0,0,0 —>

p, blockquote 4,0,0,0,0 —>

Ротор состоит из ряда стальных пластин. У него отличное от статора количество зубьев в данном случае их 4 это сделано намеренно, для того чтобы только одна пара зубьев ротора могла одновременно находиться напротив зубьев статора.

p, blockquote 5,0,0,0,0 —>

p, blockquote 6,0,0,0,0 —>

Вы и сами можете объяснить, как работает этот шаговый двигатель. Если обесточить обмотку A и запитать обмотку B станет ясно, что ротор будет двигаться, как показано на модели.

p, blockquote 7,0,0,0,0 —>

p, blockquote 8,0,1,0,0 —>

Из уроков геометрии понятно, что один шаг соответствует 30 градусам. Чтобы перейти к следующему шагу обесточим обмотку B и запитаем обмотку C.

p, blockquote 9,0,0,0,0 —>

p, blockquote 10,0,0,0,0 —>

После этого вновь запитаем обмотку A. То есть ротор занимает позицию с наименьшим сопротивлением.

p, blockquote 11,0,0,0,0 —>

p, blockquote 12,0,0,0,0 —>

Размер шага двигателя составляет 30 градусов, точность может быть доведена до 15 градусов при помощи одного простого приема, когда запитана обмотка A, ротор находится в таком положении мы знаем, что если запитать обмотку B он повернется на 30 градусов. Но что произойдет если обмотки A и B будут запитаны одновременно? Ротор займет положение между двумя этими обмотками, то есть повернется на 15 градусов.

p, blockquote 13,0,0,0,0 —>

p, blockquote 14,0,0,0,0 —>

После этого обесточим А. Когда ротор установится напротив обмотки B, запитаем обмотку С, такой тип работы называется режимом дробления шага.

p, blockquote 15,0,0,0,0 —>

p, blockquote 16,1,0,0,0 —>

где К1 – коэффициент, равный 1 при симметричной и 2 – при несимметричной коммутации; К2 – коэффициент, равный 1 при однополярной и 2 – при разнополярной коммутации .

§4.1.Конструкция,принцип работы и характеристики синхронного шагового двигателя

Синхронными называются электрические машины переменного тока, у которых в рабочем режиме угловая скорость ротора равна угловой скорости магнитного поля статора и не зависит от нагрузки. В отдельных случаях скорость ротора кратна скорости поля статора.

В связи с развитием цифровой вычислительной техники разрабатывают и совершенствуют исполнительные элементы дискретного действия и, в частности, электрические шаговые двигатели. Шаговыми называют синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота вала или фиксированное перемещение без датчиков обратной связи. Шаговые двигатели выпускаются мощностью от единиц микроватт до киловатта, т.е. в основном – это микродвигатели и двигатели малой мощности.

Шаговые микродвигатели (ШД) работают в комплекте с полупроводниковыми коммутаторами. Роль коммутатора состоит в переключении обмоток управления ШД с последовательностью и частотой, соответствующими заданной команде. При этом результирующий угол поворота ШД строго соответствует числу переключений обмоток управления, направление поворота – порядку переключений, а угловая скорость – частоте переключений.

Классификация основных типов шаговых двигателей приведена на рис.4.1.

Шаговые двигатели являются многополюсными машинами. Их можно подразделить на три основные конструктивные группы: с постоянными магнитами (активного типа), реактивные и индукторные. Они могут иметь различное число фаз, но наибольшее распространение получили двух-, трех- и четырехфазные ШД. Напряжение питания обмотки управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или разнополярных прямоугольных импульсов, поступающих от коммутатора.

Двигатели активного типа. Статор шаговых двигателей имеет явновыраженные полюсы, на которых располагают обмотки управления. Число пар полюсов каждой из обмоток управления рм равно числу пар полюсов ротора. Ротор обычно представляет собой многополюсный постоянный магнит с радиальной намагниченностью.

Принцип действия ШД можно рассмотреть на примере двухполюсного двигателя.

Показанная на рис. 4.2 раздельно-совместная последовательность включения обмоток управления является несимметричной системой коммутации, так как нечетным и четным тактам соответствует возбуждение различного числа обмоток. Результирующий поток статора меняется от такта к такту, что вызывает пульсацию синхронизирующего момента и является недостатком схемы.

Систему коммутации называют симметричной, если на всех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления (раздельно, парами и т. д.). При симметричной коммутации шаг увеличивается вдвое, а результирующий поток статора на всех тактах одинаков.

Величина шага в значительной мере определяет разрешающую способность привода с ШД по отработке углового перемещения во всех режимах работы привода. В общем случае шагом ШД называют угол поворота ротора при воздействии одного сигнала управления и установленной схеме коммутации. В режиме отработки единичных шагов – работе с низкой частотой управляющих импульсов f – положение ротора фиксируется с нулевой скоростью на каждом шаге.

В реальном многополюсном двигателе шаг меньше показанного на рис.4.2 в рм раз и определяется выражением

Число тактов коммутации Ктк зависит от числа обмоток управления mу и схемы управления:

где К1 – коэффициент, равный 1 при симметричной и 2 – при несимметричной коммутации; К2 – коэффициент, равный 1 при однополярной и 2 – при разнополярной коммутации .

Увеличение числа пар полюсов при неизменном диаметре ротора ограничено технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния между полюсами, обычно рм =4 &#247 6. Увеличение числа обмоток управления связано с усложнением коммутатора, обычно mу =2 &#247 4. Поэтому у активных ШД &#945ш составляет порядка десяти градусов. Дальнейшее уменьшение шага достигается либо механическим редуцированием с помощью специальных кинематических механизмов, либо специальными схемами электрического дробления шага.

Меньшая величина шага – порядка одного градуса– может быть получена у ШД реактивного и индукторного типа. У этих двигателей ротор изготавливается из обычной электротехнической стали, имеет на поверхности зубцы, число которых zp может быть достаточно большим, и

Однако у этих двигателей меньше вращающий момент.

Важным показателем переходных режимов (f=var – пуск, реверсирование, торможение) является приемистость ШД. Приемистость пуска – это наибольшая частота управляющих импульсов, отрабатываемых шаговым электродвигателем без потери шагов при пуске из состояния фиксированной стоянки под током.

По аналогии могут быть введены понятия приемистости торможения и реверсирования, их значения несколько отличаются от приемистости пуска.

Если пренебречь моментом трения M&#131т и рассматривать уравнение равновесия моментов на валу ШД при малых углах рассогласования осей ротора и МДС статора, то получим дифференциальное уравнение движения ротора:

Устройства с постоянными магнитами

Виды шаговых двигателей

Существует несколько разновидностей. К наиболее востребованным относятся модели с переменным магнитным сопротивлением, с постоянным магнитом и гибридные.

Устройства с переменным магнитным сопротивлением

Такие шаговые двигатели не имеют постоянных магнитов в роторе. Для изготовления ротора зубчатой формы используется магнитомягкий материал. Его вращение обеспечивается за счет замыкания магнитного поля статора через зубцы, располагающиеся вблизи полюсов. Зубцы к полюсам притягиваются и ротор поворачивается. Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют небольшой крутящий момент в сравнении с моделями других типов при тех же габаритах. Это ограничивает сферу их применения.

Устройства с постоянными магнитами

На примере такого устройства выше разъяснялся принцип работы шаговых двигателей. В реальности роторы таких двигателей имеют несколько постоянных магнитов. От их количества зависит число шагов, за которое ротор выполняет полный оборот. Максимальное значение – 48, угол шага при этом составляет 7,5 градусов.

Гибридные устройства

Если подключить к источнику постоянного тока катушки полюсов 1 — 1′, то ротор расположится вдоль этих полюсов. Если задействовать катушки полюсов 2 — 2′, а ка-тушки полюсов 1 — 1′ обесточить, то ротор повернется и займет положение вдоль полю-сов 2 — 2′. Такой же поворот ротора произойдет, если включить в сеть катушки полюсов 3 — 3′. Так, шагами, ротор будет следовать за своей обмоткой управления.

Каждые две катушки, расположенные на противоположных полюсах статора, образуют обмотку управления, включаемую, в сеть постоянного тока. Ротор — двухполюсный.

Если подключить к источнику постоянного тока катушки полюсов 1 — 1′, то ротор расположится вдоль этих полюсов. Если задействовать катушки полюсов 2 — 2′, а ка-тушки полюсов 1 — 1′ обесточить, то ротор повернется и займет положение вдоль полю-сов 2 — 2′. Такой же поворот ротора произойдет, если включить в сеть катушки полюсов 3 — 3′. Так, шагами, ротор будет следовать за своей обмоткой управления.

Преимущества шаговых двигателей

Преимуществом шаговых двигателей является то, что в них совершенно отсутствует самоход. Они поворачиваются и строго фиксируются с шагом, пропорциональным числу полюсов на статоре. Это качество делает его незаменимым в особо точных механизмах (для привода часов, механизмов подачи ядерного топлива в реакторах, в станках с ЧПУ и так далее).

Управление шаговыми двигателями ведется с применением различных электронных устройств (триггер Шмитта и другие).

Источники

http://robotosha.ru/electronics/how-stepper-motors-work.html
http://www.szemo.ru/press-tsentr/article/shagovye-dvigateli-vidy-printsip-raboty-sistema-upravleniya/
http://cable.ru/articles/id-1634.php
http://samelectrik.ru/chto-takoe-shagovyj-dvigatel-zachem-on-nuzhen-i-kak-rabotaet.html
http://ruaut.ru/content/publikacii/electro/printsip-raboty-shagovogo-elektroprivoda-i-shagovykh-elektrodvigateley-ikh-konstruktsiya-i-primeneni.html
http://electricalschool.info/spravochnik/maschiny/677-shagovye-dvigateli.html
http://24techno-guide.ru/shagovii-dvigatel—princip-raboti.php
http://zvondozvon.ru/tehnologii/rabota-sd
http://servomotors.ru/documentation/technical_means_of_automation_and_control/book/4_1.html
http://zaxis.ru/statyi/shagovyj-dvigatel-rabota-ustrojstvo.html
http://www.mtomd.info/archives/2696

Как работает шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это бесщеточный двигатель постоянного тока, который преобразует электрические импульсы в механическое движение. Каждый импульс — это поворот Ротора (подвижной части двигателя) на небольшой угол (шаг). Например, если шаговый двигатель имеет 200 шагов на оборот, то после подачи 50 импульсов он сделает четверть оборота. Частота и последовательность влияют на направление вращения и его скорость.

Вступление

Шаговые двигатели часто используются в устройствах, требующих высокой точности. Вы можете найти их в фрезерных станках с ЧПУ, 3D принтерах, роботах на заводах, сканерах или приводах CD/DVD. Шаговики — действительно хорошие и удобные устройства, которые обязательно найдут место во многих ваших проектах.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это бесщеточный двигатель постоянного тока. Как уже упоминалось выше, он приводится в действие электрическими импульсами, которые преобразуются во вращательное движение. Вращение не такое плавное, как у классических двигателей постоянного тока. Полный поворот на 360 градусов состоит из определенного (в зависимости от конструкции) количества шагов. Это позволяет валу вращаться точно без какой-либо обратной связи. Так что специальная плата управления ему не нужна.

В мире хобби наиболее популярны шаговые двигатели с 200 шагами на 360°. Это означает, что вал (ротор) будет поворачиваться на 1,8° каждый раз, когда мы даем импульс (360° / 200 = 1,8°).
Направление вращения и его скорость зависят от последовательности и частоты импульсов.

Как устроен шаговый двигатель?

Шаговый двигатель, как классический двигатель постоянного тока, состоит из Ротора и Статора . Статор — неподвижная часть, а ротор, установленный на двух подшипниках, вращается с помощью магнитного поля. Статор — изготовленный из стали или другого металла, выступает в виде рамы для поддержки электромагнитов, которые представляют собой катушки, установленные в определенных местах вокруг ротора. Когда через катушки протекает ток, вокруг них создается магнитное поле. Отдельные магнитные поля имеют направление и интенсивность в зависимости от силы и направления тока, протекающего через данную катушку.
 

Типы шаговых двигателей

Шаговые двигатели можно разделить по типу конструкции статора и ротора, которая влияет на то, как импульсы преобразуются в движение и по типу способа подключения катушек.

По конструкции:

  • Шаговый двигатель с переменным сопротивлением
  • Шаговый двигатель с постоянным магнитом
  • Гибридный шаговый двигатель

По способу подключения обмоток:

  • Униполярный шаговый
  • Биполярный шаговый

Как работает шаговый двигатель?

Каждый тип работает по-своему, поэтому описать работу таких двигателей стоит отдельно.

Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением

Двигатели этого типа не имеют хороших параметров и были вытеснены из промышленности шаговыми двигателями других типов, но опишем его для понимания общего принципа работы.

Полный шаг

Сопротивление в шаговом двигателе понимается как магнитное сопротивление. Если мы поместим проводник в магнитное поле электромагнита, он будет притягиваться. Чем ближе он подойдет, тем меньше будет сопротивление.
На рисунке показан пример шагового двигателя с переменным сопротивлением с четырьмя катушками. Они намотаны попарно и на противоположных сторонах статора. Это дает нам восемь полюсов. Ротор сделан из проводника, а количество выступов (плечей) зависит от количества катушек.
Когда соответствующая пара катушек запитана, самые близкие плечи ротора притягиваются к ним больше всего. Таким образом, будет сделан один шаг. В этом случае расчет угла поворота для одного шага будет следующим:

6 плеч ротора × 4 катушки статора = 24 шага

полный оборот 360° / 24 шага = 15° — за шаг для данного шагового двигателя

Половина шага

Чтобы удвоить количество шагов, мы будем использовать Половину шага вместо Полного шага.
Для этого нужно изменить последовательность включения катушек. В предыдущем случае использовалась только одна пара катушек за раз. На этот раз мы используется две соседние дополнительные пары, чтобы сделать промежуточный шаг. Теперь у нас есть 8 комбинаций (а не 4) катушек с питанием. Это означает, что мы удвоили разрешение до 48 шагов и 7.5° для одного шага.
 

6 плеч ротора × 8 катушек статора = 48 шагов

полный оборот 360° / 48 шагов = 7.5° — за шаг для данного шагового двигателя

Микро шаг

Возможно еще больше увеличить разрешение. Для этого нам нужно иметь возможность регулировать ток таким образом, чтобы протекающий через катушки был вдвое меньше. Благодаря этому мы удваиваем количество возможных состояний по сравнению с методом Половины шага. Теперь мы имеем 96 шагов и 3,25° на один шаг.

6 плеч ротора × 8 катушки статора × 2 состояния силы тока  = 96 шагов

полный оборот 360° / 96 шагов = 3.25° — за шаг для данного шагового двигателя

Таким образом, мы можем все больше и больше увеличивать разрешение. К сожалению, помимо очевидных преимуществ такого метода, у него есть и большие недостатки. Чем больше количество микрошагов, тем чаще переключаются катушки и, следовательно, меньше крутящий момент.
Упомянутые методы управления (Полный, Половина и Микро), применяются для шагового двигателя с переменным сопротивлением. Однако они могут также применяться для любого последующего типа двигателей.

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Шаговый двигатель с постоянным магнитом работает за счет взаимодействия полюсов магнитов.  Разные полюса (S — юг — N — север) притягиваются друг к другу, а одинаковые (SS и NN) отталкиваются. В результате шаговые двигатели этого типа имеют гораздо больший крутящий момент. В отличие от шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением, двигатель с постоянным магнитом не имеет плеч на роторе. Он построен как бы из нескольких магнитов, попеременно и радиально намагниченных. Разрешение двигателя зависит от количества таких магнитов. Однако чем больше этих магнитов, тем они меньше по размеру и поэтому они меньше взаимодействуют с электромагнитами в статоре. В результате двигатель имеет меньший крутящий момент.
В следующем простом примере показан ротор с шестью магнитными полюсами. С двумя полюсами электромагнитов это дает 12 полных шагов на оборот. Чаще всего встречаются двигатели имеющие 24 или даже 48 шагов.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридные шаговые двигатели в настоящее время являются наиболее популярным типом, особенно в промышленности. Они сочетают в себе преимущества двигателей с постоянным магнитом и двигателей с переменным сопротивлением. Благодаря этому у них лучшие параметры, такие как крутящий момент и разрешение. Разрешение типичного гибридного шагового двигателя составляет от 0.9° до 3.6°, что дает от 100 до 400 полных шагов на оборот, а помимо этого к ним также можно применять Микро шаг.

Ротор выполнен из постоянных магнитов, однако, в отличие от двигателя, описанного выше, магниты расположены аксиально, а не радиально. Кроме того, как вы можете видеть на картинке, ротор разделен на два (иногда четыре) кольца. У каждого из них маленькие зубцы. Чем их больше, тем выше разрешение. Зубья на обоих концах (кольцах) ротора смещены на ползуба. У статора тоже есть зубцы, но они на одной прямой. Благодаря этому, когда зубцы одного кольца имеют разные полюса и притягиваются друг к другу, зубцы второго кольца (имеющего тот же полюс, что и катушка) будут точно посередине. Это улучшает характеристики двигателя и увеличивает его крутящий момент.

Ротор шагового двигателя

Статор шагового двигателя

Статор такого двигателя обычно имеет две катушки и восемь полюсов. После подачи питания на одну катушку два противоположных полюса будут Северными, а два — Южными . Затем ротор будет вращаться, чтобы выровнять свои намагниченные зубья с полюсами (S и N) статора.
Поскольку ротор имеет два кольца с разными полюсами, на каждом шаге он «удерживается» четырьмя катушками, что увеличивает его крутящий момент.
На этом конкретном шаговом двигателе ротор имеет 50 зубцов, и требуется ровно 4 шага, чтобы повернуть его на одну ступеньку. Таким образом, легко подсчитать, что ротору нужно 200 шагов, чтобы совершить оборот. Что составляет 1,8 ° на полный шаг.

Униполярные и биполярные шаговые двигатели

Термин униполярный или биполярный шаговый двигатель не совсем точен. Это относится не ко всему двигателю, а только к обмотке его катушек. Хотя на практике очень часто можно четко определить, является ли данный шаговый двигатель однополярным или биполярным. Но вы также можете встретить шаговый двигатель, который может быть как «биполярным», так и «униполярным». Поэтому далее предположим, что речь идет о методе шагового управления, а не о его типе.
 

Биполярный шаговый двигатель

Биполярные шаговые двигатели имеют четыре провода. Они работают с двумя полностью изолированными друг от друга обмотками.
Эти шаговые двигатели довольно сложно контролировать, поскольку, чтобы перевернуть магнитный полюс, нужно изменить направление тока в обмотке. И это делается с помощью двух H-мостов (восемь транзисторов).
Мы можем использовать всю длину катушки в каждой фазе, что приводит к высокому крутящему моменту.

Униполярный шаговый двигатель

У униполярных шаговых двигателей пять проводов. Они работают с одной обмоткой с центральным отводом на фазу. Общий провод (COM) постоянно заземлен (чаще всего). Мы можем перевернуть магнитное поле, подключив разъемы A или A’ (B или B’).
Благодаря такой конструкции для управления этим двигателем достаточно четырех транзисторов (а не восьми, как в биполярных шаговых двигателях).
Но поскольку мы можем использовать только половину катушки в каждой фазе, эти шаговые двигатели имеют относительно низкий крутящий момент.

Биполярный или униполярный шаговый двигатель

Этот тип шаговых двигателей имеет шесть проводов. Как вы можете видеть на картинке, это комбинация униполярных и биполярных двигателей. Он имеет две обмотки, отделенные друг от друга, но они разделены пополам и выведены в виде двух дополнительных проводов. Это решение позволяет управлять обоими способами. В этом случае вы определяете больший крутящий момент или более простое управление.

Что нужно учитывать при выборе шагового двигателя?

 Недостатки

  • скорость шаговых двигателей не очень высокая от единиц до десятка оборотов в секунду
  • по мере увеличения скорости его удерживающий момент (Нм) уменьшается
  • относительно высокое энергопотребление
  • высокая теплоотдача
  • если нагрузка слишком высока, могут произойти пропуски шагов

Преимущества

  • высокая точность позиционирования, но без обратной связи
  • простота управления — количество импульсов определяет положение вала, а частота определяет скорость
  • возможность работы на малых оборотах (без использования редукторов)
  • срок службы шаговых двигателей довольно большой, благодаря отсутствию фрикционных элементов

 

Шаговый Двигатель — Принцип Работы для Чайников

Каким образом роботизированный манипулятор на предприятии повторяет одни и те же движения снова и снова? Как автоматический фрезерный станок может двигаться с такой точностью? Это возможно благодаря шаговому двигателю. Особенность шагового двигателя заключается в том, что он может контролировать угловое положение ротора без замкнутого контура обратной связи, это простая и точная разомкнутая система.

Как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Для начала давайте разберемся, как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением, который является самым простым. Позднее мы рассмотрим устройство высокоточного и широко используемого типа двигателя. У этого двигателя 6 зубьев на статоре, которые могут быть запитаны от трех отдельных источников постоянного тока. 

Ротор состоит из ряда стальных пластин. У него отличное от статора количество зубьев в данном случае их 4 это сделано намеренно, для того чтобы только одна пара зубьев ротора могла одновременно находиться напротив зубьев статора. 

Вы и сами можете объяснить, как работает этот шаговый двигатель. Если обесточить обмотку A и запитать обмотку B станет ясно, что ротор будет двигаться, как показано на модели. 

Из уроков геометрии понятно, что один шаг соответствует 30 градусам. Чтобы перейти к следующему шагу обесточим обмотку B и запитаем обмотку C. 

После этого вновь запитаем обмотку A. То есть ротор занимает позицию с наименьшим сопротивлением. 

Размер шага двигателя составляет 30 градусов, точность может быть доведена до 15 градусов при помощи одного простого приема, когда запитана обмотка A,  ротор находится в таком положении мы знаем, что если запитать обмотку B он повернется на 30 градусов. Но что произойдет если обмотки A и B будут запитаны одновременно? Ротор займет положение между двумя этими обмотками, то есть повернется на 15 градусов. 

После этого обесточим А. Когда ротор установится напротив обмотки B, запитаем обмотку С, такой тип работы называется режимом дробления шага. 

Как работает гибридный шаговый двигатель

Двигатель который мы рассматривали, называется двигателем с переменным магнитным сопротивлением. Наиболее универсальными и широко распространенными являются гибридные шаговые двигатели. Рассмотрим работу стандартного гибридного двигателя с величиной шага в 1.8 градуса. 

Гибридный двигатель имеет намагниченный по оси ротор со стальными зубчатыми наконечниками. Таким образом, одна сторона ротора является северным магнитным полюсом, а другая южным. 

Точность данного двигателя заключается в продуманном расположении зубьев ротора и статора. Разберемся, как это работает. Ротор имеет 50 зубьев, чтобы понять, как расположены зубья статора для начала, предположим, что у статора тоже 50 зубьев. Однако на самом деле их на 2 меньше, чем у ротора. Таким образом у статор остается 48 зубьев. 

Давайте разделим их на 4 группы попарно, как показано на модели (подробнее смотри на видео). 

Теперь давайте выровняем эти группы, зеленая группа сдвигается так что она оказывается наполовину выровнены с зубьями ротора. Зубья желтой группы полностью смещены относительно зубьев ротора. Синяя группа наполовину выровнена относительно зубьев ротора. Красная группа остается на своем месте, то есть красная группа зубьев полностью выровнена с ротором, а желтая группа смещена. Две другие группы смещены лишь наполовину. 

Следует помнить, что сторона ротора направленная к нам является южным магнитным полюсом. Обмотки статора соединяются следующим образом, они представляют собой две независимые группы обмоток. При подаче питания на обмотку A, статор образует следующую картину намагниченности. Одна пара полюсов статора действует как северный полюс, а другая как южный. Так как противоположные полюса притягиваются, они будут совмещены, полюса с одинаковой полярностью будут смещены. 

Смотрите, что произойдет с ротором при подаче питания на обмотку B, он совершит вращение на небольшой угол чтобы вы равняться с новым северным полюсом. Очевидно, что этот угол составляет одну четвертую часть углового шага. Другими словами, ротор поворачивается на 1,8 градуса, затем задействуется обмотка A с противоположной полярностью и вновь ротор поворачивается на одну целую восемь десятых градуса.

Данный процесс повторяется и двигатель совершает высокоточные движения. Разрешение угла шага может быть улучшено при помощи дробления шага. Интересно отметить, что северные зубчатые наконечники находятся между южными зубчатыми наконечниками, таким образом гарантируется выравнивание полюсов с противоположными полярностями.  

Вот так работает гибридный шаговый двигатель, такие двигатели идеально подходят для применения в областях, где необходимы четкие движения и простое управление.

Гибридный шаговый двигатель принцип работы

Дмитрий Левкин Шаговый электродвигатель — это вращающийся электродвигатель с дискретными угловыми перемещениями ротора, осуществляемыми за счет импульсов сигнала управления. Шаговые импульсные двигатели непосредственно преобразуют управляющий сигнал в виде последовательности импульсов в пропорциональный числу импульсов и фиксированный угол поворота вала или линейное перемещение механизма без датчика обратной связи. Это обстоятельство упрощает систему привода и заменяет замкнутую систему следящего привода сервопривода разомкнутой, обладающей такими преимуществами, как снижение стоимости устройства меньше элементов и увеличение точности в связи с фиксацией ротора шагового двигателя при отсутствии импульсов сигнала. Очевиден и недостаток привода с шаговым двигателем: при сбое импульса дальнейшее слежение происходит с ошибкой в угле, пропорциональной числу пропущенных импульсов.


Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам. ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Принцип работы шагового двигателя на примере Nema 17/ ШД HS4401

Шаговые электродвигатели. Виды и работа. Особенности


Шаговый двигатель 2. Что такое Шаговая система? Щеточные моторы постоянного тока 4. Безщеточные моторы постоянного тока 5. Униполярное и биполярное соединение обмоток 2-х фазных шаговых двигателей. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Шаговый двигатель преобразует электрические импульсы в направленные вращающие перемещения. Движения, которые создаются каждым импульсом, являются точными и повторяющимися, поэтому шаговые двигатели очень эффективны для позиционирования.

Шаговые двигатели с постоянными магнитами состоят из ротора с постоянным магнитом, катушки и магнитопровода статора. Возбуждение обмотки создает направленное электромагнитное поле. Магнитное поле может изменятся путем последовательного «пошагового» возбуждения обмоток статора, которые генерируют вращательное движение.

На рисунке 1 показана типичная шаговая последовательность для двухфазного двигателя. На первом шаге только фаза А из двух фаз находится под напряжением. Ротор магнитно блокирован в показанном положении, так как противоположные полюса притягиваются. Когда отключается фаза А и включается фаза В, то ротор поворачивается по часовой стрелке на 90 градусов. На третьем шаге включается фаза А, но с противоположной полярностью в отличии от первого шага, что вызывает поворот еще на 90 градусов. На четвертом шаге фаза А выключается и включается фаза В с полярностью противоположной шагу 2.

Повторяя эту последовательность ротор вращается с шагом в 90 градусов по часовой стрелке. Однако, в каждый момент времени включается лишь полярность показанная на рисунке 2. Двигатель также может вращаться с половинным шагом путем вставки выключенного состояния при переходе между фазами.

Таким образом, полный угол шага делится пополам. Например, двигатель с шагом 90 градусов будет двигаться с углом 45 градусов на каждой половине шага. Так, одна из обмоток не питается на протяжении каждого меняющегося полушага, что приводит к уменьшению электромагнитной силы действующей на ротор, в результате чего происходит потеря момента. Шаговые системы использовались в промышленной автоматизации на протяжении многих лет для точного позиционирования станков, координатных столов, дозирующих автоматов и т.

В отличие от типичных приводов переменного тока используемых для управления скоростью , шаговые приводы и шаговые моторы используются в основном для управления положением. Типичная одноосевая шаговая система состоит из контроллера, шагового драйвера, шагового двигателя с или без редуктора и источника питания. Шаги обычно задаются двумя цифровыми входами: импульсным и битом направления. Один импульс на импульсном входе перемещает вал мотора на один шаг. Нижеприведенный график показывает зависимости механических и электрических параметров двигателей постоянного тока.

На нем показаны скорость n, ток I, выходная мощность Р и КПД в зависимости от момента М для данного напряжения питания. Скорость холостого хода не является функцией напряжения питания и достигается тогда, когда Е становится почти равным U; ток холостого хода I 0 является функцией от момента трения:.

Максимальная длительная выходная мощность определяется гиперболой разделяющей непрерывный и прерывистый диапазон работ. Его значение зависит от соотношения статического момента и момент трения и таким образом является функцией напряжения питания:. Максимальный постоянный момент зависит от рассеиваемой мощности I 2 R , его максимальное значение определяется выражением:.

Где T max — максимально допустимая температура якоря, T amb — температура окружающей среды, R max — сопротивление ротора при температуре T max и R th — полное термосопротивление ротор — корпус — окружающая среда. При данном моменте М, увеличение или уменьшение питающего напряжения будет увеличивать или уменьшать скорость. Функция скорость-момент изменяется пропорционально питающему напряжению U. Принцип работы такого мотора основан на том, что управляющий им контроллер коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был перпендикулярным вектору магнитного поля ротора.

С помощью широтно-импульсной модуляции ШИМ контроллер управляет током, протекающим через обмотки двигателя, и следовательно вектором магнитного поля статора, и таким образом регулируется момент, действующий на ротор двигателя.

Знак угла между векторами определяет направление момента действующего на ротор. Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора — Ф 0 поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создаётся вращающий момент M, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием датчика положения ротора ДПР происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.

В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора, что и создаёт момент на валу двигателя. В обычных коллекторных моторах коммутация производится механически с помощью токосъемника. В BLDC моторах коммутация производится в электронным способом. В этом случае необходимо знать мгновенное положение ротора для определения фазы для возбуждения.

Угловое положение ротора может определяться: — использованием датчика положения датчик Холла, оптический энкодер, резольвер — электрически, путем анализа противо-ЭДС незапитанных обмоток. Этот способ называется бездатчиковой коммутацией. Обычно BLDC моторы имеют трехфазную обмотку. Самым простым способом является одновременная подача питания на две из них используя датчик Холла для определения положения ротора.

Простая логика позволяет оптимально подавать питание на фазы, как функция положения ротора, так же как коллекторный узел в обычных ДПТ. Положение ротора может быть также определено с помощью энкодера или резольвера.

Коммутация может быть организована очень просто, аналогично использованию датчиков Холла, или более сложно путем модуляции синусоидальных токов в трех фазах. Этот способ называется векторным управлением и его преимущество заключается в минимизации пульсации крутящего момента, а также высокого разрешения для точного позиционирования. Третий вариант не требующий датчика положения использует особенности электрических машин.

Двигатели с таким управлением не требуют наличия датчиков или электронных компонентов, и поэтому нечувствительны к агрессивной среде.

Это очень удобно для таких приложений, как ручные электроинструменты, где кабель питания постоянно перегибается и наличие всего трех проводов является преимуществом.

Принцип работы бездатчикового мотора очень прост. Во всех двигателях, отношение противо-ЭДС и крутящего момента для противоположного положения ротора одинаково. Пересечение напряжения, индуцируемого в невозбужденной обмотке, с нулем соответствует положению с максимальным вращающим моментом генерируемым двумя другими запитанными фазами.

Эта точка прохождения через ноль следовательно позволяет определить момент для следующей коммутации в зависимости от скорости мотора. Этот промежуток времени, на самом деле эквивалентен времени, которое требуется двигателю для перехода от позиции предыдущей комутации до позиции перехода противо-ЭДС нуля.

Электронные устройства разработанные для этих функций коммутации позволяют легко управлять бездатчиковыми моторами. С увеличением скорости, то есть частоты коммутации тока увеличивается реактивное сопростивление обмоток статора, и характеристика вентильного двигателя становится более чувствительна к перепадам нагрузки. Зависимости скорости вращения от напряжения питания преобразователя для управления вентильным двигателем имеют вид:.

Так, например, для преобразователя BLDINTB2 итальянского производителя Intecno в технических характеристиках указаны пределы рабочего напряжения 20 — 36В постоянного тока. Важно понимать, что величина подводимого напряжения будет влиять на максимальную скорость вращения вентильного электродвигателя. Вследствие особенностей характеристик вентильного двигателя их можно использовать для механизмов, работающих на низких скоростях с высокой точностью.

Соединения Униполярное и Биполярное половина обмотки, из-за использования меньшего количества витков, не дает нам высокий крутящий момент на низких оборотах, но благодаря низкой индуктивности поддерживает момент до высоких скоростей. Биполярное последовательное соединение использует всю обмотку, это дает высокий крутящий момент на низких скоростях. Но из-за высокой индуктивности момент момент быстро спадает с увеличением скорости. Биполярное паралельное соединение также использует полную обмотку, что дает хорошие низкоскоростные характеристики.

И низкая индуктивность такого соединения позволяет удерживать момент до высоких скоростей. Вверх страницы. Шаговые двигатели, приводы, контроллеры MotionKing. Новости СВ Альтера. Принцип работы бесщеточного двигателя постоянного тока. Шаговые двигатели, приводы, контроллеры MotionKing www. Теория 1. Униполярное и биполярное соединение обмоток 2-х фазных шаговых двигателей Шаговый двигатель Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.

Рисунок 1 — Шаговая последовательность. Однофазное переключение. Двухфазное переключение. Половинный шаг Двигатель также может вращаться с половинным шагом путем вставки выключенного состояния при переходе между фазами.


Устройство шагового двигателя

Теперь рассмотрим различные способы подачи тока на обмотки и увидим, как в результате вращается вал мотора. Этот способ описан выше и называется волновым управлением одной обмоткой. Это означает, что только через одну обмотку протекает электрический ток. Этот способ используется редко. В основном, к нему прибегают в целях снижения энергопотребления. Такой метод позволяет получить менее половины вращающего момента мотора, следовательно, нагрузка мотора не может быть значительной. У такого мотора будет 4 шага на оборот, что является номинальным числом шагов.

Стоит помнить, что шаговый двигатель, принцип работы которого будет .. Гибридные синхронные двигатели используются промышленностью по.

Сравнение сервоприводов и шаговых двигателей

Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения шаги ротора. Первые шаговые двигатели появились в х годах XIX века и представляли собой электромагнит, приводящий в движение храповое колесо. За одно включение электромагнита храповое колесо перемещается на величину зубцового шага храпового колеса. Храповые шаговые двигатели и в настоящее время находят довольно широкое применение [1]. Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора , на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнито-мягкого или из магнито-твёрдого материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках. Таким образом по конструкции ротора выделяют следующие разновидности шагового двигателя [2] :. Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки.

Как работает шаговый двигатель?

В статье рассматриваются типы шаговых двигателей, особенности их применения и схемы несложных устройств управления, позволяющие оценить возможности и освоить этот тип двигателей на практике. Статья написана на основании опыта автора по использованию шаговых двигателей в робототехнике. А именно для систем синхронной связи на постоянном токе. Скорость вращения шагового двигателя определяется только частотой следования импульсов управления. Для устройств на основе шаговых двигателей, как правило, не требуется концевых выключателей или каких-то конечных сенсоров.

Практически все электрические приборы функционируют с помощью приводных механизмов.

Шаговые двигатели

Служба распространения пресс-релизов. Рассылка Личный кабинет. Добавить пресс-релиз. Рассылка Личный кабинет Добавить свой пресс-релиз. Фондовые и валютные рынки. Новости эмитентов ЦБ Финансы и банки Обучение, образование, наука Добывающая промышленность PR, маркетинг, реклама Интернет Интерьер, дизайн, декор Недвижимость Безопасность Культурные события, спорт, шоу бизнес Рынки и торговля Мода, одежда, аксессуары, стиль Оборудование, техника Сфера услуг Страхование АПК и пищевая промышленность Нефть, газ, ГСМ Электроэнергетика, альтернативная энергетика Металлургия Химия и нефтехимия Связь и телекоммуникации Мебель и материалы Hi-tech компании Медицина и фармацевтика, красота и здоровье Машиностроение Транспорт, автомобили Строительство и строительные материалы Выставки.

Как работает шаговый электродвигатель?

Шаговые импульсные двигатели непосредственно преобразуют управляющий сигнал в виде последовательности импульсов в пропорциональный числу импульсов и фиксированный угол поворота вала или линейное перемещение механизма без датчика обратной связи. Это обстоятельство упрощает систему привода и заменяет замкнутую систему следящего привода сервопривода разомкнутой, обладающей такими преимуществами, как снижение стоимости устройства меньше элементов и увеличение точности в связи с фиксацией ротора шагового двигателя при отсутствии импульсов сигнала. Очевиден и недостаток привода с шаговым двигателем: при сбое импульса дальнейшее слежение происходит с ошибкой в угле, пропорциональной числу пропущенных импульсов [2]. Поэтому в задачах, где требуются высокие характеристики точность, быстродействие используются серводвигатели. В остальных же случаях из-за более низкой стоимости, простого управления и неплохой точности обычно используются шаговые двигатели. Шаговый двигатель, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Шаговые двигатели надежны и недороги, так как ротор не имеет контактных колец и коллектора.

стендом и принципами работы шагового двигателя». 57 . Фактически гибридный двигатель представляет собой двигатель с.

Шаговый электродвигатель

В современной электротехнике используется множество самых разнообразных устройств, некоторые из них предназначаются для автоматизации технологических операций. Таковым является и шаговый двигатель. Принцип работы и устройство данного прибора описаны в статье.

Шаговый двигатель

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Разгон трехфазного гибридного шагового двигателя

Чтобы тот или иной электрический прибор работал, ему требуется специальный приводной механизм. Одним из таких механизмов является шаговый двигатель. В данном материале вы узнаете, что он собой представляет, какой принцип его работы и на какие категории подразделяется. Шаговый двигатель может быть униполярным или биполярным. Он является электрическим и бесщеточным двигателем постоянно тока , способным делить полный оборот на несколько одинаковых шагов. В него входят такие детали:.

Шаговый двигатель — принцип работы Чтобы тот или иной электрический прибор работал, ему требуется специальный приводной механизм. Одним из таких механизмов является шаговый двигатель.

Шаговые двигатели — конструкция, принцип работы и применение

Шаговые электродвигатели можно встретить в устройстве автомобильных приборных панелей, принтеров, приводов CD-дисков, электрических инструментов, в общем — везде, где необходима повышенная точность позиционирования. Если описывать его в двух словах, то он представляет собой бесщеточный синхронный мотор с несколькими проволочными обмотками. Электрический ток подается в одну из обмоток статора неподвижного элемента и таким образом фиксирует ротор подвижную часть в определенной позиции. Затем ток поступает в другую обмотку и ротор совершает новое движение. И именно благодаря этому принципу работы Шаговый Электродвигатель получил свое название. Следует отметить, что микрошаг возможен только в гибридных ШД. Каждый микрошаг осуществляется посредством независимого управления обмотками.

Шаговый двигатель: особенности и принцип работы

Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту. Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и наоборот, электрическую энергию в механическую. Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую, называется генератором.


Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой бесщеточный синхронный электродвигатель, который преобразует цифровые импульсы в механическое вращение вала. Его нормальное движение вала состоит из дискретных угловых движений. движения практически одинаковой величины при управлении от последовательно переключаемого постоянного тока источник питания.

Шаговый двигатель представляет собой цифровое устройство ввода-вывода. Он особенно хорошо подходит для типа приложение, в котором управляющие сигналы появляются в виде цифровых импульсов, а не аналоговых напряжений.Один цифровой импульс на привод шагового двигателя или транслятор заставляет двигатель увеличивать одно точное значение. угол движения. По мере увеличения частоты цифровых импульсов шаговое движение меняется на непрерывное вращение.

Некоторые промышленные и научные приложения шаговых двигателей включают робототехнику, станки, машины для захвата и размещения, автоматические машины для резки и соединения проводов и даже устройства для точного управления потоком.

Как работает шаговый двигатель?

Каждый оборот шагового двигателя делится на дискретное количество шагов, во многих случаях 200 шагов, и для каждого шага двигателю должен посылаться отдельный импульс.Шаговый двигатель может делать только один шаг за раз, и каждый шаг имеет одинаковый размер.

Поскольку каждый импульс заставляет двигатель поворачиваться на точный угол, обычно 1,8°, положением двигателя можно управлять без какого-либо механизма обратной связи. По мере увеличения частоты цифровых импульсов шаговое движение превращается в непрерывное вращение со скоростью вращения, прямо пропорциональной частоте импульсов.

Шаговые двигатели ежедневно используются как в промышленности, так и в коммерческих целях благодаря их низкой стоимости, высокой надежности, высокому крутящему моменту на низких скоростях и простой прочной конструкции, способной работать практически в любых условиях.

  • Угол поворота двигателя пропорционален входному импульсу.
  • Двигатель имеет полный крутящий момент в состоянии покоя (если обмотки находятся под напряжением).
  • Точное позиционирование и повторяемость движения, так как хорошие шаговые двигатели имеют точность от 3 до 5% шага, и эта ошибка не накапливается от одного шага к другому.
  • Отличный отклик на запуск/остановку/реверс.
  • Очень надежен, так как в двигателе нет контактных щеток. Поэтому срок службы шагового двигателя просто зависит от срока службы подшипника.
  • Реакция шаговых двигателей на цифровые входные импульсы обеспечивает управление без обратной связи, что делает управление двигателем более простым и менее затратным.
  • Можно добиться синхронного вращения на очень низкой скорости с нагрузкой, которая непосредственно связана с валом.
  • Может быть реализован широкий диапазон скоростей вращения, поскольку скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Выбор шагового двигателя и контроллера

Выбор шагового двигателя зависит от требований к крутящему моменту и скорости приложения. Используйте кривую крутящего момента двигателя (находится в технических характеристиках каждого привода), чтобы выбрать двигатель, который будет выполнять эту работу.

Каждый контроллер шагового двигателя в линейке Omegamation показывает кривые крутящий момент-скорость для двигателей, рекомендуемых для данного привода.Если ваши требования к крутящему моменту и скорости могут быть удовлетворены с помощью нескольких шаговых двигателей, выберите контроллер в зависимости от потребностей вашей системы движения — шаг/направление, автономное программирование, аналоговые входы, микрошаговый — затем выберите один из рекомендуемых двигателей для этого контроллера. .

Список рекомендуемых двигателей основан на обширных испытаниях, проведенных производителем для обеспечения оптимальной работы комбинации шагового двигателя и контроллера.

Типы шаговых двигателей

Существует три основных типа шаговых двигателей:
  • Активный ротор: шаговый двигатель с постоянными магнитами (PM)
  • Реактивный ротор: шаговый двигатель с переменным сопротивлением (VR)
  • Комбинация VR и PM: гибридный шаговый двигатель (HY)
Это бесщеточные электрические машины, вращающиеся под фиксированным углом. увеличивается при подключении к последовательно коммутируемому постоянному току.При использовании переменного тока вращение существенно непрерывный.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Этот тип шагового двигателя имеет ротор с постоянными магнитами. статор может быть таким же, как у обычного 2- или 3-фазного индукционного двигатель или конструкция, аналогичная штампованному двигателю. Последнее является Самый популярный тип шагового двигателя.

а.) Обычный тип с постоянными магнитами. На рис. 1 показана схема обычного шаговый двигатель с ротором на постоянных магнитах.2-фазная обмотка иллюстрируется. На рис. 1а показана фаза А. под напряжением с положительной клеммой «А». Поле находится под углом 0°. С катушкой, намотанной, как показано, северный полюс ротор также находится в положении 0°.

Вал совершает один оборот за каждый полный оборот электромагнитного поля в этом двигателе. На рис. 2 показан тот же шаговый двигатель с обеими обмотками под напряжением. Важный разница здесь в том, что результирующее электромагнитное поле находится между два полюса.На рис. 2 поле сместилось на 45° от поле на рис. 1.

Как и в схеме однофазного включения, вал завершает один оборот за каждый полный оборот электромагнитного поля. Должно быть очевидно, что этот двигатель может работать на полшага; т. е. шаг в малом ступенчатые приращения. Это возможно за счет объединения питания показанный на рисунке 1 с показанным на рисунке 2. На рисунке 3 показаны схемы Шаговый двигатель с ПМ с полушаговым движением ротора.

Как и на предыдущих схемах, ротор и вал движутся через под тем же углом, что и поле. Обратите внимание, что каждый шаг приводил к повороту на 45°. вместо 90° на предыдущей диаграмме. Шаговый двигатель с постоянными магнитами можно намотать бифилярно. обмотки, чтобы избежать необходимости менять полярность обмотка. На рис. 4 показана бифилярная обмотка при В Таблице IV показана последовательность подачи питания.

Бифилярные обмотки проще коммутировать с помощью транзисторного контроллера.Требуется меньше переключающих транзисторов. b.) Штампованный или может штабелироваться шаговый двигатель с постоянными магнитами. То Наиболее популярным типом шагового двигателя с постоянными магнитами является так называется штампованным типом, когтевым зубом, листовым металлом, жестяной банкой или просто недорогой мотор. Этот мотор трудно проиллюстрировать ясно из-за того, как он устроен.

Этот двигатель имеет пару катушек, окружающих ротор с постоянными магнитами. Катушки заключены в корпус из мягкого железа с зубьями на внутри взаимодействует с ротором.Каждый корпус катушки имеет одинаковый количество зубьев равно количеству полюсов ротора. Корпуса радиально смещены друг относительно друга на половину шага зубьев.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

Этот тип шагового двигателя имеет электромагнитный статор с ротор из магнитомягкого железа с зубьями и пазами, похожими на ротор индукторного генератора. В то время как двигатели с постоянными магнитами в основном 2-фазные машины, двигатели VR требуют как минимум 3 фазы. Большинство VR шаговые двигатели имеют 3 или 4 фазы, хотя 5-фазные двигатели VR доступный.

В шаговом двигателе VR поле движется с другой скоростью, чем ротор.

Обратите внимание, что катушка фазы А имеет два южные полюса и отсутствие северных полюсов для пути возврата потока. Вы можете отдохнуть заверил, что будет. Поток вернется по пути наименьшего нежелания, а именно через пары полюсов, которые являются ближайшими на два зуба ротора. Это зависит от положения ротора. Поток вызывает напряжение в катушках, намотанных на полюс. Это индуцирует ток в обмотка, замедляющая ротор.Величина тока определяется напряжение на катушке. Катушка с диодной фиксацией будет иметь больше ток, чем обмотка с резисторным диодом или стабилитроном.

Гибридный шаговый двигатель

Этот тип двигателя часто называют двигателем с постоянным магнитом. мотор. Он использует комбинацию постоянного магнита и переменного Структура нежелания. Его конструкция аналогична конструкции Индукционный двигатель.

Ротор имеет два наконечники (хомуты) с выступающими полюсами, расположенными на равном расстоянии друг от друга, но радиально со смещением друг от друга на половину шага зубьев.Круглый перманент магнит разделяет их. Ярма имеют практически равномерный поток противоположной полярности. Статор изготовлен из многослойной стали. Некоторые двигатели имеют 4 катушки. в две группы по 2 катушки последовательно. Одна пара катушек называется фазой А и другая Фаза B.

Количество полных шагов за оборот может быть определено из по следующей формуле:

SPR = NR x Ø

Где: SPR = количество шагов на оборот

NR = общее количество зубьев ротора (всего для оба ярма)

Ø = количество фаз двигателя

или: NR = SPR/Ø

Они имеют многозубчатые полюса статора и ротор с постоянными магнитами.Стандартные гибридные двигатели имеют 200 зубьев ротора и угол поворота 1,8º. Поскольку они демонстрируют высокий статический и динамический крутящий момент и работают с очень высокой частотой шагов, гибридные шаговые двигатели используются в самых разных коммерческих приложениях, включая компьютерные дисководы, принтеры/плоттеры и проигрыватели компакт-дисков.

Шаговые режимы

«Шаговые режимы» шагового двигателя включают полный, половинный и микрошаг. Тип выхода шагового режима любого шагового двигателя зависит от конструкции контроллера.Omegamation™ предлагает приводы с шаговыми двигателями с выбираемыми переключателем полными и полушаговыми режимами, а также микрошаговые приводы с разрешающей способностью, выбираемой переключателем или программно.
Полный шаг
Стандартные гибридные шаговые двигатели имеют 200 зубьев ротора или 200 полных шагов на один оборот вала двигателя. Разделение 200 шагов на 360° вращения равно 1,8° полного угла шага. Обычно полношаговый режим достигается за счет подачи питания на обе обмотки с попеременным изменением направления тока.По сути, один цифровой импульс от драйвера эквивалентен одному шагу.
Полушаг
Половина шага просто означает, что шаговый двигатель вращается со скоростью 400 шагов за оборот. В этом режиме на одну обмотку подается питание, а затем поочередно подается питание на две обмотки, в результате чего ротор вращается на половине расстояния, или 0,9°. Хотя он обеспечивает примерно на 30% меньший крутящий момент, полушаговый режим обеспечивает более плавное движение, чем полношаговый режим.
Микросте
Микрошаг — это относительно новая технология шагового двигателя, которая регулирует ток в обмотке двигателя до такой степени, что количество позиций между полюсами далее подразделяется.Микрошаговые приводы

Omegamation способны делить полный шаг (1,8°) на 256 микрошагов, что дает 51 200 шагов на оборот (0,007°/шаг). Микрошаг обычно используется в приложениях, требующих точного позиционирования и более плавного движения в широком диапазоне скоростей. Как и полушаговый режим, микрошаг обеспечивает примерно на 30% меньший крутящий момент, чем полношаговый режим.

Управление линейным шаговым двигателем
Вращательное движение шагового двигателя можно преобразовать в поступательное с помощью системы привода с ходовым винтом и червячной передачей (см. рис. B).Ход или шаг ходового винта — это линейное расстояние, пройденное за один оборот винта. Если ход равен одному дюйму на оборот, а на один оборот приходится 200 полных шагов, то разрешение системы ходового винта составляет 0,005 дюйма на шаг. Еще более высокое разрешение возможно при использовании системы шагового двигателя/привода в микрошаговом режиме. Серия

по сравнению с параллельным соединением

Существует два способа подключения шагового двигателя последовательно или параллельно.Последовательное соединение обеспечивает высокую индуктивность и, следовательно, больший крутящий момент на низких скоростях. Параллельное соединение снизит индуктивность, что приведет к увеличению крутящего момента на более высоких скоростях.

Контроллер шагового двигателя Обзор технологии

Драйвер получает сигналы шага и направления от индексатора или контроллера шагового двигателя и преобразует их в электрические сигналы для запуска шагового двигателя. Для каждого шага вала двигателя требуется один импульс.

В полношаговом режиме со стандартным 200-шаговым двигателем для совершения одного оборота требуется 200 импульсов шага. Скорость вращения прямо пропорциональна частоте импульсов. Некоторые системы управления имеют встроенный генератор, который позволяет использовать внешний аналоговый сигнал или джойстик для установки скорости двигателя.

Характеристики скорости и крутящего момента шагового двигателя основаны на протекании тока от драйвера к обмотке двигателя. Фактор, который препятствует потоку или ограничивает время, необходимое току для возбуждения обмотки, известен как индуктивность.Эффекты индуктивности, большинство типов цепей управления рассчитаны на подачу большего напряжения, чем номинальное напряжение двигателя.

Чем выше выходное напряжение контроллера, тем выше уровень отношения крутящего момента к скорости. Как правило, выходное напряжение драйвера (напряжение шины) должно быть в 5-20 раз выше, чем номинальное напряжение двигателя. Чтобы защитить двигатель от повреждения, ток привода шагового двигателя должен быть ограничен номинальным током шагового двигателя.

Обзор контроллера шагового двигателя

Индексатор, или контроллер шагового двигателя, обеспечивает шаг и направление для драйвера. Для большинства приложений требуется, чтобы индексатор также управлял другими функциями управления, включая ускорение, замедление, количество шагов в секунду и расстояние. Индексатор также может взаимодействовать со многими другими внешними сигналами и управлять ими.

Связь с системой управления осуществляется через последовательный порт RS-232 и, в некоторых случаях, через порт RS485.В любом случае контроллер шагового двигателя способен получать высокоуровневые команды от главного компьютера и генерировать необходимые импульсы шага и направления для драйвера.

Контроллер включает вспомогательный ввод/вывод для контроля входов от внешних источников, таких как переключатель «Пуск», «Толчок», «Домой» или концевой выключатель. Он также может инициировать другие функции машины через выходные контакты ввода-вывода.

Автономная работа

В автономном режиме контроллер может работать независимо от главного компьютера.После загрузки в энергонезависимую память программы движения можно запускать с различных типов интерфейсов оператора, таких как клавиатура или сенсорный экран, или с переключателя через вспомогательные входы/выходы.

Автономная система управления шаговым двигателем часто комплектуется драйвером и источником питания, а также опциональной обратной связью энкодера для приложений с «замкнутым контуром», требующих обнаружения остановки и точной компенсации положения двигателя.

Многоосевое управление

Многие приложения управления движением имеют более одного шагового двигателя для управления.В таких случаях доступен многоосевой контроллер шагового двигателя. К сетевому концентратору HUB 444, например, может быть подключено до четырех шаговых приводов, причем каждый привод подключен к отдельному шаговому двигателю. Сетевой концентратор обеспечивает скоординированное движение для приложений, требующих высокой степени синхронизации, таких как круговая или линейная интерполяция.

Как работает шаговый двигатель

В этой учебной статье вы узнаете, как работает шаговый двигатель.Мы рассмотрим основные принципы работы шаговых двигателей, режимы их работы и типы шаговых двигателей по конструкции. Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать написанную статью.

Принцип работы

Шаговый двигатель представляет собой бесщеточный двигатель постоянного тока, который вращается ступенчато. Это очень полезно, потому что его можно точно позиционировать без какого-либо датчика обратной связи, который представляет собой контроллер с разомкнутым контуром. Шаговый двигатель состоит из ротора, который обычно представляет собой постоянный магнит и окружен обмотками статора.По мере того, как мы активируем обмотки шаг за шагом в определенном порядке и пропускаем через них ток, они будут намагничивать статор и создавать электромагнитные полюса, соответственно, которые будут вызывать движение двигателя. Таков основной принцип работы шаговых двигателей.

 

Режимы движения

Существует несколько различных способов управления шаговым двигателем. Первый — это волновой привод или возбуждение с одной катушкой. В этом режиме мы активируем только одну катушку за раз, что означает, что для этого примера двигателя с 4 катушками ротор будет совершать полный цикл за 4 шага.

Далее идет режим полного шага, который обеспечивает гораздо более высокий выходной крутящий момент, потому что у нас всегда есть 2 активные катушки в данный момент времени. Однако это не улучшает разрешение шагового двигателя, и снова ротор будет совершать полный цикл за 4 шага.

Для увеличения разрешения степпера мы используем режим Half Step Drive. Этот режим фактически является комбинацией двух предыдущих режимов.

Здесь у нас есть одна активная катушка, за которой следуют 2 активные катушки, затем снова одна активная катушка, за которой следуют 2 активные катушки и так далее.Таким образом, в этом режиме мы получаем двойное разрешение при той же конструкции. Теперь ротор совершит полный цикл в 8 тактов.

Однако в настоящее время наиболее распространенным методом управления шаговыми двигателями является микрошаговый. В этом режиме мы подаем переменный регулируемый ток на катушки в виде синусоидальной волны. Это обеспечит плавность хода ротора, уменьшит напряжение деталей и повысит точность шагового двигателя.

Еще один способ увеличить разрешение шагового двигателя — увеличить количество полюсов ротора и количество полюсов статора.

Типы шаговых двигателей по конструкции

По конструкции существует 3 различных типа шаговых двигателей: шаговый двигатель с постоянными магнитами, шаговый двигатель с переменным сопротивлением и гибридный синхронный шаговый двигатель.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор с постоянными магнитами, который приводится в движение обмотками статора. Они создают полюса противоположной полярности по сравнению с полюсами ротора, который приводит в движение ротор.

Следующий тип, шаговый двигатель с переменным сопротивлением , использует ненамагничивающийся ротор из мягкого железа.Ротор имеет зубья, которые смещены относительно статора, и когда мы активируем обмотки в определенном порядке, ротор перемещается соответственно, так что между статором и зубьями ротора имеется минимальный зазор

Гибридный синхронный двигатель представляет собой комбинацию двух предыдущих шаговых двигателей. Он имеет зубчатый ротор с постоянными магнитами, а также зубчатый статор. Ротор имеет две секции, которые противоположны по полярности, и их зубья смещены, как показано здесь.

Это вид спереди широко используемого гибридного шагового двигателя, который имеет 8 полюсов на статоре, которые активируются 2 обмотками, A и B.Итак, если мы активируем обмотку А, мы намагнитим 4 полюса, два из которых будут иметь южную полярность, а две — северную.

Мы видим, что таким образом зубья роторов совмещены с зубьями полюсов А и не совмещены с зубьями полюсов В. Это означает, что на следующем шаге, когда мы отключим полюса А и активируем полюса В, ротор будет двигаться против часовой стрелки, и его зубья совпадут с зубьями полюсов B.

Если мы продолжим активировать полюса в определенном порядке, ротор будет двигаться непрерывно.Здесь мы также можем использовать различные режимы вождения, такие как волновой привод, полный шаг, полушаговый привод и микрошаг для еще большего увеличения разрешения шагового двигателя.

Как работает шаговый двигатель? – Умные решения для дома

Шаговый двигатель — это бесщеточный двигатель постоянного тока , который преобразует электрические импульсы в механическое движение. Каждый импульс представляет собой поворот РОТОРА (подвижной части двигателя) на небольшой угол ( шаг ).Например, если степпер имеет 200 шагов на оборот, то после подачи 50 импульсов он сделает четверть оборота. Частота и последовательность влияют на направление вращения и его скорость.

Введение

Шаговые двигатели

часто используются в устройствах, требующих высокой точности. Вы можете найти их в фрезерных станках с ЧПУ, 3D-принтерах, роботах на фабриках, сканерах или CD/DVD-приводах (если вы достаточно взрослый, чтобы помнить это 🙂). Степперы — это действительно благодарные и приятные устройства, которые обязательно найдут место во многих ваших проектах.Их также очень легко контролировать, как я постараюсь показать вам в этой статье.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой бесщеточный двигатель постоянного тока. Как я упоминал ранее, он питается от электрических импульсов, которые преобразуются во вращательное движение. Вращение не плавное, как у классических двигателей постоянного тока. Полный поворот на 360 градусов состоит из определенного (в зависимости от конструкции) количества шагов. Это позволяет валу вращаться точно без какой-либо обратной связи. Так что энкодер не нужен.

В мире хобби наиболее популярны шаговые двигатели с 200 шагами на 360°. Это означает, что вал (ротор) будет поворачиваться на 1,8° каждый раз, когда мы подаем импульс (360° / 200 = 1,8°).

Направление вращения и его скорость в зависимости от последовательности и частоты импульсов.

Как устроен шаговый двигатель?

Шаговый двигатель, как и классический двигатель постоянного тока, состоит из РОТОРА и СТАТОРА . Статор является неподвижной частью, а ротор, установленный на двух подшипниках, вращается с помощью магнитного поля.Статор – из стали или другого металла, представляет собой каркас для набора электромагнитов, которые представляют собой катушки, установленные в определенных местах вокруг ротора. Когда ток течет по катушкам, вокруг них создается магнитное поле. Отдельные магнитные поля имеют направление и интенсивность в зависимости от интенсивности и направления тока, протекающего через данную катушку.

Типы шаговых двигателей

Шаговые двигатели можно разделить по конструкции статора и ротора, которая влияет на преобразование импульсов в движение.И из-за способа соединения катушек.

Я опишу эти два фактора отдельно, так как они совершенно не зависят друг от друга. Любой тип соединения может использоваться с любым типом двигателя.

По конструкции различаем:
  • Шаговый двигатель с переменным сопротивлением
  • Шаговый двигатель с постоянным магнитом
  • Гибридный шаговый двигатель
В зависимости от способа намотки различают:
  • Униполярный шаговый двигатель
  • Биполярный шаговый двигатель

Как работает шаговый двигатель?

Каждый тип работает немного по-своему, поэтому я опишу их отдельно.Пуск с двигателем с переменным сопротивлением.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

Двигатели этого типа не имеют хороших параметров и были вытеснены из отрасли шаговыми двигателями других типов. Расскажу о них в ознакомительных целях. И чтобы помочь вам понять общий принцип работы.

ПОЛНЫЙ ШАГ

Нежелание также известно как магнитное сопротивление. Если мы поместим проводник в магнитное поле электромагнита, он будет притягиваться.Чем ближе он подходит, тем меньше будет сопротивление.

На анимации показан пример шагового двигателя с переменным сопротивлением и четырьмя катушками. Они намотаны попарно и на противоположных сторонах статора. Это дает нам восемь полюсов. Ротор сделан из некоторого проводника, и количество плеч отличается от количества катушек. Поскольку направление полюса в данном случае не имеет значения, я решил его не отмечать.

Как видите, при подаче питания на соответствующую пару катушек ближайшие плечи ротора притягиваются больше всего.Таким образом, будет сделан один шаг. В случае с этим степпером это будет:

6 рычагов * 4 витков = 24 шагов

360 ° / 24 шагов = 15°

15° это ПОЛНЫЙ ШАГ для данного шагового двигателя. Звучит не очень впечатляюще, я знаю.

ПОЛУШАГ

К счастью, можно очень легко увеличить разрешение. Чтобы удвоить количество шагов, мы будем использовать ПОЛУШАГ вместо ПОЛНЫЙ ШАГ .Звучит интуитивно, не так ли? 🙂

Чтобы добиться этого, мы должны изменить последовательность питания катушек. В предыдущем случае мы использовали только одну пару за раз. На этот раз мы будем использовать две соседние пары, чтобы сделать промежуточный шаг. Теперь у нас есть 8 комбинаций (а не 4) активных катушек. Это означает, что мы удвоили разрешение до 48 шагов и 7,5° для одного шага.

Якобы картинка говорит больше, чем миллион слов, поэтому я думаю, что простая анимация объяснит это еще лучше.

МИКРОШАГ

Но это еще не конец! Мы можем увеличить разрешение еще больше. Для этого нам нужно иметь возможность регулировать ток, протекающий через катушки. Чтобы его можно было запитать, например, вдвое меньшим током. Благодаря этому мы удваиваем количество возможных состояний по сравнению с методом HALF STEP . Опять же — анимация 🙂

Теперь у нас есть 96 шагов и 3,25° на один шаг.

Таким образом, мы можем увеличивать разрешение все больше и больше.К сожалению, кроме очевидных достоинств, у него есть и большие недостатки. Чем больше количество микрошагов, тем чаще происходит переключение катушек, следовательно, меньше крутящий момент.

Описанные выше методы управления (ПОЛНЫЙ, ПОЛОВИННЫЙ и МИКРОШАГ) основаны на шаговом двигателе с переменным сопротивлением, поскольку он самый простой. Тем не менее, он будет работать таким же образом для любого последующего типа. Поэтому для постоянного магнита и гибридного шагового двигателя я опишу только метод FULL STEP .

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Шаговый двигатель с постоянными магнитами работает за счет взаимодействия полюсов магнитов. Не так, как в предыдущем случае – столб и проводник. Каждый из магнитов имеет два полюса:

С – Север
Юг – Юг

Разные полюса (S – N) притягиваются, а одинаковые (S – S и N – N) отталкиваются. В результате степперы этого типа имеют гораздо больший крутящий момент.

В отличие от шагового двигателя с переменным сопротивлением, ротор с постоянными магнитами не имеет зубцов. Он построен как бы из нескольких магнитов, попеременно и радиально намагниченных. От их количества зависит разрешение мотора. Однако чем больше этих магнитов, тем они меньше, поэтому меньше взаимодействуют с электромагнитами в статоре. В результате двигатель имеет меньший крутящий момент.

В следующем простом примере имеется ротор с шестью магнитными полюсами. С двумя полюсами электромагнитов это дает 12 ПОЛНЫХ ШАГОВ за оборот.В реальном мире двигатели этого типа имеют 24 или даже 48 ступеней.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридные шаговые двигатели

в настоящее время являются наиболее популярным типом, особенно в промышленности. Они сочетают в себе преимущества двигателей с постоянными магнитами и двигателей с переменным сопротивлением. Благодаря этому у них лучшие параметры, такие как крутящий момент и разрешение. Разрешение типичного гибридного степпера составляет от 0,9° до 3,6°, что дает 100-400 ПОЛНЫХ ШАГОВ за оборот (и давайте не будем забывать, что мы также можем применить МИКРОШАГОВ ).

Ротор изготовлен из постоянных магнитов, однако, в отличие от описанного выше двигателя, магниты размещены аксиально, а не радиально. Кроме того, как вы можете видеть на картинке, ротор разделен на два (иногда четыре) кольца. У каждого из них есть маленькие зубы. Чем их больше, тем больше разрешение.

Зубья на обоих концах (кольцах) ротора смещены на ползуба. У статора тоже есть зубья, но они на одной линии. Благодаря этому, когда зубья одного кольца имеют разные полюса и притягиваются друг к другу, то зубья второго кольца (имеющего тот же полюс, что и катушка) будут точно между ними.Это улучшает характеристики двигателя и увеличивает его крутящий момент.

РОТОР СТАТОР

Статор такого двигателя обычно имеет две катушки и восемь полюсов. После подачи питания на одну катушку два противоположных полюса будут СЕВЕР , а два — ЮГ . Затем ротор будет вращаться, чтобы выровнять его намагниченные зубья с разными ( S и N ) полюсами статора.

Поскольку ротор имеет два кольца с разными полюсами, на каждом шаге его «удерживают» четыре катушки, что увеличивает его крутящий момент.

На этом конкретном шаговом двигателе ротор имеет 50 зубьев, и требуется ровно 4 шага, чтобы повернуть его на одно деление. Таким образом, легко подсчитать, что ротору нужно сделать 200 шагов, чтобы совершить оборот. Что составляет 1,8 ° на шаг ( ПОЛНЫЙ ШАГ ).

Униполярные и биполярные шаговые двигатели

Термин униполярный или биполярный шаговый двигатель не совсем точен. Это относится не ко всему двигателю, а только к обмотке его катушек.Хотя на практике очень часто можно четко определить, является ли данный степпер однополярным или биполярным . Но вы также можете встретить шаговый двигатель, который может быть как: «bi» , так и «uni» . Вам решать, как вы хотите относиться к нему.

Поэтому для дальнейших рассуждений предположим, что речь идет о шаговом способе управления, а не о его типе.

Биполярный шаговый двигатель

Биполярные шаговые двигатели имеют четыре провода.Они работают с двумя обмотками, полностью изолированными друг от друга.

Эти степперы довольно сложны в управлении. Потому что, чтобы изменить магнитный полюс, мы должны изменить направление тока, протекающего в обмотке. И делается это двумя Н-мостами (восемь транзисторов).

Но на этом недостатки заканчиваются, а дальше одни достоинства 🙂

Мы можем использовать всю длину катушки в каждой фазе, что приводит к высокому крутящему моменту. Кроме того, их конструкция довольно проста.

Униполярный шаговый двигатель

Униполярные шаговые двигатели имеют пять проводов. Они работают с одной обмоткой с центральным отводом на фазу. Общий провод ( COM ) постоянно соединен с землей (чаще всего). Мы можем изменить магнитное поле, поставив разъемы A или A’ ( B или B’ ).

Благодаря такой конструкции для управления этим двигателем достаточно четырех транзисторов (а не восьми, как в биполярных шаговых двигателях).

Но поскольку мы можем использовать только половину катушки в каждой фазе, эти шаговые двигатели имеют относительно низкий крутящий момент.

Биполярный или униполярный шаговый двигатель

Этот тип шаговых двигателей имеет шесть проводов. Как вы можете видеть на картинке, это комбинация униполярных и биполярных двигателей. Он имеет две обмотки, отделенные друг от друга, но они разделены пополам и выведены в виде двух дополнительных проводов. Это решение позволяет управлять обоими способами.Вам решать, предпочитаете ли вы больший крутящий момент или более простое управление.

Что нужно учитывать при выборе шагового двигателя?

Недостатки
  • скорость шаговых двигателей не очень впечатляет – от нескольких до десятков оборотов в секунду
  • с увеличением скорости уменьшается удерживающий момент (Нм)
  • относительно высокое энергопотребление
  • высокое тепловыделение
  • если нагрузка слишком велика, могут отсутствовать шаги
Преимущества
  • высокая точность позиционирования, без обратной связи
  • простота управления – количество импульсов определяет положение вала, а частота определяет скорость
  • возможность работы на низких скоростях (без шестерен)
  • срок службы Шаговые двигатели довольно длинные, благодаря отсутствию фрикционных элементов

Резюме

В этой статье я не рассмотрел все типы шаговых двигателей.Но их так много, что я мог бы написать книгу. И я предполагаю, что вы здесь, потому что просто хотели узнать, как работают эти двигатели. Поэтому я сосредоточился только на самых популярных типах, которые вы можете встретить ежедневно.

Надеюсь, эти знания пригодятся вам при выборе шагового двигателя для вашего следующего проекта 🙂

Связанные статьи

Как работает шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой простой двухфазный бесщеточный синхронный двигатель, содержащий сегментированный намагниченный ротор и статор, состоящий из заданного количества электромагнитных катушек.При подаче питания эти катушки создают северные и южные полы, которые толкают или тянут сегментированный намагниченный ротор, заставляя его вращаться. На иллюстрации показана внутренняя конструкция и выравнивание зубьев типичного гибридного шагового двигателя. Мелкие зубья, равномерно расположенные по всему диаметру, обеспечивают постепенное угловое вращение, что приводит к механическому движению.

Шаговые двигатели состоят из двух обмоток (2 фазы), питаемых постоянным током. Когда ток в одной обмотке меняется на противоположный, вал двигателя перемещается на один шаг.Путем реверсирования тока в каждой обмотке положение и скорость двигателя легко и точно контролируются, что делает шаговый двигатель чрезвычайно полезным для многих различных приложений управления движением. Размер шага определяется конструктивными характеристиками двигателя, при этом угол шага 1,8° наиболее распространен (состоит из 200 зубьев). Другие углы шага легко доступны. Количество шагов за оборот рассчитывается путем деления 360° на угол шага.

Шаговые двигатели

выбираются по удерживающему моменту и соответствующему номинальному току.Удерживающий крутящий момент определяет максимальный внешний крутящий момент, приложенный к двигателю (запитанному его номинальным током), не вызывающий непрерывного вращения. В момент, когда двигатель начинает вращаться, доступный крутящий момент часто называют крутящим моментом. Моменты отрыва представлены в виде значений, нанесенных на кривые скорость/момент двигателя.

Катушки шагового двигателя могут иметь однополярную или биполярную конфигурацию. Поскольку простая электроника драйвера шагового двигателя может использоваться для последовательности катушек для вращения вала двигателя, униполярные конфигурации являются наиболее простыми в управлении.Биполярная схема требует более сложного драйвера для правильной последовательности обмоток для управления двигателем, что также обеспечивает дополнительные преимущества в производительности, такие как более высокий удерживающий момент.

Шаговые приводы

доступны в широком диапазоне номинальных напряжений и токов. Производительность двигателя сильно зависит от тока и напряжения, подаваемых приводом. Термины «полный шаг», «полушаг» и «микрошаг» обычно используются для описания шаговых двигателей. Шаговый двигатель 1,8°, например, имеет 200 дискретных позиций при полном обороте на 360°.Поскольку 360°, деленное на 200, равно 1,8°, вал двигателя будет продвигаться на 1,8° каждый раз, когда двигателю подается команда сделать один шаг, известный как полный шаг. Термин «полушаг» указывает на угол шага 0,9° (половину полного шага в 1,8°), который достигается с помощью метода переключения, который поочередно подает положительный ток, отсутствие тока и отрицательный ток к каждой обмотке последовательно. Термин «микрошаг» относится к более сложной форме управления, которая выходит за рамки простого переключения мощности между фазными обмотками двигателя для управления величиной тока, подаваемого на отдельные обмотки.Основным преимуществом микрошагов является уменьшение амплитуды резонанса, возникающего, когда двигатель работает на своей собственной частоте. Микрошаг позволяет расположить вал в местах, отличных от положений 1,8° или 0,9°, предусмотренных полношаговыми и полушаговыми методами. Положения микрошага возникают между двумя угловыми точками вращения ротора. Наиболее распространенные приращения микрошага составляют 1/5, 1/10, 1/16, 1/32, 1/125 и 1/250 полного шага.

Другие ресурсы для проверки

Отслеживание шагов первого промышленного шагового двигателя »

Это один маленький шаг… Угол шага 0,9 и 1,8 градуса »

Что такое шаговые приводы и как они работают?

Шаговый привод — это схема привода, которая управляет работой шагового двигателя. Шаговые приводы работают, посылая ток через различные фазы импульсами на шаговый двигатель. Существует четыре типа: волновые приводы (также называемые однофазными приводами), двухфазные приводы, одно-двухфазные приводы и микрошаговые приводы.

Волновые или однофазные приводы работают только с одной фазой, включенной в каждый момент времени.Рассмотрим иллюстрацию ниже. Когда привод подает питание на полюс А (южный полюс), показанный зеленым цветом, он притягивает северный полюс ротора. Затем, когда привод подает питание на B и выключает A, ротор поворачивается на 90°, и это продолжается, пока привод подает питание на каждый полюс по одному.

Инженеры редко используют волновой привод: он неэффективен и обеспечивает небольшой крутящий момент, поскольку в каждый момент времени включается только одна фаза двигателя.

Двухфазное вождение названо так потому, что две фазы включаются одновременно.Если привод питает оба полюса A и B как южные полюса (показаны зеленым цветом), то северный полюс ротора притягивается к обоим в равной степени и выравнивается посередине двух. По мере того, как последовательность возбуждения продолжается таким образом, ротор постоянно выравнивается между двумя полюсами.

При двухфазном включении разрешение не лучше, чем при однофазном, но при этом создается больший крутящий момент.

Управление с включением одной-двух фаз получило свое название от способа, которым привод активирует 1 или 2 фазы в любой момент времени.В этом методе управления, также известном как полушаговый, привод подает питание на полюс А (показан зеленым цветом)… затем на полюса А и В… затем на полюс В… и так далее.

Одно-двухфазное вождение обеспечивает более точное разрешение движения. Когда две фазы включены, двигатель создает больший крутящий момент. Одно предостережение: пульсация крутящего момента вызывает беспокойство, поскольку может вызвать резонанс и вибрацию.

Микрошаговое управление связано с одно-двухфазным управлением.

Microstepping обеспечивает очень точное разрешение движения.Здесь привод использует регулировку тока для предотвращения колебаний крутящего момента. С помощью этой технологии инженеры могут использовать шаговые двигатели в большем количестве приложений.

Таким образом, привод с микрошагом увеличивает и уменьшает ток по синусоиде, поэтому ни один полюс не может быть полностью включен или выключен. Вот пример микрошагового синусоидального тока:

Обратите внимание на тонкий неровный контур синусоидального тока. Хотя микрошаг не обязательно повышает точность, он обеспечивает более высокое разрешение, чем другие режимы вождения, что особенно полезно для приложений, в которых двигатель работает без нагрузки.Во время работы моторы могут пропускать шаги. Тем не менее, микрошаг распределяет энергию вместо того, чтобы доставлять ее двигателю сразу, что может вызвать звон и перерегулирование.

Для всех этих форм привода двигатели могут иметь разные обмотки. Униполярные двигатели принимают только положительное напряжение. Однополярный требует дополнительного провода в середине каждой катушки, чтобы ток протекал от одного конца к другому. Биполярные шаговые двигатели используют как положительное, так и отрицательное напряжение. Биполярные шаговые двигатели имеют больший крутящий момент, потому что они создают более сильное магнитное поле, но их конструкция также требует большего количества проводов.

Для получения дополнительной информации:

Веб-сайт Oriental Motor, посвященный шаговым двигателям

Техасский университет в Остине: Архив STMicroelectronics PDF

Электронная книга

: все о схемах — шаговые двигатели

Как работают шаговые двигатели

На рисунках ниже показаны два сечения 5-фазного шагового двигателя. Шаговый двигатель состоит в основном из двух частей: статора и ротора. Ротор состоит из трех компонентов: ротора 1, ротора 2 и постоянного магнита.Ротор намагничен в осевом направлении, так что, например, если ротор 1 поляризован на север, ротор 2 будет поляризован на юг.

Статор имеет десять магнитных полюсов с маленькими зубьями, каждый полюс снабжен обмоткой. Каждая обмотка соединена с обмоткой противоположного полюса, так что оба полюса намагничиваются с одинаковой полярностью, когда ток проходит через пару обмоток. (Пропускание тока через данную обмотку намагничивает противоположную пару полюсов той же полярности, т.э., север или юг.)

Противоположная пара полюсов составляет одну фазу. Поскольку имеется пять фаз от A до E, двигатель называется «5-фазным шаговым двигателем».

На внешнем периметре каждого ротора имеется 50 маленьких зубьев, при этом маленькие зубья ротора 1 и ротора 2 механически смещены друг относительно друга на половину шага зубьев.

Возбуждение: Для подачи тока через обмотку двигателя

Магнитный полюс: Выступающая часть статора, намагниченная возбуждением

Мелкие зубья:
Зубья на роторе и статоре

Принцип работы

Ниже приводится объяснение взаимосвязи между малыми зубьями намагниченного статора и малыми зубьями ротора.

При возбуждении фазы «А»

При возбуждении фазы А ее полюса поляризованы на юг. Это притягивает зубья ротора 1, поляризованные на север, и отталкивает зубья ротора 2, поляризованные на юг. Следовательно, силы, действующие на весь блок в равновесии, удерживают ротор в неподвижном состоянии. В это время зубцы полюсов фазы В, которые не возбуждены, смещены с южнополяризованными зубьями ротора 2 так, что они смещены на 0,72˚. Это суммирует взаимосвязь между зубьями статора и зубьями ротора при возбужденной фазе А.

При возбуждении фазы «В»

Когда возбуждение переключается с фазы A на B, полюса фазы B поляризованы на север, притягивая южную полярность ротора 2 и отталкивая северную полярность ротора 1.

Другими словами, при переключении возбуждения с фазы А на В ротор поворачивается на 0,72˚. Когда возбуждение переходит от фазы A к фазам B, C, D и E, а затем обратно к фазе A, шаговый двигатель вращается точно в 0.72˚ шагов. Чтобы вращаться в обратном направлении, измените последовательность возбуждения на фазы A, E, D, C, B, а затем обратно на фазу A.

Высокое разрешение 0,72˚ присуще механическому смещению между статором и ротором, что позволяет достичь точного позиционирования без использования энкодера или других датчиков. Достигается высокая точность остановки }3 угловых минуты (без нагрузки), поскольку единственными факторами, влияющими на точность остановки, являются различия в точности обработки статора и ротора, точности сборки и сопротивлении обмоток постоянному току.

Драйвер выполняет роль переключателя фаз, а его синхронизация управляется импульсно-сигнальным входом в драйвер. В приведенном выше примере показано, что возбуждение продвигается вперед по одной фазе за раз, но в реальном шаговом двигателе эффективное использование обмоток достигается за счет одновременного возбуждения четырех или пяти фаз.

Основные характеристики шаговых двигателей

При применении шаговых двигателей важно учитывать, соответствуют ли характеристики двигателя условиям эксплуатации.
В следующих разделах описываются характеристики, которые необходимо учитывать при применении шаговых двигателей.
Двумя основными характеристиками производительности шагового двигателя являются:

  • Динамические характеристики:  Это пусковые и вращательные характеристики шагового двигателя, в основном влияющие на движение механизма и время цикла.
  • Статические характеристики:  Это характеристики, относящиеся к изменениям угла, которые происходят, когда шаговый двигатель находится в режиме покоя, влияя на уровень точности оборудования.

Динамические характеристики

Характеристики скорости и крутящего момента  На рисунке выше представлен график характеристик, показывающий взаимосвязь между скоростью и крутящим моментом приводимого шагового двигателя. Эти характеристики всегда учитываются при выборе шагового двигателя. Горизонтальная ось представляет скорость на выходном валу двигателя, а вертикальная ось представляет крутящий момент. Характеристики скорость-крутящий момент определяются двигателем и приводом, и на них сильно влияет тип используемого привода.

  • Максимальный удерживающий момент (TH)  Максимальный удерживающий момент — это максимальная удерживающая мощность (крутящий момент) шагового двигателя при подаче питания (при номинальном токе), когда двигатель не вращается.
  • Момент отрыва  Момент отрыва – это максимальный крутящий момент, который может быть выдан при заданной скорости. При выборе двигателя убедитесь, что требуемый крутящий момент находится в пределах этой кривой.
  • Максимальная пусковая частота (fS)  Это максимальная импульсная скорость, при которой двигатель может запускаться или останавливаться мгновенно (без времени разгона/торможения), когда нагрузка трения и инерционная нагрузка шагового двигателя равны 0.Вождение двигателя с импульсной скоростью, превышающей эту скорость, потребует постепенного ускорения или замедления. Эта частота будет уменьшаться, когда к двигателю добавляется инерционная нагрузка. См. характеристики инерционной нагрузки – пусковой частоты ниже.

Максимальная частота отклика (fr)  Это максимальная скорость импульса, при которой двигатель может работать посредством постепенного ускорения или замедления, когда нагрузка трения и инерционная нагрузка шагового двигателя равны 0.На рисунке ниже показаны характеристики скорость-крутящий момент 5-фазного шагового двигателя и драйвера.

Инерционная нагрузка — характеристики пусковой частоты  Эти характеристики показывают изменения пусковой частоты, вызванные инерцией нагрузки. Поскольку ротор шагового двигателя и нагрузка имеют свой собственный момент инерции, на оси двигателя возникают задержки и опережения во время мгновенного пуска и остановки. Эти значения изменяются в зависимости от скорости импульса, но двигатель не может следовать скорости импульса за пределами определенной точки, что приводит к ошибкам.Скорость импульса непосредственно перед возникновением оплошности называется начальной частотой.

Изменения максимальной пусковой частоты при инерционной нагрузке можно аппроксимировать по следующей формуле:

Характеристики вибрации

Шаговый двигатель совершает серию шаговых движений. Шаговое движение может быть описано как одношаговая реакция, как показано ниже:

1. Одиночный импульс, поступающий на шаговый двигатель в состоянии покоя, ускоряет двигатель до следующего положения остановки.

2. Ускоренный двигатель вращается через положение остановки, перескакивает на определенный угол и отводится назад в обратном направлении.

3. Двигатель останавливается в заданном положении после демпфирующих колебаний.

Вибрация на низких скоростях вызвана ступенчатым движением, которое создает этот тип демпфирующих колебаний. На приведенном ниже графике характеристик вибрации представлена ​​величина вибрации двигателя при вращении. Чем ниже уровень вибрации, тем плавнее будет вращение двигателя.

Статические характеристики

Характеристики угла – крутящего момента:  Характеристики угла – крутящего момента показывают взаимосвязь между угловым смещением ротора и крутящим моментом, приложенным извне к валу двигателя, когда двигатель возбуждается номинальным током. Кривая для этих характеристик показана ниже:

На следующих рисунках показано взаимное расположение зубьев ротора и статора в пронумерованных точках на схеме выше.При устойчивом положении в точке (1) внешнее приложение силы к валу двигателя создаст крутящий момент T (+) в левом направлении, пытаясь вернуть вал в устойчивую точку (1). Вал остановится, когда внешняя сила сравняется с крутящим моментом в точке (2).

При приложении дополнительной внешней силы существует угол, при котором создаваемый крутящий момент достигает своего максимума в точке (3). Этот крутящий момент называется максимальным удерживающим крутящим моментом TH.

Приложение внешней силы, превышающее это значение, приведет ротор к точке нестабильности (5) и выше, создав крутящий момент T (-) в том же направлении, что и внешняя сила, так что он переместится в следующую точку устойчивости (1 ) и останавливается.

Стабильные точки:  Точки, в которых останавливается ротор, при этом зубья статора и зубья ротора точно выровнены. Эти точки чрезвычайно стабильны, и ротор всегда будет останавливаться там, если не будет приложена внешняя сила.


Нестабильные точки:  Точки, в которых зубья статора и ротора смещены на полшага. Ротор в этих точках будет двигаться к следующей устойчивой точке влево или вправо даже при малейшей внешней силе.

Угловая точность

Шаговый двигатель без нагрузки имеет угловую точность в пределах ±3 угловых минуты (±0,05˚). Небольшая ошибка возникает из-за разницы в механической точности статора и ротора, а также из-за небольшой разницы в сопротивлении постоянного тока обмотки статора. Как правило, угловая точность шагового двигателя выражается в терминах точности положения остановки.

Точность положения остановки:  Точность положения остановки представляет собой разницу между теоретическим положением остановки ротора и его фактическим положением остановки.За исходную точку принимается заданная точка остановки ротора, тогда точность положения остановки представляет собой разницу между максимальным (+) значением и максимальным (-) значением в совокупности измерений, выполненных для каждого шага полного оборота.

Точность положения остановки составляет ±3 угловых минуты (±0,05˚), но только в условиях отсутствия нагрузки. В реальных приложениях всегда присутствует одна и та же величина фрикционной нагрузки. Угловая точность в таких случаях обеспечивается угловым смещением, вызванным характеристикой «угол-крутящий момент», основанной на фрикционной нагрузке.Если нагрузка трения постоянна, угол смещения будет постоянным для однонаправленной работы.

Однако при двунаправленном движении угол смещения увеличивается в два раза за круговорот. Если требуется высокая точность остановки, всегда устанавливайте в одном и том же направлении.

Последовательность возбуждения шагового двигателя и пакеты драйверов

Каждый 5-фазный двигатель и драйвер, представленный в нашем каталоге, состоит из двигателя New Pentagon с пятью проводами и драйвера со специальной последовательностью возбуждения.Эта комбинация, разработанная компанией Oriental Motor, предлагает следующие преимущества:

  • Простые соединения для пяти проводов
  • Низкая вибрация

В следующих разделах описывается последовательность проводки и возбуждения.

New Pentagon, 4-фазное возбуждение: полношаговая система (0,72˚/шаг)

Это уникальная система для 5-фазного двигателя, в которой возбуждаются четыре фазы. Угол шага составляет 0,72˚ (0,36˚).Он обеспечивает отличный демпфирующий эффект и, следовательно, стабильную работу.

      

New Pentagon, 4-5-фазное возбуждение: полушаговая система (0,36°/шаг)

Пошаговая последовательность чередования 4-фазного и 5-фазного возбуждения приводит к вращению на 0,36˚ за шаг. Один оборот можно разделить на 1000 шагов.

Драйверы шаговых двигателей

Существуют две распространенные системы привода шагового двигателя: привод постоянного тока и привод постоянного напряжения.Схема привода с постоянным напряжением проще, но добиться характеристик крутящего момента на высоких скоростях относительно сложнее.
С другой стороны, привод постоянного тока в настоящее время является наиболее часто используемым методом привода, поскольку он обеспечивает отличные характеристики крутящего момента на высоких скоростях. Все водители Oriental Motor используют систему привода постоянного тока.

Обзор системы привода постоянного тока

Шаговый двигатель вращается за счет последовательного включения тока, протекающего по обмоткам.Когда скорость увеличивается, скорость переключения также становится выше, а рост тока отстает, что приводит к потере крутящего момента. Прерывание постоянного напряжения, намного превышающего номинальное напряжение двигателя, гарантирует, что номинальный ток достигнет двигателя даже на более высоких скоростях.

Ток, протекающий по обмоткам двигателя, определяемый как напряжение через резистор обнаружения тока, сравнивается с эталонным напряжением. Управление током осуществляется путем удержания переключающего транзистора Tr2 во включенном состоянии, когда напряжение на детектирующем резисторе ниже опорного напряжения (когда оно не достигло номинального тока), или отключения Tr2, когда значение выше опорного напряжения ( когда он превышает номинальный ток), тем самым обеспечивая постоянный расход номинального тока.

Различия между входными характеристиками переменного и постоянного тока

Шаговый двигатель приводится в действие напряжением постоянного тока, подаваемым через драйвер. В комплектах двигателей и драйверов Oriental Motor с входным напряжением 24 В постоянного тока к двигателю подается 24 В постоянного тока. В двигателях и драйверах на 100-115 В переменного тока вход выпрямляется до постоянного тока, а затем на двигатель подается примерно 140 В постоянного тока. (Некоторые продукты являются исключениями.)

Эта разница в напряжениях, подаваемых на двигатели, проявляется как разница в характеристиках крутящего момента на высоких скоростях.Это связано с тем, что чем выше приложенное напряжение, тем быстрее будет нарастание тока через обмотки двигателя, что облегчает подачу номинального тока на более высоких скоростях.

Таким образом, двигатель переменного тока и блок драйвера имеют превосходные характеристики крутящего момента в широком диапазоне скоростей, от низких до высоких скоростей, предлагая большое передаточное число. Рекомендуется, чтобы для ваших приложений рассматривались двигатели с входом переменного тока и комплекты драйверов, совместимые с более широким диапазоном условий эксплуатации.

Технология микрошагового привода

Технология привода Microstep

используется для разделения основного угла шага (0,72˚) 5-фазного шагового двигателя на более мелкие шаги (максимум до 250 делений) без использования механизма снижения скорости.

◇ Технология микрошагового привода

Шаговый двигатель перемещается и останавливается с шагом, равным углу шага, определяемому конструкцией явно выраженных полюсов ротора и статора,
легко достигая высокой степени точности позиционирования.С другой стороны, шаговый двигатель вызывает изменение скорости вращения ротора, поскольку
двигатель вращается с шагом шага, что приводит к резонансу или большей вибрации на заданной скорости.

Microstepping — это технология, которая обеспечивает низкий резонанс и низкий уровень шума при работе на чрезвычайно низких скоростях за счет управления потоком электрического тока
, подаваемого на катушку двигателя, и, таким образом, деления основного угла шага двигателя на более мелкие шаги.

  • Базовый угол шага двигателя (0.72˚/полный шаг) можно разделить на более мелкие шаги в диапазоне от 1/1 до 1/250. Таким образом, микрошаг обеспечивает плавную работу.
  • Благодаря технологии плавного изменения тока привода двигателя вибрация двигателя может быть сведена к минимуму для обеспечения малошумной работы.

◇ До 250 микрошагов

Благодаря микрошаговому драйверу различные углы шага (от 16 шагов до 250 делений) могут быть установлены с помощью двух переключателей установки угла шага. Управляя входным сигналом для переключения угла шага через внешний источник, можно переключать угол шага между уровнями, установленными для соответствующих переключателей.

 

Характеристики привода Microstep


● Низкая вибрация
Технология привода Microstep электронно делит угол шага на более мелкие шаги, обеспечивая плавное пошаговое движение на низких скоростях и значительно снижая вибрацию. В то время как демпфер или аналогичное устройство обычно используется для снижения вибрации, конструкция с низким уровнем вибрации, используемая для самого двигателя, вместе с технологией микрошагового привода более эффективно минимизирует вибрацию.Антивибрационные меры могут быть значительно упрощены, поэтому он идеально подходит для большинства приложений и оборудования, чувствительных к вибрации.

● Низкий уровень шума
Технология привода Microstep эффективно снижает уровень шума, связанного с вибрацией, на низких скоростях, обеспечивая низкий уровень шума. Двигатель демонстрирует выдающуюся производительность даже в самых чувствительных к шуму условиях.


● Улучшенная управляемость
Новый микрошаговый драйвер Pentagon с превосходными демпфирующими характеристиками сводит к минимуму перерегулирование и недорегулирование в ответ на ступенчатые изменения, точно следуя последовательности импульсов и обеспечивая улучшенную линейность.Кроме того, можно уменьшить ударную нагрузку, обычно возникающую при трогании с места и остановке.

Пакет шагового двигателя и драйвера

Обзор системы управления

◇ Датчик для определения положения ротора

Датчик определения положения ротора встроен в противоположный конец выходного вала двигателя:

 

Обмотка датчика обнаруживает изменения магнитного сопротивления из-за углового положения ротора.

С инновационной системой управления с обратной связью

Счетчик отклонений вычисляет отклонение (запаздывание/опережение) фактического углового положения ротора относительно команды положения импульсным сигналом. Результат расчета используется для обнаружения «области ошибочного шага» и управления двигателем путем переключения между режимами разомкнутого и замкнутого контура.

  • Если отклонение позиционирования меньше }1,8˚, двигатель работает в режиме разомкнутого контура.
  • Если отклонение позиционирования составляет }1,8˚ или больше, двигатель работает в режиме замкнутого контура.

В режиме замкнутого контура возбуждение обмотки двигателя регулируется таким образом, чтобы развивался максимальный крутящий момент для заданного углового положения ротора. Этот метод управления устраняет нестабильные точки (зоны неточностей) в характеристике «угол-крутящий момент».

Возможности AlphaStep

◇ Улучшенная производительность шагового двигателя

  • На высоких скоростях не будет «оплошностей».Поэтому, в отличие от обычных шаговых двигателей, работа будет свободна от следующих ограничений:
  • Ограничения скорости разгона/торможения и коэффициента инерции, обусловленные профилем импульсов контроллера.
  • Ограничения скорости пускового импульса, вызванные «ошибкой».
  • Используйте фильтр скорости для настройки отклика при запуске/остановке. Реагирование на пуск/остановку можно настроить с помощью 16 настроек без изменения данных контроллера (пусковой импульс, коэффициенты ускорения/торможения).Эта функция предназначена для уменьшения ударов при работе и вибрации при работе на низкой скорости.

Возврат к механическому исходному режиму работы с использованием сигнала синхронизации возбуждения

● Сигнал синхронизации возбуждения
Сигнал синхронизации возбуждения (TIM.) выводится, когда драйвер первоначально возбуждает шаговый двигатель (шаг «0»). 5-фазный шаговый двигатель и драйверы Oriental Motor выполняют начальное возбуждение при включении питания и продвигают последовательность возбуждения
каждый раз, когда поступает импульсный сигнал, завершая один цикл при вращении вала двигателя 7.2˚.

Используйте эти сигналы синхронизации, когда необходимо выполнить высоковоспроизводимый возврат к механическому домашнему режиму. В следующих разделах описывается возврат шагового двигателя к механическому исходному режиму и использование сигналов синхронизации.

● Возврат к механическому домашнему режиму работы шаговых двигателей

При включении питания для запуска автоматизированного оборудования или перезапуске оборудования после сбоя питания необходимо вернуть шаговые двигатели в исходное положение.Эта операция называется «возврат к механическому домашнему режиму».

Возврат к механическому исходному режиму шаговых двигателей использует датчики исходного положения для обнаружения механического компонента, используемого для операции позиционирования. Когда обнаруженные сигналы подтверждаются, контроллер прекращает подачу импульсного сигнала, и шаговый двигатель останавливается. Точность исходного положения при таком возврате к механическому исходному положению зависит от эффективности обнаружения датчиков исходного положения. Поскольку эффективность обнаружения датчиков исходного положения зависит от таких факторов, как температура окружающей среды и скорость приближения к зоне обнаружения механизма, необходимо уменьшить эти факторы для приложений, требующих точно воспроизводимого механического определения исходного положения.

● Улучшенная воспроизводимость с использованием сигнала синхронизации возбуждения

Метод обеспечения того, чтобы механическое исходное положение не менялось из-за различий в характеристиках обнаружения датчиков исходного положения, заключается в остановке импульсного сигнала путем логического умножения на синхронизирующий сигнал. Так как синхронизирующий сигнал выводится при начальном возбуждении, если импульсный сигнал останавливается, когда выводится синхронизирующий сигнал, механическое исходное положение всегда будет определяться при начальном возбуждении.

Связь между длиной кабеля и частотой передачи

По мере увеличения длины кабеля импульсной линии максимальная частота передачи уменьшается. В частности, резистивная составляющая и паразитная емкость кабеля вызывают формирование цепи CR, тем самым задерживая время нарастания и спада импульса. Блуждающая емкость в кабеле возникает между электрическими проводами и плоскостями заземления. Однако трудно предоставить четкие числовые данные, поскольку условия различаются в зависимости от типа кабеля, его разводки, прокладки и других факторов.

Частота передачи при работе в сочетании с нашими продуктами (референтные значения фактических измерений) показана ниже:

Влияние жесткости муфты на оборудование

Спецификации, которые указывают рабочие характеристики муфты, включают допустимую нагрузку, допустимую скорость, коэффициент жесткости при кручении, люфт (люфт) в муфте и допустимую несоосность. На практике при выборе муфт для оборудования, требующего высокой эффективности позиционирования или низкой вибрации, первичным критерием выбора будет «жесткость без люфта».» Однако в некоторых случаях жесткость муфты лишь незначительно влияет на общую жесткость оборудования.

В этом разделе приводится пример сравнения общей жесткости оборудования, состоящего из шарико-винтовой передачи, в двух приложениях, где используются кулачковая муфта, такая как MCS, и сильфонная муфта, обеспечивающая более высокую жесткость. (Данные взяты из технического документа КТР, поэтому размеры муфты отличаются от изделий, предлагаемых Oriental Motor.)

Обзор испытательного оборудования

Спецификации деталей

Коэффициент упругости кулачковой муфты при кручении
Cj  = 21000 [Н·м/рад]

Жесткость сильфонной муфты при кручении
Cb  = 116000 [Н・м/рад]

Жесткость серводвигателя
См  =

[Н・м/рад]


Ход шарико-винтовой передачи
h  = 10 [мм]

Диаметр корневой окружности шарикового винта
d  = 28.5 [мм]

Длина ШВП
L = 800 [мм]

Жесткость подшипника в осевом направлении
Rbrg  = 750 [Н/мкм]

Жесткость гайки ШВП в осевом направлении
Rn = 1060 [Н/мкм]

Модуль упругости ШВП
Rf = 165000 [Н/мм2]

1. Определите жесткость на кручение шарико-винтовой передачи, подшипника и гайки. Жесткость в осевом направлении ШВП Rs рассчитывается следующим образом:

Следовательно, общая жесткость в осевом направлении шарико-винтовой передачи, подшипника и гайки Rt рассчитывается следующим образом:

Эта жесткость в осевом направлении применяется как жесткость на кручение Ct.

2. Добейтесь общей жесткости оборудования C при использовании кулачковой муфты.


3. Получите общую жесткость оборудования C при использовании сильфонной муфты.

4. Результаты расчета

Двигатели

, разработанные для простого управления: как работают шаговые двигатели?

Шаговые двигатели приводятся в действие импульсами постоянного тока. Как работают эти моторы? Ниже приводится простое объяснение особенностей шаговых двигателей и принципов их работы.

Что такое шаговый двигатель?

Вместо непрерывного вращения вала, как это делает двигатель переменного или постоянного тока, шаговый двигатель вращает вал прерывисто, на фиксированный угол на каждом шаге. Двигатель отличается высокой степенью точности благодаря простоте управления углом и скоростью вращения с помощью электрических импульсов (электрические сигналы, создаваемые включением и выключением источника питания).

Движение секундной стрелки часов, например, идет вперед на одну секунду за раз.Это достигается поворотом вала с шагом 6° каждую секунду. То есть шаговые двигатели работают, вращаясь с фиксированными шагами в фиксированные моменты времени.

Характеристики шагового двигателя и использование

Шаговые двигатели

просты, надежны и не требуют энкодера или других электронных компонентов для определения положения внутри. Кроме того, тот факт, что шаговые двигатели обладают высокой точностью, делает этот двигатель привлекательным.

Управлять углом поворота очень просто, поскольку он пропорционален количеству цифровых импульсов, подаваемых на двигатель.Другие преимущества включают возможность вращения на низкой скорости, надежное запирание в заданном положении при остановке и использование управления положением без обратной связи.

Недостатками являются склонность к вибрации и шуму и склонность к потере синхронизации при неожиданном изменении нагрузки.

Ниже приведены некоторые продукты, в которых используются шаговые двигатели.

  • Производственное оборудование
  • Медицинское оборудование
  • Банкоматы
  • Роботы
  • 3D-принтеры
  • Аналитические приборы
  • Лазерные принтеры
  • Цифровые камеры
  • Торговые автоматы
  • Жалюзи кондиционера
  • Камеры наблюдения

Типы шаговых двигателей

Шаговые двигатели

можно разделить на следующие три категории в зависимости от конструкции ротора вала двигателя.

Двигатель с постоянными магнитами (PM)
Ротор содержит постоянный магнит. Эта структура заключается в том, что она не может обеспечить гибкость по углу поворота (угол шага).

Электродвигатель с переменным сопротивлением (VR)
Ротор содержит сердечники, имеющие форму зубьев шестерни. Это обеспечивает большую гибкость в настройке угла шага.

Гибридный (HB) двигатель
Ротор содержит как постоянный магнит, так и сердечники, имеющие форму зубьев шестерни.Этот тип двигателя сочетает в себе преимущества двигателей PM и VR.
Шаговые двигатели

также можно разделить на следующие две категории в зависимости от того, как электрический ток протекает через катушку.

Униполярный двигатель
Ток в униполярном двигателе всегда протекает через каждую обмотку катушки в одном направлении. Это делает соответствующую схему управления простой и хорошо работает для высокоскоростного привода. Недостатком является то, что он производит меньший крутящий момент, чем биполярный двигатель.

Биполярный двигатель
Ток в биполярном двигателе может протекать через обмотки катушки в обоих направлениях.Преимуществом является простая внутренняя конструкция, позволяющая эффективно использовать обмотки двигателя и сводящая к минимуму повышение температуры.

Как работают шаговые двигатели

Шаговые двигатели

состоят из статора с обмоткой и ротора со встроенным постоянным магнитом, который намагничивается в осевом направлении. Переменный ток возбуждения в фазной обмотке статора опережает двигатель на его характерный угол поворота (угол шага).

Чтобы понять, как движется двигатель, рассмотрим пример двухфазного униполярного шагового двигателя с коэффициентом 1.Угол шага 8°. Статор имеет восемь магнитных полюсов, расположенных с интервалом 45°, каждый из которых имеет пять зубцов, расположенных с интервалом 7,2°. Каждый магнитный полюс также имеет обмотку катушки, как показано на рисунке 1. Пропускание тока через катушку, как показано в таблице 1, создает вращающееся магнитное поле на статоре, подобное изображенному на рисунке 2.

Рис. 1 Статор

Таблица 1 Последовательность возбуждения (однофазное возбуждение)

Рис. 2 Вращающееся магнитное поле, создаваемое чередующейся фазой возбуждения

Ротор состоит из магнита и двух сердечников ротора с 50 зубьями.Сердечники ротора смещены друг относительно друга на половину шага. На рис. 3 показано, как движется ротор при чередовании фаз возбуждения ротора.

Рис. 3 Однофазный привод возбуждения

Шаг 1
Возбуждение фазы A приводит к тому, что зубья полюса S сердечника ротора совмещаются с магнитными полюсами 1 и 5 статора, а зубья полюса N совмещаются с магнитными полюсами 3 и 7, так что оба S и N удерживаются неподвижно магнитным полем. достопримечательности. При этом зубья полюса S сердечника ротора отстают по фазе относительно магнитных полюсов 2 и 6 статора, а полюса N отстают по фазе относительно магнитных полюсов 4 и 8, в обоих случаях на четверть шаг (1.8°).

Шаг 2
Далее вместо этого возбуждается фаза B. Поскольку точка стабильности для этого возбуждения находится там, где зубцы магнитных полюсов 2 и 6 статора и магнитные полюса 4 и 8 совмещены с зубьями ротора, возбуждение фазы B заставляет ротор вращаться на четверть шага (1,8 °).

Шаг 3
Каждое последующее чередование возбуждения также вызывает вращение ротора на четверть шага.

Как управляются шаговые двигатели

Вращение шагового двигателя точно управляется с помощью электрических сигналов.Сигналы представляют собой импульсы, генерируемые при включении и выключении электричества, а угол поворота определяется количеством импульсов, подаваемых на драйвер. Точно так же скорость двигателя пропорциональна частоте пульса.

Угол, скорость и направление вращения можно контролировать с помощью любого из следующих трех шаблонов ввода импульсов.

Одноимпульсный режим

В этом режиме импульсы вводятся для вращения привода, а сигнал направления удерживается на высоком или низком уровне для указания направления вращения.

Двойной импульсный режим

В этом режиме отдельные импульсные входы по часовой стрелке (CW) и против часовой стрелки (CCW) определяют направление вращения. То есть импульсы CW вращают двигатель по часовой стрелке, а импульсы CCW вращают его против часовой стрелки.

Импульсный режим фазы A/фазы B

В этом режиме вводятся отдельные импульсы фазы A и фазы B со смещением фазы примерно на 90°, а генерируемое направление вращения определяется опережающей или отстающей разностью фаз.То есть двигатель вращается по часовой стрелке, если опережает фаза А, и против часовой стрелки, если опережает фаза В.

Изменения в последовательности возбуждения также могут дополнительно варьировать характеристики двигателя в соответствии с различными приложениями, управляя им полным шагом, полушагом или микрошагом. Микрошаговый привод обеспечивает более точное управление углом шага за счет подачи тока возбуждения, который отличается от гладкой синусоиды лишь очень маленькими градациями.

Типичный шаговый двигатель генерирует затухающие колебания из-за остановки после каждого шага.Это может быть источником вибрации и шума. Использование микрошагового привода потенциально может уменьшить эту низкоскоростную вибрацию и шум, уменьшив угол шага, тем самым сводя к минимуму эти затухающие колебания. Хотя микрошаговый привод имеет тенденцию немного снижать угловую точность по сравнению с другими режимами привода, это очень полезная опция, когда требуется низкий уровень вибрации и шума.

Шаговые двигатели с простым механизмом

Шаговые двигатели — это двигатели, которые вращаются с фиксированным угловым приращением.Простая конструкция, состоящая из магнита и катушек, высокая точность и низкий уровень отказов делают их привлекательным предложением. Ими легко управлять с помощью электрических импульсов, при этом их угол и скорость вращения определяются количеством и скоростью ввода импульсов и режимом ввода импульсов. Мы надеемся, что вы сможете использовать эти двигатели с пользой, основываясь на полном понимании того, как они управляются.

Решение проблем с шаговыми двигателями

ASPINA поставляет не только автономные шаговые двигатели, но и системные продукты, включающие системы привода и управления, а также механические конструкции.Они подкреплены всесторонней поддержкой, которая простирается от прототипирования до коммерческого производства и послепродажного обслуживания.
ASPINA может предложить решения, адаптированные к функциям и характеристикам, требуемым в различных отраслях промышленности, областях применения и потребительских продуктах, а также для ваших конкретных производственных схем.

ASPINA поддерживает не только клиентов, которые уже знают свои требования или спецификации, но и тех, кто сталкивается с проблемами на ранних стадиях разработки.
Вы боретесь со следующими проблемами?

Выбор двигателя

  • У вас еще нет подробных спецификаций или проектных чертежей, но вам нужен совет по двигателям?
  • У вас нет штатного специалиста по двигателям, и вы не можете определить, какой тип двигателя лучше всего подойдет для вашего нового продукта?

Разработка двигателя и связанных с ним компонентов

  • Хотите сосредоточить свои ресурсы на основных технологиях и заказать приводные системы и разработку двигателей?
  • Хотите сэкономить время и силы на перепроектирование существующих механических компонентов при замене двигателя?

Уникальное требование

  • Вам нужен нестандартный двигатель для вашего продукта, но ваш обычный поставщик отказался?
  • Не можете найти двигатель, который дает вам требуемый контроль, и почти теряете надежду?

Ищете ответы на эти вопросы? Свяжитесь с ASPINA, мы здесь, чтобы помочь.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.