Шаговый двигатель принцип работы схема

Содержание

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

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.

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:

Читайте также:  Как почистить монету из мельхиора

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

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.

Предшественником шагового двигателя является серводвигатель.

Шаговые (импульсные) двигатели непосредственно преобразуют управляющий сигнал в виде последовательности импульсов в пропорциональный числу импульсов и фиксированный угол поворота вала или линейное перемещение механизма без датчика обратной связи. Это обстоятельство упрощает систему привода и заменяет замкнутую систему следящего привода (сервопривода) разомкнутой, обладающей такими преимуществами, как снижение стоимости устройства (меньше элементов) и увеличение точности в связи с фиксацией ротора шагового двигателя при отсутствии импульсов сигнала.

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

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

Конструкция шагового электродвигателя

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

Шаговые двигатели надежны и недороги, так как ротор не имеет контактных колец и коллектора. Ротор имеет либо явно выраженные полюса, либо тонкие зубья. Реактивный шаговый двигатель – имеет ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами. Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах. Гибридный шаговый двигатель имеет составной ротор включающий полюсные наконечники (зубья) из магнитомягкого материала и постоянные магниты. Определить имеет ротор постоянные магниты или нет можно посредством вращения обесточенного двигателя, если при вращении имеется фиксирующий момент и/или пульсации значит ротор выполнен на постоянных магнитах.

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

Характеристики

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

Одним из определяющих параметров шагового двигателя является шаг ротора, то есть угол поворота ротора, соответствующий одному импульсу. Шаговый двигатель делает один шаг в единицу времени в момент изменения импульсов управления. Величина шага зависит от конструкции двигателя: количества обмоток, полюсов и зубьев. В зависимости от конструкции двигателя величина шага может меняться в диапазоне от 90 до 0,75 градусов. С помощью системы управления можно еще добиться уменьшения шага пополам используя соответствующий метод управления.

Типы шаговых двигателей

    По конструкции ротора выделяют три типа шаговых двигателей:

  • реактивный;
  • с постоянными магнитами;
  • гибридный.

Реактивный шаговый двигатель

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

Ниже представлены осциллограммы управления для трехфазного шагового двигателя.

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

,

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

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

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

    Отличительные черты:

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

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

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

По сравнению с реактивными, шаговые двигатели с активным ротором создают большие вращающие моменты, обеспечивают фиксацию ротора при снятии управляющего сигнала. Недостаток двигателей с активным ротором — большой угловой шаг (7,5—90°). Это объясняется технологическими трудностями изготовления ротора с постоянными магнитами при большом числе полюсов. Если угол фиксации находится в диапазоне от 7,5 до 90 градусов скорее всего это шаговый двигатель с постоянными магнитами нежели гибридный шаговый двигатель.

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

Читайте также:  Перестала работать дрель причины

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель

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

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

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

Биполярный шаговый двигатель

Двухполярные двигатели имеют одну обмотку на фазу. Для того чтобы изменить магнитную полярность полюсов необходимо изменить направление тока в обмотке, для этого схема управления должна быть более сложной, обычно с H-мостом. Биполярный шаговый двигатель имеет два вывода на фазу и не имеет общего вывода. Так как пространство у биполярного двигателя используется лучше, такие двигатели имеют лучший показатель мощность/объем чем униполярные. Униполярный двигатель имеет двойное количество проводников в том же объеме, но только половина из них используется при работе, тем не менее биполярный двигатель сложнее в управление.

Управление шаговым двигателем с постоянными магнитами

Для управления шаговым двигателем на постоянных магнитах к его обмоткам прикладывается сфазированный переменный ток. На практике это почти всегда прямоугольный сигнал сгенерированный от источника постоянного тока. Биполярная система управления генерирует прямоугольный сигнал изменяющийся от плюса к минусу, например от +2,5 В до -2,5 В. Униполярная система управления меняет направление магнитного потока катушки посредством двух сигналов, которые поочереди подаются на противоположные выводы катушки относительно ее центрального ответвления.

Волновое управление

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

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

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

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

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

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

Шаговый двигатель с 4 выводами может управляться только биполярным способом. 6-выводной двигатель предназначен для управления униполярным способом, несмотря на то, что он также может управляться биполярным способом если игнорировать центральные выводы. 5-выводной двигатель может управляться только униполярным способом, так как общий центральный вывод соединяет обе фазы. 8-выводная конфигурация двигателя встречается редко, но обеспечивает максимальную гибкость. Такой двигатель может быть подключен для управления также как 6- или 5- выводной двигатель. Пара обмоток может быть подключена последовательно для высоковольтного биполярного управления с малыми токами или параллельно для низковольтного управления с большими токами.

    8-выводные двигатели могут быть соединены в нескольких конфигурациях:

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

Полношаговое управление

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

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

Полушаговое управление

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

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

Гибридный шаговый двигатель

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

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

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

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

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

    Шаговый гибридный двигатель имеет:

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

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.

Что представляет собой шаговый двигатель?

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:

  • специальный контроллер для шагового привода;
  • магнитные части;
  • обмотки;
  • приборная панель (она же выступает в роли блока управления);
  • передатчики;
  • сигнализаторы.

Шаговый двигатель используется преимущественно для следующих целей:

  • работы фрезерного станка;
  • работы шлифовального станка;
  • обеспечивает работу разных бытовых приборов;
  • работы производственных механических средств;
  • обеспечивает работу транспорта.

Принцип работы привода

Принцип работы данного привода выглядит следующим образом. При приложении напряжении к клеммам, щетки на самом шаговом двигателе начинают постоянно двигаться. Движок холостого хода имеет при этом уникальное свойство: он преобразовывает входящие импульсы, имеющие преимущественно прямоугольную направленность, в заранее обозначенное положение приложенного ведущего вала.

Каждый из входящих импульсом способен переместить вал под определенным углом. Приборы, которые оснащены подобным редуктором, имеют максимальную эффективность при условии наличия нескольких зубчатых электромагнитов, которые находятся вокруг центрального железного куска, имеющего зубчатую форму. Внешняя цепь управления возбуждает электромагнит. При необходимости повернуть вал двигателя, тот электромагнит, к которому приложена энергия, притягивает к себе зубья колеса. Когда они выравниваются по отношению к электромагниту, они смещены по отношению к последующей магнитной части двигателя.

Первый электромагнит выключается, а затем включается второй, после чего начинает вращаться шестеренка, выравниваясь при этом с предыдущим колесом. Затем такое действие повторяется необходимое количество раз. Каждое из таких вращений называют постоянным шагом, при этом скорость вращения шагового двигателя можно вычислить при подсчете количества шагов, нужных для полного его оборота.

Чтобы контролировать работу шагового двигателя применяется специальный драйвер. Это необходимо в тех случаях, если вы настраиваете привод для работы станка или применяете его для запуска в работу ветрогенератора.

Типы шаговых двигателей

Шаговые двигатели подразделяются на такие типы:

  • с наличием постоянного магнита;
  • синхронный гибридный привод;
  • переменный двигатель.

Все они несколько отличаются друг от друга, в том числе и по принципам своей работы.

Так, например, приводы с постоянными магнитами оснащены специальной магнитной деталью в роторе. Такие двигатели работают по принципу притяжения либо отталкивания статором и ротором мотора на основе электромагнита.

Переменный двигатель имеет обычный железный ротор и работа его построена по принципу фундаментальности. Когда допускается минимальный уровень отталкивания с самым малым зазором, при этом точки ротора имеют притяжение к полюсам статора.

А вот гибридный привод может сочетать в себе оба принципа работы, он считается наиболее дорогой моделью шаговых двигателей.

Читайте также:  Очень яркие светодиодные лампы

Двухфазные шаговые двигатели

Двухфазный мотор очень прост, его можно установить человеку без специального опыта. Независимо от того, собрали ли вы его самостоятельно или приобрели в готовом виде, он имеет два типа обмотки для катушек:

Если шаговый двигатель имеет одну обмотку с центральным магнитным краном, влияющим на каждую фазу, то это униполярный привод. Каждую обмоточную секцию следует включить с целью обеспечения нужного направления магнитного поля. В данном приводе магнитный полюс способен функционировать без необходимости дополнительного переключения, поэтому направления тока и цепная коммутация делаются очень просто, при помощи одного транзистора на каждую обмотку. При этом учитываются переключения фазы:

  • три провода на фазу;
  • шесть на выходной сигнал.

Микроконтроллер двигателя привода можно применять с целью активизации транзистора в той или иной последовательности.

А обмотки можно также подключать при помощи прикосновения проводов соединения вместе с постоянными магнитами привода. При соединении катушечных клемм, повернуть вал будет затруднительно. Сопротивление между катушечным торцом и общим проводом равно половине сопротивления катушечных и проводных торцов. Это выглядит так, поскольку общий провод имеет большую длину, нежели половинная часть, используемая для соединения катушек.

Биполярные шаговые двигатели имеют одну фазовую обмотку, в которую ток поступает переломным способом с применением магнитного полюса. Управляющая система в данном случае будет сложной с использованием соединяющего моста. На фазу имеется в наличии два провода, но они не общие. При смешении сигнала шагового двигателя на высоких частотах, эффект трения системы может быть снижен.

Кроме того, еще одним типом шагового двигателя является трехфазный, но сфера его применения слишком узкая:

  • при работе фрезерных станков с ЧПУ;
  • на некоторых автомобилях, где применяется дроссельная заслонка;
  • на дисководе и принтерах некоторых марок.

Реактивные шаговые двигатели: особенности и принцип работы

Стоит отметить, что активные шаговые приводы имеют большой недостаток: это крупный шаг, достигающий нескольких десятков градусов. В отличие от них, реактивные шаговые двигатели способны редуцировать роторную частоту, благодаря чему шаг становится угловым менее градуса.

Главной особенностью реактивного привода является то, что зубцы размещены на статорных полюсах. Синхронизирующий момент в нем обеспечивается разницей магнитных сопротивлений по поперечной и продольной оси привода.

Реактивный шаговый двигатель имеет один ключевой недостаток: в нем отсутствует синхронизирующий момент, если обмотки статора обесточены.

Повысить степень редукции двигателя, причем независимо какого, активного или реактивного, можно при использовании многопакетных конструкций, когда зубцы статора сдвигаются друг на друга на часть деления, а ротора каждого пакета не сдвигаются и оси их полюсов одинаковые. Подобная конструкция очень сложная в плане создания и стоит в готовом виде недешево, также к ней потребуется сложный коммутатор.

На сегодняшний день в продаже можно отыскать огромное количество всевозможных конструкций двигателей, которые отличаются по таким параметрам, как:

  • количество фаз;
  • тип размещения обмотки;
  • способы фиксации ротора и т.д.

В индукторных шаговых двигателях момент вращения создается при взаимодействии магнитного поля, которое создается статорными обмотками и постоянного магнита, располагаемого в зубчатой части зазора.

Синхронизирующий момент в индукторном двигателе сам по себе реактивный, благодаря чему получается статорная обмотка, а постоянный магнит способен создавать момент фиксации, благодаря чему ротор удерживается в нужном положении при отсутствующем токе.

В отличие от реактивного шагового двигателя, индукторный, при аналогичном шаге, имеет больший синхронизирующий момент, а также более улучшенные технические характеристики.

Синхронные линейные шаговые двигатели

С целью автоматизации некоторых производственных процессов на предприятии, иногда возникает необходимость перемещения объектов в плоскости. Чтобы это сделать, потребуется использовать специальный преобразователь вращательного движения в поступательное, что достигается путем применения кинематики.

При помощи линейных шаговых двигателей можно преобразовать импульсную команду прямо в линейное перемещение, что значительно упростит кинематическую схему всевозможных электрических приводов.

Статор в данном приводе представлен в виде магнитомягкой плиты, а провода подмагничиваются путем работы постоянного магнита.

Зубцовые деления в статоре и подвижной части одинаковые, при этом они могут быть сдвинуты на половину деления в пределах одного провода ротора. Поток подмагничивания и его магнитное сопротивление, в данном случае, не зависят от того, где находится подвижная часть двигателя.

Чтобы переместить объект в плоскости согласно двум координатам, применяют двигатели двухкоординатного типа.

Также в линейных двигателях используется магнитно-воздушная подвеска. Благодаря силе магнитного притяжения ротор притягивается к статору. Далее под ротор сквозь форсунки нагнетают воздух в сжатом виде, вследствие чего появляется сила, отталкивающая ротор от статора. Так между ними возникает воздушная подушка и ротор висит над статором с наличием минимально зазора. Это и обеспечивает минимум сопротивления движения ротора и высокоточное позиционирование.

В каких режимах способен работать синхронный шаговый двигатель?

Привод способен работать устойчиво при условии отсутствия потерь шагов во время отработки угла при подаче на обмотки управления импульсных серий. При отработке каждого шага ротор имеет уверенное равновесие по отношению к вектору магнитной индукции, относящейся к магнитному полю статора.

Режим отработки каждого шага должен соответствовать количеству импульсов управления, которые подаются на обмотки привода, а он при этом, до момента прихода следующего импульса, должен отработать заданный ему угол вращения. В начале каждого из шагов угловая двигательная скорость должна быть нулевой.

Допускаются колебания углового приводного вала по отношению к установившемуся значению. Они обуславливаются наличием кинетической энергии, которая накапливается двигательным валом во время отработки угла. При этом энергия способная преобразовываться в потери:

Чем больше их величина, тем быстрее кончается процесс перехода отработки одного шага приводом.

При запуске ротор может иметь отставание от статорного потока на шаг и даже больше, вследствие чего получается расхождение между количеством роторных шагов и статорным потоком.

Ключевые характеристики шагового двигателя – это:

  • шаг;
  • предельная механическая характеристика;
  • приемистость.

Предельная характеристика представляет собой зависимость максимально возможного синхронизирующего момента от частот управляющих импульсов.

А приемистостью называется частота этих импульсов, которая исключает возможность потерь или добавлений шага во время обработки. Приемистость считается ключевым показателем режима перехода в двигателе. Она способна расти вместе с синхронизирующим моментом, снижением шага, инерционным моментом линейно перемещаемых или вращаемых частиц, а также статического момента сопротивления.

Особенности подключения шагового двигателя

Подключить двигатель шагового типа можно по той или иной схеме, которая зависит от количества проводов и способов запуска.

Двигатели могут иметь от четырех до восьми проводов. Если их всего четыре, то применение двигателя возможно только с биполярным устройством. Каждая фазная обмотка, которых всего две, оснащена двумя проводами. Определять проводные пары следует с использованием метра, затем подключается драйвер пошаговым методом.

Мотор, оснащенный шестью проводами, включает в себя два провода для каждой обмотки и центральный кран, тоже для каждой из них. Его можно подключать и к однополярному, и к биполярному устройству. Для разделения привода следует применять специальный прибор для измерения. К однополярному устройству привод можно подключать с использованием всех шести проводов, а к однополярному будет достаточного одного конца и одного центрального крана от каждой обмотки.

Пятипроводной мотор практически не отличается от предыдущего, однако, его центральные клеммы изнутри соединены как один сплошной кабель и имеют один выход к одному из проводов. Не следует отделять обмотки друг от друга, иначе можно их разорвать. Вместо этого лучше определить центр провода и соединить его с другими проводниками, это будет максимально эффективное решение подключения. После этого можете подключать само устройство и проверять его на работоспособность.

Ключевые технические характеристики двигателей

Первичная обмотка при постоянном токе создает номинальное напряжение. А первоначальная скорость крутящего момента привода меняется вместе с током. От того, какова схема двигателя и от индуктивности его обмоток зависит время снижения линейного момента на более высоких скоростях. Некоторые марки двигателей, имеющие степень защиты IP65, способны работать в самых трудных условиях.

Если вы желаете выбрать готовую модель шагового двигателя отечественного производства, обратите внимание на основные технические характеристики наиболее известных моделей:

  • ШД-1 – градус шага равен 15, 4 фазы, крутящий момент составляет 40 Нт;
  • ДШ-0,04А – градус шага 22,5, 4 фазы, крутящий момент 100 Нт;
  • ДШИ 200 – градус шага 1,8, 4 фазы, крутящий момент 0,25 Нт;
  • ДШ-6 – градус шага – 18, 4 фазы, крутящий момент 2300 Нт.

Также среди покупателей спросом пользуются такие модели, как:

При подборе нужного двигателя, необходимо произвести расчет параметров мощности, напряжения и крутящего момента.

Одной из проблем работы шагового двигателя является управление приборов при отсутствии контроллера. Чтобы с этим справиться, следует взять специальный блок логической связи, помогающий управлять двигателем при отсутствии соответствующей микросхемы. Однако, лучше всего контролировать работу шаговых двигателей при помощи специального контроллера.

Средняя стоимость шагового привода в крупных городах России и Украины

Стоимость данного прибора зависит непосредственно от таких показателей, как:

  • тип двигателя;
  • мощность конструкции;
  • назначение.

Средняя стоимость однополярного шагового двигателя составляет:

  • Москва – 3000 у.е.;
  • Санкт-Петербург – 3500 у.е.;
  • Киев – 3500 у.е.;
  • Харьков – 4000 у.е.

Итак, мы рассказали, что такое шаговый двигатель, по какому принципу он работает, на какие категории подразделяется и какими свойствами отличается. Надеемся, что это облегчит ваш выбор при необходимости приобретения данного устройства.

“>

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector