Что такое шаговый двигатель

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

Что такое шаговый двигатель? Типы, конструкция, эксплуатация и применение

Типы шаговых двигателей - их конструкция, эксплуатация и применение

Изобретение специальных карт привода шаговых двигателей и других технологий цифрового управления для сопряжения шагового двигателя с системами на базе ПК являются причиной широкого распространения шаговых двигателей в последнее время. Шаговые двигатели становятся идеальным выбором для систем автоматизации, которые требуют точного управления скоростью или точного позиционирования или того и другого.

Как мы знаем, многие промышленные электродвигатели используются с управлением с обратной связью для обеспечения точного позиционирования или точного управления скоростью, с другой стороны, шаговый двигатель может работать на контроллере с разомкнутым контуром. Это, в свою очередь, снижает общую стоимость системы и упрощает конструкцию станка по сравнению с сервосистемой. Остановимся кратко на шаговом двигателе и его типах .

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель - это бесщеточное электромеханическое устройство, которое преобразует последовательность электрических импульсов, приложенных к их обмоткам возбуждения, в точно определенное пошаговое механическое вращение вала.Вал двигателя вращается на фиксированный угол для каждого дискретного импульса. Это вращение может быть линейным или угловым. Оно получает одно шаговое движение для одного импульсного входа.

Когда применяется последовательность импульсов, она поворачивается на определенный угол. Угол, на который вал шагового двигателя поворачивается для каждого импульса, называется углом шага, который обычно выражается в градусах.

Количество входных импульсов, подаваемых на двигатель, определяет угол шага, и, следовательно, положение вала двигателя контролируется путем управления количеством импульсов.Эта уникальная особенность делает шаговый двигатель хорошо подходящим для системы управления с разомкнутым контуром, в которой точное положение вала поддерживается с точным количеством импульсов без использования датчика обратной связи.

Если угол шага меньше, чем больше будет количество шагов на оборот, и тем выше будет точность полученного положения. Углы шага могут составлять до 90 градусов и до 0,72 градуса, однако обычно используемые углы шага составляют 1,8 градуса 2.5 градусов, 7,5 градусов и 15 градусов.

Направление вращения вала зависит от последовательности импульсов, подаваемых на статор. Скорость вала или средняя скорость двигателя прямо пропорциональна частоте (частоте входных импульсов) входных импульсов, подаваемых на обмотки возбуждения. Следовательно, если частота низкая, шаговый двигатель вращается ступенчато, а для высокой частоты он непрерывно вращается как двигатель постоянного тока из-за инерции.

Как и все электродвигатели, он имеет статор и ротор.Ротор - это подвижная часть, которая не имеет обмоток, щеток и коммутатора. Обычно роторы имеют либо переменное сопротивление, либо постоянный магнит. Статор часто состоит из многополюсных и многофазных обмоток, обычно из трех или четырехфазных обмоток, намотанных на необходимое количество полюсов, определяемое желаемым угловым смещением на входной импульс.

В отличие от других двигателей он работает на запрограммированных дискретных управляющих импульсах, которые подаются на обмотки статора через электронный привод.Вращение происходит за счет магнитного взаимодействия между полюсами последовательно включенной обмотки статора и полюсами ротора.

Конструкция шагового двигателя

На современном рынке имеется несколько типов шаговых двигателей в широком диапазоне размеров, числа шагов, конструкций, проводки, зубчатой ​​передачи и других электрических характеристик. Поскольку эти двигатели способны работать в дискретном режиме, они хорошо подходят для взаимодействия с цифровыми устройствами управления, такими как компьютеры.

Благодаря точному контролю скорости, вращения, направления и углового положения они представляют особый интерес для систем управления производственными процессами, станков с ЧПУ, робототехники, систем автоматизации производства и контрольно-измерительных приборов.

Типы шаговых двигателей

Существуют три основные категории шаговых двигателей , а именно

• Шаговый двигатель с постоянным магнитом
• Шаговый двигатель с переменным сопротивлением
9007 Гибридный шаговый двигатель

0 Во всех этих двигателях обмотки возбуждения используются в статоре, где число обмоток относится к числу фаз.

Напряжение постоянного тока подается в качестве возбуждения на катушки обмоток, и каждый вывод обмотки подключается к источнику через твердотельный переключатель. В зависимости от типа шагового двигателя его конструкция ротора состоит из ротора из мягкой стали с выступающими полюсами, цилиндрического ротора с постоянным магнитом и постоянного магнита с зубьями из мягкой стали. Давайте обсудим эти типы подробно.



Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

Это шаговый двигатель базового типа, существующий в течение длительного времени и обеспечивающий самый простой способ понять принцип работы со структурной точки зрения.Как следует из названия, угловое положение ротора зависит от сопротивления магнитной цепи, образованной между полюсами статора (зубьями) и зубьями ротора.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

Конструкция Шагового двигателя с переменным сопротивлением

Он состоит из намотанного статора и многозубого ротора из мягкого железа. Статор имеет пакет слоистых материалов из кремнистой стали, на которые намотаны обмотки статора. Обычно он наматывается на три фазы, которые распределены между парами полюсов.

Количество полюсов на сформированном таким образом статоре равно четному кратному числу фаз, для которых обмотки на статоре намотаны. На рисунке ниже, статор имеет 12 одинаково расположенных выступающих полюсов, где каждый полюс намотан захватывающей катушкой. Эти три фазы питаются от источника постоянного тока с помощью твердотельных переключателей.

Ротор не имеет обмоток и имеет выступающий тип полюса, изготовленный полностью из щелевых стальных пластин. Спроектированные зубцы полюса ротора имеют такую ​​же ширину, что и зубцы статора.Количество полюсов на статоре отличается от числа полюсов ротора, что обеспечивает возможность самостоятельного запуска и двунаправленного вращения двигателя.

Соотношение полюсов ротора в терминах полюсов статора для трехфазного шагового двигателя определяется как Nr = Ns ± (Ns / q). Здесь Ns = 12 и q = 3, и, следовательно, Nr = 12 ± (12/3) = 16 или 8. 8-полюсный строительный ротор без какого-либо возбуждения показан ниже.

Конструкция шагового двигателя с переменным сопротивлением

Работа шагового двигателя с переменным сопротивлением


Шаговый двигатель работает по принципу , согласно которому ротор выравнивается в определенной позиции с зубцами полюса возбуждения в магнитной цепи, где минимум Нежелание пути существует.Всякий раз, когда на двигатель подается мощность и, возбуждая определенную обмотку, он создает свое магнитное поле и развивает собственные магнитные полюса.

Из-за остаточного магнетизма в полюсах магнита ротора он заставит ротор двигаться в таком положении, чтобы достигнуть минимального сопротивления, и, следовательно, один набор полюсов ротора совмещается с активным набором полюсов статора. В этом положении ось магнитного поля статора совпадает с осью, проходящей через любые два магнитных полюса ротора.

Когда ротор совпадает с полюсами статора, он обладает достаточной магнитной силой, чтобы удержать вал от перемещения в следующее положение, либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки.

Рассмотрим принципиальную схему 3-фазного, 6 полюсов статора и 4 зубьев ротора, показанного на рисунке ниже. Когда фаза A-A ’снабжается источником постоянного тока путем замыкания переключателя -1, обмотка становится магнитом, в результате чего один зуб становится северным, а другой - южным. Таким образом, магнитная ось статора лежит вдоль этих полюсов.

Благодаря силе притяжения катушка статора Северный полюс притягивает ближайший зубец ротора противоположной полярности, то есть Южный и Южный полюс притягивает ближайший зубец ротора противоположной полярности, то есть север. Затем ротор регулируется в положение минимального сопротивления, где магнитная ось ротора точно совпадает с магнитной осью статора.

Работа шагового двигателя с переменным сопротивлением

Когда на фазу B-B 'подается питание с помощью замыкающего переключателя -2, а фаза A-A' остается обесточенной при размыкании выключателя-1, обмотка B-B 'создает магнитный поток. и, следовательно, магнитная ось статора смещается вдоль образованных им полюсов.Следовательно, ротор с намагниченными зубьями статора перемещается с наименьшим нежеланием и вращается на 30 градусов в направлении по часовой стрелке.

Когда на выключатель-3 подается напряжение после размыкания выключателя-2, на фазу C-C ’подается напряжение, зубья ротора совмещаются с новым положением, перемещаясь на дополнительный угол 30 градусов. Таким образом, ротор движется по часовой стрелке или против часовой стрелки, последовательно возбуждая обмотки статора в определенной последовательности. Угол шага этого 3-фазного 4-полюсного шагового двигателя с зубьями ротора выражается как 360 / (4 × 3) = 30 градусов (как угол шага = 360 / Nr × q).

Угол шага может быть дополнительно уменьшен путем увеличения числа полюсов на статоре и роторе, в таких случаях двигатели часто наматываются с дополнительными фазовыми обмотками. Это также может быть достигнуто за счет использования другой конструкции шаговых двигателей , такой как многоступенчатое расположение и механизм редуктора.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Конструкция двигателя с постоянными магнитами является, пожалуй, наиболее распространенной среди нескольких типов шаговых двигателей.Как следует из названия, он добавляет постоянные магниты к конструкции двигателя. Этот тип шаговых двигателей также называют двигателем с накопителем или двигателем с жестяной банкой . Основным преимуществом этого мотора является его низкая себестоимость. Этот тип двигателя имеет 48-24 ступеней за оборот.

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Конструкция Шаговый двигатель с постоянным магнитом

В этом двигателе статор является многополюсным, и его конструкция аналогична конструкции шагового двигателя с переменным сопротивлением, как описано выше.Он состоит из щелевой периферии, на которую намотаны катушки статора. Он имеет выступающие полюса на щелевой структуре, где витые обмотки могут быть двух-, трех- или четырехфазными.

Концевые клеммы всех этих обмоток выкуплены и подключены к возбуждению постоянного тока через полупроводниковые переключатели в цепи привода.

Конструкция Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Ротор состоит из материала с постоянными магнитами, такого как феррит, который может иметь форму цилиндрического или выступающего полюса, но обычно это гладкий цилиндрический тип.Ротор спроектирован так, чтобы иметь четное количество постоянных магнитных полюсов с чередующимися северной и южной полярностями.

Работа шагового двигателя с постоянным магнитом

Работа этого двигателя работает по принципу, что в отличие от полюсов притягивают друг друга и как полюса отталкивают друг друга. Когда обмотки статора возбуждаются от источника постоянного тока, он создает магнитный поток и устанавливает северный и южный полюса. Из-за силы притяжения и отталкивания между полюсами ротора с постоянными магнитами и полюсами статора ротор начинает двигаться вверх в положение, для которого импульсы подаются на статор.

Рассмотрим двухфазный шаговый двигатель с двумя полюсами постоянного магнитного ротора, как показано на рисунке ниже.

Работа шагового двигателя с постоянным магнитом:

Когда на фазу А подается положительное напряжение по отношению к А ', обмотки устанавливают северный и южный полюса. Благодаря силе притяжения полюса ротора совмещаются с полюсами статора, так что ось магнитного полюса ротора регулируется относительно оси статора, как показано на рисунке.

Когда возбуждение переключается на фазу B и выключается фаза A, ротор дополнительно настраивается на магнитную ось фазы B и, таким образом, поворачивается на 90 градусов по часовой стрелке.

Далее, если на фазу A подается отрицательный ток по отношению к A ′, образование полюсов статора заставляет ротор двигаться еще на 90 градусов по часовой стрелке.

Таким же образом, если фаза B возбуждается отрицательным током при замыкании переключателя фазы A, ротор вращается еще на 90 градусов в том же направлении. Затем, если фаза A возбуждается положительным током, ротор возвращается в исходное положение, совершая полный оборот на 360 градусов.Это подразумевает, что всякий раз, когда статор возбуждается, ротор имеет тенденцию вращаться на 90 градусов по часовой стрелке.

Угол шага этого 2-фазного 2-полюсного ротора с постоянным магнитом выражается как 360 / (2 × 2) = 90 градусов. Размер шага может быть уменьшен путем одновременного включения двух фаз или последовательности режимов однофазного включения и двухфазного включения с правильной полярностью.

Гибридный шаговый двигатель

Это наиболее популярный тип шагового двигателя , так как он обеспечивает лучшую производительность, чем ротор с постоянным магнитом, с точки зрения разрешения шага, удерживающего момента и скорости.Однако эти двигатели дороже, чем шаговые двигатели PM. Он сочетает в себе лучшие характеристики как шаговых двигателей с переменным магнитным сопротивлением, так и с постоянными магнитами Эти двигатели используются в приложениях, где требуется очень маленький угол шага, такой как 1,5, 1,8 и 2,5 градуса.

Гибридный шаговый двигатель

Конструкция гибридного шагового двигателя

Статор этого двигателя такой же, как его постоянный магнит или резистивный аналог. Катушки статора намотаны на чередующиеся полюса.При этом на каждом полюсе намотаны катушки разных фаз, обычно две катушки на полюсе, который называется бифилярным соединением.

Ротор состоит из постоянного магнита, который намагничен в осевом направлении для создания пары магнитных полюсов (полюса N и S). Каждый полюс покрыт равномерно расположенными зубцами. Зубья состоят из мягкой стали и двух секций, из которых на каждом полюсе смещены друг относительно друга на пол-зубца.

Работа гибридного шагового двигателя


Этот двигатель работает аналогично двигателю с постоянным магнитом.На рисунке выше показан 2-фазный 4-полюсный 6-зубчатый роторный гибридный шаговый двигатель. Когда фаза A-A ’возбуждается источником постоянного тока, оставляя B-B’ невозбужденным, ротор выравнивается так, что южный полюс ротора обращен к северному полюсу статора, а северный полюс ротора обращен к южному полюсу статора.

Работа гибридного шагового двигателя

Теперь, если фаза B-B 'возбуждается, если держать A-A' выключенным таким образом, что верхний полюс становится северным, а нижний - южным, то ротор выравнивается по новому положение, двигаясь в направлении против часовой стрелки.Если фаза B-B ’возбуждается противоположным образом, так что верхний полюс становится южным, а нижний - северным, тогда ротор вращается по часовой стрелке.

При правильной последовательности импульсов к статору двигатель вращается в нужном направлении. При каждом возбуждении ротор блокируется в новом положении, и даже если возбуждение снято, двигатель все еще сохраняет свое заблокированное состояние из-за возбуждения от постоянного магнита. Угол шага этого 2-фазного 4-полюсного 6-зубчатого роторного двигателя составляет 360 / (2 × 6) = 30 градусов.На практике гибридные двигатели конструируются с большим количеством полюсов ротора, чтобы получить высокое угловое разрешение.

Однополярные и биполярные шаговые двигатели

Вышеупомянутые двигатели могут быть однополярными или биполярными на основе схем обмотки катушки. Однополярный двигатель используется с двумя обмотками на фазу, и, следовательно, направление тока через эти обмотки изменяет вращение двигателя. В этой конфигурации поток тока проходит через одно направление в одной катушке и противоположное направление в другой катушке.

На рисунке ниже показан двухфазный однополярный шаговый двигатель, в котором катушки A и C предназначены для одной фазы, а B и D - для другой фазы. В каждой фазе каждая катушка проводит ток в направлении, противоположном направлению другой катушки. Только одна катушка будет проводить ток за раз в каждой фазе для достижения определенного направления вращения. Таким образом, просто переключая клеммы на каждую катушку, направление вращения контролируется.

Двухфазный однополярный шаговый двигатель работает

В случае биполярного шагового двигателя каждая фаза состоит из одной обмотки, а не двух в случае однополярной.При этом направление вращения контролируется путем изменения тока через обмотки. Следовательно, это требует сложной схемы привода для реверсирования тока.

Двухфазный биполярный шаговый двигатель

Режимы шагового шагового двигателя

Типичное шаговое действие заставляет двигатель шагать через последовательность положений равновесия в ответ на импульсы тока, подаваемые на него. Можно варьировать шаговое действие различными способами, просто изменяя последовательность, в которой обмотки статора находятся под напряжением.Ниже приведены наиболее распространенные режимы работы или вождения шаговых двигателей.

1. Шаг волны
2. Полный шаг
3. Полушаг
4. Microstepping

Режим шага волны


Режим шага волны является самым простым из всех других режимов в которых одна обмотка находится под напряжением в любой момент времени. Каждая катушка фазы подключена к источнику питания поочередно. В приведенной ниже таблице показан порядок подачи питания на катушки 4-фазного шагового двигателя.

В этом режиме двигатель дает максимальный угол шага по сравнению со всеми другими режимами. Это самый простой и наиболее часто используемый режим для перехода; однако создаваемый крутящий момент меньше, поскольку он использует некоторую часть общей обмотки в данный момент времени.

Полноступенчатый режим


В этом приводе или режиме две фазы статора включаются одновременно в любой момент времени. Когда две фазы находятся под напряжением вместе, ротор испытывает крутящий момент от обеих фаз и приходит в положение равновесия, которое будет чередоваться между двумя соседними положениями шага волны или однофазными возбуждениями.Таким образом, этот шаг обеспечивает лучший удерживающий момент, чем волновой шаг. В таблице ниже показан полный шаг привода для 4-фазного шагового двигателя.

Полупереходный режим


Это комбинация как волнового, так и полноступенчатого режимов. При этом однофазные и двухфазные возбуждения осуществляются поочередно, то есть однофазное включение, двухфазное включение и так далее. В этом режиме угол шага становится равным половине угла полного шага. Этот режим привода имеет самый высокий крутящий момент и стабильность по сравнению со всеми другими режимами.Таблица, содержащая последовательность импульсов фазы для 4-фазного двигателя с половинным шагом, приведена ниже.

Режим микроперехода

В этом режиме каждый шаг двигателя подразделяется на несколько небольших шагов, даже сотни фиксированных позиций, поэтому достигается более высокое разрешение позиционирования. При этом токи через обмотки постоянно меняются, чтобы получить очень маленькие шаги. При этом две фазы возбуждаются одновременно, но с неравными токами в каждой фазе.

Например, ток через фазу -1 поддерживается постоянным, в то время как ток через фазу-2 постепенно увеличивается до максимального значения тока, будь то отрицательное или положительное. Затем ток в фазе-1 постепенно уменьшается или увеличивается до нуля. Таким образом, двигатель будет производить небольшой размер шага.

Все эти ступенчатые режимы могут быть получены для каждого типа шагового двигателя, описанного выше. Тем не менее, направление тока в каждой обмотке на этих этапах может варьироваться в зависимости от типа двигателя и является однополярным или биполярным.

Преимущества шагового двигателя

• В состоянии покоя двигатель имеет полный крутящий момент. Неважно, нет ли момента или смены позиции.
• Имеет хороший отклик на стартовую, стопорную и реверсивную позиции.
• Поскольку в шаговом двигателе нет контактных щеток, он надежен, а срок службы зависит от подшипников двигателя.
• Угол поворота двигателя прямо пропорционален входным сигналам.
• Простое и менее затратное управление, поскольку двигатель обеспечивает управление по разомкнутому контуру при реагировании на цифровые входные сигналы.
• Скорость двигателя прямо пропорциональна частоте входных импульсов, таким образом, может быть достигнут широкий диапазон скорости вращения.
• Когда нагрузка соединена с валом, все еще возможно реализовать синхронное вращение с низкой скоростью.
• Точное позиционирование и повторяемость движения хороши, поскольку они имеют точность 3-5% шага, когда ошибка не накапливается от одного шага к другому.
• Шаговые двигатели безопаснее и дешевле (по сравнению с серводвигателями), имеют высокий крутящий момент на низких скоростях, высокую надежность и простую конструкцию, которая работает в любой среде.

Недостатки шаговых двигателей

• Шаговые двигатели, имеющие низкий КПД.
• Имеет низкую точность.
• Его крутящий момент очень быстро уменьшается со скоростью.
• Поскольку шаговый двигатель работает в режиме разомкнутого контура, отсутствует обратная связь для указания возможных пропущенных шагов.
• Обладает низким отношением крутящего момента к инерции, что означает, что он не может ускорять нагрузку очень быстро.
• Они шумные.

Применение шаговых двигателей

• Шаговые двигатели используются в автоматизированном производственном оборудовании, автомобильных измерительных приборах и промышленных машинах, таких как упаковка, маркировка, наполнение, резка и т. Д.
• Он широко используется в устройствах безопасности, таких как камеры видеонаблюдения и наблюдения.
• В медицинской промышленности шаговые двигатели широко используются в образцах, цифровой стоматологической фотографии, респираторах, жидкостных насосах, аппаратах для анализа крови, медицинских сканерах и т. Д.
• Они используются в бытовой электронике в сканерах изображений, фотокопировальных и печатных машинах и в цифровая камера для автоматического увеличения и фокусировки функций и позиций.
• Шаговые двигатели также используются в элеваторах, конвейерных лентах и ​​переулках.

Вы также можете прочитать:

.

Что такое шаговый двигатель и как он работает

От простого DVD-плеера или принтера в вашем доме до сложнейшего станка с ЧПУ или роботизированного манипулятора шаговые двигатели можно найти практически везде. Его способность совершать точные движения с электронным управлением позволила этим двигателям найти применение во многих сферах, таких как камеры наблюдения, жесткий диск, станки с ЧПУ, 3D-принтеры, робототехника, сборочные роботы, лазерные резаки и многое другое. В этой статье мы узнаем, что делает эти моторы особенными, и теорию, стоящую за ними.Мы узнаем, как использовать один для вашего приложения.

Введение в шаговые двигатели

Как и все двигатели, шаговые двигатели также имеют статор и ротор , но в отличие от обычного двигателя постоянного тока, статор состоит из отдельных наборов катушек. Количество катушек будет отличаться в зависимости от типа шагового двигателя , но пока просто поймите, что в шаговом двигателе ротор состоит из металлических полюсов, и каждый полюс будет притягиваться набором катушек в статоре.На приведенной ниже схеме показан шаговый двигатель с 8 полюсами статора и 6 полюсами ротора.

Если вы посмотрите на катушки на статоре, они расположены в виде пар катушек, как A и A 'образуют пару B, а B' образуют пару и так далее. Таким образом, каждая из этой пары катушек образует электромагнит, и они могут быть запитаны индивидуально с помощью схемы драйвера. Когда на катушку подается напряжение, она действует как магнит, и полюс ротора выравнивается по отношению к ней, а когда ротор вращается, чтобы приспособиться к статору, он называется одним шагом .Точно так же путем последовательного включения катушек мы можем вращать двигатель небольшими шагами, чтобы совершить полный оборот.

Типы шаговых двигателей

Существуют в основном три типа шаговых двигателей в зависимости от конструкции:

• Шаговый двигатель с переменным сопротивлением: Они имеют ротор с железным сердечником, который притягивается к полюсам статора и обеспечивает движение при минимальном сопротивлении между статором и ротором.
• Шаговый двигатель с постоянными магнитами: Они имеют ротор с постоянными магнитами и отталкиваются или притягиваются к статору в соответствии с приложенными импульсами.
• Гибридный синхронный шаговый двигатель: Они представляют собой комбинацию переменного реактивного сопротивления и шагового двигателя с постоянными магнитами.

Помимо этого, мы также можем классифицировать шаговые двигатели как Униполярные и Биполярные в зависимости от типа обмотки статора.

• Биполярный шаговый двигатель: Катушки статора на этом типе двигателя не имеют общего провода. Управление этим типом шагового двигателя отличается и является сложным, и также невозможно легко разработать схему управления без микроконтроллера.
• Униполярный шаговый двигатель: В этом типе шагового двигателя мы можем взять центральное ответвление обеих фазных обмоток для общего заземления или для общей мощности, как показано ниже. Это облегчает управление двигателями, в униполярном шаговом двигателе также много типов

Режимы работы в шаговом двигателе

Поскольку статор ступенчатой ​​моды состоит из разных пар катушек, каждая пара катушек может возбуждаться разными способами, что позволяет модам работать во многих разных режимах.Ниже приведены широкие классификации

Full Step Mode

В режиме полного шага возбуждения мы можем добиться полного вращения на 360 ° с минимальным количеством оборотов (шагов). Но это приводит к меньшей инерции, а также вращение не будет плавным. Есть еще две классификации в режиме полного пошагового возбуждения: , однофазное пошаговое включение и два фазовых режима, .

1. Один пошаговый пошаговый или волновой пошаговый: В этом режиме только одна клемма (фаза) двигателя будет включена в любой момент времени.Это имеет меньшее количество шагов и, следовательно, может обеспечить полный поворот на 360 °. Поскольку число шагов меньше, ток, потребляемый этим методом, также очень низок. В следующей таблице приведена последовательность шаговых волн для 4-фазного шагового двигателя

Step	Фаза 1	Фаза 2	Фаза 3	Фаза 4
1	1	0	0	0
2	0	1	0	0
3	0	0	1	0
4	0	0	0	1

2.Двухэтапное пошаговое включение: Как следует из названия в этом методе, две фазы будут одной. Он имеет то же количество шагов, что и волновой шаг, но поскольку две катушки находятся под напряжением одновременно, он может обеспечить лучший крутящий момент и скорость по сравнению с предыдущим методом. Хотя одним из недостатков является то, что этот метод также потребляет больше энергии.

Step	Фаза 1	Фаза 2	Фаза 3	Фаза 4
1	1	1	0	0
2	0	1	1	0
3	0	0	1	1
4	1	0	0	1

полушаговый режим

Режим полушагового режима представляет собой комбинацию однофазного и двухфазного режимов.Эта комбинация поможет нам преодолеть вышеупомянутый недостаток обоих режимов.

Как вы уже догадались, так как мы объединяем оба метода, нам нужно выполнить 8-шаговых в этом методе, чтобы получить полный оборот. Последовательность переключения для 4-фазного шагового двигателя показана ниже

Шаг	Фаза 1	Фаза 2	Фаза 3	Фаза 4
1	1	0	0	0
2	1	1	0	0
3	0	1	0	0
4	0	1	1	0
5	0	0	1	1
6	0	0	0	1
7	1	0	0	1
8	1	0	0	0

Micro Step Mode

Микрошаговый режим является комплексным из всех, но он предлагает очень хорошую точность наряду с хорошим крутящим моментом и плавной работой.В этом методе катушка будет возбуждена двумя синусоидальными волнами, которые находятся на расстоянии 90 °. Таким образом, мы можем контролировать как направление, так и амплитуду тока, протекающего через катушку, что помогает нам увеличить количество шагов, которые двигатель должен сделать за один полный оборот. Микропереступление может занять до 256 шагов, чтобы сделать один полный оборот, что делает двигатель вращаться быстрее и плавнее.

Как использовать шаговый двигатель

Достаточно скучной теории, давайте предположим, что кто-то дает вам шаговый двигатель, например, знаменитый 28-BYJ48, и вам действительно интересно, как он работает.К этому времени вы бы поняли, что невозможно заставить эти двигатели вращаться, просто запитав их от источника питания, так как бы вы это сделали?

Давайте посмотрим на этот 28-BYJ48 шаговый двигатель .

Итак, в отличие от обычного двигателя постоянного тока, у него пять проводов всех причудливых цветов, и почему это так? Чтобы понять это, мы должны сначала узнать, как работает степпер, о котором мы уже говорили. Прежде всего, шаговые двигатели не вращают , они ступенчатые, поэтому их также называют шаговыми двигателями .Это означает, что они будут двигаться только один шаг за раз. Эти двигатели имеют последовательность катушек, присутствующих в них, и эти катушки должны быть включены определенным образом, чтобы двигатель вращался. Когда каждая катушка находится под напряжением, двигатель делает шаг, и последовательность активирования заставит двигатель делать непрерывные шаги, заставляя его вращаться. Давайте посмотрим на катушки внутри двигателя, чтобы точно знать, откуда эти провода.

Как вы можете видеть, двигатель имеет однополюсных 5-выводных катушек .Есть четыре катушки, которые должны быть включены в определенной последовательности. На красные провода подается напряжение +5 В, а остальные четыре провода будут заземлены для запуска соответствующей катушки. Мы используем любой микроконтроллер для подачи питания на эти катушки в определенной последовательности и заставить двигатель выполнять необходимое количество шагов. Опять же, есть много последовательностей, которые вы можете использовать, обычно используется , 4-ступенчатый , а для более точного управления также можно использовать 8-ступенчатый, , . Таблица последовательности для 4-ступенчатого управления показана ниже.

Шаг	Катушка под напряжением
Шаг 1	А и В
Шаг 2	B и C
Шаг 3	C и D
Шаг 4	D и A

Итак, почему этот двигатель называется 28-BYJ48 ? Шутки в сторону!!! Я не знаю.Для этого мотора нет никаких технических оснований называться так; может быть, мы не должны углубляться в это. Давайте посмотрим на некоторые важные технические данные, полученные из таблицы данных этого двигателя на рисунке ниже.

Это голова, полная информации, но нам нужно взглянуть на несколько важных, чтобы знать, какой тип степпера мы используем, чтобы мы могли эффективно его программировать. Сначала мы знаем, что это шаговый двигатель 5В, так как мы подаем на красный провод напряжение 5В.Кроме того, мы также знаем, что это четырехфазный шаговый двигатель, поскольку в нем было четыре катушки. Теперь передаточное число составляет 1:64. Это означает, что вал, который вы видите снаружи, совершит один полный оборот, только если двигатель внутри будет вращаться 64 раза. Это происходит из-за зубчатых колес, которые соединены между двигателем и выходным валом, эти зубчатые колеса помогают увеличить крутящий момент.

Другие важные данные, на которые следует обратить внимание, это угол шага : 5,625 ° / 64. Это означает, что двигатель при работе в 8-ступенчатой ​​последовательности будет двигаться 5.625 градусов для каждого шага, и для выполнения одного полного поворота потребуется 64 шага (5,625 * 64 = 360).

Расчет шагов за оборот для шагового двигателя

Важно знать, как рассчитать число шагов на оборот для вашего шагового двигателя, потому что только тогда вы сможете эффективно его программировать / управлять.

Предположим, что мы будем работать с двигателем в 4-х ступенчатой ​​последовательности, поэтому угол шага будет 11,25 °, поскольку он составляет 5,625 ° (приведено в таблице) для 8-ступенчатой ​​последовательности, это будет 11.25 ° (5,625 * 2 = 11,25).

  шагов на оборот = 360 / угол шага   Здесь 360 / 11,25 = 32 шага за оборот.  

Зачем нам нужны модули драйверов для шаговых двигателей?

Большинство шаговых двигателей будут работать только с помощью модуля привода. Это связано с тем, что модуль контроллера (микроконтроллер / цифровая схема) не сможет обеспечить достаточный ток от своих выводов ввода / вывода для работы двигателя. Поэтому мы будем использовать внешний модуль, такой как ULN2003, модуль , в качестве драйвера шагового двигателя .Существует много типов модулей драйвера, и номинальная мощность одного из них будет изменяться в зависимости от типа используемого двигателя. Основным принципом для всех модулей привода будет источник / приемник достаточного тока для работы двигателя. Кроме того, существуют также модули драйверов, в которых заранее запрограммирована логика, но мы не будем обсуждать это здесь.

Если вам интересно узнать, как вращать шаговый двигатель с помощью микроконтроллера и ИС драйвера, то мы рассмотрели много статей о его работе с различными микроконтроллерами:

Теперь я считаю, что у вас достаточно информации для управления любым шаговым двигателем, который вам необходим для вашего проекта.Давайте посмотрим на преимущества и недостатки шаговых двигателей.

Преимущества шаговых двигателей

Одним из основных преимуществ шагового двигателя является то, что он имеет превосходный контроль положения и, следовательно, может использоваться для точного управления. Кроме того, он обладает очень хорошим удерживающим моментом, что делает его идеальным выбором для робототехники. Считается, что шаговые двигатели имеют более длительный срок службы, чем обычный двигатель постоянного тока или серводвигатель.

Недостатки шаговых двигателей

Как и все двигатели, шаговые двигатели также имеют свои недостатки, так как они вращаются, делая маленькие шаги, и не могут достичь высоких скоростей.Кроме того, он потребляет энергию для удержания крутящего момента, даже когда он идеален, что увеличивает потребление энергии.

,

Что такое шаговый двигатель? Step Angle, Преимущества и недостатки - Circuit Globe

Название шагового двигателя само по себе показывает, что движение ротора имеет форму различных шагов или дискретных шагов. Он также известен как шаговый двигатель. Количество импульсов, подаваемых в схему контроллера, определяет угловое вращение двигателя. Каждый входной импульс производит один шаг углового движения. Привод рассматривается как аналого-цифровой преобразователь. Он имеет встроенную логику, которая обеспечивает включение и отключение соответствующих обмоток твердотельными переключателями в требуемой последовательности.



Содержание:

Существует три типа шаговых двигателей на основе роторных устройств. Они заключаются в следующем: -

Двигатель с переменным сопротивлением делится на два типа. Они известны как однофазный двигатель с переменным сопротивлением и многоступенчатый двигатель с переменным сопротивлением.

Шаг шага

в шаговом двигателе

Определение: Шаг угла определяется как угол, на который движется ротор шагового двигателя, когда на вход статора подается один импульс.

Положение двигателя определяется углом шага и выражается в градусах. Разрешение или число шагов двигателя - это число шагов, которые оно делает за один оборот ротора. Чем меньше угол шага, тем выше разрешение позиционирования шагового двигателя.

Точность позиционирования объектов двигателем зависит от разрешения. Чем выше разрешение, тем выше точность. Некоторые прецизионные двигатели могут совершать 1000 шагов за один оборот с углом шага 0.36 градусов. Стандартный двигатель будет иметь угол шага 1,8 градуса с 200 шагами за оборот. Различные углы шага, такие как 90, 45 и 15 градусов, распространены в простых двигателях.

Количество фаз может варьироваться от двух до шести. Небольшой угол шага может быть получен с помощью щелевых полюсных наконечников.


Преимущества шагового двигателя

Различные преимущества шагового двигателя:

• Мотор прост по конструкции, надежен.
• В состоянии покоя двигатель имеет полный крутящий момент.
• Двигатели дешевле.
• Они требуют небольшого обслуживания.
• Шаговый двигатель имеет отличную и точную реакцию запуска, остановки и реверса.

Недостатки шагового двигателя

Существуют следующие недостатки шагового двигателя: -

• Двигатель потребляет больший ток по сравнению с двигателем постоянного тока.
• На более высокой скорости значение крутящего момента уменьшается.
• Низкая эффективность.
• Возникает состояние резонанса, требующее микропереступления.
• На высокой скорости управление невозможно.
,

---

Смотрите также

• 
  Что залить в двигатель чтобы не стучал
• 
  Что будет если заливать в двигатель разное масло
• 
  Как сделать соленоидный двигатель
• 
  Как понять что двигатель пора капиталить
• 
  Какие двигатели ставят на хендай старекс
• 
  Какой двигатель можно поставить на карпаты
• 
  Как проверить обороты двигателя без тахометра
• 
  Какой двигатель пассат б6 лучше
• 
  Какое залить масло в двигатель приоры
• 
  Как узнать какой двигатель по вин коду рено
• 
  Как вымыть эмульсию из двигателя