Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Гибридный шаговый двигатель что это


Шаговый двигатель

Дмитрий Левкин

Шаговый электродвигатель - это вращающийся электродвигатель с дискретными угловыми перемещениями ротора, осуществляемыми за счет импульсов сигнала управления [1].

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.

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

Гибридный шаговый электродвигатель

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.

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.

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.

Трехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 30°)

Четырехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 15°)

Ниже представлены осциллограммы управления для трехфазного шагового двигателя.

Униполярное волновое управление

Биполярное полношаговое управление

Биполярное 6-шаговое управление

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.

Осциллограммы управления 4-х фазным реактивным шаговым двигателем

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 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.

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.

Схема униполярного двухфазного шагового двигателя

Схема биполярного двухфазного шагового двигателя

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.

Положение ротора шагового двигателя при волновом управлении

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

Волновое управление биполярным шаговым двигателем

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.

Волновое управление униполярным шаговым двигателем

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.

Схема 4 выводного биполярного шагового двигателя

Схема 5 выводного униполярного шагового двигателя

Схема 6 выводного униполярного шагового двигателя

Схема 8 выводного шагового двигателя

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.

Положение ротора шагового двигателя при полношаговом управлении

Полношаговое биполярное управление шаговым двигателем

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.

Положение ротора шагового двигателя при полушаговом управлении

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.

Полушаговое биполярное управление шаговым двигателем

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.

Конструкция гибридного шагового двигателя (осевой разрез)

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.

Гибридный шаговый двигатель (радиальный разрез)

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.

Ротор гибридного шагового двигателя

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 2x96=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.

Stepper Motors - гибридные шаговые двигатели и гибридный замкнутый контур AlphaStep

Все двигатели преобразуют электрическую мощность, вольт и ампер в механическую мощность, крутящий момент и скорость. Уникальная особенность шаговых двигателей заключается в том, что ими можно очень точно управлять с точки зрения скорости и угла поворота. Шаговые двигатели представляют собой бесщеточные двигатели постоянного тока, поэтому для коммутации обмоток требуется электронный драйвер. Чтобы управлять вращением, электрические импульсы вводятся в привод, и двигатель вращается на один шаг для каждого импульса.Превосходная стабильность двигателя обеспечивает простую схему управления, поскольку двигатель может работать в разомкнутом контуре и обратная связь не требуется.

Существует три типа шаговых двигателей; переменное сопротивление, постоянный магнит и гибридные шаговые двигатели. Эта статья будет посвящена гибридным шаговым двигателям, а также гибридной системе управления AlphaStep от Oriental Motor для шаговых двигателей.

Что такое гибридный шаговый двигатель?

Гибридный шаговый двигатель представляет собой комбинацию двигателей с переменным сопротивлением и двигателями с постоянными магнитами.Ротор гибридного шагового двигателя намагничен в осевом направлении, как шаговый двигатель с постоянным магнитом, а на статор подается электромагнитное напряжение, как шаговый двигатель с переменным сопротивлением. И статор, и ротор имеют несколько зубьев.

Гибридный шаговый двигатель имеет осевой намагниченный ротор, что означает, что один конец намагничен как северный полюс, а другой конец - как южный полюс. Чашки зубчатого ротора расположены на каждом конце магнита, и чашки смещены на половину шага зуба.

Сравнение типов шаговых двигателей

Oriental Motor предлагает три типа гибридных шаговых двигателей:

Гибридные системы управления

Гибридная система управления AlphaStep

от Oriental Motor представляет собой гибридный шаговый двигатель и пакет драйверов, обеспечивающий улучшенный отклик и надежность.AlphaStep имеет уникальную систему управления, сочетающую в себе преимущества «управления с обратной связью» и «управления с обратной связью».

Система управления AlphaStep всегда контролирует положение двигателя, а затем водитель автоматически переключается между двумя типами управления в зависимости от ситуации. При нормальных обстоятельствах работа двигателя контролируется и управление осуществляется с использованием разомкнутого контура, как стандартный шаговый двигатель. Если между командой и положением двигателя возникает ошибка из-за нагрузки или тому подобного, система немедленно переключается на управление с обратной связью, как серводвигатель.Это корректирует положение и скорость, поддерживая желаемую операцию. Сочетание этих двух методов управления обеспечивает высокую надежность и производительность.

Гибридная система управления AlphaStep доступна на стандартных и приспособленных шаговых двигателях AlphaStep, поворотных приводах AlphaStep, линейных направляющих и цилиндрах AlphaStep и компактных линейных приводах AlphaStep.

Нормально работает в режиме разомкнутого контура для той же простоты использования, что и шаговый двигатель

High Response

Благодаря высокой чувствительности шагового двигателя возможно короткое перемещение на короткое расстояние.Двигатели могут выполнять команды без задержки.

Удержание стоп-позиции без охоты

Во время позиционирования двигатель останавливается с собственным удерживающим усилием без охоты. Благодаря этому он идеально подходит для применений, где низкая жесткость механизма требует отсутствия вибрации при остановке.

Без тюнинга

Поскольку он обычно работает с управлением с разомкнутым контуром, позиционирование все еще возможно без регулировки усиления, даже когда нагрузка колеблется из-за использования ременного механизма, кулачкового или цепного привода и т. Д.

переключается в режим управления с обратной связью во время перегрузки для более надежной работы, такой как серводвигатель

продолжает работу даже при внезапных колебаниях нагрузки и внезапном ускорении

Он работает синхронно с командами, использующими управление без обратной связи в нормальных условиях. В состоянии перегрузки он немедленно переключается на управление с обратной связью, чтобы исправить положение.

Выход аварийного сигнала в случае неисправности

Если перегрузка применяется постоянно, выдается сигнал тревоги.Когда позиционирование завершено и сигнал END выводится. Это обеспечивает тот же уровень надежности, что и серводвигатель.

Подробнее о системе управления AlphaStep

,

Что такое гибридные шаговые двигатели?

Гибридные шаговые двигатели сочетают в себе аспекты шаговых двигателей с постоянными магнитами (PM) и переменным сопротивлением (VR). Как и двигатели с постоянными магнитами, они содержат постоянный магнит в зубьях ротора. Два набора зубьев, называемых чашками, окружают ротор. Одно кольцо - это все южные полюса, а другое - все северные.

Как и двигатели VR, гибридные шаговые двигатели имеют полюса статора. Обратите внимание, что полюса статора в гибридных двигателях иногда называют зубьями. (Для получения дополнительной информации прочитайте FAQ: Что такое число полюсов и почему это важно? ) Больше после скачка.

Здесь показаны ротор и статор гибридного шагового двигателя. Две мягкие железные чашки оснащены зубьями для направления потока от постоянного магнита к воздушному зазору ротора-статора.

Чтобы проиллюстрировать, как работают эти двигатели, рассмотрим гибридный шаговый двигатель на 1,8 °. Зубья одного кольца смещены относительно зубьев другого кольца на 3,6 °. Полюса статора смещены на 90 °, и они имеют противоположную полярность, поэтому каждые 180 ° полюса статора имеют одинаковую полярность. Поля ротора существуют в наборах из четырех, причем два северных полюса и два южных.Полюса ротора совмещены поочередно с зубьями и чашками ротора, так что один набор полюсов ротора притягивается полностью, а другой притягивает и отталкивает ¾, ½ или ¼ зуба. Если имеется 50 зубцов, угол наклона составляет 7,2 °… поэтому на следующем шаге двигатель поворачивается к следующему ближайшему шагу, который составляет 7,2 ° × ¼ = 1,8 °.

Когда ток изменяется, ротор может вращаться очень мало - улучшение по сравнению с базовыми двигателями с постоянными магнитами и двигателями VR. Более новые методы управления, такие как полушаг и микрошаг, позволяют разработчикам получать еще более тонкие движения вращения, которые обеспечивают более точную производительность, чем у шаговых двигателей VR (которые обычно не могут быть микрошаговыми).Гибридные шаговые двигатели также имеют более высокое отношение крутящего момента к размеру и более высокую выходную скорость, чем другие типы шаговых двигателей. Они также тише, чем шаговые двигатели VR.

Одно предупреждение: гибридные шаговые двигатели стоят дороже, чем другие шаговые двигатели. Таким образом, разработчики должны сопоставить более высокую стоимость с преимуществами тихой работы, меньших шагов и крутящего момента, прежде чем сделать окончательный выбор шагового двигателя.

Для получения дополнительной информации читайте:
Постоянный магнит в двигателях - теория конструкции и эксплуатации Гибридные шаговые двигатели
Control Motion, стр.

,Гибридный шаговый двигатель

- его преимущества и недостатки в работе Circuit Globe

Слово «гибрид» означает комбинацию или смесь. Гибридный шаговый двигатель представляет собой комбинацию функций шагового двигателя с переменным сопротивлением и шагового двигателя с постоянным магнитом. В центре ротора установлен осевой постоянный магнит. Он намагничен для создания пары полюсов как север (N) и юг (S), как показано на рисунке ниже.

На обоих концах осевого магнита предусмотрены концевые крышки, которые содержат одинаковое количество зубьев, которые намагничены магнитом.Рисунок поперечного сечения двух торцевых крышек ротора показан ниже.

Статор имеет 8 полюсов, каждый из которых имеет одну катушку и S число зубьев. На статоре 40 полюсов, а на каждой торцевой крышке 50 зубьев. Поскольку зубья статора и ротора равны 40 и 50 соответственно, угол шага выражается, как показано ниже.

Зубья ротора идеально совмещены с зубцами статора. Зубья двух торцевых крышек смещены друг от друга на половину шага полюсов.Поскольку магнит намагничен в осевом направлении, все зубья на левой и правой концевой крышке приобретают полярность соответственно как южный и северный полюс.

Катушки на полюсах 1, 3, 5 и 7 соединены последовательно, образуя фазу А. Аналогично, катушки на полюсах 2, 4, 6 и 8 соединены последовательно, образуя фазу В.

Когда фаза возбуждается подачей положительного тока, полюсы статора 1 и 5 становятся южными полюсами, а полюсы статора 3 и 7 становятся северными полюсами.

Теперь, когда фаза A обесточена, а фаза B возбуждена, ротор поворачивается на полный угол шага 1.8⁰ в направлении против часовой стрелки. Фаза А теперь заряжена отрицательно; ротор движется дальше на 1,8 ° в том же направлении против часовой стрелки. Дальнейшее вращение ротора требует отрицательного возбуждения фазы B.

Таким образом, для создания вращения ротора против часовой стрелки фазы запитываются в следующей последовательности + A, + B, -A, -B, + B, + A …… .. Для вращения по часовой стрелке последовательность равна + A, -B, + B, + A …… ..

Одним из основных преимуществ гибридного шагового двигателя является то, что, если возбуждение двигателя снято, ротор продолжает оставаться заблокированным в том же положении, что и до снятия возбуждения.Это происходит из-за момента затяжки, создаваемого постоянным магнитом.

Преимущества гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя: -

  • Длина шага меньше.
  • имеет больший крутящий момент.
  • Обеспечивает момент затяжки обесточенных обмоток.
  • Более высокая эффективность на низкой скорости.
  • Снижение шага.

Недостатки гибридного шагового двигателя

Гибридный шаговый двигатель имеет следующие недостатки.

  • Высшая инерция.
  • Вес двигателя больше из-за наличия магнита ротора.
  • Если магнитная сила изменяется, это влияет на производительность двигателя.
  • Стоимость гибридного двигателя больше по сравнению с двигателем с переменным сопротивлением.
,

Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020
Карта сайта, XML.