Как устроен шаговый двигатель: Как работают шаговые двигатели

Содержание

Как работают шаговые двигатели | РОБОТОША

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

Что такое шаговый двигатель?

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

Основы работы шагового двигателя

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

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

Режимы управления

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

Волновое управление или полношаговое управление одной обмоткой

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

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

Полношаговый режим управления

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

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

Полушаговый режим

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

Однообмоточный режим

Двухобмоточный режим

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

Режим микрошага

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

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

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

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

Типы шаговых двигателей

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

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

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

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

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

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

Гибридный шаговый двигатель

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

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

Два 50-зубых диска помещены сверху и снизу постоянного магнита

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

Впадины на одном диске выровнены с возвышениями на другом

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

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

Подключение обмоток

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

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

Биполярный двигатель

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

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

Униполярный двигатель

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

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

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

8-выводной шаговый двигатель

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

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

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

Еще по этой теме

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

устройство, принцип работы, область применения

Шаговые двигатели постоянного тока получили широкое распространение в станках с числовым программным управлением и робототехнике. Основным отличием данного электромотора является принцип его работы. Вал шагового электродвигателя не вращается длительное время, а лишь поворачивается на определенный угол. Этим обеспечивается точное позиционирование рабочего элемента в пространстве. Электропитание такого двигателя дискретное, то есть осуществляются импульсами. Эти импульсы и поворачивают вал на определенный угол, каждый такой поворот называется шагом, отсюда и пошло название. Зачастую данные электромоторы работают в тандеме с редуктором для повышения точности установки и момента на валу, и с энкодером для отслеживания положения вала в текущий момент. Эти элементы необходимы для передачи и преобразования угла вращения. В этой статье мы расскажем читателям сайта Сам Электрик об устройстве, принципе работы и назначении шаговых двигателей.

Как устроен шаговый двигатель

По своему типу это бесколлекторный синхронный электродвигатель. Состоит из статора и ротора. На роторе обычно расположены секции, набранные из листов электротехнической стали (на фотографии это «зубчатая» часть), а те, в свою очередь, разделены постоянными магнитами. На статоре расположены обмотки, в виде отдельных катушек.

Принцип действия

Как работает шаговый электродвигатель можно рассмотреть на условной модели. В положении 1 на обмотки А и В подается напряжение определенной полярности. В результате в статоре образуется электромагнитное поле. Так как разные магнитные полюса притягиваются, ротор займет свое положения по оси магнитного поля. Более того, магнитное поле мотора будет препятствовать попыткам изменения положения ротора извне. Если говорить простыми словами, то магнитное поле статора будет работать на то, чтобы удержать ротор от изменения заданного положения (например, при механических нагрузках на вал).

Если напряжение той же полярности подается на обмотки D и C, электромагнитное поле сместится. Это заставит повернуться ротор с постоянным магнитом в положение 2. В этом случае угол поворота равен 90°. Этот угол и будет шагом поворота ротора.

Положение 3 достигается подачей напряжения обратной полярности на обмотки А и В. В этом случае электромагнитное поле станет противоположным положению 1, ротор двигатели сместится, и общий угол будет 180°.

При подаче напряжения обратной полярности на обмотки D и C, ротор повернется на угол до 270° относительно начальной позиции. При подключении положительного напряжения на обмотки А и В ротор займет первоначальное положение — закончит оборот на 360°. Следует учитывать, что передвижение ротора происходит по наименьшему пути, то есть из положения 1 в положение 4 по часовой стрелке ротор повернется только после прохождения промежуточных 2 и 3 положения. При подключении обмоток после 1 положения сразу в 4 положение ротор повернется против часовой стрелки.

Виды и типы по полярности или типу обмоток

В шаговых двигателях применяются биполярные и униполярные обмотки. Принцип работы был рассмотрен на базе биполярной машины. Такая конструкция предусматривает использование разных фаз для питания обмоток. Схема очень сложна и требует дорогостоящих и мощных плат управления.

Более простая схема управления в униполярных машинах. В такой схеме начало обмоток подключены к общему «плюсу». На вторые выводы обмоток поочередно подается «минус». Тем самым обеспечивается вращение ротора.

Биполярные шаговые двигатели более мощные, крутящий момент у них на 40% больше чем в униполярных. Униполярные электромоторы гораздо более удобны в управлении.

Типы двигателей по конструкции ротора

По типу исполнения ротора шаговые электродвигатели подразделяются на машины:

с постоянным магнитом;
с переменным магнитным сопротивлением;
гибридные.

ШД с постоянными магнитами на роторе устроен также, как и в рассмотренных выше примерах. Единственным отличием является то, что в реальных машинах количество магнитов гораздо больше. Распределены они обычно на общем диске. Количество полюсов в современных моторах доходит до 48. Один шаг в таких электромоторах составляет 7,5°.

Электромоторы с переменным магнитным сопротивлением. Ротор данных машин изготавливается из магнитомягких сплавов, их также называют «реактивный шаговый двигатель». Ротор собирается из отдельных пластин и в разрезе выглядит как зубчатое колесо. Такая конструкция необходима для того, чтобы через зубцы замыкался магнитный поток. Основным достоинством такой конструкции является отсутствие стопорящего момента. Дело в том, что ротор с постоянными магнитами притягивается к металлическим деталям электромотора. И провернуть вал при отсутствии напряжения на статоре достаточно тяжело. В шаговом двигателе с переменным магнитным сопротивлением такой проблемы нет. Однако существенным минусом является небольшой крутящий момент. Шаг подобных машин обычно составляет от 5° до 15°.

Гибридный ШД был разработан для объединения лучших характеристик двух предыдущих типов. Такие двигатели имеют маленький шаг в пределах от 0,9 до 5°, обладают высоким моментом и удерживающей способностью. Самым важным плюсом является высокая точность работы устройства. Такие электромоторы применяются в самом современном высокоточном оборудовании. К минусам можно отнести только их высокую стоимость. Конструктивно ротор данного устройства представляет собой намагниченный цилиндр, на котором расположены магнитомягкие зубцы.

Для примера в ШД на 200 шагов используются два зубчатых диска с числом зубцов 50 штук на каждом. Диски смещены относительно друг друга на ползуба так, что впадина положительного полюса совпадает с выступом отрицательного и наоборот. Благодаря этому у ротора есть 100 полюсов с обратной полярностью.

То есть и южный, и северный полюс может сместиться относительно статора в 50 различных положений, а в сумме 100. А смещение фаз на четверть дает еще 100 позиций, производится это за счет последовательного возбуждения.

Управление ШД

Управление производится следующими методами:

Волновой. В данном методе напряжение подается только на одну катушку, к которой и притягивается ротор. Так как задействована только одна обмотка крутящий момент ротора небольшой, и не подходит для передачи больших мощностей.
Полношаговый. В данном варианте возбуждаются сразу две обмотки, благодаря чему обеспечивается максимальный момент.
Полушаговый. Объединяет первые два метода. В данном варианте напряжение подается сначала на одну из обмоток, а затем на две. Таким образом реализуется большее количество шагов, и максимальная удерживающая сила, которая останавливает ротор при больших скоростях.
Микрошаговое регулирование производится подачей микроступенчатых импульсов. Такой метод обеспечивает плавное вращение ротора и снижает рывки при работе.

Достоинства и недостатки шаговых электродвигателей

К достоинствам данного типа электрических машин можно отнести:

высокие скорости пуска, остановки, реверса;
вал поворачивается в соответствии с командой управляющего устройства на заданный угол;
четкая фиксация положения после остановки;
высокая точность позиционирования, без жестких требований к наличию обратной связи;
высокая надежность за счет отсутствия коллектора;
поддержание максимального крутящего момента на низких скоростях.

Недостатки:

возможно нарушение позиционирования при механической нагрузке на вал выше допустимой для конкретной модели двигателя;
вероятность резонанса;
сложная схема управления;
невысокая скорость вращения, но это нельзя отнести к весомым недостаткам, поскольку шаговые двигатели не используются для простого вращения чего-либо, как бесколлекторные, например, а для позиционирования механизмов.

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

Материалы по теме:

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 N_R — количество полюсов ротора;

N_S – 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.

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.

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 2×96=192 шага.

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.

Шаговые двигатели: описание, примеры, обзоры, характеристики

Шаговый электродвигатель это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками. Ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения ротора, они же шаги. Именно поэтому двигатель называется шаговым. Для управления шаговым двигателем используется специальный контроллер, который называют драйвером шагового двигателя.

Шаговые двигатели стандартизованы национальной ассоциацией производителей электрооборудования NEMA по посадочным размерам и размеру фланца. Самые ходовые типоразмеры это NEMA 17 с фланцем 42*42мм, NEMA 23 с фланцем 57*57мм и NEMA 34 размером 86*86мм соответственно. Шаговые электродвигатели NEMA 17 могут создавать крутящий момент приблизительно до 6 кг*см, NEMA 23 до 30 кг*см и NEMA 34 до 120 кг*см.

Как устроен шаговый двигатель

Конструктивно шаговые двигатели можно поделить на три больших класса – это двигатели с переменным магнитным сопротивлением, двигатели с постоянными магнитами и гибридный класс, сочетающий характеристики первых двух.

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют несколько полюсов на статоре и ротор из магнитомягкого материала, который не сохраняет остаточную намагниченность. Для простоты ротор на рисунке имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Двигатель на рисунке имеет шаг 30 град.

При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которых находится запитанная обмотка. Если затем выключить эту обмотку и включить следующую, то ротор поменяет положение, снова замкнув своими зубцами магнитный поток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение, нужно включать фазы попеременно. Такой двигатель не чувствителен к направлению тока в обмотках, а из-за того, что ротор не имеет магнитных свойств, данный тип двигателя может работать на высоких оборотах. Так же данный тип двигателя легко отличить от других шаговиков, просто повращав его за вал, когда он отключен. Вал будет крутиться свободно, тогда как у остальных типов явно будут ощущаться шаги. Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой, что вместе с соответствующими зубцами ротора обеспечивает уменьшение значения угла шага до нескольких градусов. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением сейчас почти не используют.

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора с обмотками и ротора, содержащего постоянные магниты. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.

Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Статор имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах. Двигатель на рисунке имеет величину шага 30 град, так же, как и предыдущий. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга и для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют от 48 до 24 шагов на оборот, что соответствует углам шага 7.5 – 15 град).

На практике двигатель с постоянными магнитами выглядит, например, вот так. Увидеть такой двигатель можно в лазерном принтере.

Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, которая ограничивает максимальную скорость. Это значит, что при свободном выбеге на больших оборотах двигатель сработает как генератор и может сжечь драйвер током, который сам и сгенерирует. Это же относится и к гибридным двигателям.

Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты шаговых двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Гибридные шаговые двигатели обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость, чем двигатели с переменным магнитным сопротивлением и двигатели с постоянными магнитами.

Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400, что соответсвует углам шага 3.6 – 0.9 градусов. Ротор показанного на рисунке двигателя имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель имеет 2 фазы, поэтому полное количество полюсов – 200, а шаг, соответственно, 1.8 град.

Выглядит гибридный двигатель, например, вот так.

Большинство современных шаговых двигателей являются именно гибридными, поэтому давайте подробней рассмотрим устройство шаговых двигателей этого типа.

Ротор двигателя разделен поперек на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Благодаря этому зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для двигателей с шагов в 3,6 градуса и 8 основных полюсов в случае шагов в 1.8 и 0.9 градусов. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.

Посмотрим на продольное сечение гибридного шагового двигателя. Стрелками показано направление магнитного потока постоянного магнита ротора. Часть потока (на рисунке показана черной линией) проходит через полюсные наконечники ротора, воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании момента.

Как видно на рисунке, воздушные зазоры у верхнего и нижнего полюсного наконечника ротора разные. Это достигается благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубьев, что очень хорошо было видно на предыдущем фото. Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальные воздушные зазоры и, как следствие, обладает минимальным магнитным сопротивлением. По этой цепи замыкается другая часть потока (на рисунке показана штриховой белой линией), которая и создает момент. Часть цепи лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку, поэтому она не показана. В этой же плоскости создают магнитный поток катушки статора. В гибридном двигателе этот поток частично замыкается полюсными наконечниками ротора и слабо влияет на постоянный магнит. Поэтому в отличие от двигателей постоянного тока, магнит гибридного шагового двигателя невозможно размагнитить ни при какой величине тока обмоток.

Величина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая, около 0.1 мм. Это требует высокой точности при сборке, поэтому шаговый двигатель не стоит разбирать ради удовлетворения любопытства, иначе на этом его служба может закончиться.

Чтобы магнитный поток не замыкался через вал, который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных марок стали.

Для получения больших моментов необходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и поле постоянного магнита . При этом требуется больший диаметр ротора, что ухудшает отношение крутящего момента к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногда конструктивно выполняют из нескольких секций в виде этажерки. Крутящий момент и момент инерции увеличиваются пропорционально количеству секций, а их отношение не ухудшается.

Мы рассмотрели устройство самого «железа» шаговых двигателей, но помимо этого двигатели можно еще поделить по количеству и способу коммутации их обмоток.

Тут всего два основных вида – биполярный и униполярный

Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой или полумостовой драйвер. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода. Примером распространенного биполярного двигателя может быть шаговый двигатель марки 17HS4401

Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера, который в случае униполярного двигателя должен иметь только 4 простых ключа. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 выводов, как на рисунке, или 6 выводов в случае если выводы AB и CD разъединены. Униполярный двигатель с двумя обмотками и отводами можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными.

Примером распространенного униполярного двигателя с пятью выводами может быть шаговый двигатель марки 28BYJ-48. Данный двигатель можно переделать в биполярный, разделив выводы AB и CD, для чего достаточно перерезать одну из перемычек на плате под синей крышкой.

Иногда двигатели имеют 4 раздельные обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными или четырехобмоточными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8. При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать и как униполярный, и как биполярный.

Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность, а значит при одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент. Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путей для повышения магнитного поля два – это увеличение тока или числа витков обмоток. Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника, однако на практике гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя в следствии потерь из-за омического сопротивления обмоток. Тут и проявляется преимущество конструкции биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток, а другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра или увеличивать габариты двигателя. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки. Иными словами, на биполярный двигатель той же мощности надо намотать в два раза меньше медного обмоточного провода, чем на униполярный, а случае, если обмотки равны по массе, то биполярный двигатель будет мощнее примерно на 40%.

На практике можно встретить оба типа двигателей, так как биполярные дешевле из-за меньшей материалоемкости, а униполярные требуют значительно более простых драйверов. В настоящее время наиболее широко распространены гибридные биполярные двигатели.

Где приобрести ШД? Вы можете купить шаговые двигатели в нашем магазине 3DIY с доставкой по всей России!

Управление шаговым двигателем

Независимо от того, какой драйвер или двигатель использован, управление шаговым двигателем может осуществляться в одном из трёх режимов:

полношаговое

полушаговое

микрошаговое

Полношаговый режим управления ШД подразумевает попеременную коммутацию фаз без перекрытия, при этом единовременно к источнику напряжения подключена только одна из фаз. При таком способе управления на каждый полный шаг электродвигателя приходится одна фаза и точки равновесия ротора идентичны полюсам статора. Данный режим имеет и недостаток: в случае с биполярным двигателем в полношаговом режиме в один и тот же момент задействуется только половина обмоток, с униполярным – четверть. Существует и другой вариант полношагового управления, подразумевающий единовременное включение двух фаз. Такой способ управления ШД основан на фиксации ротора между полюсами статора благодаря подаче питания на обмотки, при этом на полный шаг приходится две фазы. При этом способе управления точка равновесия ротора смещается на половину шага относительно способа с одной фазой, а момент возрастает примерно на 40 процентов.

Применение полушагового режима управления шаговым двигателем позволяет увеличить количество шагов, приходящихся на один оборот ротора, в два раза. При работе ШД в таком режиме на каждый второй шаг приходится включение одной из фаз, а между шагами включаются сразу обе. Фактически это комбинация переменного включения однофазного и двухфазного полношаговых режимов.

Микрошаговый режим управления ШД применяется тогда, когда необходимо получение максимально большого количества шагов, приходящихся на оборот ротора. При работе в таком режиме так же работают две фазы, однако токи обмоток в данном случае распределяются неравномерно, а не 50/50, как в полушаговом. Величина микрошага зависит от конкретного устройства и настроек драйвера. При работе в микрошаговом режиме точность позиционирования ШД значительно повышается, однако требуется более сложный драйвер двигателя.

Где приобрести драйвера ШД? Купить драйвера шаговых двигателей можно у нас в онлайн магазине с доставкой!

Конструктивные исполнения ШД

Обычный шаговый двигатель

Тут нет никаких изысков – корпус, вал, в общем стандарт. Широко распространен в разном оборудовании, начиная от фрезеров и 3д принтеров, заканчивая приводом заслонки или мешалки.

Двигатель с полым валом

Шаговые двигатели с полым валом применяются когда существует необходимость передачи крутящего момента без применения соединительных муфт, например для использования в ограниченном пространстве. Так же сквозь него можно продеть длинный вал, который будет торчать с двух сторон и синхронно крутить что-то с одной и с другой стороны.

Двигатель со встроенной в вал приводной гайкой

Такой вид двигателя может найти применение в том случае, если требуется быстрое перемещение на большое расстояние. Длинный винт на высоких оборотах ведет себя подобно скакалке, а при использовании такого мотора винт можно неподвижно натянуть между опорами, а сам мотор закрепить на подвижной части оборудования. Тогда длина и нежесткость винта не будет влиять на максимальную скорость.

Двигатель с двойным валом

В этом исполнении двигатель имеет удлиненный вал, длинный конец которого выступает со стороны задней крышки. На этот удлиненный вал можно повесить барашек, чтоб можно было выставить положение вала вручную, повесить энкодер и получить сервошаговый двигатель, а можно повесить дополнительный шкив или винт, которые будут работать абсолютно синхронно с передним валом.

Двигатель с винтом вместо вала

Находят себе применение например в 3д принтерах или в любом другом месте, где хочется сэкономить место не только на муфте между валом и винтом, но и на подшипниковой опоре винта, роль которой в данном случае выполняют подшипники двигателя.

Двигатель со встроенным тормозом

Позволяет зафиксировать вал в нужной позиции дополнительно к удержанию самим шаговиком. Так же позволяет удерживать вал в случае отключения питания двигателя.

Двигатель с редуктором

Редуктор позволяет понизить обороты двигателя и поднять его крутящий момент. Данное исполнение редко встречается в связи с тем, что шаговые двигатели и так имеют значительный момент на низких оборотах и сами по себе могут достигать весьма низких скоростей вращения.

Двигатель с энкодером

Он же сервошаговый двигатель. Фактически это сервопривод на шаговом двигателе. На удлиненный вал со стороны задней крышки монтируется энкодер в корпусе и благодаря этому мы получаем обратную связь о положении вала двигателя. В случае пропуска шагов двигателем контроллер узнает об этом и ориентируясь на показания энкодера будет подавать дополнительные импульсы до тех пор, пока вал не займет нужное положение. Сервошаговый двигатель используется со своим специальным драйвером, который имеет вход для подключения энкодера.

Преимущества шагового двигателя

угол поворота ротора определяется числом поданных импульсов. Шаговый двигатель крутится не плавно, а шагами, шаг имеет определенную величину. Поэтому чтобы повернуть вал в нужное положение мы просто подаем известное нам количество импульсов.

зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи. Один шаг – один импульс. Какое количество импульсов подали, в то положение двигатель и шагнул.

двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки. Это хорошо тем, что для фиксации положения вала запитанному двигателю не нужен тормоз, можно тормозить его при помощи драйвера.

прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность от 3 до 5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу, так как на один оборот двигателя приходится неизменное количество шагов, совершив которые мы всегда получим поворот на 360 градусов.

высокая надежность. Высокая надежность двигателя связанна с отсутствием щеток. Срок службы фактически определяется сроком службы подшипников

возможность получения низких скоростей вращения. Для получения низкой скорости вращения двигателя достаточно замедлить скорость подачи импульсов, тогда двигатель будет медленнее шагать и скорость его вращения будет небольшой.

большой крутящий момент на низких скоростях. Большой крутящий момент на низких оборотах позволяет отказаться от применения редуктора, что упрощает конструкцию оборудования

может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей. Скорость вращения двигателя пропорциональна частоте входных импульсов, подавая их быстрее или медленнее мы так же влияем и на скорость вращения.

Недостатки шагового двигателя:

шаговым двигателем присуще явление резонанса. Шаговые двигатели обладают собственной резонансной частотой. Это связано с тем, что ротор после подачи тока в обмотку некоторое время колеблется, прежде чем зафиксироваться в конечном положении, и колебания тем сильней, чем больше инерция ротора. Резонанс приводит к повышенному шуму, вибрациям и падению крутящего момента двигателя. Один из способов победить резонанс – увеличить деление шага. Мелкие перемещения в микрошаге не требуют длительных разгона и фиксации ротора, быстро останавливают его между шагами и увеличивают частоту шагания выше резонансной.

возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи. При превышении усилия на валу выше того, который может создать двигатель, он начнет пропускать шаги. Так как у двигателя нет обратной связи, то контроллер не может узнать об этом и даже если двигатель начнет вращаться снова, стартует он уже из неправильного рабочего положения. Для устранения этого недостатка можно использовать сервошаговый двигатель или увеличить момент на валу, повысив напряжение, настроив драйвер на больший ток или заменив двигатель на более мощный.

потребляет энергию независимо от нагрузки. Шаговый двигатель в промежуточном положении фиксируется с полным моментом. Шагает он тоже с полным моментом. Поэтому он продолжает потреблять электричество без особой зависимости от нагрузки на валу. Снизить общее потребление энергии двигателем мы можем применив драйвера, которые уменьшают подаваемый в режиме удержания ток.

затруднена работа на высоких скоростях. На высоких скоростях вращения шаговый двигатель значительно теряет момент и при достижении определенной частоты оборотов момент становится настолько мал, что вал не может дальше крутиться. В этом момент двигатель останавливается и гудит с частотой подаваемых импульсов. Этот недостаток можно устранить, повысив питающее напряжение, что увеличит крутящий момент как на повышенных, так и на пониженных оборотах, использовать более продвинутый драйвер, который на высоких скоростях вращения переходит на полношаговый режим управления двигателем или попросту заменив шаговик на сервопривод, который рассчитан на высокие скорости.

невысокая удельная мощность.Шаговый двигатель по удельной мощности на грамм веса не самый энергонасыщенный электропривод. Сделать с этим мы ничего не можем.

относительно сложная схема управления.Драйвера шаговых двигателей насыщены электроникой. Тут мы тоже не можем что-то изменить.

Как выбрать шаговый двигатель? На какие параметры обратить внимание.

По большому счету, выбор двигателя сводится к выбору нескольких вещей:

вида двигателя (его размеры)

тока фазы

индуктивность

Что касается вида двигателя, то при отсутствии каких-то определенных предпочтений мы бы рекомендовали использовать биполярные шаговые двигатели с 4 выводами, так как они наиболее распространены и, что не менее важно, не менее распространены драйвера для них. То есть случае какой-либо поломки вы легко найдете замену и отремонтируете станок.

Размер двигателя и его ток проще всего подобрать, ориентируясь на готовые станки от известных производителей, которые близки к конструируемому по размерам и характеристикам — проверенная конструкция означает, что двигатели уже подобраны оптимальным образом и можно взять их характеристики за основу. Производитель двигателя в данном случае не особо важен, так как ввиду отработанной технологии производства их характеристики у разных производителей примерно одинаковые.

Остается одна характеристика – индуктивность.

При одинаковом напряжении питания двигатели с большей индуктивностью имеют больший момент на низких оборотах, и меньший – на высоких, как видно из графика. Но большая индуктивность потенциально дает вам возможность получить больший крутящий момент, повысив напряжение питания, тогда как при использовании двигателей с небольшой индуктивностью повышение напряжения может привести к тому, что двигатель будет перегреваться без заметной прибавки в характеристиках. Это связано с тем, что нарастание тока в обмотках с низкой индуктивностью идет быстрее и мы легко можем получить среднее значение тока выше номинального, а как следствие этого – перегрев. Таким образом при прочих равных лучше выбрать двигатель с большим значением индуктивности.

Как работает шаговый двигатель

Добавлено 22 июля 2019 в 16:12

Сохранить или поделиться

Узнайте все преимущества шаговых двигателей, а также достоинства и недостатки выбора этого типа двигателей для вашего проекта.

Если вы работаете над проектом, в котором есть движущаяся часть, вы, вероятно, будете искать двигатель, чтобы сделать это движение возможным. В этой серии статей мы рассматриваем наиболее популярные типы двигателей, которые используют разработчики. Пока мы рассмотрели:

Чтобы узнать, для каких проектов лучше всего подходят шаговые двигатели, ознакомьтесь с обзором:

Обзор шаговых двигателей

В мире разработчиков шаговые двигатели широко распространены в технологии 3D печати. Все потребительские 3D принтеры оснащены ими. Шаговые двигатели также широко используются и в робототехнике.

Шаговые двигатели широко используются в робототехнике и 3D принтерах

Шаговые двигатели часто сравнивают с серводвигателями, поскольку эти оба типа двигателей используются в системах, требующих высокого уровня точности позиционирования.

Однако способы, которыми каждый тип двигателя отслеживает свое положение, сильно отличаются. Как обсуждалось в предыдущей статье, серводвигатель содержит в себе потенциометр, который измеряет абсолютное положение двигателя. Поэтому в любой момент времени сервопривод точно знает, как расположен вал двигателя. Шаговый двигатель не измеряет угол своего вала.

Как работает шаговый двигатель?

Конструкция шагового двигателя похожа на более сложную версию бесколлекторного двигателя. Вы заметите, что многие детали, по сути, одинаковы, но в шаговом двигателе их конструкция значительно сложнее.

Основные компоненты шагового двигателя

В шаговом двигателе обмотки расположены вокруг внешней части кожуха. Постоянные магниты установлены на валу двигателя. Поскольку эти постоянные магниты достаточно тяжелые, шариковый подшипник с обеих сторон вала двигателя помогает стабилизировать двигатель.

Шаговые двигатели в теории работают аналогично бесколлекторным двигателям. Для создания магнитного поля обмотки возбуждаются и, воздействуя на постоянные магниты, заставляют вал двигателя двигаться.

Ребра на постоянных магнитах соответствуют похожим ребрам на обмотках на корпусе двигателя. Вместо непрерывного вращения шаговые двигатели перемещаются между этими ребрами дискретными шагами.

Различие с бесколлекторным двигателем заключается в том, что вместо того, чтобы каждый раз, когда обмотки переключают полярность, поворачиваться примерно на 30% от окружности, шаговый двигатель поворачивается очень немного, обычно всего на 1,8 градуса. Каждый из этих крошечных поворотов называется шагом. Контроллеры могут также управлять мощностью, подаваемой на обмотки, так, что шаговый двигатель может поворачиваться всего на 0,05625 градуса за шаг. Этот вид чрезвычайно точного управления движением позволяет шаговым двигателям достичь очень высокой точности позиционирования.

Достоинства шаговых двигателей

Высокая точность позиционирования

Основная причина существования шаговых двигателей заключается в том, что система управления движением обеспечивает высокую точность отслеживания положения.

Высокий крутящий момент на низких скоростях

Шаговые двигатели обеспечивают значительный крутящий момент на низких скоростях.

Оценка характеристик шаговых двигателей

Недостатки шаговых двигателей

Низкая максимальная скорость

Поскольку шаговые двигатели перемещаются определенными шагами, у них низкая максимальная скорость вращения.

Низкий крутящий момент на высоких скоростях

На более высоких скоростях шаговые двигатели теряют значительный крутящий момент, обеспечивая лишь около 20% от своего крутящего момента на более низких скоростях.

Оригинал статьи:

Шаговый электродвигатель принцип работы

Описание и принцип работы

Как и двигатель постоянного тока, описанный в предыдущей статье, шаговые двигатели также являются электромеханическими исполнительными механизмами, которые преобразуют импульсный цифровой входной сигнал в дискретный (инкрементальный) механический ход, широко используются в промышленных системах управления. Шаговый двигатель представляет собой тип синхронного бесщеточного двигателя, в котором он не имеет ротора с коммутатором и угольных щеток, но имеет ротор, состоящий из многих (некоторые типы имеют сотни) постоянных магнитных зубьев и статор с отдельными обмотками.

Как следует из названия, шаговый двигатель не вращается непрерывно, как обычный двигатель постоянного тока, а движется дискретными «шагами» или «приращениями», причем угол каждого вращательного движения или шага зависит от числа полюсов статора и ротора. зубья имеет шаговый мотор.

Из-за их дискретной шаговой операции шаговые двигатели могут легко вращаться за конечную долю оборота за раз, например, 1,8, 3,6, 7,5 градусов и т.д. Так, например, давайте предположим, что шаговый двигатель совершает один полный оборот 360 o ровно за 100 шагов.

Тогда угол шага для двигателя задается как 360 градусов / 100 шагов = 3,6 градуса за шаг. Это значение обычно известно как Шаг угла.

Существует три основных типа шагового двигателя: переменное сопротивление, постоянный магнит и гибрид (своего рода комбинация обоих). Шаговый двигатель особенно хорошо подходит для устройств, требующих точного позиционирования и повторяемость с быстрой реакцией на запуск, остановка, реверс и регулировка скорости и другой ключевой особенностью шагового двигателя является его способность удерживать заряд ровно после достижения требуемого положения.

Как правило, шаговые двигатели имеют внутренний ротор с большим количеством «зубьев» постоянного магнита с рядом электромагнитных «зубьев», установленных на статоре. Электромагниты статоров поляризованы и деполяризованы последовательно, заставляя ротор вращаться по одному «шагу» за раз.

Современные многополюсные, многозубые шаговые двигатели имеют погрешность менее 0,9 градуса на шаг (400 импульсов на оборот) и в основном используются для высокоточных систем позиционирования, подобных тем, которые используются для магнитных головок в дисководе гибких дисков / жестких дисках, принтеры / плоттеры или роботизированные устройства. Наиболее часто используемым шаговым двигателем является шаговый двигатель с шагом 200 на оборот. Он имеет 50 зубчатый ротор, 4-фазный статор и угол шага 1,8 градуса (360 градусов / (50 × 4)).

Конструкция и управление шаговым двигателем

В нашем простом примере шагового двигателя с переменным сопротивлением выше, двигатель состоит из центрального ротора окружен четырьмя электромагнитными катушками, помеченных A, B, C и D. Все катушки с одной и той же буквой соединены вместе, так что при подаче питания, скажем, катушек, помеченных буквой A, магнитный ротор выравнивается с этим набором катушек.

Подавая мощность на каждый набор катушек, в свою очередь, можно заставить ротор вращаться или «переходить» из одного положения в другое на угол, определяемый конструкцией угла его шага, и при последовательном возбуждении катушек ротор будет производить вращение (движение).

Драйвер шагового двигателя управляет как углом шага, так и скоростью двигателя, запитывая полевые катушки в установленной последовательности, например, » ADCB, ADCB, ADCB, A… » и т.д., ротор будет вращаться в одном направлении (вперед) и посредством при изменении последовательности импульсов на » ABCD, ABCD, ABCD, A… » и т. д. ротор будет вращаться в противоположном направлении (назад).

Таким образом, в нашем простом примере, приведенном выше, шаговый двигатель имеет четыре катушки, что делает его 4-фазным двигателем с числом полюсов на статоре восемь (2 x 4), которые расположены с интервалом 45 градусов. Число зубьев на роторе составляет шесть, которые расположены на расстоянии 60 градусов друг от друга.

Тогда есть 24 (6 зубьев х 4 катушек) возможных положений или «ступеней», чтобы ротор совершил один полный оборот. Следовательно, вышеуказанный угол шага равен: 360 o / 24 = 15 o .

Очевидно, что чем больше зубьев ротора и / или катушек статора, тем лучше контроль и меньший угол шага. Кроме того, при подключении электрических катушек двигателя в различных конфигурациях возможны полные, половинные и микрошаговые углы. Однако для достижения микроперехода шаговый двигатель должен приводиться в действие (квази) синусоидальным током, который дорог в реализации.

Также возможно контролировать скорость вращения шагового двигателя, изменяя временную задержку между цифровыми импульсами, подаваемыми на катушки (частоту), чем больше задержка, тем медленнее скорость для одного полного оборота. Подавая на двигатель фиксированное количество импульсов, вал двигателя вращается на заданный угол.

Преимущество использования импульса с задержкой по времени заключается в том, что не требуется никакой дополнительной обратной связи, поскольку путем подсчета количества импульсов, подаваемых на двигатель, конечное положение ротора будет точно известно. Эта реакция на заданное количество цифровых входных импульсов позволяет шаговому двигателю работать в «системе с разомкнутым контуром», что делает его более простым и дешевым в управлении.

Например, предположим, что наш шаговый двигатель имеет угол наклона 3,6 градуса на шаг. Чтобы повернуть двигатель на угол, скажем, 216 градусов, а затем снова остановиться в требуемом положении, потребуется всего: 216 градусов / (3,6 градуса / шаг) = 80 импульсов, приложенных к катушкам статора.

Имеется много интегральных схем контроллера шагового двигателя, которые могут контролировать скорость шага, скорость вращения и направление двигателя. Одним из таких контроллеров является SAA1027, который имеет все необходимые встроенные счетчики и преобразователи кода и может автоматически подключать 4 полностью контролируемых мостовых выхода к двигателю в правильной последовательности.

Направление вращения также может быть выбрано вместе с одношаговым режимом или непрерывным (бесступенчатым) вращением в выбранном направлении, но это накладывает некоторую нагрузку на контроллер. При использовании 8-битного цифрового контроллера возможны также 256 микрошагов за шаг.

Шаговые электродвигатели. Виды и работа. Особенности

Шаговые электродвигатели легко решают проблему точного позиционирования, не затратив больших средств. Моторы чаще применяются в роботах, станках с программным управлением. Рассмотрим устройство и действие двигателей.

Устройство

Шаговые электродвигатели являются двигателями переводящими электричество в механическое движение. Главным отличием его от других электромоторов в методе действия. Благодаря этому методу вал вращается. Моторы с шагом созданы для прерывистого вращения, этим они отличаются от других. Их вращение состоит из шагов, от этого получилось название.

Шаг является частью оборота вала мотора. Размер шага зависит от механической части двигателя и от метода управления. Шаговые двигатели подключаются к различным типам питания. В отличие от своих собратьев, шаговый мотор имеет управление импульсами, преобразующимися в градусы, а затем во вращение. Например, 2,20 шаговый мотор вращает вал на 2,20 при каждом поданном импульсе. Эта характеристика дает повод называть их цифровыми.

Метод действия

Обмотки в количестве 4-х штук стоят по кругу равномерно между собой на статоре. В зависимости от того, как подключены эти обмотки будет определяться тип шагового двигателя. В нашем случае обмотки разделены, мотор с шагом, углом поворота в 90 градусов. Обмотки подключены по кругу. Порядок подключения направление вращения двигателя с шагом. На рисунке видно, что вал вращается на 90 градусов в то время, как ток поступит в катушку, через 1 секунду.Стандартными составляющими шаговых двигателей являются ротор и статор. Ротор включает в себя сердечники, изготовленные из магнитов. Схематически дано изображение.

Режимы управления

При разной подаче тока на катушки вал двигателя вращается по-разному.

Метод практически нами рассмотрен, волновое действие на катушку. Ток идет через одну катушку. Такой метод редко применяется, характерен пониженным потреблением энергии, дает возможность получения меньше 50% момента вращения двигателя. Большую нагрузку при таком управлении шаговые электродвигатели не выдержат. На один оборот вала приходится четыре шага.

Управление полным шагом

Широко применяемый метод — полношаговый. По этому способу напряжение питания на катушки подается попарно. От того, как подключены обмотки, двигателю необходим двойной ток. Электродвигатель при такой схеме выдаст 100% момента вращения по номиналу.

Полный оборот двигателя соответствует четырем шагам, число шагов по номинальному значению.

Режим полушага

Это оригинальный метод получения двойной точности позиционирования, не изменяя конструкцию двигателя. Чтобы работать по этому способу, подключают одновременно все имеющиеся пары. Ротор поворачивается на 0,5 шага. Такой способ имеет место при применении двух или одной катушки.

Режим с 1 обмоткой Режим с 2 обмотками

По этому способу один и тот же мотор может выдать шагов в 2 раза больше на один оборот. Это значит, что система позиционирования работает с двойной точностью. Наш мотор выдает восемь шагов на один оборот.

Смысл микрошага заключается в подаче на катушки двигателя напряжения питания сигнала определенной формы, похожей на синус, а не импульсов. При таком методе изменения положения дает возможность получения плавного перемещения.

Благодаря микрошаговому режиму шаговые электродвигатели широко применяются в позиционировании, в программно управляемых станках. Рывки деталей, работающих с двигателем, толчки самого механизма понижаются. В микрошаговом режиме двигатель вращается плавно, как моторы постоянного тока.

Конфигурация графика тока, проходящего по обмотке, сходна с синусоидой. В эксплуатации применяются цифровые сигналы. Их примеры показаны на рисунках.

Способ микрошага — подключение питания двигателя, не управления катушками.

Отсюда следует, что микрошаг применяется при волновом типе.

В микрошаговом типе шаги не увеличиваются, хотя визуально это представляется. Для увеличения точности механизма применяют шестерни с трапецеидальными зубьями, чтобы обеспечить плавный ход.

Типы моторов

Шаговые электродвигатели с постоянным магнитом

Ротор оборудован постоянным дисковым магнитом с несколькими полюсами. Действует по такому же принципу, как микрошаговый мотор. Катушки статора отталкивают и притягивают магнит, расположенный на роторе, образуя момент вращения.

Размер шага с постоянным магнитом находится в интервале от 45 до 90 градусов.

Шаговые электродвигатели с сопротивлением переменной величины

Ротор не имеет постоянных магнитов. Вместо них сердечник ротора производится из металла, похожего на диск с зубьями, или на шестерню. На статоре расположены обмотки в количестве более 4-х штук. Катушки подключаются в парах друг к другу.

Крутящий момент уменьшается, так как постоянные магниты отсутствуют. Однако, имеется положительная сторона — у шаговых моторов отсутствует момент стопорения. Стопорящий момент вращения создан постоянными магнитами, притягивающимися к корпусу статора при отключенном питании в катушках.

Можно просто определить, какой момент, если попробовать повернуть отсоединенный мотор. Сразу будут понятны ощутимые щелчки в двигателе при каждом шаге. Эти ощущения и будут являться моментом фиксации. Момент притягивает к себе магниты корпуса. На рисунке изображено действие мотора.

Шаг равен интервалу от 5 до 15 градусов.

Шаговый мотор гибридного типа

Шаговые электродвигатели называются «гибридными», потому что включают в себя разные типы характеристик. Они имеют хорошие моменты, малый размер шага, находящийся в интервале от 0,9 до 5 градусов. При этом он обеспечивает высокую точность.

Механическая конструкция вращается со значительными скоростями. Такие виды моторов применяются в станках с программным управлением, в роботах. Недостатком является высокая цена. Обыкновенный двигатель вместе с восьмью катушками.

Из-за невозможности изготовления магнита, нашли оригинальное решение. Взяли два диска с зубьями 50 штук, постоянный магнит. Приварили диски к полюсам. Получилось, что два диска имеют соответственно каждый полюс.

Оригинальность конструкции в том, что диски размещены так, что, смотря на них сверху, они похожи на один диск со 100 зубьями. Вершина зуба на одном диске совпадает со впадиной. На рисунке изображено действие гибридного мотора 75 шагов на один оборот. Шесть обмоток сделаны парами, которые имеют катушку на противоположных краях. Первая пара – это пара вверху и внизу обмотки, тогда 2-я пара смещена на угол 60+5 градусов от первой, а 3-я смещена на 65 градусов от второй.

Разница углов позволяет вращаться валу двигателя. Управляющие режимы применяются, как волновые для экономии электроэнергии.

Когда катушка задействована, имеется три положительных полюса в 5 градусов сзади, они притягиваются в сторону вращения, и три отрицательных полюса в 5 градусов впереди, толкают ротор в сторону вращения вала. Рабочая обмотка всегда расположена между отрицательным и положительным полюсами.

Схема подключения обмоток

Шаговые моторы принадлежат к моторам с несколькими фазами. Чем больше фаз, тем работа двигателя мягче, но и выше стоимость. Момент вращения не зависит от числа фаз. Большое применение получили двигатели с 2-мя фазами. Двигатели подключают тремя типами схем для 2-фазных шаговых моторов. Катушки соединены друг с другом, применено разное количество проводов для соединения двигателя с контроллером.

Биполярный двигатель

Это самая простая конструкция, применяется четыре провода для соединения мотора с контроллером. Катушки подключены параллельно или последовательно.

Параллельное или последовательное подключение

Двигатель имеет 4 контакта. Два желтых экрана подключают вертикальную катушку, два розовых – горизонтальную. Проблема в изменении полярности, можно изменить направление тока, драйвер станет сложнее.

Униполярный двигатель

Применяя общий провод, изменяют полюса магнитов. Если соединить общий провод с землей, один и другой вывод катушки к питанию, то полюса изменятся. Схема соединения двигателя биполярного типа простая для понимания, она обычно состоит из 2-х транзисторов на одну фазу.

Подключение с общим проводом

Недостаток – применение половины катушек, как при волновой управляемости электромотором. Момент вращения получается равным половине возможного значения. Униполярные электромоторы необходимо изготавливать по двойным размерам, для обеспечения сопоставимого момента. 1-полярный электромотор имеет возможность применяться в качестве биполярного мотора. Для этой цели необходимо провод отключить.

Униполярные шаговые электродвигатели имеют несколько вариантов подключения.

Общий провод соединен внутри

Шаговый мотор с 8-ю выводами

Это мотор с гибким подключением, обмотки оснащены выводами с обеих сторон. Можно подключать двигатель по любому методу:

Униполярный с 5 или 6 выводами.
Биполярный с последовательной схемой.
С параллельной схемой.
С малым током.

Подключение 4 обмоток

Шаговые электродвигатели Лавета

Моторы Лавета используются в электрических часах. Их конструкция сделана для эксплуатации с одним фазовым сигналом. Моторы Лавета обладают возможностью делать их конструкцию миниатюрной, применяются для исполнительной части часов ручного ношения. Этот тип моторов изобрел инженер Мариус Лавет. По его имени назвали тип шаговых двигателей.

Лавет – выпускник школы электрики изобрел двигатель, который дал ему известность во всем мире. Вид статора похож на статор электромотора с расщепленными полюсами. Имеется одна обмотка, полюса созданы витками с одним проводом из медной жилы толстого сечения, расположены на магнитном проводе, образуют необходимую фазу. Токи индукции образуют необходимый момент вращения.

Магнитное поле распространяется с задержкой, применяется для сдвига фаз, на прямой угол 90 градусов, чтобы имитировать напряжение из двух фаз. Конструкция ротора создана в виде постоянного магнита. Конструкции такого типа имеют широкую сферу применения в технике для быта (миксерах, блендерах). Моторы Лавета отличаются тем, что из-за зубцов вал стопорится с определенным шагом. Результатом этого возможно движение стрелки секунд. Разновидность двигателя Лавета не предназначена для реверсивной работы, как и большинство шаговых моторов.

Вентильные двигатели. Виды и устройство. Работа и применение
Виды электродвигателей
Магнитные двигатели. Разновидности и особенности
Микродвигатели. Виды, устройство, подключения
Электрические приводы. Устройство и классификация. Свойства
Электродвигатели постоянного тока. Устройство и работа. Виды
Сервоприводы. Виды и устройство. Характеристики и применение

Принцип работы шаговых двигателей

Представьте себе двухполюсный постоянный магнит на валу двигателя – это ротор, окруженный замкнутым магнитопроводом с четырьмя обмотками — статор. Вернее это две обмотки AB и CD с половинками, расположенными на противоположных полюсах статора.Подключили к источнику напряжения обмотку AB (полярность + -) как показано на рисунке. Ток в этой обмотке вызовет появление магнитного поля статора с полюсами сверху N, снизу S. Как известно разноименные полюса магнитов притягиваются. В результате ротор (постоянный магнит) займет положение, в котором оси магнитных полей ротора и работающих полюсов статора совпадают. Механическое положение будет устойчивым. При попытке сдвинуть ротор, возникнет сила, возвращающая его назад.Теперь снимем напряжение с обмотки AB и подадим на обмотку CD (полярностью + -). Ток в обмотке CD вызовет магнитное поле с горизонтальными полюсами, слева S, справа N. Магнитное поле делает все, чтобы магнитный поток замкнулся по минимальному пути. Ротор повернется в положение указанное на рисунке. Механическое положение ротора опять устойчивое. Это был первый шаг двигателя. В нашем случае он равен одной четвертой оборота.Отключаем обмотку CD и подаем напряжение опять на обмотку AB, но уже в другой полярности (- +). Опять магнитное поле статора повернется на 90°, а за ним и ротор.Еще одна коммутация AB — отключаем, CD — подключаем (полярность — +) и ротор совершает еще один шаг на одну четвертую окружности. Следующая коммутация (с которой мы начали) вернет ротор в исходное положение. Мы сделали полный поворот за 4 шага. Если продолжить переключение фаз, ротор будет вращаться с частотой, пропорциональной частоте переключения фазных обмоток. Если коммутировать фазы в противоположной последовательности – крутиться в обратном направлении, прекратить коммутацию — остановится.

Биполярные и униполярные шаговые двигатели

Это был биполярный шаговый двигатель. Биполярный двигатель имеет по одной обмотке для каждой фазы. На предыдущих рисунках это обмотки AB и CD. Для изменения магнитного поля должна обеспечиваться сложная коммутация обмоток. Каждая обмотка: • отключается от источника напряжения, • подключается в прямой полярности • подключается с противоположной полярностью. Для такой коммутации требуется сложный мостовой драйвер. Примером такого устройства является микросхема L298N. Микросхема обеспечивает ток коммутации до 2 А. Если нужны большие токи, то задача управления биполярным двигателем еще усложняется. Существует другой способ изменения магнитного поля в статоре с гораздо более простой схемой коммутации. Это применение двигателя с униполярными обмотками. Схема двух фазного шагового двигателя с униполярными обмотками и последовательность коммутаций обмоток выглядит так.У всех четырех обмоток один вывод подключен к плюсовому выводу источника питания. А другие выводы A,B,C,D последовательно коммутируются к минусовому сигналу. Соответствующие обмотки создают магнитное поле, и ротор поворачивается вслед за ним.Для коммутации обмоток таким способом достаточно четырех ключей, замыкающих обмотки на землю. Ключи часто управляются непосредственно с выводов микроконтроллеров. Иногда средние выводы обмоток конструктивно объединены внутри двигателя, иногда выводятся все выводы отдельно. Кстати, это не повод называть двигатель четырехфазным. Все равно он будет двухфазным. Биполярный двигатель обеспечивает, при тех же размерах, больший крутящий момент, по сравнению с униполярным. Оно и понятно. Одновременно в униполярном двигателе работает только одна обмотка, вместо двух. Выигрыш в моменте у биполярного составляет около 40%. Зато, если нет необходимости использовать двигатель на полную мощность, униполярным двигателем гораздо проще управлять.

Разновидности шаговых двигателей

Основные виды шаговых двигателей: • с переменным магнитным сопротивлением • с постоянными магнитами • гибридные.

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением

У двигателей с переменным магнитным сопротивлением в роторе нет постоянных магнитов. Их ротор выполнен из магнитомягкого материала и имеет зубчатую форму. Магнитный поток замыкается через ближайшие к полюсам статора зубцы. Зубцы притягиваются к полюсам. Этим и обеспечивается вращение. При тех же размерах, двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют меньший крутящий момент, чем другие типы шаговых двигателей. Применяются они довольно редко. Я знаю только одну фирму, которая использовала такие двигатели. Я разрабатывал управление для них. Выбор двигателей именно с переменным магнитным сопротивлением был обусловлен тем, что фирма сама изготавливала все детали двигателя. А сделать ротор для привода такого вида намного проще, потому что в нем не используются постоянные магниты.

Двигатели с постоянными магнитами

У шаговых двигателей этого вида ротор содержит постоянные магниты. Общий принцип действия шагового двигателя я объяснял на двигателе с постоянным магнитом. Только в реальных двигателях магнитов больше. Вот пример двигателя с тремя парами полюсов ротора. У реальных двигателей с постоянными магнитами число шагов на оборот доходит до 48, что соответствует углу шага 7,5 °.

Гибридные двигатели

Гибридные двигатели обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и скорость. Число шагов на оборот для такого типа двигателей доходит до 400 (угол шага 0,9°). При этом они более сложные в изготовлении и более дорогие. Я не хочу забивать читателю голову конструкцией этих двигателей. У них есть и зубчатый ротор, и постоянные магниты. По принципу действия гибридные двигатели эквивалентны двигателям с постоянными магнитами, но с гораздо большим числом полюсов. Это самый распространенный тип шаговых двигателей. Существуют три режима управления шаговым двигателем: • полношаговый • полушаговый • микрошаговый. Первый способ был описан в примерах выше. Это попеременная коммутация фаз, фазы не перекрываются, в каждый момент времени к источнику напряжения подключена только одна фаза. Способ называется на английском one phase on full step – одна фаза на полный шаг. Точки равновесия ротора совпадают с полюсами статора. Недостатком этого режима является то, что в один и тот же момент используется половина обмоток для биполярного двигателя, и только четверть для униполярного. Есть вариант полношагового режима управления при котором в одно и то же время включены две фазы. Называется two-phase-on full step – две фазы на полный шаг. При таком способе ротор фиксируется между полюсами статора за счет подачи питания на все обмотки. Это позволяет увеличить крутящий момент двигателя на 40%. Угол шага не меняется, просто ротор в состоянии равновесия смещен на пол шага.

Полушаговый режим

Этот способ позволяет от двигателя получить в два раза больше шагов на оборот ротора. Каждый второй шаг включается одна фаза, а между ними — включаются сразу две. В результате такой коммутации угловое перемещение шага уменьшается в два раза, или в два раза увеличивается число шагов. Полный момент получить в полушаговом режиме не удается. Не смотря на это, полушаговый режим используется часто. Уж очень простыми методами он удваивает число шагов двигателя. Надо помнить, что для обоих режимов справедливо то, что при остановке двигателя со снятием напряжения со всех фаз, ротор двигателя находится в свободном состоянии и может смещаться от механических воздействий. Чтобы зафиксировать положение ротора, необходимо формировать в обмотках двигателя ток удержания. Этот ток может быть значительно меньше номинального. Способность шагового двигателя фиксировать свое положение при остановке позволяет обходиться без механических фиксаторов, тормозных систем и т.п.

Микрошаговый режим

Для получения еще большего числа шагов двигателя применяют микрошаговый режим. Включают две фазы, как на полушаговом режиме, но токи обмоток распределяют не равномерно. Магнитное поле статора смещается между полюсов, смещается и положение ротора. Как правило, диспропорция токов между рабочими фазами происходит с определенной дискретностью, микрошагом. Бывают микрошаги с величиной треть от полного шага. Бывают значительно больше. Я разрабатывал систему управления индукторным приводом, так там было больше 1000 микрошагов. Микрошаговый режим способен значительно повысить точность позиционирования шагового двигателя. Хотя система управления приводом становится намного сложнее.

Недостатки и достоинства шаговых двигателей

Преимущества шаговых двигателей. • Точное позиционирование без обратной связи. Число импульсов определяет угол поворота. • Двигатель обеспечивает полный крутящий момент при снижении скорости вращения, вплоть до остановки. • Двигатель фиксирует свое положение при остановке за счет тока удержания. • Регулировка скорости вращения с высокой точностью без обратной связи. • Способность быстрого старта, остановки, реверса. • Высокая надежность. Отсутствие коллекторных щеток. Недостатки шаговых двигателей. • Сложная система управления. • Невысокие скорости вращения. • Возможно явление резонанса. • Может произойти потеря позиционирования при механических перегрузках. • Низкая удельная мощность. Как и всему на свете шаговому двигателю присущи определенные достоинства и недостатки. Но есть области в точной механике, в которых он просто незаменим. Там где надо перемещать механические узлы, мгновенно останавливать, двигать назад, регулировать скорость… Попробуйте мгновенно остановить коллекторный двигатель, и вы забудете о недостатках шагового. Попробуйте реализовать изменение скорости коллекторного двигателя в широких пределах. Проще поставить шаговый с его недостатками.

Характеристики шаговых двигателей

Шаговый двигатель с точки зрения механики и электротехники очень сложное устройство, имеющее много механических и электрических параметров. Приведу расшифровку основных технических параметров, которые используются на практике. ✔ Количество полных шагов за один оборот. Основной параметр двигателя, определяющий его точность, разрешающую способность, плавность движения. На двигателях серии FL57 этот параметр составляет 200 и 400 шагов на оборот. ✔ Угол полного шага. Представление в другом виде предыдущего параметра. Показывает на какой угол повернется вал при одном полном шаге. Может быть подсчитан как 360° / количество полных шагов за оборот. Для двигателей серии FL57 составляет 1,8 ° и 0,9°. ✔ Номинальный ток. Основной электрический параметр. Наибольший допустимый ток, при котором электродвигатель может работать сколь угодно длительное время. Для этого тока указаны механические параметры двигателя. ✔ Номинальное напряжение. Допустимое постоянное напряжение на обмотке двигателя в статическом режиме. Часто этот параметр не приводится. Вычисляется по закону Ома через номинальный ток и сопротивление обмотки. Сопротивление обмотки фазы. Сопротивление обмотки двигателя на постоянном токе. Параметр вместе с номинальным током, показывает какое напряжение можно подавать на обмотку двигателя. ✔ Индуктивность фазы. Параметр становится важным на значительных скоростях вращения. От него зависит скорость нарастания тока в обмотке. При высоких частотах переключения фаз приходится увеличивать напряжение, чтобы ток нарастал быстрее. ✔ Крутящий момент. Основной механический параметр. Показывает максимальный крутящий момент, который способен создать двигатель. Иногда приводится механическая характеристика в виде зависимости крутящего момента от частоты вращения. ✔ Момент инерции ротора. Характеризует механическую инерционность ротора двигателя. Чем этот параметр меньше, тем двигатель быстрее разгоняется. ✔ Удерживающий момент. Это крутящий момент при остановленном двигателе. При этом у двигателя должны быть запитаны две фазы номинальным током. ✔ Стопорный момент. Момент, необходимый чтобы провернуть вал двигателя при отсутствующем напряжении питания. ✔ Сопротивление изоляции. Как у всех электрических приборов – сопротивление между корпусом и обмотками. ✔ Пробивное напряжение. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой изоляции между обмотками и корпусом. Параметр из раздела электробезопасности.

Шаговый двигатель

Дмитрий Левкин Шаговый электродвигатель — это вращающийся электродвигатель с дискретными угловыми перемещениями ротора, осуществляемыми за счет импульсов сигнала управления .

Предшественником шагового двигателя является серводвигатель.

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

Конструкция шагового электродвигателя

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.

Реактивный шаговый двигатель

Трехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 30°)Четырехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 15°)

Ниже представлены осциллограммы управления для трехфазного шагового двигателя.

Униполярное волновое управлениеБиполярное полношаговое управлениеБиполярное 6-шаговое управление

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

Осциллограммы управления 4-х фазным реактивным шаговым двигателем

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.

униполярный (однополярный),
биполярный (двухполярный).

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель

Схема униполярного двухфазного шагового двигателя Схема биполярного двухфазного шагового двигателя

Биполярный шаговый двигатель

Управление шаговым двигателем с постоянными магнитами

волновое,
полношаговое,
полушаговое.

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

Волновое управление униполярным шаговым двигателем

Схема 4 выводного биполярного шагового двигателя Схема 5 выводного униполярного шагового двигателя Схема 6 выводного униполярного шагового двигателя Схема 8 выводного шагового двигателя

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

Положение ротора шагового двигателя при полношаговом управлении Полношаговое биполярное управление шаговым двигателем

Полушаговое управление

Положение ротора шагового двигателя при полушаговом управлении

Полушаговое биполярное управление шаговым двигателем

Гибридный шаговый двигатель

Конструкция гибридного шагового двигателя (осевой разрез)

Гибридный шаговый двигатель (радиальный разрез)

Ротор гибридного шагового двигателя

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.

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

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

Принцип работы шагового электропривода и шаговых электродвигателей. Их конструкция и применение | RuAut

Принцип работы шагового электропривода и шаговых электродвигателей

Электропривод, обеспечивающий преобразование числовой информации в дискретные механические положения называется шаговым. Электродвигатель с таким приводом работает от импульсных команд. Информационный сигнал управления шаговым электродвигателем поступает в распределитель импульсов в виде унитарного кода. Маломощное напряжение U1 поступает в усилитель мощности, где преобразуется в силовой импульс тока I1, возбуждающий фазу электродвигателя. Очередной сигнал вызывает появление напряжения U2 и тока I2, который вызывает сдвиг магнитного поля и соответствующий ему шаг ротора. Тоже происходит после очередного входного импульса. Далее цикл повторяется.

Принцип действия самого шагового электродвигателя можно рассмотреть на его упрощенной модели. Кольцевая обмотка статора электродвигателя, поворотные щетки, связывающие отпайки обмотки с источником питания. Роль щеток могут выполнять контактные или электронные ключи. Ось щеток и ось двухполюсного ротора в исходном положении совпадают. Сдвиг щеток характеризуется определенным углом, что вызывает поворот вектора магнитного поля на этот же угол. Ротор стремится догнать поле так, чтобы его ось совпала с осью щеток, то есть исключить динамическую ошибку. Непрерывное вращение щеток приводит к вращению ротора.

Конструкция и применение шаговых двигателей

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

В соответствие с назначением электродвигателя пазы имеют различную конфигурацию. Ротор магнитоэлектрического двигателя имеет несколько пар полюсов магнитов, а индукторного большое число зубцов. Принцип работы электродвигателя: по катушке протекает ток, создавая электромагнитный поток, фиксирующий ротор по зубцам полюсного выступа. При выключении фазы 1 и включении фазы 2 вызывается сдвиг потока на электрический угол, равный 360 градусам, деленным на число фаз. Ротор поворачивается в положение наибольшей магнитной проводимости по отношению ко второму полюсу, на механический шаг равный 360 градусам, деленным на число фаз и на число зубцов пассивного ротора (или на число пар полюсов активного ротора). Движение ротора происходит под воздействием синхронизирующего момента, который аппроксимируется в синусоиду (см. видео), где точка О соответствует устойчивому положению ротора. То есть положению, когда зубец ротора находится под зубцом статора. Точки А и Б, характеризующие неустойчивое положение ротора находятся напротив паза статора. Угловые расстояния ОА и ОБ соответствуют максимальной динамической ошибке, равной 180 электрическим градусам. А расстояние между амплитудами синхронизирующего момента равно максимальной статической ошибке 90 электрических градусов. Амплитуда синхронизирующего момента зависит от результирующего тока включенных фаз. Точкам А, О, Б момента соответствует диаграмма потенциальной энергии. Состояние ротора можно смоделировать при помощи шарика, попавшего в так называемую потенциальную яму. Например, шарик находится в точке О устойчивого равновесия. Сдвиг характеристики момента соответствует смещению потенциальной ямы. При пуске двигателя ротор может отставать от положения результирующего тока на угол не более чем 180 электрических градусов, что соответствует подъему шарика на край ямы в точку неустойчивого равновесия. Ротор стремится догнать поле, а шарик скатиться вниз. Это движение обычно сопровождается колебаниями и динамическими ошибками, возникающими за счет инерции. За счет именно динамических ошибок шаговый двигатель втягивается в синхронизм при скачках управляющих частот. Предельный скачок частоты при пуске называется частотой приемистости. При повышении частоты входных команд скорость вращения увеличивается. Дальнейший скачок частоты не обеспечивает пуск двигателя. Частота надежного запуска и есть частота приемистости. Область динамических частот шаговых электроприводов простирается от сотен герц до 2 килогерц. С уменьшением габаритов двигателей и снижением величины шага, динамические частоты увеличиваются. Сочетание малогабаритного шагового двигателя с гидроусилителем момента, позволяет одновременно расширить диапазон рабочих частот и момента. Именно поэтому в станках ЧПУ, в роботах, в нажимных винтах прокатных станов и других механизмах, где требуется сочетание высокой точности и динамических показателей применяется электрогидравлический шаговый электропривод или электропривод с силовыми шаговыми электродвигателями.

Блоки управления промышленным шаговым приводом со сложными алгоритмами выполняются на компактных микросхемах. Создание схем со свойствами управляемого источника тока — инвертора тока, расширило рабочие частоты до 10-20кГц, что обеспечило ускоренное вспомогательное рабочее движение на станках ЧПУ. Во многих промышленных механизмах с дискретным движением требуется исключить колебания даже на холостом ходу. Для этого созданы схемы управления, обеспечивающие старт-стопное движение. Они вырабатывают дополнительные импульсы на торможение перед подходом ротора к очередной точке устойчивости. Такое управление позволило создать печатные автоматы, графопостроители и координатографы, специальную киноаппаратуру и другие устройства без сложной быстроизнашивающейся механики.

В некоторых устройствах необходимо использовать величину шага в несколько микрон, например в электронной технологии. Получение малых шагов за счет роста числа фаз или зубцов ограниченно. Сделать это позволяет электронное дробление самого шага. На специальной экспериментальной установке можно проследить за этим процессом. Токи в фазах меняются до установленного значения не сразу, а мелкими ступеньками или плавно по определенному закону. Соответственно происходит и плавный поворот результирующего вектора потока и угловой характеристики даже при низких частотах. На экране осциллографа можно отследить положение годографа тока. Кроме рассмотренных нами сложных шаговых электродвигателей применяемых в устройствах ЧПУ, существуют простейшие однофазные. Их основные преимущества — простота конструкции и малые габариты, один канал связи и минимальное потребление электроэнергии. Эти электродвигатели нашли широкое применение в электронных часах, приборах времени и других системах. Пуск и однонаправленное вращение этих двигателей обеспечивают несимметричные магнитопроводы и возбуждение от постоянных магнитов. Конструкция однофазных шаговых электродвигателей просты, но разработки новых образцов осложнены наличием постоянных магнитов и малыми габаритами.

Так устроены и работают вращающиеся шаговые электродвигатели. Стремление исключить быстроизнашивающиеся дорогостоящие механические передачи вращающихся шаговых электродвигателей привело к созданию разнообразных конструкций линейных шаговых электродвигателей. Если вращающийся шаговый электродвигатель разрезать по образующей, то можно получить одностороннюю конструкцию плоского типа. Плоский, линейный шаговый электродвигатель, реализующий взаимопоступающее движение. Эту конструкцию можно преобразовать в цилиндрическую. Цилиндрические шаговые электродвигатели относятся к четырехфазным двигателям индукторного типа. Их принцип действия аналогичен вращающемуся электродвигателю, но зубцы на пористых выступах статора размещены вдоль продольной оси, а не по окружности. Это позволяет получить линейные шаги ротора индуктора. Цилиндрический шаговый электродвигатель выполнен из магнитной мягкой стали и имеет зубцы расположенные перпендикулярно его оси. Малую величину шага в этих двигателях можно получить за счет многофазных катушечных обмоток. Гладкие концы вала индуктора укреплены в опорах скольжения или качения, что ограничивает длину хода.

Плоский линейный шаговый электродвигатель

При возбуждении со стороны ротора — якоря, получаем шаговый двигатель активного типа. Со стороны статора — индукторный, который получил широкое применение. Ход плоского электродвигателя ограничен его длиной. Закрепив индуктор, получим перемещение магнитной системы. В индукторе некоторых электродвигателей профрезированы зубцы. Для уменьшения эксплуатационного зазора и улучшения эксплуатационных показателей линейных шаговых двигателей используются воздушные опоры. Сжатый воздух, проходя через калиброванные отверстия якоря, создает воздушную подушку 15-20 микрон. В ряде случаев предусматривается магнитная фиксация ротора при отключении питания. Разработано большое количество комбинированных электродвигателей. Так сочетание пары электродвигателей перпендикулярно в одной раме образуют планарный электродвигатель. Он может осуществлять двухкоординатное движение на плоскости, являющейся индукторами. Большое усилие притяжения к плите позволяет такому двигателю работать в любом положении. Простота и однотипность физических процессов в шаговых двигателях, их конструктивная пластичность позволили разработать бесконтактные электромеханические и электронные модули, реализующие сложное многокоординатное движение без дорогостоящих и изнашивающихся кинематических преобразователей.

Микропроцессорное управление электроприводом дает возможность выбирать оптимальные режимы работы для разных промышленных установок, гибко перестраивать программы движения, компенсировать систематические погрешности изготовления модулей. Отмеченные особенности делают многокоординатный шаговый привод весьма перспективным для робототехники и построение гибкого автоматизированного производства. Отличительная особенность гибкой автоматизации состоит в совмещении транспортных и технологических операций в одной установке. На основе модульного привода создано новое поколение прецизионной аппаратуры для электронной и других отраслей промышленности.

Как работает шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это простой двухфазный бесщеточный синхронный двигатель, содержащий сегментированный намагниченный ротор и статор, состоящий из заданного количества электромагнитных катушек. Когда эти катушки находятся под напряжением, они создают полярные импульсы на север и юг, которые толкают или тянут сегментированный намагниченный ротор, заставляя его вращаться. На рисунке показана внутренняя конструкция и расположение зубьев типичного гибридного шагового двигателя. Мелкие зубья, равномерно расположенные по всему диаметру, обеспечивают постепенное угловое вращение, которое приводит к механическому движению.

Шаговые двигатели состоят из двух обмоток (2 фазы), запитанных постоянным током. Когда ток в одной обмотке меняется на противоположное, вал двигателя перемещается на один шаг. Путем изменения направления тока в каждой обмотке положение и скорость двигателя легко и точно регулируются, что делает шаговый двигатель чрезвычайно полезным для множества различных приложений управления движением. Размер шага определяется конструктивными особенностями двигателя, наиболее распространен угол шага 1,8 ° (состоит из 200 зубцов).Доступны другие углы шага. Количество шагов на оборот рассчитывается путем деления 360 ° на угол шага.

Шаговые двигатели выбираются по крутящему моменту и соответствующему номинальному току. Удерживающий момент определяет максимальный внешний крутящий момент, прилагаемый к двигателю (на который подается питание номинальным током), не вызывая непрерывного вращения. В момент, когда двигатель начинает вращаться, имеющийся крутящий момент часто называют крутящим моментом отрыва. Номинальные значения крутящего момента при оттягивании представлены в виде значений, нанесенных на кривые скорость / крутящий момент двигателя.

Катушки шагового двигателя могут иметь униполярную или биполярную конфигурацию. Поскольку для последовательного вращения катушек вала двигателя можно использовать простую электронику драйвера шагового двигателя, проще всего управлять униполярными конфигурациями. Биполярная схема требует более сложного драйвера для правильной последовательности обмоток для управления двигателем, что также обеспечивает дополнительные преимущества в производительности, такие как более высокий удерживающий момент.

Шаговые приводы

доступны в широком диапазоне номинальных значений напряжения и тока.Производительность двигателя сильно зависит от тока и напряжения, подаваемых приводом. Термины полный шаг, полушаг и микрошаг обычно используются для описания шаговых двигателей. Например, шаговый двигатель 1,8 ° имеет 200 дискретных положений при полном обороте на 360 °. Поскольку 360 °, разделенное на 200, равняется 1,8 °, вал двигателя будет перемещаться на 1,8 ° каждый раз, когда двигателю будет дана команда сделать один шаг, известный как полный шаг. Термин «полушаг» обозначает угол шага 0,9 ° (половина полного шага 1,8 °), который достигается с помощью техники переключения, при которой попеременно подается положительный ток, нулевой ток и отрицательный ток последовательно к каждой обмотке.Термин «микрошаг» относится к более сложной форме управления, которая выходит за рамки простого переключения мощности между фазными обмотками двигателя для управления величиной тока, подаваемого на отдельные обмотки. Основным преимуществом микрошага является уменьшение резонансной амплитуды, которая возникает, когда двигатель работает на собственной частоте. Микрошаг позволяет расположить вал в местах, отличных от положений 1,8 ° или 0,9 °, предусмотренных методами полного шага и полушага. Позиции микрошага возникают между двумя угловыми точками при вращении ротора.Наиболее распространенные приращения микрошага — 1/5, 1/10, 1/16, 1/32, 1/125 и 1/250 полного шага.

Другие ресурсы для ознакомления

По следам первого промышленного шагового двигателя »

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

Двигатели, разработанные для легкого управления: как работают шаговые двигатели?

Шаговые двигатели приводятся в действие импульсами постоянного тока. Как работают эти моторы? Ниже приводится простое объяснение функций шаговых двигателей и того, как они работают.

Что такое шаговый двигатель?

Вместо того, чтобы постоянно вращать вал, как это делает двигатель переменного или постоянного тока, шаговый двигатель вращает вал периодически, на фиксированный угол на каждом шаге. Двигатель отличается высокой точностью благодаря легкости, с которой угол и скорость вращения можно регулировать с помощью электрических импульсов (электрических сигналов, возникающих при включении и выключении источника питания).

Например, секундная стрелка на часах движется вперед на одну секунду.Это достигается за счет вращения вала с шагом 6 ° каждую секунду. То есть шаговые двигатели работают, вращаясь с фиксированными шагами в фиксированные моменты времени.

Шаговый двигатель оснащен и использует

Шаговые двигатели

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

Управлять углом поворота очень просто, потому что он пропорционален количеству цифровых импульсов, подаваемых на двигатель.Другие преимущества включают способность вращаться с низкой скоростью, оставаться надежно заблокированным в положении при остановке и использовать управление положением без обратной связи.

К недостаткам относится тенденция к возникновению вибрации и шума, а также склонность к потере синхронизации при неожиданном изменении нагрузки.

Ниже приведены некоторые продукты, в которых используются шаговые двигатели.

Производственное оборудование
Медицинское оборудование
Банкоматы
Роботы
3D принтеры
Аналитические приборы
Лазерные принтеры
Цифровые фотоаппараты
Торговые автоматы
Жалюзи кондиционера
Камеры видеонаблюдения

Типы шаговых двигателей

Шаговые двигатели

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

Двигатель с постоянным магнитом: Ротор содержит постоянный магнит. Эта структура заключается в том, что она не может обеспечить гибкость по углу поворота (углу шага).
Электродвигатель с регулируемым сопротивлением (VR): Ротор содержит сердечники, по форме напоминающие зубья шестерни. Это обеспечивает большую гибкость в настройке угла шага.
Гибридный (HB) мотор: Ротор содержит как постоянный магнит, так и сердечники, имеющие структуру зубцов шестерни.Этот тип двигателя сочетает в себе преимущества двигателей с постоянными магнитами и двигателей VR.
Униполярный двигатель: Ток в униполярном двигателе всегда течет через каждую обмотку катушки в одном направлении. Это упрощает соответствующую схему управления и хорошо работает для высокоскоростного привода. Недостатком является то, что он производит меньший крутящий момент, чем биполярный двигатель.
Биполярный двигатель: Ток в биполярном двигателе может течь через обмотки катушки в обоих направлениях.Преимуществами являются простая внутренняя конструкция, позволяющая эффективно использовать обмотки двигателя и сводить к минимуму повышение температуры.

Как движутся шаговые двигатели

Шаговые двигатели состоят из статора с обмоткой и ротора со встроенным постоянным магнитом, намагниченным в осевом направлении. Переменный ток возбуждения в фазной обмотке статора продвигает двигатель вперед на его характерный угол поворота (угол шага).

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

Рисунок 1 Статор

Таблица 1 Последовательность возбуждения (однофазное возбуждение)

Рисунок 2 Вращающееся магнитное поле, создаваемое чередующейся фазой возбуждения

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

Рисунок 3 Привод с однофазным возбуждением

Шаг 1: Возбуждение фазы A приводит к тому, что зубцы полюса S сердечника ротора выравниваются с магнитными полюсами 1 и 5 статора, а зубцы полюса N выравниваются с магнитными полюсами 3 и 7, так что и S, и N удерживаются устойчивыми магнитными полюсами. достопримечательности. В этом случае зубцы полюса S сердечника ротора отстают по фазе относительно магнитных полюсов 2 и 6 статора, а полюса N отстают по фазе относительно магнитных полюсов 4 и 8, в обоих случаях на одну четверть. шаг (1.8 °).
Шаг 2: Затем вместо этого возбуждается фаза B. Поскольку точка устойчивости для этого возбуждения находится там, где зубцы магнитных полюсов 2 и 6 статора и магнитные полюса 4 и 8 выровнены с зубьями ротора, возбуждение фазы B заставляет ротор вращаться на четверть шага (1,8 °).
Шаг 3: Каждое последующее изменение возбуждения также заставляет ротор вращаться на четверть шага.

Как управляются шаговые двигатели

Вращение шагового двигателя точно контролируется подачей электрических сигналов.Сигналы представляют собой импульсы, генерируемые включением и выключением электричества, а угол поворота определяется количеством импульсов, подаваемых на драйвер. Точно так же скорость двигателя пропорциональна частоте пульса.

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

Режим одиночного импульса

В этом режиме вводятся импульсы для управления вращением, а сигнал направления поддерживается высоким или низким, чтобы указать направление вращения.

Двойной импульсный режим

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

Импульсный режим фазы A / фазы B

В этом режиме отдельные импульсы фазы A и фазы B вводятся со смещением фазы около 90 °, и генерируемое направление вращения определяется тем, является ли эта разность фаз опережающей или запаздывающей.То есть двигатель вращается по часовой стрелке, если фаза A опережает, и против часовой стрелки, если фаза B опережает.

Изменения в последовательности возбуждения могут также дополнительно изменять характеристики двигателя в соответствии с различными приложениями, управляя им с полными, полушаговыми или микрошаговыми действиями. Микрошаговый привод обеспечивает более точное управление углом шага, подавая ток возбуждения, который отличается от гладкой синусоидальной волны только с очень небольшими градациями.

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

Шаговые двигатели, приводимые в действие простым механизмом

Шаговые двигатели — это двигатели, которые вращаются с фиксированными угловыми приращениями.Благодаря простой конструкции, состоящей из магнита и катушек, их высокая точность и низкий уровень отказов делают их привлекательным предложением. Им легко управлять с помощью электрических импульсов, причем их угол и скорость вращения определяются количеством и частотой ввода импульсов и режимом ввода импульсов. Мы надеемся, что вы сможете найти хорошее применение этим двигателям, если будете хорошо понимать, как ими управляют.

Решение ваших проблем с шаговыми двигателями

ASPINA поставляет не только автономные шаговые двигатели, но и системные продукты, которые включают системы привода и управления, а также механическую конструкцию.Они подкреплены всесторонней поддержкой, которая простирается от прототипирования до коммерческого производства и послепродажного обслуживания.
ASPINA может предложить решения, адаптированные к функциям и характеристикам, требуемым для различных отраслей промышленности, приложений и продуктов клиентов, а также для конкретных производственных условий.

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

Выбор двигателя

У вас еще нет подробных спецификаций или чертежей, но нужна консультация по двигателям?
У вас нет сотрудников, имеющих опыт работы с двигателями, и вы не можете определить, какой двигатель лучше всего подойдет для вашего нового продукта?

Разработка двигателей и сопутствующих компонентов

Хотите сосредоточить свои ресурсы на основных технологиях и передать на аутсорсинг приводные системы и разработку двигателей?
Хотите сэкономить время и силы, связанные с изменением конструкции существующих механических компонентов при замене двигателя?

Уникальное требование

Вам нужен двигатель, изготовленный по индивидуальному заказу, но ваш обычный поставщик отказался от него?
Не можете найти двигатель, который дает вам необходимый контроль, и вот-вот теряете надежду?

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

Ссылки на глоссарий и страницы часто задаваемых вопросов

Список столбцов той же серии

Как работают шаговые двигатели

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

Статор имеет десять магнитных полюсов с небольшими зубцами, каждый из которых снабжен обмоткой. Каждая обмотка подключена к обмотке противоположного полюса, так что оба полюса намагничиваются с одинаковой полярностью, когда ток проходит через пару обмоток. (Пропускание тока через данную обмотку намагничивает противоположную пару полюсов с одинаковой полярностью, то есть на север или юг.)

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

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

Возбуждение: Для подачи тока через обмотку двигателя

Магнитный полюс: Выступающая часть статора, намагничиваемая возбуждением

Маленькие зубцы: Зубья на роторе и статоре

Принцип работы

Ниже приводится объяснение взаимосвязи между маленькими зубцами намагниченного статора и маленькими зубьями ротора.

При возбуждении фазы «А»

Когда фаза A возбуждена, ее полюса поляризованы на юг. Это притягивает зубцы ротора 1, поляризованные на север, в то же время отталкивая зубцы ротора 2, поляризованные на юг. Таким образом, силы, действующие на весь блок в равновесии, удерживают ротор в неподвижном состоянии. В это время зубцы полюсов фазы B, которые не возбуждаются, смещены с зубьями ротора 2 с южной поляризацией, так что они смещены на 0,72˚. Это резюмирует взаимосвязь между зубьями статора и зубьями ротора при возбуждении фазы А.

Когда фаза «B» возбуждена

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

Другими словами, когда возбуждение переключается с фазы A на B, ротор вращается на 0,72˚. Когда возбуждение переходит от фазы A к фазам B, C, D и E, а затем обратно к фазе A, шаговый двигатель вращается точно на 0.72 шага. Чтобы повернуть назад, измените последовательность возбуждения на фазы A, E, D, C, B, а затем обратно на фазу A.

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

Драйвер выполняет функцию переключения фаз, и его синхронизация регулируется импульсным сигналом, подаваемым на драйвер. В приведенном выше примере показано, как возбуждение продвигается по одной фазе за раз, но в реальном шаговом двигателе эффективное использование обмоток обеспечивается одновременным возбуждением четырех или пяти фаз.

Основные характеристики шаговых двигателей

При применении шаговых двигателей важно учитывать, подходят ли характеристики двигателя к условиям эксплуатации.
В следующих разделах описываются характеристики, которые следует учитывать при применении шаговых двигателей.
Две основные характеристики шагового двигателя:

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

Динамические характеристики

Скорость — характеристики крутящего момента На приведенном выше рисунке показан график характеристик, показывающий взаимосвязь между скоростью и крутящим моментом управляемого шагового двигателя. Эти характеристики всегда учитываются при выборе шагового двигателя. По горизонтальной оси отложена скорость на выходном валу двигателя, а по вертикальной оси — крутящий момент. Характеристики крутящего момента и скорости определяются двигателем и приводом и в значительной степени зависят от типа используемого привода.

Максимальный удерживающий момент (TH) Максимальный удерживающий момент — это максимальная удерживающая мощность (крутящий момент) шагового двигателя при подаче питания (при номинальном токе), когда двигатель не вращается.

Момент отрыва Момент отрыва — это максимальный крутящий момент, который может быть выдан при заданной скорости. При выборе двигателя убедитесь, что требуемый крутящий момент находится в пределах этой кривой.

Максимальная пусковая частота (fS) Это максимальная скорость импульса, при которой двигатель может запускаться или останавливаться мгновенно (без времени ускорения / замедления), когда фрикционная нагрузка и инерционная нагрузка шагового двигателя равны 0.Приведение двигателя в движение с импульсной скоростью, превышающей эту скорость, потребует постепенного ускорения или замедления. Эта частота будет уменьшаться при добавлении инерционной нагрузки к двигателю. Обратитесь к характеристикам инерционной нагрузки — пусковой частоты ниже.

Максимальная частота отклика (fr) Это максимальная скорость импульса, при которой двигатель может работать с постепенным ускорением или замедлением, когда фрикционная нагрузка и инерционная нагрузка шагового двигателя равны 0.На приведенном ниже рисунке показаны скоростные характеристики 5-фазного шагового двигателя и блока драйвера.

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

Изменения максимальной пусковой частоты с инерционной нагрузкой можно приблизительно рассчитать по следующей формуле:

Вибрационные характеристики

Шаговый двигатель вращается за счет серии шаговых движений. Шаговое движение можно описать как одноступенчатую реакцию, как показано ниже:

1. Одиночный импульсный ввод на шаговый двигатель в состоянии покоя ускоряет двигатель до следующего положения остановки.

2. Ускоренный двигатель проходит через положение остановки, выходит за определенный угол и возвращается назад в обратном направлении.

3. Двигатель останавливается в заданном положении остановки после демпфирующих колебаний.

Вибрация на низких скоростях вызвана ступенчатым движением, которое вызывает этот тип демпфирующих колебаний. График вибрационных характеристик ниже представляет величину вибрации вращающегося двигателя. Чем ниже уровень вибрации, тем плавнее будет вращение двигателя.

Статические характеристики

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

На следующих рисунках показано взаимное расположение зубцов ротора и статора в пронумерованных точках на схеме выше.Когда он удерживается в стабильном положении в точке (1), внешнее приложение силы к валу двигателя будет создавать крутящий момент T (+) в левом направлении, пытаясь вернуть вал в стабильную точку (1). Вал остановится, когда внешняя сила сравняется с этим крутящим моментом в точке (2).

Если приложить дополнительную внешнюю силу, существует угол, при котором создаваемый крутящий момент достигнет максимума в точке (3). Этот крутящий момент называется максимальным удерживающим крутящим моментом TH.

Приложение внешней силы, превышающей это значение, приведет к перемещению ротора в неустойчивую точку (5) и далее, создавая крутящий момент T (-) в том же направлении, что и внешняя сила, так что он перемещается в следующую устойчивую точку (1 ) и останавливается.

Точки устойчивости: Точки остановки ротора, при этом зубья статора и зубья ротора точно совмещены. Эти точки чрезвычайно устойчивы, и ротор всегда будет останавливаться в них, если не будет приложена внешняя сила.

Точки нестабильности: Точки, в которых зубья статора и ротора находятся на половине шага от совмещения. Ротор в этих точках переместится в следующую устойчивую точку влево или вправо, даже под действием малейшей внешней силы.

Угловая точность

В условиях холостого хода шаговый двигатель имеет угловую точность в пределах ± 3 угловых минут (± 0,05˚). Небольшая погрешность возникает из-за разницы в механической точности статора и ротора и небольшого разброса сопротивления обмотки статора постоянному току. Как правило, угловая точность шагового двигателя выражается в точности положения остановки.

Точность положения остановки: Точность положения остановки — это разница между теоретическим положением остановки ротора и его фактическим положением остановки.Заданная точка остановки ротора берется за начальную точку, тогда точность положения остановки — это разница между максимальным (+) значением и максимальным (-) значением в наборе измерений, сделанных для каждого шага полного вращения.

Точность положения остановки находится в пределах ± 3 угловых минуты (± 0,05˚), но только при отсутствии нагрузки. В реальных приложениях всегда присутствует одинаковая нагрузка на трение. Угловая точность в таких случаях обеспечивается угловым смещением, вызванным характеристиками угол — крутящий момент, основанными на фрикционной нагрузке.Если фрикционная нагрузка постоянна, угол смещения будет постоянным для однонаправленной работы.

Однако при работе в двух направлениях угол смещения увеличивается вдвое за один проход. Когда требуется высокая точность остановки, всегда выполняйте позиционирование в одном и том же направлении.

Последовательность возбуждения шагового двигателя и пакетов драйверов

Каждый 5-фазный двигатель и драйвер, перечисленные в нашем каталоге, состоят из нового пятиугольника, двигателя с пятью выводами и драйвера со специальной последовательностью возбуждения.Эта комбинация, запатентованная Oriental Motor, дает следующие преимущества:

Простые соединения для пяти выводов
Низкая вибрация

В следующих разделах описывается последовательность подключения и возбуждения.

Новый пятиугольник, 4-фазное возбуждение: система полного шага (0,72˚ / шаг)

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

Новый пятиугольник, 4-5-фазное возбуждение: полушаговая система (0,36 / шаг)

Последовательность шагов с чередованием 4-фазного и 5-фазного возбуждения обеспечивает вращение со скоростью 0,36˚ на шаг. Один оборот можно разделить на 1000 шагов.

Драйверы шагового двигателя

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

Обзор системы привода постоянного тока

Шаговый двигатель вращается за счет последовательного переключения тока, протекающего через обмотки.Когда скорость увеличивается, скорость переключения также увеличивается, и рост тока замедляется, что приводит к потере крутящего момента. Прерывание постоянного напряжения, намного превышающего номинальное напряжение двигателя, гарантирует, что номинальный ток достигнет двигателя даже на более высоких скоростях.

Ток, протекающий в обмотках двигателя, определяемый как напряжение через резистор для определения тока, сравнивается с опорным напряжением. Управление током осуществляется путем удержания переключающего транзистора Tr2 включенным, когда напряжение на резисторе обнаружения ниже опорного напряжения (когда оно не достигло номинального тока), или выключения Tr2, когда значение выше опорного напряжения ( когда он превышает номинальный ток), тем самым обеспечивая постоянный поток номинального тока.

Различия между характеристиками входа переменного и постоянного тока

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

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

Таким образом, двигатель с входом переменного тока и приводной блок имеют превосходные характеристики крутящего момента в широком диапазоне скоростей, от низких до высоких скоростей, обеспечивая большое передаточное отношение. Рекомендуется, чтобы в ваших приложениях учитывались двигатели с входом переменного тока и драйверы, которые совместимы с более широким диапазоном условий эксплуатации.

Технология привода Microstep

Технология привода

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

◇ Технология привода Microstep

Шаговый двигатель перемещается и останавливается с шагом шага, определяемым структурой явных полюсов ротора и статора,
легко обеспечивает высокую точность позиционирования.Шаговый двигатель, с другой стороны, вызывает изменение скорости ротора, потому что
двигатель вращается с шагом шага угла, что приводит к резонансу или большей вибрации при заданной скорости.

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

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

◇ До 250 микрошагов

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

Характеристики Microstep Drive

● Низкая вибрация
Технология привода Microstep с помощью электроники делит угол шага на более мелкие шаги, обеспечивая плавное пошаговое движение на низких скоростях и значительно снижая вибрацию. В то время как демпфер или подобное устройство обычно используется для уменьшения вибрации, конструкция с низким уровнем вибрации, используемая для самого двигателя, наряду с технологией микрошагового привода, минимизирует вибрацию более эффективно.Меры по защите от вибрации можно значительно упростить, поэтому он идеально подходит для большинства чувствительных к вибрации приложений и оборудования.

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

● Улучшенная управляемость
Микрошаговый драйвер New Pentagon с его превосходными характеристиками демпфирования сводит к минимуму перерегулирование и недорегулирование в ответ на скачкообразные изменения, точно следуя последовательности импульсов и обеспечивая улучшенную линейность.Кроме того, можно уменьшить шок, обычно возникающий в результате движений при запуске и остановке.

Шаговый двигатель и пакет драйверов

Обзор системы управления

◇ Датчик для определения положения ротора

Датчик положения ротора встроен в встречный конец выходного вала двигателя:

Обмотка датчика определяет изменение магнитного сопротивления из-за углового положения ротора.

с инновационным замкнутым контуром управления

Счетчик отклонения вычисляет отклонение (отставание / опережение) фактического углового положения ротора по отношению к команде положения по импульсному сигналу. Результат расчета используется для обнаружения «области неправильного шага» и управления двигателем путем переключения между режимами разомкнутого и замкнутого контура.

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

В режиме замкнутого контура возбуждение обмотки двигателя регулируется так, чтобы для данного углового положения ротора развивался максимальный крутящий момент. Этот метод управления позволяет исключить нестабильные точки (области ошибочного шага) в углово-крутящих характеристиках.

Особенности AlphaStep

◇ Улучшенные характеристики шагового двигателя

На высоких оборотах «оплошностей» не будет.”Таким образом, в отличие от обычных шаговых двигателей, работа будет свободна от следующих ограничений:
Ограничения на скорость ускорения / замедления и коэффициент инерции, вытекающие из профиля импульсов контроллера.
Ограничение скорости стартового импульса, вызванное «ошибкой».
Используйте фильтр скорости для регулировки чувствительности при запуске / остановке. Чувствительность запуска / остановки может быть отрегулирована с помощью 16 настроек без изменения данных контроллера (пусковой импульс, скорость ускорения / замедления).Эта функция предназначена для уменьшения ударов при работе и вибрации при работе на низкой скорости.

Возврат к работе в механическом режиме с использованием сигнала синхронизации возбуждения

● Сигнал синхронизации возбуждения
Сигнал синхронизации возбуждения (TIM.) Выводится, когда драйвер первоначально возбуждает шаговый двигатель (шаг «0»). Пятифазный шаговый двигатель и драйверы Oriental Motor выполняют начальное возбуждение при включении питания и продвигают последовательность возбуждения
каждый раз, когда вводится импульсный сигнал, завершая один цикл, когда вал двигателя вращается 7.2˚.

Используйте эти временные сигналы, когда необходимо выполнить возврат к механическому дому с высокой воспроизводимостью. В следующих разделах описывается возврат шагового двигателя в механический режим и использование сигналов синхронизации.

● Return to Mechanical Home Operation для шаговых двигателей

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

При возврате к механическому домашнему режиму для шаговых двигателей используются домашние датчики для обнаружения механического компонента, используемого для операции позиционирования. Когда обнаруженные сигналы подтверждаются, контроллер останавливает импульсный сигнал, и шаговый двигатель останавливается. Точность исходного положения при таком возврате к механическому домашнему режиму зависит от характеристик обнаружения домашних датчиков. Поскольку характеристики обнаружения домашних датчиков варьируются в зависимости от таких факторов, как температура окружающей среды и скорость приближения к зоне обнаружения механизма, необходимо уменьшить эти факторы для приложений, в которых требуется механическое обнаружение исходного положения с высокой воспроизводимостью.

● Улучшенная воспроизводимость с использованием сигнала синхронизации возбуждения

Метод обеспечения того, чтобы механическое исходное положение не изменялось из-за изменений в характеристиках обнаружения датчиков исходного положения, заключается в остановке импульсного сигнала путем логического умножения на сигнал синхронизации. Поскольку синхронизирующий сигнал выводится при начальном возбуждении, если импульсный сигнал останавливается при выводе синхронизирующего сигнала, механическое исходное положение всегда будет определяться при начальном возбуждении.

Взаимосвязь между длиной кабеля и частотой передачи

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

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

Влияние жесткости муфты на оборудование

Технические характеристики, указывающие на характеристики муфты, включают допустимую нагрузку, допустимую скорость, жесткость пружины кручения, люфт (люфт) в муфте и допустимое смещение. На практике при выборе муфт для оборудования, которое требует высоких характеристик позиционирования или низкой вибрации, основным критерием выбора будет «жесткость, без люфта».«Однако в некоторых случаях жесткость муфты оказывает лишь незначительное влияние на общую жесткость оборудования.

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

Обзор испытательного оборудования

Технические характеристики деталей

Жесткость пружины кручения кулачковой муфты
Cj = 21000 [Н ・ м / рад]

Жесткость пружины кручения сильфонной муфты
Cb = 116000 [Н м / рад]

Жесткость серводвигателя
Cm =

[Н ・ м / рад]

Шаг шарико-винтовой передачи
h = 10 [мм]

Диаметр корневой окружности ШВП
d = 28.5 [мм]

Длина шарико-винтовой передачи
L = 800 [мм]

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

Жесткость гайки шарико-винтовой передачи в осевом направлении
Rn = 1060 [Н / мкм]

Модуль упругости ШВП
Rf = 165000 [Н / мм2]

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

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

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

2. Обеспечьте общую жесткость оборудования C при использовании кулачковой муфты.

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

4. Результаты расчетов

Как работают шаговые двигатели — The Geek Pub

Шаговые двигатели используются во многих вещах, которые вы покупаете сегодня, и большинство людей даже не подозревают об этом! Это действительно удивительные маленькие кусочки электроники и механики, объединенные в одно целое.Даже встроенный в ваш телефон вибратор, скорее всего, основан на технологии шагового двигателя! В этом руководстве мы расскажем об основах работы шаговых двигателей. Думаем, вам будет очень интересно.

Как работают шаговые двигатели

Давайте начнем с самых основ того, как на самом деле работает шаговый двигатель. В основе их лежат магниты! Кто не любит магниты?

Глядя на картинку справа, вы увидите поперечное сечение шагового двигателя.В центре находится круглый вал, соединенный с постоянным магнитом, обозначенный здесь как северный и южный (северный и южный полюсы). Мы называем это ротором. Это часть, которая вращается, когда работает шаговый двигатель.

Ротор окружает набор обмоток, содержащих катушки. Эти катушки статора намагничиваются или размагничиваются, когда мы добавляем или снимаем с них ток. Статор здесь представлен как A +, B +, A- и B-.

Магнитные поля, создаваемые вокруг статора, взаимодействуют с северным и южным полюсами постоянного магнита ротора.Как вы можете видеть на диаграмме ниже, эти взаимодействия заставляют ротор поворачиваться и выравниваться по той части статора, к которой он притягивается. Вкратце, так работают шаговые двигатели. Но давайте погрузимся глубже!

Типы конструкций шаговых двигателей

Сегодня используются три основных типа конструкции шаговых двигателей, хотя есть несколько очень сложных вариантов этих трех. Мы называем эти три типа: с постоянным магнитом , с переменным магнитным сопротивлением и гибридные синхронные конструкции .

Шаговые двигатели с постоянными магнитами

Шаговые двигатели с постоянными магнитами работают практически так же, как и звучат. У них есть ротор с постоянным магнитом в центре, который приводится в движение электромагнитами обмоток статора. Статор обеспечивает полярность, противоположную одному из полюсов ротора, и поэтому притягивает этот полюс, и он вращается к нему. Шаговые двигатели с постоянными магнитами хорошо работают в низкоскоростных приложениях, где требуется относительно высокий крутящий момент.

Шаговые двигатели с регулируемым сопротивлением

Шаговые двигатели с регулируемым сопротивлением работают в отличие от других типов и используют немагниченный ротор.Этот тип шагового двигателя — самая простая конструкция. Ротор обычно делается из железа и имеет зубья, смещенные относительно статора. Когда обмотки намагничены, ротор выравнивается там, где есть минимальный зазор между ним и статором. Шаговые двигатели с регулируемым сопротивлением часто используются для высокоскоростных приложений, где точность не так важна. Эта конструкция также считается самым шумным типом шаговых двигателей.

Гибридные синхронные шаговые двигатели

Гибридные синхронные шаговые двигатели работают именно так, как вы думаете.Они представляют собой гибридную конструкцию, включающую концепции как конструкции с постоянными магнитами, так и конструкции с переменным магнитным сопротивлением! В этой конструкции шаговый двигатель имеет две чашки на роторе. Каждая чашка снабжена множеством «зубцов» постоянного магнита. Сам статор тоже зубчатый. Это дает гибридным конструкциям лучшее из обоих миров. Он имеет высокий крутящий момент, может работать на более высоких скоростях и очень точен. Кроме того, зубчатая конструкция обеспечивает гибридному синхронному шаговому двигателю высокое разрешение с моделями, имеющими 500 или более шагов на оборот!

Теперь давайте узнаем, как на самом деле приводятся в действие двигатели.

Типы режимов работы шаговых двигателей

По мере того, как мы продолжаем изучать, как работают шаговые двигатели, давайте рассмотрим четыре различных режима привода: волновой привод , полный шаг , полушаг и микрошаг . Поскольку весь принцип шаговых двигателей основан на включении и выключении электромагнитов, схема должна знать, как подавать импульсы или удерживать эти магниты, чтобы статор заставлял ротор двигаться в правильном направлении и вправо. позиция.

Волновой режим / режим возбуждения с одной катушкой

Первый тип режима возбуждения называется волновым возбуждением (или иногда инженеры любят говорить «возбуждение с одной катушкой»). В этом режиме привода одновременно активна только одна катушка статора. В нашем примере ниже четыре катушки. С волновым приводом это приводит к четырем общим положениям.

Режим полного шага привода

Привод полного шага аналогичен волновому возбуждению, за исключением того, что в любой момент намагничиваются две катушки.Этот тип привода является обычным, когда требуется больший крутящий момент для того же количества положений. Это тот же основной принцип работы, что и волновой привод, но с примерно удвоенным крутящим моментом и удвоенной потребляемой мощностью.

Полушаговый режим привода

При полушаговом режиме он берет волну и полный шаг и объединяет их вместе! Первый шаг активирует одну катушку, второй шаг — полушаг и активирует две катушки. На шаге 3 будет активирована только третья катушка. Мы теряем увеличенный крутящий момент полного шага на половине позиций, но удваиваем количество позиций! В этом случае у нас есть четыре катушки на статоре, но всего 8 позиций.

Режим микрошагового привода

Микрошаговый режим — наиболее сложная форма привода шагового двигателя, и это то, что используют большинство современных устройств (конечно же!). Микрошаговый использует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для обеспечения переменного тока с микрошагом, так как четырехкатушечный шаговый двигатель может иметь 20 положений! У нас есть руководство по этому вопросу, если вы хотите узнать больше о ШИМ.

Дайте нам знать в комментариях, если у вас есть какие-либо вопросы или как мы можем улучшить это руководство!

Шаговый двигатель — обзор

Шаговый двигатель — это устройство, преобразующее d.c. последовательность импульсов напряжения превращается в пропорциональное механическое вращение ее вала. Таким образом, шаговый двигатель работает и как привод, и как датчик положения. Дискретное движение шагового двигателя делает его идеально подходящим для использования с цифровой системой управления, такой как микрокомпьютер.

Скорость шагового двигателя можно изменять, изменяя частоту входной последовательности импульсов. Таким образом, если шаговый двигатель требует 48 импульсов для одного полного оборота, то входной сигнал 96 импульсов в секунду заставит двигатель вращаться со скоростью 120 об / мин.На самом деле вращение осуществляется с конечными интервалами времени, но это визуально неразличимо на всех скоростях, кроме самых низких.

Принцип работы шагового двигателя можно проиллюстрировать на примере четырехфазной машины с переменным сопротивлением. Этот двигатель обычно имеет восемь зубцов статора и шесть зубцов ротора (см. Рисунок 2.57).

Рисунок 2.57. Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением

Если фаза 1 статора активирована отдельно, то два диаметрально противоположных зубца ротора совмещаются с зубцами фазы 1 статора.Следующий соседний набор зубьев ротора по часовой стрелке тогда на 15 ° не совпадает с зубьями статора. Активация обмотки фазы 2 сама по себе заставит ротор повернуться еще на 15 ° против часовой стрелки, чтобы выровнять соседнюю пару диаметрально противоположных зубцов ротора. Если обмотки статора возбуждаются в последовательности 1, 2, 3, 4, ротор будет двигаться последовательно с шагом 15 ° против часовой стрелки. Изменение последовательности возбуждения на обратное вызовет вращение ротора по часовой стрелке.

2.2.27.1 Терминология шагового двигателя

Момент отрыва : Максимальный крутящий момент, который может быть приложен к двигателю, работающему с заданной частотой шагов, без потери синхронизма.

Вращающий момент : Максимальный крутящий момент, с которым двигатель запускается с заданной частотой следования импульсов и достигает синхронизма без потери шага.

Динамический крутящий момент : крутящий момент, развиваемый двигателем при очень малых шаговых скоростях.

Удерживающий момент : Максимальный крутящий момент, который может быть приложен к неподвижному двигателю под напряжением, не вызывая вращения шпинделя.

Скорость отрыва : максимальная скорость переключения, при которой двигатель будет оставаться в синхронизированном состоянии, в то время как скорость переключения постепенно увеличивается.

Скорость втягивания : максимальная скорость переключения, при которой нагруженный двигатель может запускаться без потери шагов.

Диапазон поворота : Диапазон скоростей переключения между включением и выключением, при котором двигатель будет работать синхронно, но не может запускаться или реверсировать.

Общие характеристики типичного шагового двигателя приведены на рисунке 2.58. Во время применения каждого последовательного импульса ротор шагового двигателя быстро ускоряется к новому положению шага. Однако при достижении нового положения будет некоторое перерегулирование и колебания, если не будет обеспечен достаточный тормозящий момент, чтобы предотвратить это. Эти колебания могут вызывать резонанс ротора на определенных частотах импульсов, что приводит к потере крутящего момента или, возможно, даже к условиям вытягивания. Поскольку электродвигатели с регулируемым магнитным сопротивлением обладают очень небольшим внутренним демпфированием, они более восприимчивы к резонансам, чем двигатели с постоянным магнитом или гибридные типы.Доступны механические и электронные демпферы, которые можно использовать для минимизации неблагоприятных эффектов резонанса ротора. Однако, по возможности, двигатель следует выбирать так, чтобы его резонансные частоты не были критичными для рассматриваемого приложения.

Рисунок 2.58. Характеристики шагового двигателя

Благодаря своим уникальным характеристикам шаговые двигатели широко используются в приложениях, включающих позиционирование, управление скоростью, синхронизацию и синхронизированное срабатывание. Они распространены в X-Y плоттерах, считывателях с перфолентой, приводах головок гибких дисков, приводах каретки принтеров, приводах скольжения станков с числовым программным управлением и механизмах управления диафрагмой камеры.

Самым серьезным ограничением чисто электрического шагового двигателя является его мощность. В настоящее время это ограничено примерно 2,25 кВт.

Шаговый двигатель: работа, конструкция, виды и способы привода

Шаговые двигатели

произвели революцию в машиностроении в современном мире. Эти двигатели в основном используются в 3D-принтерах, станках с ЧПУ, робототехнике и т. Д. Шаговый двигатель — это не что иное, как двигатель постоянного тока, который движется ступенчато, и каждый шаг можно контролировать с точностью.Поэтому шаговые двигатели обладают высокой точностью по сравнению с другими двигателями, а также имеют высокий крутящий момент, который может выдерживать большие нагрузки, что делает их идеальным выбором для машин. Кроме того, эти двигатели не имеют какого-либо механизма обратной связи, как серводвигатель, и работают в режиме разомкнутого контура.

КОНСТРУКЦИЯ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ:

Шаговый двигатель по конструкции очень похож на двигатель постоянного тока. Он также имеет постоянный магнит в качестве ротора. Ротор будет в центре и будет вращаться, когда на него будет действовать сила.Этот ротор окружен рядом статоров, намотанных на него магнитной катушкой. Статор будет размещен как можно ближе к ротору, чтобы магнитные поля в статорах могли влиять на движение ротора. Для управления шаговым двигателем каждый статор будет поочередно запитываться. В этом случае статор будет намагничиваться и действовать как электромагнитный полюс, оказывая отталкивающую силу на ротор и подталкивая его к перемещению на один шаг. Альтернативное намагничивание и размагничивание статоров будет перемещать ротор шаг за шагом и позволяет ему вращаться с большим контролем.

По статору его можно разделить на два типа. Это униполярные и биполярные шаговые двигатели.

УНИПОЛЯРНЫЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ:

В униполярном двигателе каждая обмотка статора имеет центральный отвод, который подключается к Vcc или заземлению. В этой установке ток течет только к половине обмотки за раз. В зависимости от того, что подключено к Vcc или GND, ток либо течет в центральную клемму ответвления, либо выходит из нее. Когда ток проходит через обмотку, статор действует как магнитные полюса.Здесь пропускание тока через одну половину обмотки сделает статор северным полюсом, а ток через другую половину вызовет южный полюс. Это упрощает управление двигателем и его работу как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Простого транзистора на обоих концах обмотки будет достаточно для работы этого типа шагового двигателя в обоих направлениях.

Несмотря на преимущества, униполярный двигатель имеет меньший крутящий момент и не выдерживает больших нагрузок. Кроме того, поскольку одновременно будет активна только одна половина обмотки катушки, обмотка статора будет больше, что приведет к увеличению сопротивления катушки.

БИПОЛЯРНЫЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ:

В отличие от униполярных двигателей, обмотка статора биполярных двигателей не имеет центрального отвода, поэтому ток будет проходить через всю катушку. Вы можете протолкнуть ток через катушку, подав напряжение Vcc на одну клемму и подключив другую клемму к земле. Ток в одном направлении сделает северный полюс статора, в то время как ток в противоположном направлении сделает его южным полюсом. В отличие от униполярных двигателей, для биполярных двигателей требуются специальные устройства, такие как H-мост, для работы в обоих направлениях.Биполярные двигатели обладают высоким крутящим моментом и могут выдерживать большие нагрузки. Но для управления этим двигателем требуются специальные схемы, которые могут увеличить стоимость.

Шаговые двигатели

можно разделить на разные типы в зависимости от конструкции. Мы увидим это позже в этом руководстве для лучшего понимания.

ПРИВОД ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ:

Изображение предоставлено: www.wikipedia.org

Для шаговых двигателей

требуются специальные цепи из-за их сложной конструкции.Есть много способов управлять шаговым двигателем. В этом уроке мы рассмотрим наиболее распространенные способы управления двигателями. Для пояснения мы рассмотрим четырехфазный шаговый двигатель.

РЕЖИМ ОДНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ:

Это самый простой способ управления шаговым двигателем, и он мало используется, но все же стоит знать, чтобы понять принцип работы шагового двигателя. В этом методе каждая фаза или статор, расположенные рядом друг с другом, будут активироваться одна за другой поочередно с использованием специальной схемы.Это намагничивает и размагничивает статор, что приводит к пошаговому движению ротора.

ПОЛНЫЙ ШАГ ПРИВОДА:

В этом методе вместо активации статоров по одному активируются два статора с коротким промежутком времени между ними. В этом режиме будут активны любые два статора. Это означает, что первый статор включается, а второй статор будет включен через короткий промежуток времени, в то время как первый статор все еще включен. Этот метод приводит к высокому крутящему моменту и позволяет двигателю управлять высокой нагрузкой.

ПОЛУШАГОВОЙ ПРИВОД:

Этот метод очень похож на Полный шаговый привод. Здесь два статора, размещенные рядом друг с другом, будут активированы первыми, а третий статор будет активирован следующим; эти два статора деактивируются. Этот цикл активации сначала двух статоров, а затем одного статора повторяется для приведения в действие шагового двигателя. Этот метод приводит к увеличению разрешающей способности двигателя при уменьшении крутящего момента.

МИКРОШАГ:

Изображение предоставлено: www.wikipedia.org

Это наиболее часто используемый метод вождения из-за его точности. Схема драйвера подает переменный ступенчатый ток на катушки статора в форме синусоидального сигнала. Эти крошечные ступенчатые токи плавно повышают точность каждого шага. Этот метод широко используется, поскольку обеспечивает высокую точность и в значительной степени снижает рабочий шум.

ВИДЫ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ КОНСТРУКЦИИ:

Существуют разные типы шаговых двигателей, которые различаются по сложности конструкции и работы.В этом уроке мы увидим некоторые из основных типов и их конструкцию.

ПОСТОЯННЫЙ МАГНИТ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ:

В этом двигателе постоянный магнит используется в качестве ротора и электромагнитных статоров вокруг него. Это двигатель, который мы видели в примерах выше. Здесь статор будет намагничен и размагничен для перемещения ротора и приведения двигателя во вращение.

ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПЕРЕМЕННОЙ РЕГУЛЯТОРОМ:

Этот двигатель построен с использованием ферромагнитного ротора и электромагнитного статора с обмоткой катушки для их намагничивания.Здесь у ротора будет несколько выступов, также называемых зубьями, которые будут действовать как магнитные полюса. Этот шаговый двигатель работает на основе магнитного сопротивления, поэтому и получил свое название. Когда ток проходит через полюс статора, он намагничивает и притягивает выступающие полюса ротора таким образом, чтобы расстояние между ними было минимальным и полностью совмещенным. Схема привода будет продолжать намагничивать статоры, приводя ротор во вращение.

ГИБРИДНЫЙ СИНХРОННЫЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ:

Изображение предоставлено: www.wikiforu.com

Это комбинация двух шаговых двигателей с постоянным и регулируемым сопротивлением. Этот двигатель состоит из зубчатого ротора с постоянными магнитами, как и в шаговых двигателях с постоянными магнитами, с набором северных и южных полюсов. Также, как и в регулируемом реактивном двигателе, у статоров есть зубцы. Некоторые зубья статора будут совмещены с зубьями ротора, в то время как другие не будут совмещены друг с другом. Когда статор намагничивается путем подачи на него тока, магнитный поток заставляет ротор двигаться на один шаг.Наличие зубьев как в статоре, так и в роторе изменяет магнитный поток и приводит двигатель в действие ступенчато, как задумано.

Гибридный синхронный двигатель наиболее популярен благодаря высокому крутящему моменту и разрешающей способности. Такие режимы вождения, как полушаг, могут даже увеличить разрешающую способность этого мотора. В то время как полный шаг или микрошаг можно использовать для увеличения крутящего момента, точности и плавности работы. Гибридный двигатель является наиболее популярным из-за преимуществ, которые он имеет, но имеет высокую стоимость из-за своей сложной конструкции.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ:

Это некоторые из важных характеристик, которые необходимо искать в шаговом двигателе.

Разрешение
Угол поворота
Рабочее напряжение
Крутящий момент
Скорость

Здесь вы можете найти более подробное объяснение важных характеристик шагового двигателя.

ПРИМЕНЕНИЕ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ:

Принтеры
Станки с ЧПУ
3D принтеры
Лазер и оптика
Промышленное оборудование

Надеюсь, это руководство дало вам отличное понимание того, что такое шаговый двигатель, его конструкция, работа и типы.Ознакомьтесь с другими электронными учебниками на нашем веб-сайте. Если у вас есть какие-либо вопросы или отзывы, опубликуйте их в поле для комментариев ниже. Подпишитесь на нашу новостную рассылку и следите за нами в социальных сетях, чтобы получать больше уроков, схем и проектов.

Учебное пособие по

: Stepper vs Servo

Это руководство поможет вам понять разницу между шаговыми и серводвигателями, а также как выбрать лучший двигатель для вашего приложения. Мы рассмотрим основы двигателя, включая конструкцию, ток, функции и характеристики, вопросы, которые нужно задать при выборе двигателя, примеры применения, ключевую терминологию и многое другое.Мы также предоставляем дополнительные ресурсы для получения дополнительной информации.

Основы двигателя: как работает шаговый двигатель

Конструкция шагового двигателя

Большинство промышленных шаговых двигателей представляют собой гибридные шаговые двигатели, которые состоят из ротора с постоянным магнитом и электромагнитного статора с обмоткой.

Шаговый двигатель CURRENT

Постоянный ток используется для питания магнитных катушек шагового двигателя.

Ток, подаваемый от привода, создает магнитное поле, которое используется для вращения вала двигателя.Ниже представлено базовое представление о том, как работает этот процесс.

1. Срабатывает верхний электромагнит, и зубья центрального зубчатого колеса выстраиваются соответственно.

2. Верхний электромагнит отключен, а правый включен. Ближайшие зубцы шестеренки подпрыгивают, чтобы выровняться с этим. Это вызывает ступеньку (например, поворот на 1,8 °).

3. Правый электромагнит отключен, а нижний включен. Зубья шестерни затем подпрыгивают, чтобы выровняться с нижним электромагнитом.Это вызывает еще один шаг.

4. Нижний электромагнит деактивируется и включается крайний левый. Затем зубья шестеренки подпрыгивают, чтобы выровняться с этим. Это вызывает еще один шаг. На двигателе с углом шага 1,8 ° для полного вращения требуется 200 шагов.

Другая информация

1. Микрошаг увеличивает количество шагов на оборот.

2. Увеличение тока увеличивает крутящий момент двигателя.

3. Чем выше частота шага, тем выше скорость двигателя.

4. По мере увеличения скорости двигателя обратная ЭДС может снизить крутящий момент двигателя.

5. Обратная связь по положению не требуется, но она не обязательна.

Краткое описание шагового двигателя

Постоянный ток создает магнитное поле. Это система постоянного тока с разомкнутым контуром. Ток поддерживается, пока двигатель находится в состоянии покоя.

Преимущества

• Простая конструкция / управление

• Обратная связь не требуется

• Превосходный крутящий момент на низкой скорости

• Превосходная плавность хода на низких оборотах

• Более низкая общая стоимость системы

Недостатки

• Крутящий момент уменьшается с увеличением скорости

• Постоянный ток независимо от требований

• Не могу реагировать на изменения — загрузка

забавный степпер факт

В 1920 году началось фактическое применение шаговых двигателей, так называемых шаговых двигателей типа VR (Variable Reluctance), используемых военно-морским флотом Великобритании для управления позиционированием и дистанционного управления.

Основы двигателя: как работает серводвигатель

Конструкция двигателя SERVO

Сервопривод переменного тока состоит из трехфазного статора и ротора с постоянными магнитами. Кроме того, для правильного управления током необходима обратная связь двигателя, такая как резольвер или энкодер.

Серводвигатель ТОК

Трехфазный переменный ток используется для питания магнитных катушек серводвигателя.

При изменении тока в статоре изменяется магнитное поле трех фаз; заставляя постоянные магниты ротора совмещаться с соответствующей фазой.

Другая информация

1. Увеличение тока увеличивает крутящий момент двигателя.

2. Чем выше частота тока, тем быстрее будет вращаться двигатель.

3. Сервоприводы контролируют и регулируют ток двигателя для более точного управления крутящим моментом.

4. Для правильного управления током требуется обратная связь двигателя.

Основные сведения о сервоприводах

Трехфазный переменный ток создает магнитное поле. Это замкнутая система, которая непрерывно контролирует положение относительно заданного положения и соответствующим образом регулирует ток.Тормоз двигателя необходим для удержания крутящего момента на нулевой скорости.

Преимущества

• Управление с обратной связью

• Более высокий крутящий момент при более высокой скорости

• Нижний подогрев электродвигателя

• Лучший выбор для систем с переменной нагрузкой

Недостатки

• Более сложное управление — требуется настройка

• Требуется обратная связь по положению

• Более высокая общая стоимость системы

fun servo fact

В автофокусе камеры используется точный сервомотор, встроенный в камеру, который корректирует положение объектива для повышения резкости расфокусированных изображений.

шаговый или сервопривод ?: выбираем мотор

Выбор подходящего мотора

Когда вы запускаете приложение управления движением, выбираете ли вы двигатель на основе критериев проектирования или привычки? Вы выбираете сервопривод, потому что это то, что вы всегда используете? Вы выбираете степпер только для простых приложений?

Этот раздел поможет вам понять вопросы, которые вам следует задать, чтобы найти лучший двигатель для применения.

задаваемых вопросов

1.Какой груз мне нужно переместить?
2. С какой скоростью мне нужно бежать?
3. Меняется ли моя нагрузка во время движения?
4. Нужны ли мне какие-либо специальные функции, такие как удерживающий момент или ограничение крутящего момента?
5.Каков мой бюджет?
6. Какой двигатель лучше всего подходит для моего применения?

1. Какой груз мне нужно переместить? (крутящий момент)

Когда мы выбираем двигатель для приложения, нам нужно знать, какой крутящий момент он может выдать.Для этого мы используем кривую крутящего момента двигателя. Вот типичная кривая крутящего момента серводвигателя.

2. На каких скоростях мне нужно бежать? (Крутящий момент + скорость)

Часто считается, что серводвигатели превосходят шаговые двигатели аналогичного размера. Но зачастую это не так. Вот кривая крутящего момента шагового двигателя эквивалентного размера по сравнению с кривой крутящего момента сервопривода.

На высоких скоростях крутящий момент шагового двигателя приближается к нулю, в то время как серводвигатель обеспечивает постоянный крутящий момент во всем диапазоне скоростей.

3. Меняется ли моя нагрузка во время движения?

Серводвигатели

обладают дополнительной способностью обеспечивать пиковый крутящий момент в течение коротких моментов времени, чтобы преодолевать колебания нагрузки и более высокое ускорение двигателя.

4. Специальные функции: удерживающий момент

Шаговые двигатели могут обеспечивать полный крутящий момент в состоянии покоя, когда обмотки находятся под напряжением, удерживая нагрузку против внешней силы, когда ротор не вращается — удерживающий момент . Эта функция делает шаговые двигатели хорошим выбором для случаев, когда необходимо удерживать нагрузку на месте.

4. Специальные функции: ограничение крутящего момента

Серводвигатели

могут управлять крутящим моментом двигателя посредством точного контроля тока, подаваемого на двигатель, и ограничивать его, поэтому конкретное значение крутящего момента не может быть превышено — ограничение крутящего момента . Благодаря преимуществам управления крутящим моментом можно выполнять многие приложения, требующие точного управления усилием при нажатии, вытягивании и скручивании.

5. Каков мой бюджет: стоимость шагового двигателя

Шаговые двигатели

обычно не требуют обратной связи, используют менее дорогие магниты и редко включают редукторы.Благодаря большому количеству полюсов и способности создавать удерживающий момент они потребляют меньше энергии при нулевой скорости. В результате шаговый двигатель обычно дешевле, чем сопоставимый серводвигатель.

5. Каков мой бюджет: расходы на серводвигатель

Серводвигатели

требуют обратной связи, используют более дорогие магниты и часто включают редукторы. Они также потребляют больше энергии при нулевой скорости. В результате серводвигатель обычно дороже, чем сопоставимый шаговый двигатель.

6.какой мотор лучше всего подходит для моего применения?

Управление двигателями сильно отличается при сравнении шагового двигателя с сервоприводом. Шаговый двигатель — это система с разомкнутым контуром, а сервопривод — это система с замкнутым контуром. Проверьте свое приложение, чтобы определить, предоставляет ли один метод управления функции, которые отличают его от другого.

При рассмотрении требований к приложению необходимо учитывать несколько параметров, и приведенная ниже таблица является хорошей отправной точкой, чтобы помочь разработчику выбрать более подходящую технологию.

когда выбирать шаговое решение

Рассмотрите возможность использования шагового двигателя, если ваше приложение соответствует любому из этих требований.

Высокий крутящий момент, низкая скорость

Короткие, быстрые, повторяющиеся движения

Требуется простое управление

Низкая скорость, высокая точность

Преимущества шагового двигателя

Прочная конструкция

Высокая надежность означает отсутствие необходимости в обслуживании

Настройка системы не требуется

Низкая стоимость системы

когда выбирать сервопривод

Рассмотрите возможность использования сервопривода, если ваше приложение удовлетворяет любому из этих требований.

Требуется высокая скорость

Профили динамического движения

Контроль приложенной силы

Преимущества сервопривода

Контроль крутящего момента

Может выполнять сложные команды движения

Может адаптироваться к изменениям нагрузки

Низкое энергопотребление

Примеры применения

шаговое приложение: настройка осей

Автоматическая регулировка роликов

Особенности: Производитель хочет автоматизировать настройку роликов.

Цель: сократить время переналадки и повысить повторяемость между различными производственными установками.

Требования к заявлению:

Интеграция в существующий PLC Control

Время цикла менее 1 минуты

Внесение микронастройки по запросу

Положение монитора

Необходимо удерживать позицию в состоянии покоя

Решение
Улучшенная плавность хода на низких скоростях и удерживающий крутящий момент
в состоянии покоя делают шаговый двигатель
лучшим выбором.

сервопривод: динамическое управление крутящим моментом

Укупорка для бутылок

Особенности: OEM-сборщику линий розлива и розлива необходим линейный и поворотный привод как часть обновления операции укупорки.

Цель: точно установить колпачок и сообщить о любых недостающих или неправильно установленных колпачках.

Требования к заявлению:

Интеграция в существующий PLC Control

Очень высокая пропускная способность

Колпачок предельный крутящий момент

Несколько товаров

Решение
Управление сервоприводом с обратной связью
позволяет лучше контролировать положение двигателя и контроль тока.
Ограничение крутящего момента сервопривода дает системе возможность
точно устанавливать колпачки для корректировки колпачка
по крутящему моменту.

AMCI Integrated Motion Solutions

Двигатель + привод + контроллеры

Семейства интегрированных двигателей

AMCI представляют собой комплексное решение, объединяющее двигатель, привод и контроллер в единый пакет, который обеспечивает максимально простую установку.

Ключевые термины

Замкнутый контур : Система, в которой выходной сигнал измеряется и сравнивается с входом.Затем мощность регулируется для достижения желаемого состояния. В системе движения датчик скорости или положения (или оба) используется для генерации сигналов коррекции путем сравнения с желаемыми параметрами

Удерживающий момент : Максимальная внешняя сила или крутящий момент, которые могут быть приложены к остановленному двигателю, находящемуся под напряжением, не вызывая непрерывного вращения двигателя.

Microstepping : метод управления, пропорциональный току в ветре шагового двигателя, чтобы обеспечить промежуточные положения между полюсами.

Открытый контур : Относится к системе движения, в которой не используются внешние датчики для подачи сигналов коррекции скорости или положения.

Номинальный крутящий момент : Способность двигателя создавать крутящий момент при заданной скорости.

Как работают шаговые двигатели | РОБОТОША

Что такое шаговый двигатель?

Основы работы шагового двигателя

Режимы управления

Волновое управление или полношаговое управление одной обмоткой

Полношаговый режим управления

Полушаговый режим

Режим микрошага

Типы шаговых двигателей

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Гибридный шаговый двигатель

Подключение обмоток

Биполярный двигатель

Униполярный двигатель

8-выводной шаговый двигатель

Еще по этой теме

устройство, принцип работы, область применения

Как устроен шаговый двигатель

Принцип действия

Виды и типы по полярности или типу обмоток

Типы двигателей по конструкции ротора

Управление ШД

Достоинства и недостатки шаговых электродвигателей

Шаговый двигатель

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель

Биполярный шаговый двигатель

Управление шаговым двигателем с постоянными магнитами

Волновое управление

Полношаговое управление

Полушаговое управление

Шаговые двигатели: описание, примеры, обзоры, характеристики

Как устроен шаговый двигатель

Управление шаговым двигателем

Конструктивные исполнения ШД

Обычный шаговый двигатель

Двигатель с полым валом

Двигатель со встроенной в вал приводной гайкой

Двигатель с двойным валом

Двигатель со встроенным тормозом

Двигатель с редуктором

Двигатель с энкодером

Преимущества шагового двигателя

Недостатки шагового двигателя:

Как выбрать шаговый двигатель? На какие параметры обратить внимание.

Как работает шаговый двигатель

Обзор шаговых двигателей

Как работает шаговый двигатель?

Достоинства шаговых двигателей

Высокая точность позиционирования

Высокий крутящий момент на низких скоростях

Недостатки шаговых двигателей

Низкая максимальная скорость

Низкий крутящий момент на высоких скоростях

Теги

Шаговый электродвигатель принцип работы

Описание и принцип работы

Конструкция и управление шаговым двигателем

Шаговые электродвигатели. Виды и работа. Особенности

Устройство

Метод действия

Режимы управления

Управление полным шагом

Режим полушага

Типы моторов

Шаговые электродвигатели с постоянным магнитом

Шаговые электродвигатели с сопротивлением переменной величины

Шаг равен интервалу от 5 до 15 градусов.

Шаговый мотор гибридного типа

Схема подключения обмоток

Биполярный двигатель

Униполярный двигатель

Униполярные шаговые электродвигатели имеют несколько вариантов подключения.

Шаговый мотор с 8-ю выводами

Это мотор с гибким подключением, обмотки оснащены выводами с обеих сторон. Можно подключать двигатель по любому методу:

Шаговые электродвигатели Лавета

Вентильные двигатели. Виды и устройство. Работа и применение

Виды электродвигателей

Магнитные двигатели. Разновидности и особенности

Микродвигатели. Виды, устройство, подключения