Шаговый двигатель википедия: Шаговые двигатели: описание, примеры, обзоры, характеристики

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:

  1. вида двигателя (его размеры)
  2. тока фазы
  3. 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.

Шаговый двигатель

Дмитрий Левкин

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

Предшественником шагового двигателя является серводвигатель.

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

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

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

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

Гибридный шаговый электродвигатель

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

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

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

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

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

Трехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 30°)

Четырехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 15°)

Ниже представлены осциллограммы управления для трехфазного шагового двигателя.

Униполярное волновое управление

Биполярное полношаговое управление

Биполярное 6-шаговое управление

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

,

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

Осциллограммы управления 4-х фазным реактивным шаговым двигателем

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

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

    Отличительные черты:

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

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

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

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

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель

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

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

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

Схема униполярного двухфазного шагового двигателя

Схема биполярного двухфазного шагового двигателя

Биполярный шаговый двигатель

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

Управление шаговым двигателем с постоянными магнитами

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

Волновое управление

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

Положение ротора шагового двигателя при волновом управлении

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

Волновое управление биполярным шаговым двигателем

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

Волновое управление униполярным шаговым двигателем

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

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

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

Схема 4 выводного биполярного шагового двигателя

Схема 5 выводного униполярного шагового двигателя

Схема 6 выводного униполярного шагового двигателя

Схема 8 выводного шагового двигателя

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

    8-выводные двигатели могут быть соединены в нескольких конфигурациях:

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

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

Положение ротора шагового двигателя при полношаговом управлении

Полношаговое биполярное управление шаговым двигателем

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

Полушаговое управление

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

Положение ротора шагового двигателя при полушаговом управлении

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

Полушаговое биполярное управление шаговым двигателем

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

Конструкция гибридного шагового двигателя (осевой разрез)

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

Гибридный шаговый двигатель (радиальный разрез)

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

Ротор гибридного шагового двигателя

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

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

    Шаговый гибридный двигатель имеет:

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

Шаговые двигатели. Принцип работы и управление

При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.

Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определяется выражением:

αш = 360 / Kt * Zр

В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, так как изменение направления поля не влияет на положение ротора.

Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.

Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.

Повышения степени редукции шаговых двигателей как активного, так и реактивного типа, можно достичь применением двух-, трех- и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов — два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время, роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, то есть оси их полюсов полностью совпадают. Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной. Кроме того, она требует сложного коммутатора.

Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.

В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.

По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага — больший синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики.

Шаговый двигатель типа Лаве — Википедия

Share

Pin

Tweet

Send

Share

Send

Шаговый двигатель типа Лаве

В Шаговый двигатель типа Лаве широко используется в качестве привода в электромеханический часы[1] и представляет собой особый вид однофазных шаговый двигатель. Как в аналоговых, так и в кварцевых часах с шаговым механизмом используется шаговый двигатель типа Лаве (см. Кварцевые часы). Благодаря миниатюризации его можно использовать в наручные часы и требует очень мало энергии, благодаря чему батарея прослужит много лет. Французский инженер Мариус Лавет известен как изобретатель такого типа приводов и описал его в 1936 году в своей патентной заявке FR823395.

Как и другие однофазные двигатели, двигатель Лаве может вращаться только в одном направлении, что зависит от геометрии его статор. В ротор постоянный магнит. Двигатель может быть построен с сильным магнитом и большим статором для обеспечения высокого крутящего момента, но в основном он сконструирован небольшими размерами, чтобы управлять нагрузкой через низкое передаточное число.

xx ‘точка зацепления под действием противодействующей силы,
yy ‘Зубчатая точка активирована,
угол поворота α при включении,
угол поворота β после подачи питания уменьшился

Сердечник статора очень похож на сердечник статора. электродвигатель с расщепленными полюсами и определяет направление вращения в соответствии с положением отверстий, канавок или экранных обмоток в статоре. Однако, в отличие от двигателя с расщепленными полюсами, канавки находятся в обратном направлении, и положения, в которых ротор устанавливается после каждого цикла, хорошо определены, что не относится к асинхронным двигателям в целом, где скольжение и нагрузка влияют на угол, на который ротор вращается каждый цикл.

Для движения двигателя Лаве важны точки зацепления ротора, которые различаются в зависимости от того, находится ли катушка статора под напряжением или нет. Зубцы при отсутствии тока возникают из-за сила сопротивления против прямого магнитного поля, а не замедления распространения переменного магнитного потока, и на практике это углы, при которых объем воздуха между полюсами магнитного ротора и основной частью статора сведен к минимуму.

Движение обычного двухступенчатого мотора Лаве:

(а) обесточенный статор, северный полюс ротора указывает вверху слева,
(б) статор под напряжением, ротор движется по часовой стрелке, а северный полюс после этого указывает вправо,
(c) после падения напряжения статора ротор перемещается дальше, пока северный полюс не будет указывать вниз,
(d) статор запитан в противоположном направлении, ротор движется по часовой стрелке, а северный полюс указывает налево,
(a ‘) после того, как питание статора уменьшилось, ротор перемещается в исходное положение (a).

Чтобы заставить двигатель Лаве вращаться, ток через его обмотку статора должен менять направление на каждом шаге (биполярном), за которым следует интервал без тока, пока ротор перемещается в свое противодействующее положение.

Помимо часовых механизмов, существует множество вариаций концепции Лаве.[2] Одним из примеров являются типы приборная панель инструменты в автомобилях.[3]

Литература

  • Заявка FR 823395  «Совершенствование систем и электрических устройств на расстоянии, запись о механизмах и часах синхронизации» Дата подачи 28.09.1936, заявитель: Хатот, изобретатель: Мариус Лавет (язык: французский).
  • Заявка США 4550279  «Шаговый двигатель» Дата подачи 07.09.1983, Заявитель: Fabriques D’horlogerie De Fontainemelon S.A., Изобретатель: Эрик Кляйн (объяснение концепции на английском языке).

Рекомендации

Share

Pin

Tweet

Send

Share

Send

О шаговых двигателях и том, как их есть

Недавно я уже писал о том, что поимел большую головную боль в виде необходимости выбирать себе новые шаговые движки. Когда-то давно, когда трава была зеленее… Ну, в общем, закупил себе набор движков, который валялся до поры до времени. Закупал их особо не заморачиваясь и не разбираясь, как их выбирать и на что сомтреть. Не повторяйте моих ошибок, изучите вопрос. Ниже я опишу подробно, что мне удалось с тех пор узнать о шаговых движках, а в частности о том, как грамотно подойти к вопросу их выбора.
Но сначала, для того, чтобы лучше понимать вопрос — давайте разберёмся,- ‘что же такое шаговый электродвигатель?’.

Шаговый электродвигатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

Так говорит нам википедия, хотя я бы назвал его не ‘бесщёточный’, а ‘бесколлекторный’, но с википедией спорить не будем, её всё таки ‘умные’ люди пишут. Да и суть от этого не сильно меняется, это, по сути своей, такой же двигатель, что и другие. Как, например, на дорогой гоночной машинке с БК движком. Такой же, да вот не такой!

Шаговый двигатель в первую очередь спроектирован не для того, что бы он просто вращался и передавал свой вращающий момент исполнительному механизму. Он должен обеспечивать высокую точность позиционирования и достаточный момент удержания.

И вот тут мы в плотную подходим к двум парам важных характеристик шагового электродвигателя. Первая пара это удерживающий момент и номинальный ток, а вторая угол поворота (шаг) и погрешность шага. Пройдёмся по каждой паре подробно.

Удерживающий момент — это то, с какой силой двигатель, если на него подан номинальный ток, будет сопротивляться попыткам его провернуть. Если подать на двигатель ток равный номинальном, это обеспечивает максимальный момент удержания.

Если ток завышен, то двигатель греется, если ток занижен, то снижается сила, с которой он сопротивляется проворачиванию, и двигатель может начать (и начнёт) пропускать шаги. Так же необходимо помнить, что самый распространённые драйверы для шаговых двигателей A4998 и DRV8825 могут обеспечить только 2А и 2.2А соответственно. Не нужно гоняться за заоблачными показателями. 4000 г/см и 1.7-1.8А хватит за глаза и уши даже для такой брутальной кинематики, как H-Bot.

Угол поворота — это угол поворота, на который двигатель поворачивается за один шаг (кто бы мог подумать?). Потому, иногда, его просто называют шагом и не парятся. А погрешность шага — это максимальное отклонение от заданного угла поворота в процентах.

Выходит, что чем мельче шаг, тем круче и точнее? Нет! Шаг в 1.8 градуса это всё, что вам нужно. Не буду сейчас приводить таблицы и примеры расчёта перемещений исполнительных механизмов на разных моделях принтеров и разных кинематиках. Поверьте мне на слово, лучше смотрите на погрешность шага, пользы будет больше. 5% — очень и очень хороший показатель.

И тут можно задаться вопросом, — ‘а как же напряжение?’. Напряжение особой роли не играет, т.к. его регулирует драйвер шагового двигателя, что бы поддерживать необходимый ток. Но знайте меру. 3V — 5V вполне достаточно, 3.4V, наверное, в самый раз.

Есть ещё такой параметр, как количество фаз. Ну, если совсем просто, то это сколько контактов/проводов торчит из двигателя. По хорошему, нам для принтера нужны биполярные двигатели с 4-мя фазами (проводами). Но существуют и с 6-тью и, даже, с 8-мью. Последние — экзотика в наших краях (ну я по крайней мере вообще их в руках не держал). А вот те, что с 6-тью проводами — те встречаются. Если просто, то это тоже самое, что и с 4-мя, но на обеих обмотках есть центральный отвод. Более наглядно можно посмотреть на иллюстрации, которую я честно где-то стырил.

Но я так и не сказал, что брать? Если есть 4-выводной, берём его, если нет, не расстраиваемся и берём 6-выводной. Но лучше берите 4-выводной (мороки меньше). Кстати, на картинке 8-выводной двигатель показан в режиме, когда у него пары обмоток подключены параллельно.

О чём ещё не сказал? О размерах? Ну разве ими кого-то удивишь? Наш типоразмер это Nema17, тут ничего нового. Можно и другие, но это уже снова экзотика.

Ну и последнее. Вот я купил двигатель, а дальше что? Как на нём правильно настроит ток? А всё очень просто, я уже поверхностно описывал этот процесс в одном из своих постов. Нам понадобится мультиметр, отвёртка и немного математики. Настройка тока производится методом кручения подсроечника на драйвере и снятия контрольного напряжения. Напряжение можно снимать — как на картинке.

А дальше считаем по формуле, какое контрольное напряжение (Vr) нам надо выставить. Формула различается для разных драйверов.

Для A4988:

Vr = Номинальный ток / 2,5

Для двигателя с номинальным током 1.7А: Vr = 1.7A / 2 .5 = 0.68V

Для DRV8825:

Vr = Номинальный ток / 2

Для двигателя с номинальным током 1.7А: Vr = 1.7A / 2 = 0,85V

Бесколлекторные двигатели постоянного тока. Что это такое? — Avislab

Этой статьёй я начинаю цикл публикаций о бесколлекторных двигателях постоянного тока. Доступным языком  опишу общие сведения, устройство, алгоритмы управления бесколлекторным двигателем. Будут рассмотрены разные типы двигателей, приведены примеры подбора параметров регуляторов. Опишу устройство и алгоритм работы регулятора,  методику выбора силовых ключей и основных параметров регулятора. Логическим завершением публикаций будет схема регулятора.

Бесколлекторные двигатели получили широкое распространение благодаря развитию электроники и, в том числе, благодаря появлению недорогих силовых транзисторных ключей. Также немаловажную роль сыграло появление мощных неодимовых магнитов.

Однако не стоит считать бесколлекторный двигатель новинкой. Идея бесколлекторного двигателя появилась на заре электричества. Но, в силу неготовности технологий, ждала своего времени до 1962 года, когда появился первый коммерческий бесколлекторный двигатель постоянного тока. Т.е. уже более полувека существуют различные серийные реализации этого типа электропривода!

Немного терминологии

Бесколлекторные двигатели постоянного тока называют так же вентильными, в зарубежной литературе BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) или PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).

Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Обращаю Ваше внимание на то, что в коллекторном двигателе наоборот, обмотки находятся на роторе. Поэтому, далее в тексте ротор — магниты, статор — обмотки.

Для управления двигателем применяется электронный регулятор. В зарубежной литературе Speed Controller или ESC (Electronic speed control).

Что такое бесколлекторный двигатель?

Обычно люди, сталкиваясь с чем-то новым, ищут аналогии. Иногда приходится слышать фразы «ну это как синхронник», или еще хуже «он похож на шаговик». Поскольку большинство бесколлекторных двигателей трехфазные, это еще больше путает, что приводит к неправильному мнению о том, что регулятор «кормит» двигатель переменным 3-x фазным током. Все вышесказанное соответствует действительности только отчасти. Дело в том, что синхронными можно назвать все двигатели кроме асинхронных. Все двигатели постоянного тока являются синхронными с самосинхронизацией, но их принцип действия отличается от синхронных двигателей переменного тока, у которых самосинхронизация отсутствует. Как шаговый бесколлекторный двигатель тоже, наверное, сможет работать. Но тут такое дело: кирпич он тоже может летать… правда, недалеко, ибо для этого не предназначен. В качестве шагового двигателя больше подойдет вентильный реактивный двигатель.

Попробуем разобраться, что собой представляет бесколлекторный двигатель постоянного тока (Brushles Direct Current Motor). В самой этой фразе уже кроется ответ — это двигатель постоянного тока без коллектора. Функции коллектора выполняет электроника.

Преимущества и недостатки

Из конструкции двигателя удаляется довольно сложный, требующий обслуживания тяжелый и искрящий узел — коллектор. Конструкция двигателя существенно упрощается. Двигатель получается легче и компактнее. Значительно уменьшаются потери на коммутацию, поскольку контакты коллектора и щетки заменяются электронными ключами. В итоге получаем электродвигатель с наилучшими показателями КПД и показателем мощности на килограмм собственного веса, с наиболее широким диапазоном изменения скорости вращения. На практике бесколлекторные двигатели греются меньше, чем их коллекторные братья. Переносят большую нагрузку по моменту. Применение мощных неодимовых магнитов сделали бесколлекторные двигатели еще более компактными. Конструкция бесколлекторного двигателя позволяет эксплуатировать его в воде и агресивных средах (разумеется, только двигатель, регулятор мочить будет очень дорого). Бесколлекторные двигатели практически не создают радиопомех.

Единственным недостатком считают сложный дорогостоящий электронный блок управления (регулятор или ESC). Однако, если вы хотите управлять оборотами двигателя, без электроники никак не обойтись. Если вам не надо управлять оборотами бесколлекторного двигателя, без электронного блока управления все равно не обойтись. Бесколлекторный двигатель без электроники — просто железка. Нет возможности подать на него напряжение и добиться нормального вращения как у других двигателей.

Что происходит в регуляторе бесколлекторного двигателя?

Для того чтобы понять, что происходит в электронике регулятора, управляющего бесколлекторным двигателем, вернемся немного назад и сначала разберемся как работает коллекторный двигатель. Из школьного курса физики помним, как магнитное поле действует на рамку с током. Рамка с током вращается в магнитном поле. При этом она не вращается постоянно, а поворачивается до определенного положения. Для того чтобы происходило непрерывное вращение, нужно переключать направление тока в рамке в зависимости от положения рамки. В нашем случае рамка с током — это обмотка двигателя, а переключением занимается коллектор — устройство со щетками и контактами. Устройство простейшего двигателя смотри на рисунке.

То же самое делает и электроника, управляющая бесколлекторным двигателем — в нужные моменты подключает постоянное напряжение на нужные обмотки статора.

Датчики положения, двигатели без датчиков

Из вышесказанного важно уяснить, что подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора. Поэтому электроника должна уметь определять положение ротора двигателя. Для этого применяются датчики положения. Они могут быть различного типа, оптические, магнитные и т.д. В настоящее время очень распространены дискретные датчики на основе эффекта Холла (например SS41). В трехфазном бесколлекторном двигателе используется 3 датчика. Благодаря таким датчикам электронный блок управления всегда знает, в каком положении находится ротор и на какие обмотки подавать напряжение в каждый момент времени. Позже будет рассмотрен алгоритм управления трехфазным бесколлекторным двигателем.

Существуют бесколлекторные двигатели, которые не имеют датчиков. В таких двигателях положение ротора определяется путем измерения напряжения на незадействованной в данный момент времени обмотке. Эти методы также будут рассмотрены позднее. Следует обратить внимание на существенный момент: этот способ актуален только при вращении двигателя. Когда двигатель не вращается или вращается очень медленно, такой метод не работает.

В каких случаях применяют бесколлекорные двигатели с датчиками, а в каких — без датчиков? В чем их отличие?

Двигатели с датчиками положения более предпочтительны с технической точки зрения. Алгоритм управления такими двигателями значительно проще. Однако есть и свои минусы: требуется обеспечить питание датчиков и прокладку проводов от датчиков в двигателе к управляющей электронике; в случае выхода со строя одного из датчиков, двигатель прекращает работу, а замена датчиков, как правило, требует разборки двигателя.

В тех случаях, когда конструктивно невозможно разместить датчики в корпусе двигателя, используют двигатели без датчиков. Конструктивно такие двигатели практически не отличаются от двигателей с датчиками. А вот электронный блок должен уметь управлять двигателем без датчиков. При этом блок управления должен соответствовать характеристикам конкретной модели двигателя.

Если двигатель должен стартовать с существенной нагрузкой на валу двигателя (электротранспорт, подъёмные механизмы и т.п.) — применяют двигатели с датчиками.
Если двигатель стартует без нагрузки на валу (вентиляция, воздушный винт, применяется центробежная муфта сцепления и т.п.), можно применять двигатели без датчиков. Запомните: двигатель без датчиков положения должен стартовать без нагрузки на валу. Если это условие не соблюдается, следует использовать двигатель с датчиками. Кроме того, в момент старта двигателя без датчиков возможны вращательные колебания оси двигателя в разные стороны. Если это критично для Вашей системы, применяйте двигатель с датчиками.

Три фазы

Трехфазные бесколлекторные двигатели приобрели наибольшее распространение. Но они могут быть и одно, двух, трех и более фазными. Чем больше фаз, тем более плавное вращение магнитного поля, но и сложнее система управления двигателем. 3-х фазная система наиболее оптимальна по соотношению эффективность/сложность, поэтому и получила столь широкое распространение. Далее будет рассматриваться только трехфазная схема, как наиболее распространенная.  Фактически фазы — это обмотки двигателя. Поэтому если сказать «трехобмоточный», думаю, это тоже будет правильно. Три обмотки соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Трехфазный бесколлекторный двигатель имеет три провода — выводы обмоток, см. рисунок.

Двигатели с датчиками имеют дополнительных 5 проводов (2-питание датчиков положения, и 3 сигналы от датчиков).

В трехфазной системе в каждый момент времени напряжение подается на две из трех обмоток. Таким образом, есть 6 вариантов подачи постоянного напряжения на обмотки двигателя, как показано на рисунке ниже.

Это позволяет создать вращающееся магнитное поле, которое будет проворачиваться «шагами» на 60 градусов при каждом переключении. Но не будем забегать наперед. В следующей статье будут рассмотрены устройство бесколлекторного двигателя, варианты расположения магнитов, обмоток, датчиков и т.д., а позже будут рассмотрены алгоритмы управления бесколлекторными двигателями.

Бесколлекторные моторы «на пальцах»
Что такое бесколлекторные моторы и как управлять бесколлекторными моторами:

Статьи по бесколлекторным моторам:

Электротермические двигатели. Битва за звезды-2. Космическое противостояние (часть II)

Электротермические двигатели

Нам уже известно, что одним из способов увеличения эффективности двигателей для космических кораблей является повышение температуры (а значит и скорости) истекающих газов. Но эту температуру можно поднимать не только с помощью химической реакции горения или посредством утилизации энергии радиоактивного распада — другим мощным источником тепла может служить электричество.

Идея электротермического ракетного двигателя обсуждается уже довольно давно. Еще в 1928 году, на самой заре развития реактивной техники, в нашей стране был выдвинут изобретательский проект такого двигателя. По этому проекту через тонкие металлические проволочки или струйки электропроводящей жидкости, находящиеся в камере сгорания, должны пропускаться с заданной частотой кратковременные мощные импульсы электрического тока. Начиная с мая 1929 года, в специально созданной группе электрических и жидкостных ракетных двигателей Газодинамической лаборатории (ГДЛ) в Ленинграде велись теоретические и экспериментальные исследования электротепловых двигателей, использующих явление «электрического взрыва». Работами руководил хорошо нам знакомый Валентин Петрович Глушко.


Через четыре года опыты продолжались уже с камерой, снабженной соплом. В результате разрядов тока происходил взрыв проводников с разогреванием образующихся газов до весьма высокой температуры — порядка 1 миллиона градусов, вследствие чего раскаленные продукты взрыва вытекали через сопло с огромной скоростью. После целой серии опытов сотрудники ГДЛ установили, что идеальным рабочим веществом для таких двигателей являются насыщенные водородом металлы: например, железо или палладий. При высокой температуре взрыва водород выделяется с поглощением части энергии; при охлаждении же продуктов он, воссоединяясь, выделяет поглощенную энергию, что ведет к общему увеличению к. п. д.

Однако развитие ракетных двигателей пошло, как известно, по другому направлению, и если электрические методы нагрева и получили некоторое применение в космической технике, то лишь для различных вспомогательных нужд: например, в электрозапальных устройствах, служащих для воспламенения топлива при запуске двигателя.

Интерес к электротермическим двигателям вновь проявился лишь в начале 70-х годов, когда стали очевидны принципиальные ограничения термохимических двигателей в отношении тяги.

В первую очередь вспомнили о схеме ГДЛ. Опыты с подобными двигателями проводились как у нас, так и в за рубежом.

В качестве рабочего вещества применялись проволочки диаметром в 1 миллиметр и длиной примерно 6,5 миллиметра из алюминия, железа, меди, золота, серебра, вольфрама и ряда других металлов. Внезапный разряд батареи конденсаторов, заряженных до напряжения 10–20 киловольт, через эти проволочки вызывал мгновенное возникновение в них тока силой в несколько тысяч ампер, что приводило к взрывному испарению материала проволочек. Как показали измерения, при этом развивалась температура выше 100 000 °C, а скорость истечения превышала 10 000 м/с с возможностью ее увеличения до 50 000 м/с!

Но если «электрический взрыв» представляет собой довольно экзотический метод нагрева, то хорошо известны другие способы, с помощью которых электрический ток используется в технике и быту для нагрева различных веществ.

Пожалуй, наиболее прост и известен метод конвективного нагрева жидкостей и газов с помощью электрических элементов сопротивления; ведь именно этот так называемый омический нагрев служит в бесчисленных электронагревателях самой различной мощности, начиная с обыкновенного утюга. Нагревательным элементом здесь служит металлическая трубка, проволока или пластина; их электрическое (омическое) сопротивление приводит к тому, что при течении тока они нагреваются — электрическая энергия переходит в тепловую. А затем получаемое тепло сообщается омывающему элемент газу или жидкости.

Создать электротермический двигатель на основе этого физического явления просто: достаточно в камере такого двигателя разместить электрический нагревательный элемент.

Правда, нагрев рабочего вещества будет ограничен допустимой температурой нагревательного элемента примерно так же, как в твердофазном ядерном реакторе, но зато двигатель будет сравнительно простым, небольшим и легким. За рубежом такие двигатели исследуются, они получили там название «резистоджет», что в переводе с английского звучит примерно как «ракетный двигатель на сопротивлении».

Нагревательный элемент «резистоджета» изготовляется из жароупорного металла (обычно из вольфрама, рения или их сплавов) и может нагреваться до 2650–2750°К. При удачной конструкции двигателя температура рабочего вещества лишь немногим меньше этой. Выгоднее всего, конечно, применять в качестве рабочего вещества водород, но используются также аммиак и другие вещества В случае водорода скорость истечения может достигать 10 000-11 000 м/с.

Один из двигателей типа «резистоджет» с многотрубчатым вольфрамовым теплообменником был разработан американской фирмой «Марквардт» («Marquardt») для использования в системах ориентации и стабилизации космических летательных аппаратов, в частности обитаемой орбитальной лаборатории «MORL», конструкцию которой мы обсуждали в главе 17. Электрическая мощность этого двигателя равна 3 кВт, концентрические трубки вольфрамового теплообменника имеют толщину всего ОД миллиметра. В ходе 25-часовых испытаний двигателя была получена скорость истечения 8400 м/с при к. п. д. 79 % и тяге двигателя 66,5 грамма. По другому предложению фирмы, на этой же орбитальной лаборатории могут быть установлены 1624 двигателя «резистоджет» тягой по 4,5 грамма, рабочим веществом для которых должны служить отходы жизнедеятельности космонавтов!

Фирма «Авко» («Avco») также разрабатывала двигатель «резистоджет» аналогичного назначения для системы стабилизации на орбите синхронного искусственного спутника Земли «ATS» весом около 450 килограммов. Двигатель мощностью всего примерно 7,5 Вт имеет диаметр 102 миллиметра, длину 280 миллиметров и вес 3,2 килограмма, он работает на аммиаке; его две независимо работающие тяговые камеры (движителя) диаметром 32 миллиметра развивают очень малую тягу 50 миллиграммов и 5 миллиграммов, они управляются клапанами, электрически связанными с электронным командным блоком.

Двигатель подобного типа был установлен на спутнике «ATS-B», выведенном на орбиту в декабре 1966 года. А в июле и ноябре 1967 года были выведены на орбиту экспериментальные спутники «LES» и «ATS-3», также оборудованные двигателями типа «резистоджет».

Сообщается и о ряде других экспериментальных электротермических двигателей: мощностью 30 кВт при скорости истечения 8600 м/с, мощностью 10 Вт с тягой порядка 0,5 грамма и так далее.

Первый из двигателей «резистоджет» нашел применение в космосе в системе ориентации военного спутника «Вела-3», запущенного в июле 1965 года. Мощность этого двигателя равна 90 Вт, тяга — 19 граммов. 19 сентября 1965 года с его помощью был осуществлен первый маневр в космосе.

В мае 1967 года двигатель «резистоджет» с тремя соплами обеспечивал ориентацию и маневрирование усовершенствованного спутника «Вела»; два таких спутника были запущены за месяц до этого, на каждом из них был установлен многосопловой двигатель «резистоджет» тягой каждого сопла 8,5 грамма. Двигатель весом 150 граммов работал на азоте.

Другой двигатель (фирмы «Дженерал Электрик») пульсирующего типа тягой 0,225 грамма прошел в 19661967 годы испытания в течение более 10 000 часов.









Данный текст является ознакомительным фрагментом.




Продолжение на ЛитРес









Гибридный шаговый двигатель

— его рабочие преимущества и недостатки

Слово «гибрид» означает комбинацию или смесь. Гибридный шаговый двигатель представляет собой комбинацию характеристик шагового двигателя с переменным сопротивлением и шагового двигателя с постоянным магнитом. В центре ротора расположен осевой постоянный магнит. Он намагничивается, образуя пару полюсов как северный (N) и южный (S), как показано на рисунке ниже.

На обоих концах осевого магнита предусмотрены торцевые крышки, которые содержат равное количество зубцов, намагничиваемых магнитом.Рисунок поперечного сечения двух торцевых крышек ротора показан ниже.

Статор имеет 8 полюсов, каждый из которых имеет одну катушку и S зубцов. На статоре 40 полюсов, каждая торцевая крышка имеет 50 зубцов. Поскольку зубья статора и ротора имеют размер 40 и 50 соответственно, угол шага выражен, как показано ниже.

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

Катушки на полюсах 1, 3, 5 и 7 соединены последовательно, чтобы сформировать фазу A. Аналогичным образом катушки на полюсах 2, 4, 6 и 8 соединены последовательно, чтобы сформировать фазу B.

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

Теперь, когда фаза A обесточена, а фаза B возбуждена, ротор повернется на полный шаг угла 1.8⁰ против часовой стрелки. Фаза A теперь находится под напряжением отрицательно; ротор перемещается дальше на 1,8 ° в том же направлении против часовой стрелки. Дальнейшее вращение ротора требует отрицательного возбуждения фазы B.

Таким образом, чтобы вызвать движение ротора против часовой стрелки, фазы активируются в следующей последовательности + A, + B, -A, -B, + B, + A …… .. Для вращения по часовой стрелке последовательность + A, -B, + B, + A …… ..

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

Преимущества гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя следующие: —

  • Длина ступеньки меньше.
  • Он имеет больший крутящий момент.
  • Обеспечивает фиксирующий момент с обесточенными обмотками.
  • Более высокая эффективность при более низкой скорости.
  • Пониженная частота шагов.

Недостатки гибридного шагового двигателя

Гибридный шаговый двигатель имеет следующие недостатки.

  • Повышенная инерция.
  • Вес двигателя больше из-за наличия магнита ротора.
  • Если магнитная сила изменяется, производительность двигателя изменяется.
  • Стоимость гибридного двигателя больше по сравнению с двигателем с регулируемым сопротивлением.

Конструкция, работа, типы и применение

Шаговый двигатель — это электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую.Кроме того, это бесщеточный синхронный электродвигатель, который может разделить полный оборот на большое количество шагов. Положение двигателя можно точно контролировать без какого-либо механизма обратной связи, если двигатель точно подобран для конкретного применения. Шаговые двигатели аналогичны вентильным реактивным двигателям. Шаговый двигатель использует теорию работы магнитов, чтобы вал двигателя поворачивался на точное расстояние при подаче электрического импульса. У статора восемь полюсов, а у ротора — шесть.Ротору потребуется 24 импульса электричества, чтобы переместить 24 ступени на один полный оборот. Другими словами, ротор будет перемещаться точно на 15 ° за каждый электрический импульс, который получает двигатель.

Конструкция и принцип работы

Конструкция шагового двигателя довольно похожа на двигатель постоянного тока. Он включает в себя постоянный магнит, такой как ротор, который находится посередине, и он будет вращаться, когда на него будет действовать сила. Этот ротор заключен в № статора, намотанного через магнитную катушку.Статор расположен рядом с ротором, так что магнитные поля внутри статоров могут управлять движением ротора.

Шаговый двигатель

Шаговым двигателем можно управлять, подавая напряжение на каждый статор один за другим. Таким образом, статор намагничивается и работает как электромагнитный полюс, который использует энергию отталкивания на роторе, чтобы двигаться вперед. Альтернативное намагничивание статора, а также размагничивание будут постепенно сдвигать ротор и позволяет ему вращаться с большим контролем.

Принцип работы шагового двигателя — электромагнетизм.Он включает в себя ротор с постоянным магнитом, а статор с электромагнитами. Как только питание подается на обмотку статора, внутри статора будет развиваться магнитное поле. Теперь ротор в двигателе начнет двигаться с вращающимся магнитным полем статора. Итак, это основной принцип работы этого двигателя.

Конструкция шагового двигателя

В этом двигателе используется мягкое железо, защищенное электромагнитными статорами. Полюса статора и ротора не зависят от типа шагового двигателя.Как только статоры этого двигателя находятся под напряжением, ротор будет вращаться, чтобы выровняться со статором, в противном случае поворачивается, чтобы иметь наименьший зазор через статор. Таким образом, статоры последовательно активируются для вращения шагового двигателя.

Приемы вождения

Приемы управления шаговым двигателем могут быть возможны с некоторыми специальными схемами из-за их сложной конструкции. Есть несколько способов управления этим двигателем, некоторые из них обсуждаются ниже на примере четырехфазного шагового двигателя.

Режим одиночного возбуждения

Основным методом управления шаговым двигателем является режим одиночного возбуждения. Это старый метод, который в настоящее время мало используется, но об этом методе нужно знать. В этом методе каждая фаза, в противном случае статор рядом друг с другом, будет запускаться одна за другой поочередно с помощью специальной цепи. Это намагнитит и размагнитит статор, чтобы ротор двигался вперед.

Full Step Drive

В этом методе два статора активируются одновременно, а не один за очень короткий период времени.Этот метод приводит к высокому крутящему моменту и позволяет двигателю управлять высокой нагрузкой.

Полушаговый привод

Этот метод справедливо связан с полным шаговым приводом, потому что два статора будут расположены рядом друг с другом, так что он будет активирован первым, тогда как третий будет активирован после этого. Этот вид цикла для переключения сначала двух статоров, а затем третьего статора приводит в движение двигатель. Этот метод приведет к улучшенному разрешению шагового двигателя при уменьшении крутящего момента.

Micro Stepping

Этот метод используется чаще всего из-за его точности. Переменный ток шага будет подаваться схемой драйвера шагового двигателя к катушкам статора в форме синусоидального сигнала. Точность каждого шага может быть повышена за счет этого небольшого шагового тока. Этот метод широко используется, поскольку он обеспечивает высокую точность, а также в значительной степени снижает рабочий шум.

Схема шагового двигателя и его работа

Шаговые двигатели работают иначе, чем щеточные двигатели постоянного тока, которые вращаются, когда на их клеммы подается напряжение.С другой стороны, шаговые двигатели имеют несколько зубчатых электромагнитов, расположенных вокруг куска железа в форме центральной шестерни. Электромагниты получают питание от внешней цепи управления, например, микроконтроллера.

Схема шагового двигателя

Чтобы заставить вал двигателя вращаться, сначала на один электромагнит подается мощность, которая заставляет зубья шестерни магнитно притягиваться к зубцам электромагнита. В момент, когда зубья шестерни выровнены относительно первого электромагнита, они немного смещены относительно следующего электромагнита.Поэтому, когда следующий электромагнит включается, а первый выключается, шестерня слегка поворачивается, чтобы выровняться со следующей, и оттуда процесс повторяется. Каждое из этих небольших поворотов называется шагом, при котором целое число шагов совершает полный оборот.

Таким образом, мотор можно вращать с помощью точного. Шаговые двигатели не вращаются постоянно, они вращаются ступенчато. На статоре закреплены 4 катушки с углом между собой 90 o . Подключение шагового двигателя определяется способом соединения катушек.В шаговом двигателе катушки не соединены. Двигатель имеет шаг вращения 90 o , при этом на катушки подается питание в циклическом порядке, определяющем направление вращения вала.

Работа этого двигателя отображается с помощью переключателя. Катушки активируются последовательно с интервалом в 1 секунду. Вал вращается на 90 o каждый раз, когда активируется следующая катушка. Его крутящий момент на низкой скорости будет напрямую зависеть от тока.

Типы шаговых двигателей

Существует три основных типа шаговых двигателей:

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

В двигателях с постоянным магнитом используется постоянный магнит (PM) в роторе и действует на притяжение или отталкивание между PM ротора и электромагнитами статора.

Это наиболее распространенный тип шагового двигателя по сравнению с различными типами шаговых двигателей, доступных на рынке. Этот двигатель включает в себя постоянные магниты в конструкции двигателя. Этот тип двигателя также известен как двигатель для жестяных банок. Основное преимущество этого шагового двигателя — меньшая стоимость производства. На каждый оборот приходится 48-24 шага.

Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением

Двигатели с регулируемым сопротивлением (VR) имеют ротор из гладкого железа и работают по принципу, согласно которому минимальное сопротивление достигается при минимальном зазоре, следовательно, точки ротора притягиваются к полюсам магнита статора.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением является основным типом двигателя и используется в течение последних многих лет. Как следует из названия, угловое положение ротора в основном зависит от сопротивления магнитной цепи, которое может образовываться между зубьями статора и ротора.

Гибридный синхронный шаговый двигатель

Гибридные шаговые двигатели названы потому, что в них используется комбинация методов постоянного магнита (PM) и переменного магнитного сопротивления (VR) для достижения максимальной мощности в небольших корпусах.

Наиболее популярным типом двигателя является гибридный шаговый двигатель, поскольку он дает хорошие характеристики по сравнению с ротором с постоянными магнитами с точки зрения скорости, шагового разрешения и удерживающего момента. Но этот тип шагового двигателя дороже по сравнению с шаговыми двигателями с постоянными магнитами. Этот двигатель сочетает в себе характеристики шаговых двигателей с постоянным магнитом и переменного магнитного сопротивления. Эти двигатели используются там, где требуется меньший угол шага, например 1,5, 1,8 и 2,5 градуса.

Как выбрать шаговый двигатель?

Прежде чем выбрать шаговый двигатель, отвечающий вашим требованиям, очень важно изучить кривую крутящего момента двигателя.Таким образом, эту информацию можно получить у разработчика двигателя, и это графический символ крутящего момента двигателя при заданной скорости. Кривая скорости вращения двигателя должна точно соответствовать потребностям приложения; в противном случае не может быть получена ожидаемая производительность системы.

Типы подключения

Шаговые двигатели, как правило, являются двухфазными двигателями, такими как униполярные или биполярные. Для каждой фазы в униполярном двигателе есть две обмотки. Здесь центральный вывод — это обычный вывод между двумя обмотками к полюсу.У униполярного двигателя от 5 до 8 выводов.

В конструкции, в которой два общих полюса разделены, но имеют центральную резьбу, этот шаговый двигатель имеет шесть выводов. Если двухполюсные центральные ответвители короткие внутри, то у этого двигателя пять выводов. Униполярный с 8 выводами облегчит как последовательное, так и параллельное соединение, в то время как двигатель с пятью или шестью выводами имеет последовательное соединение обмотки статора. Работа униполярного двигателя может быть упрощена, поскольку во время его работы не требуется реверсировать поток тока в цепи управления, который известен как бифилярные двигатели.

В биполярном шаговом двигателе для каждого полюса имеется одна обмотка. Направление питания должно измениться через схему управления, чтобы она стала сложной, поэтому эти двигатели называются унифицированными двигателями.

Управление шаговым двигателем с помощью изменяющихся тактовых импульсов

Схема управления шаговым двигателем — это простая и недорогая схема, в основном используемая в маломощных устройствах. Схема, представленная на рисунке, состоит из 555 таймеров IC как стабильного мультивибратора. Частота рассчитывается с использованием данного отношения.

Частота = 1 / T = 1,45 / (RA + 2RB) C, где RA = RB = R2 = R3 = 4,7 кОм и C = C2 = 100 мкФ.

Управление шаговым двигателем путем изменения тактовых импульсов

Выход таймера используется в качестве тактового сигнала для двух двойных триггеров 7474 «D» (U4 и U3), сконфигурированных как кольцевой счетчик. При первоначальном включении питания устанавливается только первый триггер (т. Е. Выход Q на выводе 5 U3 будет на логической «1»), а остальные три триггера сбрасываются (т. Е. Выход Q находится на логическом уровне. 0). При получении тактового импульса выход логической «1» первого триггера смещается на второй триггер (вывод 9 U3).

Таким образом, выход логической 1 продолжает циклически смещаться с каждым тактовым импульсом. Выходы Q всех четырех триггеров усиливаются решетками транзисторов Дарлингтона внутри ULN2003 (U2) и подключены к обмоткам шагового двигателя оранжевого, коричневого, желтого, черного цветов на 16, 15, 14, 13 ULN2003, а красный — на + ve поставка.

Общая точка обмотки подключена к источнику постоянного тока +12 В, который также подключен к выводу 9 ULN2003. Цветовой код обмоток может варьироваться от производителя к производителю.Когда питание включено, управляющий сигнал, подключенный к контакту SET первого триггера и контактам CLR трех других триггеров, становится активным ‘низким’ (из-за схемы включения питания при сбросе, сформированной R1 -C1 комбинация), чтобы установить первый триггер и сбросить остальные три триггера.

При сбросе Q1 IC3 становится «высоким», в то время как все остальные выходы Q становятся «низкими». Внешний сброс может быть активирован нажатием переключателя сброса. Нажав переключатель сброса, вы можете остановить шаговый двигатель.При отпускании переключателя сброса двигатель снова начинает вращаться в том же направлении.

Разница между шаговым двигателем и серводвигателем

Серводвигатели подходят для приложений с высоким крутящим моментом и скоростью, тогда как шаговый двигатель дешевле, поэтому они используются там, где высокий удерживающий момент, ускорение от низкого до среднего, открытый в противном случае закрытый — требуется гибкость работы петли. Разница между шаговым двигателем и серводвигателем заключается в следующем.

Шаговый двигатель

Серводвигатель

Двигатель, который движется дискретными шагами, известен как шаговый двигатель. Серводвигатель — это один из видов двигателей с обратной связью, который подключен к энкодеру для обеспечения обратной связи по скорости и положению.

Шаговый двигатель используется там, где управление, а также точность являются основными приоритетами Серводвигатель используется там, где скорость является основным приоритетом

Общее количество полюсов шагового двигателя колеблется от От 50 до 100 Общее количество полюсов серводвигателя колеблется от 4 до 12
В замкнутой системе эти двигатели движутся с постоянным импульсом Этим двигателям требуется энкодер для изменения импульсов для управления положением.

Крутящий момент высокий на низкой скорости Крутящий момент низкий на высокой скорости
Время позиционирования меньше при коротких ходах Время позиционирования меньше при длинных ходах
Движение по инерции с высоким допуском Перемещение по инерции с низким допуском
Этот двигатель подходит для механизмов с низкой жесткостью, таких как шкив и ремень Не подходит для механизма с меньшей жесткостью
Высокая скорость реакции Низкая скорость реакции
Эти используются для колеблющихся нагрузок Они не используются для колеблющихся нагрузок
Регулировка усиления / настройки не требуется Требуется регулировка усиления / настройки
Шаговый двигатель против двигателя постоянного тока

Оба Шаговые двигатели и двигатели постоянного тока используются в различных промышленных приложениях, но • Основные различия между этими двумя двигателями немного сбивают с толку.Здесь мы перечисляем некоторые общие характеристики этих двух дизайнов. Каждая характеристика обсуждается ниже.

Обороты в минуту

Высокая скорость

Характеристики

Шаговый двигатель

Двигатель постоянного тока

Характеристики управления Простой и использует микроконтроллер Простой и не требует дополнительных устройств
Умеренные
Надежность Высокая Умеренная
КПД Низкая Высокая
Характеристики крутящего момента
Момент крутящего момента Максимально высокая скорость

при максимальном крутящем моменте 9070

Стоимость Низкая Низкая
Параметры шагового двигателя

Параметры шагового двигателя в основном включают угол шага, шаги для каждого оборота, шаги для каждой секунды и об / мин.

Угол шага

Угол шага шагового двигателя можно определить как угол, под которым ротор двигателя поворачивается, когда на вход статора подается одиночный импульс. Разрешение двигателя можно определить как количество шагов двигателя и число оборотов ротора.

Разрешение = количество шагов / количество оборотов ротора

Расположение двигателя можно определить с помощью угла шага, который выражается в градусах. Разрешение двигателя (номер шага) — нет.шагов, которые совершают за один оборот ротора. Когда угол шага двигателя мал, разрешение для его расположения является высоким.

Точность расположения объектов с помощью этого двигателя в основном зависит от разрешения. Как только разрешение будет высоким, точность будет низкой.

Некоторые точные двигатели могут создавать 1000 шагов за один оборот, включая угол шага 0,36 градуса. Типичный двигатель имеет угол шага 1,8 градуса с 200 шагами на каждый оборот.Различные углы шага, такие как 15 градусов, 45 градусов и 90 градусов, очень распространены в обычных двигателях. Количество углов может изменяться от двух до шести, а небольшой угол шага может быть достигнут за счет частей полюса с прорезями.

шагов для каждого оборота

Шаги для каждого разрешения можно определить как количество углов шага, необходимых для полного оборота. Формула для этого — 360 ° / угол шага.

шагов за каждую секунду

Этот тип параметра в основном используется для измерения количества шагов, пройденных за каждую секунду.

Число оборотов в минуту

Число оборотов в минуту — это число оборотов в минуту. Он используется для измерения частоты вращения. Таким образом, используя этот параметр, мы можем рассчитать количество оборотов за одну минуту. Основное соотношение между параметрами шагового двигателя следующее.

шагов на каждую секунду = оборот в минуту x шагов на оборот / 60

Шаговый двигатель, взаимодействующий с микроконтроллером 8051

Шаговый двигатель, взаимодействующий с 8051, очень прост благодаря использованию трех режимов, таких как волновой привод, полный шаговый привод и полушаговый привод. предоставление 0 и 1 четырем проводам двигателя в зависимости от того, какой режим привода мы должны выбрать для работы этого двигателя.

Остальные два провода необходимо подключить к источнику напряжения. Здесь используется униполярный шаговый двигатель, где четыре конца катушек подключены к основным четырем контактам порта 2 в микроконтроллере с помощью ULN2003A.

Этот микроконтроллер не обеспечивает достаточный ток для управления катушками, поэтому IC драйвера тока любит ULN2003A. Необходимо использовать ULN2003A, который представляет собой набор из 7 пар NPN транзисторов Дарлингтона. Проектирование пары Дарлингтона может быть выполнено с помощью двух биполярных транзисторов, которые соединены для достижения максимального усиления тока.

В ИС драйвера ULN2003A входные контакты — 7, выходные контакты — 7, где два контакта предназначены для клемм питания и заземления. Здесь используются контакты с 4 входами и 4 выходами. В качестве альтернативы ULN2003A, L293D IC также используется для усиления тока.

Вам нужно очень внимательно следить за двумя общими проводами и четырьмя проводами катушки, иначе шаговый двигатель не будет вращаться. Это можно увидеть, измерив сопротивление с помощью мультиметра, но мультиметр не будет отображать никаких показаний между двумя фазами проводов.Как только общий провод и два других провода находятся в одинаковой фазе, он должен показывать одинаковое сопротивление, тогда как две конечные точки катушек в аналогичной фазе будут демонстрировать двойное сопротивление по сравнению с сопротивлением между общей точкой, а также одной конечной точкой.

Поиск и устранение неисправностей
  • Устранение неисправностей — это процесс проверки состояния двигателя, независимо от того, работает он или нет. Следующий контрольный список используется для поиска и устранения неисправностей шагового двигателя.
  • Сначала проверьте соединения, а также код цепи.
  • Если все в порядке, затем убедитесь, что двигатель получает надлежащее напряжение, иначе он просто вибрирует, но не вращается.
  • Если напряжение питания хорошее, проверьте конечные точки четырех катушек, связанных с ULN2003A IC.
  • Сначала найдите две общие конечные точки и подключите их к источнику питания 12 В, после этого подключите оставшиеся четыре провода к IC ULN2003A. Пока не запустится шаговый двигатель, попробуйте все возможные комбинации. Если подключение не выполнено надлежащим образом, этот двигатель будет вибрировать вместо вращения.
Могут ли шаговые двигатели работать непрерывно?

Как правило, все двигатели работают или вращаются непрерывно, но большинство двигателей не может остановиться, когда они находятся под напряжением. Когда вы пытаетесь ограничить вал двигателя, когда он находится под напряжением, он сгорит или сломается.

В качестве альтернативы шаговые двигатели разработаны так, чтобы делать дискретный шаг, а затем ждать там; снова шаг и оставайся там. Если мы хотим, чтобы двигатель оставался в одном месте на меньшее время, прежде чем снова сделать шаг, он будет выглядеть как непрерывно вращающийся.Энергопотребление этих двигателей велико, но рассеяние мощности в основном происходит, когда двигатель остановлен или неправильно спроектирован, тогда существует вероятность перегрева. По этой причине ток питания двигателя часто снижается, когда двигатель находится в удерживаемом положении в течение более длительного времени.

Основная причина в том, что когда двигатель вращается, его входная электрическая часть может быть изменена на механическую. Когда двигатель останавливается во время вращения, вся входная мощность может быть преобразована в тепло внутри катушки.

Преимущества

К преимуществам шагового двигателя можно отнести следующее.

  • Надежность
  • Простая конструкция
  • Может работать в системе управления без обратной связи
  • Низкое техническое обслуживание
  • Работает в любой ситуации
  • Надежность высокая
  • Угол поворота двигателя пропорционален входному импульсу .
  • Двигатель в состоянии покоя развивает полный крутящий момент.
  • Точное позиционирование и повторяемость движения, поскольку хорошие шаговые двигатели имеют точность 3–5% шага, и эта ошибка не накапливается от одного шага к другому.
  • Отличная реакция на пуск, остановку и движение задним ходом.
  • Очень надежен, так как в двигателе нет контактных щеток. Следовательно, срок службы двигателя просто зависит от срока службы подшипника.
  • Реакция двигателя на цифровые входные импульсы обеспечивает управление без обратной связи, что упрощает управление двигателем и снижает его стоимость.
  • Можно достичь очень низкоскоростного синхронного вращения с нагрузкой, непосредственно связанной с валом.
  • Может быть реализован широкий диапазон скоростей вращения, поскольку скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Недостатки

К недостаткам шагового двигателя можно отнести следующее.

  • Низкий КПД
  • Крутящий момент двигателя будет быстро снижаться со скоростью
  • Низкая точность
  • Обратная связь не используется для определения возможных пропущенных шагов
  • Малое отношение крутящего момента к инерции
  • Очень шумно
  • Если двигатель не контролируется должным образом, тогда могут возникать резонансы.
  • Этот двигатель нелегко эксплуатировать на очень высоких скоростях.
  • Требуется специальная цепь управления.
  • По сравнению с двигателями постоянного тока, он использует более мощный ток.

Приложения

Шаговые двигатели могут применяться в следующих областях.

  1. Промышленные машины — Шаговые двигатели используются в автомобильных датчиках и станках, в автоматизированном производственном оборудовании.
  2. Security — новые продукты видеонаблюдения для индустрии безопасности.
  3. Медицина — Шаговые двигатели используются в медицинских сканерах, пробоотборниках, а также в цифровой стоматологической фотографии, жидкостных насосах, респираторах и оборудовании для анализа крови.
  4. Бытовая электроника — Шаговые двигатели в камерах для автоматической фокусировки и масштабирования цифровых камер.

А также есть приложения для бизнес-машин, приложения для компьютерной периферии.

Таким образом, это все об обзоре шагового двигателя, такого как конструкция, принцип работы, различия, преимущества, недостатки и области применения. Теперь у вас есть представление о типах супермоторов и их применении, если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме или электрические и электронные проекты, оставьте комментарии ниже.

Фото

Шаговый двигатель — Экология с открытым исходным кодом

Шаговый двигатель (или шаговый двигатель) — это бесщеточный электродвигатель, который может разделить полный оборот на большое количество шагов. Положение двигателя можно точно контролировать без какого-либо механизма обратной связи (см. Контроллер с разомкнутым контуром), если двигатель точно подобран для применения.

  • Базовая анимация в Википедии — 4 полюса, несколько зубцов — продвижение на 1/4 зуба за фазу — поэтому разрешение равно количество зубцов * количество фаз = 25 * 4 = 100 в примере — [1]
  • См. Хороший обзор.Обратите внимание, что шаговые двигатели обычно состоят из 2-х роторов противоположной полярности — [2]
  • Микрошаговый
  • Разница между двухфазными и пятифазными шаговыми двигателями — [3]
  • Сравнение шагового двигателя и бесщеточного двигателя постоянного тока — [4]
  • Обратите внимание, что комбинация полюсов и фаз определяет полное разрешение шага. Если у вас много полюсов и 2 фазы, вы можете продвигаться по ступеням, пропорциональным произведению количества полюсов и количества фаз. У вас может быть много полюсов и 2 фазы или много полюсов и много фаз — и каждая из них может давать одинаковое разрешение.Максимальное разрешение определяется количеством полюсов и микрошагом, когда микрошаг активирует 2 ротора вне фазы
  • https://www.motioncontroltips.com/faq-what-are-stepper-drives-and-how-do-they-work/
  • 125 унций в трюме для Nema 17, пример — [5]

Хорошее описание. Итог [6]:

  • Напряжение шагового двигателя низкое, скажем, 5 В, но должно быть установлено 12-48 В из-за обратной ЭДС
  • Индуктивность и сопротивление замедляют двигатель.Чем ниже эти количества, тем быстрее он может вращаться.
  • Двигатель потребляет постоянный ток — управляющая электроника работает, ограничивая этот ток
  • Если двигатель потребляет 3 А при 5 В — какой ток он потребляет при питании от 48 В? Ясно, что он должен быть намного ниже, иначе он перегреется из-за рассеянного тепла. [7] указывает, что привод является приводом с прерывателем, т. Е. Импульсным источником питания, который управляет мощностью и, вероятно, с 20% -ными потерями энергии.

Вот второй очень полезный ответ [8]:

  • Каждая фаза потребляет одинаковую мощность в биполярном (2-фазном) двигателе
  • Каково отношение количества фаз к количеству обмоток?
  • Какая связь между количеством фаз и количеством проводов?
  • Мощность, рассеиваемая шаговым двигателем, равна I2R, а фактический ток на выходе из источника питания просто P = IV.V_supply >> V_stepper, поэтому ток для источника высокой мощности будет ниже.

Вот информация о полном и микрошаговом — полный крутящий момент на 8-10% больше, чем микрошаг. [9]. Если это верно для высокой скорости — тогда мы можем рассмотреть возможность полного шага, чтобы получить на 10% больше мощности. Затем разрешение шага с нашей текущей системой снижается до 160 микрон с 10 микрон (в настоящее время мы используем 16 микрошагов). Это по-прежнему отлично подходит для очень больших отпечатков.

Работа шаговых двигателей с более высоким напряжением создает больший крутящий момент.Номинальное напряжение 20x в порядке. [10]

См. Minebea_Stepper_Motor_Specs # Power для получения информации об использовании энергии.

Типичный срок службы шагового двигателя составляет 10 000 часов работы. Это примерно 4,8 года; учитывая, что шаговый двигатель работает одну восьмичасовую смену в день. Срок службы шагового двигателя может варьироваться в зависимости от приложения пользователя и от того, насколько строгий шаговый двигатель работает. [11]

Тест 1

В этом тесте использовались шаговые двигатели Nema17, управляемые платами драйверов A4988.
http: // reprap.org / wiki / Stepper_torque

Резюме: Все двигатели хорошо работают на скоростях <100 об / мин. Динамический крутящий момент начинает падать при скоростях выше 300 об / мин. Чем выше номинальный ток и ниже индуктивность, тем лучше производительность на высоких скоростях.

  • 17 PM-K402 — Гибридные 2 и 4 фазы — номинальное напряжение 6 В — [13] — RAMPS не запустит его.
  • Номинальное напряжение 12 В — [14] — RAMPS не запустит его

NEMA 34

  • 60 — 55 фунтов за фунт — включая драйвер и блок питания — [15]
  • 50–77 дюймов на фунтах — [16]
  • С редуктором — 354 фунта — 0.Вал 6 дюймов, 6 планетарных шестерен — 84 $ — [17]
  • 75 фунтов — 77 долларов — Ebay — [18]. Ток 6А.

NEMA 23

Nema 23 Шаговый двигатель

  • $ 33 — 425 унций — [19]
  • $ 37 — 425 унций дюйм, 3 Нм, 27 фунтов — [20]. Это будет работать со шкивом диаметром 1 дюйм, поэтому радиус привода составляет 1/2 дюйма
  • $ 40 — 425 унций, 3 Н · м — [21]
  • 30 долларов за 1,9 Нм — [22]

Драйвер

  • Драйвер 5A TB6600 — 14 долларов США за штуку — [23]
  • Драйвер

  • 4A TB6600 обычно стоит 8 долларов — [24]

Small

  • 3A — 6 долларов за штуку — [25]
  • 4A — 9 долларов США за 5 — [26]
  • 4A — Одиночный — 11 $ — [27]

По происхождению

  • MAE Ametek — сделано в ес
  • Oriental Motor — сделано в Японии

Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением — его работа

Принцип шагового двигателя с переменным сопротивлением основан на свойстве магнитных линий, которые отражают путь с низким сопротивлением.Статор и ротор двигателя выровнены таким образом, чтобы магнитное сопротивление было минимальным. Существует два типа шаговых двигателей с регулируемым сопротивлением. Они следующие

Работа шагового двигателя с переменным сопротивлением

Четырехфазный или (4/2 полюсный) шаговый двигатель с одним блоком переменного сопротивления показан ниже. Здесь (4/2 полюса) означает, что у статора четыре полюса, а у ротора — два полюса.

Четыре фазы A, B, C и D подключены к источнику постоянного тока с помощью полупроводника, переключателей S A , S B , S C и S D соответственно, как показано выше. фигура.Фазные обмотки статора запитываются в последовательности A, B, C, D, A. Ротор выравнивается по оси фазы A, когда обмотка A находится под напряжением. В этом положении ротор устойчив и не может двигаться, пока фаза A не будет отключена.

Теперь фаза B возбуждена, а фаза A отключена. Ротор перемещается на 90 градусов по часовой стрелке, чтобы выровняться с результирующим полем воздушного зазора, который лежит вдоль оси фазы B. Точно так же на фазу C подается напряжение, а фаза B отключается, и ротор снова перемещается на 90 градусов для выравнивания. сам с осью фазы

Таким образом, поскольку фазы возбуждаются в порядке A, B, C, D, A, ротор перемещается на 90 градусов на каждом шаге перехода по часовой стрелке.Ротор совершает один оборот за 4 шага. Направление вращения зависит от последовательности переключения фазы и не зависит от направления тока, протекающего по фазе. Таким образом, направление можно изменить, изменив последовательность фаз, например, A, D, C, B, A.

Величина шага угла электродвигателя с регулируемым сопротивлением определяется как

.

Где,

  • α — угол шага
  • м с — количество фаз статора
  • N r — количество зубьев ротора

Угол шага выражается, как показано ниже.

Где, N S — полюсы статора

Угол шага может быть уменьшен с 90 до 45 градусов по часовой стрелке путем возбуждения фазы в последовательности A, A + B, B, B + C, C, C + D, D, D + A, A.

Аналогичным образом, если последовательность обратная, как A, A + D, D, D + C, C, C + B, B, B + A, A, ротор вращается с шагом 45 градусов против часовой стрелки.

Здесь (A + B) означает, что фазные обмотки A и B запитаны вместе. Результирующее поле — это середина двух полюсов.то есть он составляет угол 45 градусов с осью полюса по часовой стрелке. Этот метод переключения возбуждения с одной фазы на другую известен как микрошаговый. Используя шаговый двигатель, можно получить более низкие значения угла шага с количеством полюсов на статоре.

Рассмотрим 4-фазный (8/6 полюсный) односекционный электродвигатель с переменным сопротивлением, показанный на рисунке ниже.

Противоположные полюса соединены последовательно, образуя 4 фазы. Ротор как 6-ти полюсный.Здесь я рассматриваю только фазу А, чтобы упростить подключение. Когда катушка AA ’возбуждена, зубья 1 и 4 ротора выровнены вдоль оси обмотки фазы A. Таким образом, ротор занимает положение, показанное на приведенном выше рисунке (a).

Теперь фаза A обесточена, а фазная обмотка B находится под напряжением. Зубья 3 и 6 ротора выровнены вдоль оси фазы B. Ротор перемещается с шагом фазового угла 15 градусов по часовой стрелке. Далее фаза В обесточивается, а обмотка С. возбуждается.Ротор снова перемещается на фазовый угол 15 °.

Выполняется последовательность A, B, C, D, A, и четыре этапа вращения завершаются, и ротор перемещается на 60 градусов по часовой стрелке. Для одного полного оборота ротора требуется 24 ступени. Таким образом, любой желаемый угол шага может быть получен путем выбора различных комбинаций количества зубцов ротора и катушек возбуждения статора.

Драйвер шагового двигателя — RepRap

Чтобы запустить шаговый двигатель, необходимо использовать

  1. возможно A4988
  2. или, возможно, DRV8825
  3. или, возможно, Trinamic TMC2130

Вы можете купить любой из них в магазине по вашему выбору.

в противном случае, читайте дальше,

  1. микросхема шагового драйвера или
  2. микроконтроллер и, по желанию, один или два полных h-мостовых чипа.

Приводные шаговые двигатели

Драйвер шагового двигателя

Эти микросхемы сохраняют мощность, приводящую в действие двигатели, отдельно от мощности, подаваемой на Arduino. Arduino не может обеспечить достаточное количество энергии для непосредственного питания шаговых двигателей. Вот почему вам нужно использовать отдельные микросхемы, которые действуют как клапаны, контролирующие вращение двигателя.

Еще одним преимуществом микросхем шагового драйвера является то, что они обеспечивают дробные шаги. Это помогает сгладить движение шагового двигателя. Без дробных шагов шаговые двигатели могут иметь тенденцию вибрировать или резонировать при определенных оборотах.

Драйверы шагового двигателя на базе микроконтроллера

Драйверы шаговых двигателей на основе микроконтроллеров

могут достигать очень высоких скоростей вращения в шаговых двигателях. Используя микроконтроллер, можно полностью контролировать то, как каждая отдельная катушка находится под напряжением внутри двигателя.Это абсолютно необходимо для получения высоких скоростей, потому что по мере увеличения скорости синхронизация срабатывания катушек должна быть идеально синхронизирована. Цитата доктора Игуаны:

Если вы когда-либо толкали кого-то на качели, вы знаете, что небольшой, своевременный толчок может заставить этого человека качаться все выше и выше. Пропустите один-два толчка даже на небольшую величину, и «передача энергии» будет значительно меньше. Так обстоит дело с шаговыми двигателями на высоких скоростях. Если вы не сопоставите толчки или шаги с фактическим состоянием двигателя, он будет работать плохо.

Для того, чтобы выдерживать ток, превышающий допустимый микропроцессором, контроллер должен использовать полные микросхемы H-моста.

Обычно H-мост используется для управления обычным старым двигателем постоянного тока, но в этом случае микросхемы H-моста используются для точного управления количеством электричества, которое поступает на каждую отдельную катушку на шаговом двигателе. Таким образом, для биполярных шаговых двигателей требуется 2 микросхемы на двигатель.

Драйверы шагового двигателя с открытым исходным кодом

AVRSTMD

AVRSTMD — это шаговый драйвер на основе микроконтроллера с открытым исходным кодом.Он использует процессор atmega48 и две микросхемы h-bridge производства National Semiconductor LMD18245T с ограничением по току.

Доктор Игуана

Драйвер шагового двигателя Dr. Iguana основан на микроконтроллере dsPic33 и двух микросхемах L298N H-Bridge. Он может развивать скорость до 800 об / мин. На его веб-сайте можно найти очень хороший источник информации о драйверах шагового двигателя микроконтроллера вместе со всеми схемами, файлами gerber, исходным кодом и спецификацией драйвера шагового двигателя.

Доктор Игуана.«Лучший драйвер шагового двигателя своими руками». Серия страниц (и видео), которые дают несколько советов по проектированию драйвера высокоскоростного шагового двигателя.

RepRap Драйвер шагового двигателя v1.x

Первое поколение драйверов шагового двигателя RepRap.
(Примечание: эти платы использовались в коллекции электроники поколения 2.) Используется комбинация драйверов шагового двигателя L297 / L298. Полушаг. Обрабатывает до 2А. Все сквозное отверстие. Хороший, солидный водитель. Он использует некоторые старые технологии, поэтому он не такой модный, как новые драйверы шагового двигателя, но он выполняет свою работу.Прочтите страницу документации здесь

RepRap Драйвер шагового двигателя v2.x

Второе поколение драйверов шагового двигателя RepRap.
(Примечание: эти платы использовались в коллекции электроники 3-го поколения, но могут быть обновлены до поколения 2).

Использует чип Allegro A3982, который делает кучу приятных вещей и значительно упрощает плату. Он также снижает цену на 10 долларов по сравнению с серией v1.x. Он может выдерживать ток до 2А и работает с полушагом.Единственным недостатком является то, что это SMT, который может немного пугать людей. Это все большие SMT-детали, поэтому их довольно просто паять, особенно с использованием метода паяльной пасты / нагревательной пластины. Прочтите страницу документации здесь.

Тройной драйвер шагового двигателя PSMD имеет все те же разъемы и является совместимой по выводам альтернативой драйверу шагового двигателя RepRap v2.x.

Шаговые драйверы против шаговых контроллеров

Для запуска шагового двигателя обычно требуются две вещи: контроллер для создания сигналов шага и направления (обычно при ± 5 В) и схема драйвера, которая может генерировать ток, необходимый для управления двигателем.В некоторых случаях очень маленький шаговый двигатель может управляться непосредственно от контроллера, или схемы контроллера и драйвера могут быть объединены на одной плате.

Контроллер шагового двигателя управляет 3 проводами — традиционно обозначаемыми «step», «dir», «GND» — по которым информация о движении передается драйверу шагового двигателя. (Часто эти 3 линии оптоизолированы на переднем конце шагового драйвера). Шаговый контроллер обычно представляет собой чисто цифровое логическое устройство и требует относительно небольшого количества энергии.

Драйвер шагового двигателя подключается к 4 толстым проводам шагового двигателя.Он содержит мощные транзисторы и требует толстого силового кабеля к источнику питания постоянного тока, потому что вся мощность, необходимая для работы двигателей, проходит через него.

Драйверы ШИМ и шагового двигателя

Подавляющее большинство драйверов шагового двигателя подключено к какому-либо контроллеру с 3-проводным интерфейсом: контроллер подает импульс на вывод STEP для перемещения двигателя на один шаг (*), контроллер устанавливает вывод DIR, чтобы выбрать, является ли шаг шагом по часовой стрелке или шаг против часовой стрелки и общий вывод GND.

Из Википедии: Pulse-width_modulation:
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — очень эффективный способ обеспечения промежуточного количества электроэнергии между полностью включенным и полностью выключенным.Простой выключатель питания с типичным источником питания обеспечивает полную мощность только при включении. ШИМ — сравнительно недавний метод, применяемый в современных электронных переключателях мощности.

Драйверы шагового двигателя обычно работают путем прерывания напряжения питания с помощью встроенной микросхемы ШИМ. Эти микросхемы действительно требуют незначительной вспомогательной схемы (это основная вещь, за которую вы платите при покупке шагового драйвера). Сами микросхемы ШИМ обычно имеют цену ниже 10 долларов США, в основном в зависимости от их номинального тока.Блокирующий драйвер, также известный как драйвер с ограничением тока, поддерживает двигатель в рабочем состоянии и ток в двигателе на безопасном уровне, даже при управлении двигателем «3 В» от источника питания «24 В».
Все перечисленные здесь микросхемы имеют «тепловое отключение».

(*) Многие микросхемы также имеют встроенный микрошаг. Когда микрошаг включен, каждый импульс на выводе STEP перемещает двигатель на один микрошаг.

Чипы шагового драйвера

Вот список микросхем шагового драйвера (сначала самые новые):

Модель

Производитель Пиковый ток Упаковка Дополнительные примечания
Trinamic «Драйвер и контроллер шагового двигателя 5041» 1.1 А (?) QFN48 (7×7) управляет осью Z в Т-образной кости. [1] [2]
Trinamic Контроллер движения TMC4361 + драйвер шагового двигателя Trinamic TMC2660 2,6 А (?) QFP44 управляет осями X, Y, E в Т-образной кости. [3] [4]
Аллегро A4989 10 А ЦСОП38 A4989 предназначен для питания N-канальных полевых МОП-транзисторов с внешним питанием. A4989 в Powerlolu (Powerlolu) управляет полевыми МОП-транзисторами IRLR024N, которые позволяют ему управлять током 10 А.Контакт совместим с A3986.
STMicroelectronics L6470 7 А HTSSOP28 или POWERSO36 Дважды использовался в RepRap. Прошивка RepRap на основе Marlin с поддержкой L6470. RepRap PCB. Файл: Степпер GE версии 0.8b.sch, Файл: Степпер GE версии 0.8b.brd, Файл: Reprap.lbr.

L6470 Библиотека Arduino на Github.

STMicroelectronics L9942 1,3 А PowerSSO24 SPI.Диагностические флаги для обнаружения остановки, теплового предупреждения, теплового отключения, разомкнутой нагрузки, перегрузки. Полный, 1/2, 1/4 и 1/8 ступенчатый режимы.
Trinamic TMC249A [5] [6] 4 А SO28 SPI. Флаги состояния для обнаружения опрокидывания, перегрузки по току, разомкнутой нагрузки, перегрева, предварительного предупреждения о температуре, пониженного напряжения. измерение нагрузки. Управляет 8 внешними полевыми МОП-транзисторами — техническое описание включает список рекомендуемых силовых транзисторов. Прямая замена для TMC239.Полный, 1/2, 1/4, 1/8 и 1/16 ступенчатый режимы (1/64 ступени с дополнительными компонентами).
HHBYtech THB 7128 3,3 А HZIP19 Предлагается для электроники Gen7T. По сравнению с TB6560AHQ лучшее размещение выводов (например, все выводы разъема двигателя на одной стороне, как у TB6600HG) и менее требовательный дизайн печатной платы.
Toshiba TB6560AHQ 3,5 А HZIP25 и HQFP64 Используется в электронике Gen7T и Sanguish и Sanguinoshiba, плюс шаговый драйвер с открытым исходным кодом для экологии с открытым исходным кодом. [необходима ссылка] .См. Также: Контроллер платы драйвера шагового двигателя с ЧПУ 4 Axis TB6560.
Toshiba TB6600HQ; TB6600HG 4.5A HZIP25-P-1.00F Используется в шаговом драйвере PiBot TB6600. Тестирование на GEN7V1.4-1.41 и PiBot для Repetier V1.0-1.4. По сравнению с TB6560AHQ лучшее размещение контактов (например, все контакты разъема двигателя на одной стороне, как THB7128).
Аллегро A3967 0,75 А SOIC Используется в платах Easy Driver, продаваемых на Sparkfun.Не уверен, можно ли их использовать в RepRaps, но они хороши для экспериментов. Немного недостаточная мощность, всего 750 мА / фаза.
Аллегро A3977 2,5 А PLCC или TSSOP Брошенный драйвер шагового двигателя v2.0.
Аллегро A3979 2,5 А ЦСОП Заброшен из-за крошечного размера в версии 2.1.
Аллегро A3982 2 А SOICW Улучшено по сравнению с v1.2 в версии 2.2. Также используется в драйвере шагового двигателя 2.3.
Аллегро A3992 1,5 А DIL или TSSOP Используется в электронике поколения L.
Аллегро A4984 2 А TSSOP или QFN Используется в Stepsticka4984. Полный, 1/2, 1/4 и 1/8 шаговый режимы. защита двигателя от короткого замыкания. Практически идентичен A4988, за исключением того, что в нем отсутствует вывод «M3», указывающий на микрошаг 1/16, и некоторые люди предпочитают этот пакет TSSOP пакету QFN.
Аллегро A4983 2 А QFN Продукт снят с производства, заменен на A4988. Используется в коммутационной плате A4983.
Аллегро A4988 2 А QFN Используется в платах шагового драйвера Pololu и драйвере G3D. Идентичен и совместим по контактам с A4983, но также имеет подтяжку на M1 и защиту двигателя от короткого замыкания. Полный, 1/2, 1/4, 1/8 и 1/16 ступенчатый режимы.
Texas Instruments ДРВ8811 2,5 А HTSSOP Используется в электронике 6-го поколения. Вероятно, поэтому прошивка FiveD была изменена.
STMicroelectronics L297 DIP20 или SO20 Преобразует входы «step, dir» в 6-контактные выходы «phase sequence», которые идут на двойной полный мост, такой как L298. Полный и 1/2 ступенчатый режимы. Последним драйвером шагового двигателя, который использовал его, был драйвер шагового двигателя 1.2.
STMicroelectronics L298 4 А Multiwatt15 или PowerSO20 Двойной полный мост. При правильном подключении к чему-то вроде L6506 или L297, как в драйвере шагового двигателя 1.2, L298 можно использовать для создания (ограниченного по току) драйвера рубильного двигателя. Когда его сенсорные выходы напрямую подключены к земле, как в Valkyrie Redux, ограничения по току нет.
Texas Instruments SN754410 1 А DIP 16 Двойной полный мост.«Улучшенная функциональная замена для … L293». Без ограничения тока (кроме теплового отключения).
STMicroelectronics L293D 0,6 А Powerdip 16 или SO20 Двойной полный мост. Множители могут быть наложены друг на друга, чтобы разделить силу тока. Нет ограничения по току.
Texas Instruments ДРВ8825 2,5 А 28HTSSOP DRV8825; используется в Replicape, некоторых платах AZSMZ Mini и некоторых (всех?) платах Azteeg X5.До 1/32 шага.

Столбец «Пиковый ток» крайне оптимистичен.
(Видеть
«Миф о драйвере двигателя»
).

Пакеты со сквозными отверстиями считаются наиболее простыми для пайки вручную («HZIP», «DIL», «DIP», «Powerdip» и т. Д.).
«SOIC» и «PLCC» — это относительно простые в пайке корпуса для устройств поверхностного монтажа.
Корпуса «TSSOP», «QFP» и «QFN» трудно паять вручную.

Есть хорошая сравнительная таблица и обзор микросхем микрошаговых драйверов в резервной копии веб-архива: «Обзор драйверов биполярного микрошагового двигателя по состоянию на август 2013 года» (через «Альтернативный драйвер шагового двигателя?»).

Драйверы шагового двигателя

Найти драйверы шагового двигателя может быть немного сложно. Драйверы шагового двигателя RepRap V2.3 очень сложно купить в собранном виде. Строители, обладающие небольшими навыками, могут найти детали и собрать контроллеры. Те, у кого нет навыков или материалов для сборки плат, могут купить универсальные шаговые драйверы. В Европе обычно более рентабельно приобретать предварительно собранные платы, чем покупать детали и выполнять сборку своими руками.

Комментариев:

Доступные драйверы шагового двигателя
Производитель Проверено? Расположение Максимальный ток Микрошаговый
Драйвер шагового двигателя 2.3 (с использованием A3982) Да США 2 А 1/2 Включено для сравнения.
StepStick Да с открытым исходным кодом 2 А 1/16 Pin совместим и очень похожи по характеристикам на плату шагового драйвера Pololu.
SilentStepStick Да с открытым исходным кодом 1,7 А 1/16 Драйвер Trinamic TMC2100.Аппаратное обеспечение, совместимое с платой StepStick и Pololu Stepper Driver Board.
Плата шагового драйвера Pololu Да США 2 А 1/16 Может сильно нагреваться; Активное вентиляторное охлаждение или пассивный небольшой радиатор требуется выше ~ 0,5 А.
MKS TB6600 (с использованием TB6600) Да CN 4,5 А 1 / 1,1 / 2A, 1 / 2B, 1 / 4,1 / 8,1 / 16 * он предлагает решение, которое подходит для вашего станка с ЧПУ и 3D-принтера, легко превращает ваш ЧПУ в 3D-принтер.* Предельное входное напряжение: 45 В.
EasyDriver (с использованием A3967) Да США 0,75 А 1/8 Немного слабый по сравнению с другими драйверами, всего 750 мА / фаза. bothacker использует EasyDriver [7] и сообщает, что у него достаточно мощности для Mendel. Рекомендуемые.
… ay.com/autohec Контроллер драйвера 4-осевого шагового двигателя (с использованием A3977) Да США 2.5 А 1/8 4 шаговых драйвера на одной плате.
PiBot_TB6600_Stepper_Driver (с использованием Toshiba 6600HQ) Да CN 0-4,5 А 1 / 1,1 / 2A, 1 / 2B, 1 / 4,1 / 8,1 / 16
  • PiBot_Stepper_Driver Board — это плата драйвера с открытым исходным кодом.
  • предлагает решение, которое подходит для вашего станка с ЧПУ и 3D-принтера, легко превращает ваш ЧПУ в 3D-принтер.
  • Совместимость с шаговыми двигателями NEMA14 и NEMA17.
  • фотоэлектрическая изоляция, используемая во входном порте, совместима с более высоким уровнем привода.
  • Носите алюминиевый радиатор 60 * 60 * 10, внешний датчик сопротивления 6 * 1 Вт. Более мощный драйвер тока.
  • Предельное входное напряжение: 45 В.
  • Защита от теплового отключения (TSD), Защита от пониженного напряжения (UVLO), Защита от перегрузки по току (ISD).
DIY ЧПУ Нет ГБ 2,5 А 1/8 Может управлять 1 шаговым двигателем; скидка при покупке нескольких.
Arduino Motor Shield Нет США 0,6 А? Требуется Arduino в качестве контроллера. Может управлять 2 сервоприводами, 4 DC или 2 (биполярными или униполярными) шаговыми двигателями. На веб-сайте отмечается, что вы можете увеличить максимальный ток, прикрепив (припаяв чип к чипу) еще один чип L293D поверх первого (и еще один поверх него).
… ay.com/?_from=R40&_trksid=p3907.m38.l1313&_nkw=4+axis+TB6560&_sacat=See-All-Categories На базе TB6560AHQ Нет ГБ / PRC 1.5 — 3 А 1, 1/2, 1/8, 1/16 Может управлять от 3 до 5 шаговых двигателей в зависимости от модели; читать далее.
Stepper Driver 2.3 Клон от kymberlyaandrus Да США 2 А 1/2 Та же схема, но физически меньше оригинальной версии. У триммеров нет начальной / конечной точки, поэтому регулировка силы тока может быть более сложной, чем на других досках. Клеммные колодки хороши тем, что не требуют специальных разъемов.
Gecko Drive Да США 3,5 А 1/10 (только) Может управлять 4 шаговыми двигателями
Нанотек SMC11 Да GER 1,4 А 1/16 с охлаждением до 2,5 А
LiniStepper by Roman Black нет США 3 А 1/18 и «бесступенчатый» Открытый исходный код: доступны принципиальная схема, компоновка печатной платы (платы) и программное обеспечение для PIC.
Шаговый двигатель Tri Duino ??? ??? ??? ??? с открытым исходным кодом
A3979 Прорыв ??? ??? ??? ??? ???
grblshield Нет США 2,5 1/8 3-осевой контроллер подключается к Arduino Uno или аналогичному

Сравнение драйверов шагового двигателя PMinMo.

Компенсация резонанса средней полосы

Драйверы

Gecko имеют функцию компенсации резонанса средней полосы, которая предотвращает остановку шаговых двигателей из-за проблем с резонансом, которые могут возникнуть, когда двигатель вращается в диапазоне 5-15 об / мин. Это может быть очень полезно, например, при управлении шаговыми двигателями мельницы Tiag. Однако шаговые двигатели в Mendel никогда не работают близко к этому диапазону, поэтому компенсация резонанса в средней полосе не дает никаких преимуществ для сборки Mendel.

Модули Pololu

  • Шаговый двигатель «дрожит»
    • Модули Pololu отключаются, когда становятся слишком горячими.Обеспечьте надлежащее охлаждение.
  • Шаговый двигатель потребляет слишком много ампер
    • Модули Pololu имеют небольшой потенциометр SMD для регулировки тока. Подключайте поочередно шаговый двигатель и регулируйте силу тока до тех пор, пока не будете удовлетворены настройкой.
    • Отрегулируйте так, чтобы шаговые двигатели могли удерживать крутящий момент, но не становились слишком горячими. Лично я приближаюсь к силе тока, указанной на катушку.

защита

Транзисторы, которые, скорее всего, выйдут из строя в RepRap, — это транзисторы, напрямую подключенные к двигателю.Кажется, в ответ есть три школы мысли:

  • упрощают замену этих транзисторов, когда они неизбежно выходят из строя, или
  • каким-то образом защищает эти транзисторы, поэтому они вряд ли выйдут из строя даже при обычных условиях неисправности — Protected Mosfet, или
  • оба.

Современные драйверы шаговых двигателей имеют «тепловое отключение» —
когда они чувствуют, что им становится слишком жарко,
они автоматически выключают все и дают остыть.
Это может испортить ваш пластиковый принт,
но, по крайней мере, не было нанесено постоянного ущерба.(Это не означает, что современные шаговые драйверы не могут быть уничтожены навсегда;
вы просто станете более умным в том, как вы это сделаете).

В частности, я слышал, что драйверы двигателя часто выходят из строя, когда двигатель отключается при включении питания.
(Устранение неполадок # Электрические проблемы,
Обсуждение: Монотроника,
RepRapPro Установка токов двигателя,
RAMPS 1.4 # Предполетная проверка,
так далее.)
Что такое режим отказа?
Есть ли способ спроектировать драйвер двигателя, чтобы он был невосприимчивым к таким сбоям?
Предпочтительно способ, который стоит меньше, чем простая покупка нового «держателя драйвера шагового двигателя» за 11 долларов каждый раз, когда я его сдуваю?

Лаборатория автомобильной электроники Clemson: Шаговые двигатели

Шаговые двигатели

Базовое описание

Шаговые двигатели чаще всего используются в цифровых схемах управления, схемах управления технологическими процессами и в станках.Это электромеханические устройства, преобразующие электрические импульсы в дискретное механическое движение. Когда электрические импульсы принимаются двигателем, ротор вращается дискретными шагами. Скорость вращения прямо пропорциональна частоте приема импульсов.

Шаговые двигатели

популярны в схемах цифрового управления, таких как робототехника, поскольку они хорошо подходят для приема цифровых импульсов для ступенчатого управления. Каждый шаг заставляет вал поворачиваться на определенное количество градусов.
Угол шага — это вращение выходного вала, вызванное каждым импульсом, измеренное в градусах.

Поскольку шаговые двигатели могут приводиться в движение прямоугольными импульсами, ими легко управлять с помощью недорогих цифровых схем. Однако, используя методы модуляции мощности для преобразования квадратурных прямоугольных сигналов в синусоидальные и косинусоидальные формы сигналов, возможно практически бесконечное шаговое разрешение. Это называется «микрошагом», когда каждое дискретное изменение уровней синуса и косинуса составляет один микрошаг [9].

Преимущества:

  • Точное и повторяемое позиционирование
  • Быстрый старт / стоп
  • Без щеток и коммутаторов
  • Возможны очень низкие скорости вращения.

Недостатки:

  • Непросто работать на высоких скоростях
  • При неправильном контроле могут возникнуть резонансы.

Существует три основных типа шаговых двигателей:

1.Переменное сопротивление (VR)

В шаговых двигателях с регулируемым сопротивлением ротор с постоянным магнитом не используется. Вместо этого ротор сделан из железного материала, который пытается выровняться с приложенным магнитным полем (так же, как гвоздь или железные опилки будут вращаться, чтобы выровняться с линиями магнитного поля). Двигатели с регулируемым сопротивлением используются для приложений с относительно низким крутящим моментом и гораздо реже, чем гибридные шаговые двигатели, описанные ниже.

2. Постоянный магнит (PM)

В шаговых двигателях с постоянными магнитами используется ротор с постоянными магнитами.Ротор обычно имеет два полюса, которые совпадают с соответствующими полюсами, которые находятся под напряжением на статоре. Эти двигатели относительно недороги, но обычно имеют больший размер шага, чем гибридные шаговые двигатели.

3. Гибрид (HB)

Гибридные двигатели

сочетают в себе лучшие характеристики двигателей с переменным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Они состоят из полюсов статора с несколькими зубьями и ротора с постоянными магнитами с несколькими зубьями на каждом полюсе.У гибридных двигателей зубья на роторе слегка смещены относительно зубцов статора в последовательных положениях полюсов. Когда одна позиция на статоре находится под напряжением, ротор поворачивается на один шаг, чтобы выровнять свои зубья в этом положении. Подача энергии на следующий полюс статора заставляет ротор вращаться на дополнительную ступеньку, чтобы выровнять его зубья в новом положении. Этот метод позволяет количеству ступеней быть больше, чем количество полюсов статора.

Стандартные гибридные двигатели имеют 200 зубьев ротора и вращаются с шагом 1.8 градусов (2 фазы), 0,9 градуса (3 фазы) или 0,72 градуса (5 фаз). Поскольку они обладают высоким статическим и динамическим крутящим моментом и могут работать с очень высокой скоростью шага, гибридные двигатели используются в самых разных промышленных приложениях.

Производителей
Продвинутые микросистемы,
Астросин,
Континентальный,
ЭлектроКрафт,
Хансен,
Хейдон,
JVL,
Коллморген,
MicroMo,
Мицуми,
Паркер,
НМБ,
НПМ,
Фитрон,
Портескап,
Ребек,
Саньо Денки,
Саехан,
Синано Кенши
Для получения дополнительной информации
[1] Шаговый двигатель, Википедия.
[2] Основы шагового двигателя (pdf, 200 КБ), Solarbotics.net.
[3] Step Motor, YouTube, 28 мая 2007 г.
[4] Как работают шаговые двигатели, веб-сайт Images Scientific Instruments.
[5] Что такое гибридный шаговый двигатель, YouTube, 9 февраля 2009 г.
[6] Введение в шаговые двигатели и приводы, Технический справочник Omega Engineering.
[7] Шаговый двигатель: подробности, веб-сайт Freescale.
[8] Основы MicroStepping, YouTube, октябрь.7, 2011.
[9] Типы шаговых двигателей (подробно), официальный документ National Instruments, 25 сентября 2013 г.

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

Типы шаговых двигателей — их конструкция, работа и применение

Изобретение специальных карт драйверов шаговых двигателей и других технологий цифрового управления для сопряжения шагового двигателя с системами на базе ПК является причиной для широкое распространение шаговых двигателей в последнее время.Шаговые двигатели становятся идеальным выбором для систем автоматизации, требующих точного управления скоростью или точного позиционирования, либо того и другого.

Поскольку мы знаем, что многие промышленные электродвигатели используются с управлением с обратной связью с обратной связью для достижения точного позиционирования или точного управления скоростью, с другой стороны, шаговый двигатель может работать с контроллером без обратной связи. Это, в свою очередь, снижает общую стоимость системы и упрощает конструкцию машины по сравнению с сервосистемой управления. Кратко остановимся на шаговом двигателе и его типах.

Что такое шаговый двигатель?

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

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

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

Если угол шага меньше, тем больше будет количество шагов на оборот и выше будет точность полученного положения. Углы шага могут составлять от 90 градусов до 0,72 градуса, однако обычно используемые углы шага составляют 1,8 градуса, 2,5 градуса, 7,5 градуса и 15 градусов.

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

Как и все электродвигатели, он имеет статор и ротор. Ротор — подвижная часть, не имеющая обмоток, щеток и коллектора. Обычно роторы либо с переменным магнитным сопротивлением, либо с постоянными магнитами. Статор часто состоит из многополюсных и многофазных обмоток, обычно из трех или четырех фазных обмоток, намотанных на необходимое количество полюсов, определяемое желаемым угловым смещением на входной импульс.

В отличие от других двигателей он работает с запрограммированными дискретными импульсами управления, которые подаются на обмотки статора через электронный привод. Вращение происходит за счет магнитного взаимодействия между полюсами последовательно включенной обмотки статора и полюсами ротора.

Конструкция шагового двигателя

На сегодняшнем рынке доступно несколько типов шаговых двигателей с широким диапазоном размеров, количества шагов, конструкций, проводки, передачи и других электрических характеристик.Поскольку эти двигатели могут работать в дискретном режиме, они хорошо подходят для взаимодействия с устройствами цифрового управления, такими как компьютеры.

Благодаря точному контролю скорости, вращения, направления и углового положения, они представляют особый интерес в системах управления производственными процессами, станках с ЧПУ, робототехнике, системах автоматизации производства и контрольно-измерительных приборах.

Типы шаговых двигателей

Существует три основных категории шаговых двигателей, а именно:

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

Во всех этих двигателях в статоре используются обмотки возбуждения. где количество обмоток относится к количеству фаз.

Напряжение постоянного тока подается в качестве возбуждения на катушки обмоток, и каждый вывод обмотки подключается к источнику через твердотельный переключатель. Конструкция его ротора зависит от типа шагового двигателя: ротор из мягкой стали с выступающими полюсами, цилиндрический ротор с постоянными магнитами и постоянный магнит с зубьями из мягкой стали. Обсудим эти типы подробнее.

Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением

Это базовый тип шагового двигателя, который существует уже долгое время и обеспечивает самый простой способ понять принцип работы с точки зрения конструкции.Как следует из названия, угловое положение ротора зависит от сопротивления магнитной цепи, образованной между полюсами (зубцами) статора и зубьями ротора.

Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением

Конструкция шагового двигателя с регулируемым сопротивлением

Он состоит из статора с обмоткой и многозубого ротора из мягкого железа. Статор состоит из листов кремнистой стали, на которые намотаны обмотки статора. Обычно он наматывается по трем фазам, которые распределяются между парами полюсов.

Количество полюсов на статоре, сформированное таким образом, равно кратному количеству фаз, для которых обмотки намотаны на статоре. На рисунке ниже статор имеет 12 равноотстоящих полюсов, каждый из которых намотан возбуждающей катушкой. Эти три фазы запитываются от источника постоянного тока с помощью твердотельных переключателей.

Ротор не имеет обмоток и является явнополюсным, полностью изготовленным из стальных пластин с прорезями. Выступающие зубья полюса ротора имеют такую ​​же ширину, как и зубцы статора.Число полюсов статора отличается от числа полюсов ротора, что обеспечивает возможность самозапуска и двунаправленного вращения двигателя.

Отношение полюсов ротора к полюсам статора для трехфазного шагового двигателя определяется как Nr = Ns ± (Ns / q). Здесь Ns = 12 и q = 3, и, следовательно, Nr = 12 ± (12/3) = 16 или 8. Ниже показан 8-полюсный ротор без возбуждения.

Конструкция шагового двигателя с переменным сопротивлением

Работа шагового двигателя с переменным сопротивлением

Шаговый двигатель работает по принципу, согласно которому ротор совмещается в определенном положении с зубцами полюса возбуждения в магнитной цепи, в которой существует минимальный путь сопротивления.Всякий раз, когда к двигателю подается питание и возбуждая определенную обмотку, он создает свое магнитное поле и развивает свои собственные магнитные полюса.

Из-за остаточного магнетизма в полюсах магнита ротора это заставит ротор перемещаться в такое положение, чтобы достичь положения минимального сопротивления, и, следовательно, один набор полюсов ротора выровнен с набором полюсов статора под напряжением. В этом положении ось магнитного поля статора совпадает с осью, проходящей через любые два магнитных полюса ротора.

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

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

За счет силы притяжения, северный полюс обмотки статора притягивает ближайший зуб ротора противоположной полярности, то есть южный и южный полюс притягивают ближайший зуб ротора противоположной полярности, то есть север. Затем ротор настраивается в положение с минимальным сопротивлением, при котором магнитная ось ротора точно совпадает с магнитной осью статора.

Работа шагового двигателя с переменным сопротивлением

Когда на фазу B-B ‘подается питание путем замыкания переключателя -2, сохраняя фазу A-A’ обесточенной путем размыкания переключателя-1, обмотка B-B ‘будет создавать магнитный поток и, следовательно, магнитная ось статора смещается вдоль образованных им полюсов.Следовательно, ротор смещается в сторону наименьшего сопротивления с намагниченными зубьями статора и вращается на угол 30 градусов по часовой стрелке.

Когда переключатель-3 находится под напряжением после размыкания переключателя-2, включается фаза C-C ’, зубья ротора выравниваются в новом положении, перемещаясь на дополнительный угол 30 градусов. Таким образом, ротор движется по часовой стрелке или против часовой стрелки, последовательно возбуждая обмотки статора в определенной последовательности. Угол шага этого 3-фазного 4-полюсного шагового двигателя с зубьями ротора выражается как 360 / (4 × 3) = 30 градусов (как угол шага = 360 / Nr × q).

Угол шага можно дополнительно уменьшить, увеличив количество полюсов на статоре и роторе, в этом случае двигатели часто имеют дополнительные фазные обмотки. Этого также можно добиться, используя другую конструкцию шаговых двигателей, например, многоступенчатую схему и редукторный механизм.

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Двигатель с постоянным магнитом, пожалуй, самый распространенный среди нескольких типов шаговых двигателей. Как следует из названия, он добавляет постоянные магниты в конструкцию двигателя.Этот тип шаговых двигателей также называется двигателем с жестяным стеклом или жестяным двигателем. Главное достоинство этого мотора — невысокая стоимость изготовления. Этот тип двигателя имеет 48-24 шага на оборот.

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Конструкция Шаговый двигатель с постоянным магнитом

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

Концевые выводы всех этих обмоток выкуплены и подключены к цепи возбуждения постоянного тока через твердотельные переключатели в цепи управления.

Конструкция Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Ротор изготовлен из материала постоянного магнита, такого как феррит, который может иметь форму цилиндрического или выступающего полюса, но обычно это гладкий цилиндрический тип. Ротор спроектирован так, чтобы иметь четное количество полюсов постоянного магнита с чередованием северной и южной полярностей.

Работа шагового двигателя с постоянным магнитом

Этот двигатель работает по принципу, согласно которому разные полюса притягиваются друг к другу, а подобные полюса отталкиваются. Когда обмотки статора возбуждаются источником постоянного тока, он создает магнитный поток и устанавливает северный и южный полюса. Из-за силы притяжения и отталкивания между полюсами ротора постоянного магнита и полюсами статора ротор начинает двигаться вверх до положения, для которого на статор подаются импульсы.

Рассмотрим двухфазный шаговый двигатель с двумя полюсами ротора с постоянными магнитами, как показано на рисунке ниже.

Работа шагового двигателя с постоянным магнитом:

Когда фаза A запитана плюсом по отношению к A ’, обмотки устанавливают северный и южный полюса. Из-за силы притяжения полюса ротора совпадают с полюсами статора, так что ось магнитного полюса ротора согласовывается с осью статора, как показано на рисунке.

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

Затем, если фаза A питается отрицательным током по отношению к A ’, образование полюсов статора заставляет ротор перемещаться еще на 90 градусов по часовой стрелке.

Таким же образом, если фаза B возбуждается отрицательным током путем замыкания переключателя фазы A, ротор поворачивается еще на 90 градусов в том же направлении. Затем, если фаза A возбуждается положительным током, ротор возвращается в исходное положение, совершая полный оборот на 360 градусов.Это означает, что всякий раз, когда статор возбужден, ротор стремится повернуться на 90 градусов по часовой стрелке.

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

Гибридный шаговый двигатель

Это самый популярный тип шагового двигателя, поскольку он обеспечивает лучшую производительность, чем ротор с постоянными магнитами, с точки зрения шагового разрешения, удерживающего момента и скорости.Однако эти двигатели дороже шаговых двигателей с постоянными магнитами. Он сочетает в себе лучшие характеристики шаговых двигателей с переменным сопротивлением и шаговых двигателей с постоянными магнитами. Эти двигатели используются в приложениях, где требуется очень маленький шаговый угол, например 1,5, 1,8 и 2,5 градуса.

Гибридный шаговый двигатель

Конструкция гибридного шагового двигателя

Статор этого двигателя такой же, как у его аналога с постоянным магнитом или реактивного типа. Катушки статора намотаны на чередующиеся полюсы. При этом катушки разных фаз намотаны на каждый полюс, обычно две катушки на полюсе, что называется бифилярным соединением.

Ротор состоит из постоянного магнита, намагниченного в осевом направлении для создания пары магнитных полюсов (полюсов N и S). Каждый полюс покрыт равномерно расположенными зубцами. Зубья состоят из мягкой стали и двух секций, из которых на каждом полюсе смещены друг к другу с шагом в ползуба.

Работа гибридного шагового двигателя

Этот двигатель работает так же, как и шаговый двигатель с постоянными магнитами. На рисунке выше показан двухфазный, 4-полюсный гибридный шаговый двигатель с 6 зубьями.Когда фаза A-A ’возбуждается источником постоянного тока, сохраняя невозбужденный B-B’, ротор выравнивается так, что южный полюс ротора обращен к северному полюсу статора, а северный полюс ротора обращен к южному полюсу статора.

Работа гибридного шагового двигателя

Теперь, если фаза B-B ‘возбуждена, удерживая A-A’ выключенным таким образом, что верхний полюс становится северным, а нижний — южным, тогда ротор будет выровнен в новое положение на движение против часовой стрелки. Если фаза B-B ’возбуждается противоположно, так что верхний полюс становится южным, а нижний — северным, то ротор будет вращаться по часовой стрелке.

При правильной последовательности импульсов на статор двигатель будет вращаться в желаемом направлении. При каждом возбуждении ротор блокируется в новом положении, и даже если возбуждение снимается, двигатель все еще сохраняет заблокированное состояние из-за возбуждения постоянным магнитом. Угол шага этого 2-фазного, 4-полюсного, 6-зубчатого роторного двигателя составляет 360 / (2 × 6) = 30 градусов. На практике гибридные двигатели конструируются с большим количеством полюсов ротора, чтобы получить высокое угловое разрешение.

Униполярные и биполярные шаговые двигатели

Вышеупомянутые двигатели могут быть униполярными или биполярными в зависимости от расположения обмоток катушки.Используется униполярный двигатель с двумя обмотками на фазу, и, следовательно, направление тока через эти обмотки изменяет вращение двигателя. В этой конфигурации ток проходит в одном направлении в одной катушке и в противоположном направлении в другой катушке.

На рисунке ниже показан двухфазный униполярный шаговый двигатель, в котором катушки A и C предназначены для одной фазы, а B и D — для другой фазы. В каждой фазе каждая катушка проводит ток в направлении, противоположном направлению тока другой катушки. Только одна катушка будет пропускать ток в каждой фазе для достижения определенного направления вращения.Таким образом, просто переключая клеммы на каждую катушку, можно управлять направлением вращения.

Работа двухфазного униполярного шагового двигателя

В случае биполярного шагового двигателя каждая фаза состоит из одной обмотки, а не из двух в случае униполярной. В этом случае направление вращения регулируется путем изменения направления тока через обмотки. Следовательно, для реверсирования тока требуется сложная схема возбуждения.

2-фазный биполярный шаговый двигатель

Тактовые режимы шагового двигателя

Типичное шаговое действие заставляет двигатель шагать через последовательность положений равновесия в ответ на подаваемые на него импульсы тока.Шаговое действие можно изменять по-разному, просто изменяя последовательность подачи питания на обмотки статора. Ниже приведены наиболее распространенные режимы работы или движения шаговых двигателей.

  1. Волновой шаг
  2. Полный шаг
  3. Полушаговый
  4. Микрошаговый
Волновой шаговый режим

Волновой шаговый режим — самый простой из всех других режимов, в котором только одна обмотка находится под напряжением в любой момент времени. Каждая катушка фазы поочередно подключается к источнику питания.В таблице ниже показан порядок включения катушек в 4-фазном шаговом двигателе.

В этом режиме двигатель дает максимальный угол шага по сравнению со всеми другими режимами. Это самый простой и наиболее часто используемый режим для пошагового выполнения; однако создаваемый крутящий момент меньше, поскольку в данный момент используется некоторая часть всей обмотки.

Полный шаговый режим

В этом приводе или режиме две фазы статора запитываются одновременно в любой момент времени. Когда две фазы запитаны вместе, ротор будет испытывать крутящий момент от обеих фаз и придет в положение равновесия, которое будет чередоваться между двумя соседними положениями ступенек волны или однофазным возбуждением.Таким образом, этот шаг обеспечивает лучший удерживающий момент, чем волновой шаг. В таблице ниже показан полный шаговый привод для 4-фазного шагового двигателя.

Полушаговый режим

Это комбинация волнового и полношагового режимов. При этом однофазное и двухфазное возбуждение выполняются поочередно, то есть однофазное включение, двухфазное включение и так далее. Угол шага в этом режиме становится половиной полного угла шага. Этот режим привода имеет самый высокий крутящий момент и стабильность по сравнению со всеми другими режимами.Таблица, содержащая последовательность импульсов фазы для 4-фазного двигателя с полушагом, приведена ниже.

Микрошаговый режим

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

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

Все эти пошаговые режимы могут быть получены с помощью каждого типа шагового двигателя, описанного выше. Однако направление тока в каждой обмотке во время этих этапов может быть изменено в зависимости от типа двигателя, будь то однополярный или биполярный.

Преимущества шагового двигателя

  • В состоянии покоя двигатель развивает полный крутящий момент. Неважно, нет ли момента или смены позиции.
  • Обладает хорошей реакцией на пуск, остановку и движение задним ходом.
  • Поскольку в шаговом двигателе нет контактных щеток, он надежен, а срок службы зависит от подшипников двигателя.
  • Угол поворота двигателя прямо пропорционален входным сигналам.
  • Это просто и менее затратно в управлении, поскольку двигатель обеспечивает управление без обратной связи при ответе на цифровые входные сигналы.
  • Скорость двигателя прямо пропорциональна частоте входных импульсов, таким образом можно достичь широкого диапазона скорости вращения.
  • Когда нагрузка приложена к валу, все еще возможно реализовать синхронное вращение с низкой скоростью.
  • Точное позиционирование и повторяемость движения хорошие, так как точность шага составляет 3-5%, при этом ошибка не суммируется от шага к шагу.
  • Шаговые двигатели более безопасны и дешевы (по сравнению с серводвигателями), имеют высокий крутящий момент на низких скоростях, высокую надежность и простую конструкцию, которые работают в любых условиях.
Недостатки шаговых двигателей
  • Шаговые двигатели с низким КПД.