Назначение шагового двигателя
Шаговый двигатель — это электрическая машина, способная преобразовывать электрическую энергию, подаваемую на его обмотки, в ограниченное угловое перемещение ротора и обеспечивающая стабильность его углового положения. Иными словами, шаговый электродвигатель, в отличие от других электродвигателей, способен совершать не только непрерывное вращение, но и поворот ротора на заданный угол, а при необходимости и удерживать заданный угол поворота постоянным.
Угол поворота, на который поворачивается ротор шагового электродвигателя при подаче одного электрического импульса на его обмотки, называется угловым шагом. Для совершения нескольких непрерывных угловых шагов (для поворота более чем на один угловой шаг) на обмотки шагового двигателя необходимо подать непрерывную последовательность электрических импульсов. Для непрерывного вращения ротора такого двигателя импульсы, подаваемые на его обмотки, должны идти непрерывно. Несмотря на наличие возможности непрерывного вращения шаговые двигатели все же не предназначены для работы в этом режиме.
К сведению: Импульс электрического тока, подаваемый на обмотки шагового двигателя, представляет собой по сути однократную смену полярности электрического тока.
Благодаря возможности поворачивать ротор лишь на некоторый, достаточно маленький угол, шаговые двигатели нашли широкое распространение в механизмах точного перемещения рабочих органов, используемых в:
- станкостроении;
- робототехнике;
- средствах измерений, контроля и испытаний;
- системах автоматического управления (САУ) и регулирования (САР);
- в системах типа «Умный дом»;
- в приводах накопителей информации на гибких, жестких и оптических дисках;
- в прочих системах, где требуются точные перемещения.
Основные технические характеристики шаговых двигателей
К основным характеристикам шаговых двигателей, на которые следует обращать внимание при их выборе, относят:
- число шагов на один полный оборот,
- величина единичного углового шага [°],
- максимальный крутящий момент [Н·м],
- номинальный ток обмоток [А],
- тип шагового двигателя (конструкция, схема включения обмоток),
- типоразмер шагового двигателя,
- диаметр выходного вала ротора,
- способ передачи крутящего момента.
Кроме того, в процессе проектирования новых технических средств при выборе шагового двигателя учитывают его габаритные размеры, возможность установки датчика обратной связи (энкодера), сопротивление обмоток, индуктивность обмоток, рабочий диапазон температур и пр.
Важнейшей характеристикой ШД является величина его углового шага. Величина углового шага влияет на точность перемещений исполнительного органа, приводимого в движение шаговым электроприводом. Эта характеристика тесня связана с другой характеристикой ШД — количеством шагов на один полный оборот двигателя. Одну из этих характеристик обязательно указывают в паспорте к шаговому двигателю или даже в обозначении его модели. Например, название ДШИ-200 говорит, что ротор этого двигателя совершает один полный оборот за 200 шагов (200 импульсов, поданных на его обмотки). Несложно подсчитать, что при числе шагов на один оборот вала ротора ШД один угловой шаг для него соответствует 1,8°.
Для иностранных двигателей характерно в названии модели указывать габаритные размеры двигателя. Например, в маркировке двигателя ST57-76 первое число говорит о ширине квадрата присоединительного фланца (57х57 мм), а второе число указывает на длину корпуса двигателя без учёта длины вала (76 мм).
Общее устройство шаговых двигателей
Шаговые двигатели не содержат щёточно-коллекторного узла, как асинхронные электродвигатели переменного тока. В конструкцию ротора двигателя встроена система постоянных магнитов. Статор двигателя содержит набор обмоток. Схема простейшего шагового электродвигателя, поясняющая принцип его работы, представлена на следующем рисунке. Четыре обмотки и двухполюсный ротор позволяют обеспечить двигателю всего четыре шага на один полный оборот, то есть величина углового шага такого ШД составляет 90°.
Если последовательно подавать на обмотки такого двигателя электрический ток, то взаимодействие поля постоянного магнита с полем обмотки статора будет вызывать поворот ротора в направлении, соответствующем направлению смены активных обмоток, как это показано на следующей схеме. Схема демонстрирует последовательность из четырёх состояний шагового двигателя, каждое из которых характеризуется изменением активной обмотки статора и новым угловым положением ротора.
Принцип управления углом поворота вала ротора шагового двигателя с помощью одной активной обмотки называют волновым. Волновое управление ШД обеспечивает низкое энергопотребление, однако оно применяется редко, так как при этом существенно снижается и максимальный развиваемый двигателем вращающий момент.
Конструктивно шаговые двигатели могут быть различными. В простейшем случае шаговый двигатель содержит ротор с постоянным магнитом. По мере усложнения число полюсов ротора возрастает, всегда оставаясь чётным.
Другим типом ШД является двигатель с переменным магнитным сопротивлением. Ротор такого электромотора не содержит магнитов, но состоит из диска из магнито-мягкого материала. Диск на периферии содержит специальные выступы, приобретающие намагниченность в процессе работы от воздействия электромагнитного поля токов, протекающих в обмотках статора. У такого двигателя статор всегда содержит более четырёх обмоток. Отсутствие постоянного магнита отрицательно сказывается на развиваемом вращающем моменте, но также исключает эффект торможения, свойственный предыдущему типу двигателя.
Сочетание постоянных магнитов на роторе двигателя и ротора из магнито-мягкого материала привело к созданию гибридных шаговых двигателей. В них в меньшей степени проявляются недостатки предыдущих конструкций. Кроме того, гибридные ШД обеспечивают наименьшие угловые шаги и высокую точность поворота.
Схемы подключения шаговых двигателей
Производимые промышленностью шаговые двигатели изготавливают с разным числом выводов, что связано со схемами их предполагаемого подключения к управляющим драйверам. Исходя из схемы подключения различают биполярные, униполярные и универсальные шаговые двигатели.
Биполярные двигатели содержат всего четыре вывода для подключения к драйверу. В таких двигателях противоположные обмотки соединены последовательно. И для их питания требуются специальные мостовые схемы.
На одну пару выводов такого двигателя приходится одна мостовая схема, содержащая четыре ключевых элемента (транзистора). Для управления биполярным двигателем электронный драйвер содержит две мостовые схемы. Изменения полярности напряжения на выводах ШД добиваются попарным включением ключевых элементов, установленных в противоположных плечах моста.
Униполярные шаговые двигатели содержат шесть (иногда пять) выводов, как показано на рисунках ниже. Дополнительные выводы идут от точек соединения противоположных обмоток, благодаря чему появляется возможность независимого управления каждой из них без использования сложных мостовых схем. При этом реализуется так называемый волновой режим с присущими ему достоинствами и недостатками.
Униполярный двигатель может с успехом использоваться и при его подключении в биполярном режиме, когда его средние выводы просто остаются незадействованными. Это актуально особенно в связи с тем, что современные драйверы для биполярных шаговых двигателей позволяют расширять штатные возможности двигателей за счёт микрошагового режима управления. Однако следует иметь ввиду, что для подключения к мостовым схемам драйверов биполярных двигателей годятся лишь униполярные шаговые двигатели с шестью выводами!
Если каждая из четырёх обмоток шагового двигателя имеет независимую пару выводов, то такой двигатель относят к универсальным. Смотрите схему ниже.
Основные принципы управления шаговыми электродвигателями
Режим полношагового управления ШД
Одним из простейших способов управления шаговым двигателем является полношаговое управление, при котором питание подаётся одновременно на две противоположные обмотки. Полярность напряжения на обмотках должна быть одинаковой, чтобы магнитная цепь, образованная статором и ротором была последовательной (см. рисунок).
При полношаговом способе управления присоединение обмоток к источнику питания может быть любым, как последовательным, так и параллельным. Последовательное соединение обмоток потребует удвоенного напряжения питания для достижения номинального тока в обмотках и развития требуемого вращающего момента на валу электродвигателя. В случае параллельного соединения активных обмоток статора напряжение питания может быть ниже, но при этом уменьшается суммарное сопротивление обмоток, а следовательно, в два раза возрастает ток, потребляемый двигателем от источника питания.
Режим полношагового управления позволяет ШД обеспечить наибольший развиваемый крутящий момент на валу!
Режим полушагового управления ШД
Как было описано выше, количество шагов на один полный оборот шагового двигателя влияет на точность перемещения рабочего органа аппарата, в котором этот двигатель используется. Самые простые современные схемы управления шаговыми двигателями (драйверы шаговых двигателей) способны удвоить число шагов ШД за счет функции деления шага. При этом используется так называемый полушаговый способ управления шаговым двигателем. В промежуточные моменты между основными положениями активных обмоток статора производится подача напряжения питания на все четыре обмотки таким образом, что ротор двигателя может остановиться в промежуточном положении между двумя обмотками, как это показано на следующем рисунке.
То есть используя режим полушагового управления двигателем с номинальным числом шагов на оборот 200 шт. можно получить величину углового шага не 1,8°, а 0,9°, что соответствует 400 шагам!
Волновой полушаговый принцип управления ШД
Может иметь место также и волновой полушаговый режим управления двигателем. В этом режиме одновременно работают не боле двух обмоток, позволяя делить угловой шаг пополам, но снижая развиваемый крутящий момент на валу. Схема полушагового волнового режима приведена ниже.
Благодаря развитию современных средств микроэлектроники появилась возможность реализовать наиболее продвинутый режим управления шаговыми двигателями — микрошаговый. В этом режиме на смежные обмотки двигателя подаются электрические сигналы, отношение которых пропорционально величине деления номинального угла поворота статора. Физически подаваемые электрические сигналы напоминают синусоиды, смещенные по фазе друг относительно друга и дискретизированные по величине. При этом изменяется фаза сигналов, подаваемых на разные обмотки, и ротор позиционируется между полюсами статора в положении, пропорционально токам, действующим в смежных обмотках.
Режим микрошагового управления хорош тем, что обеспечивает высокую плавность вращения ротора двигателя, высокую точность перемещения, низкий уровень шума. Недостатком данного способа управления ШД является снижение развиваемого вращающего момента. Причём, чем больше коэффициент деления шага, тем развиваемый момент на валу ШД будет меньше. Использование современной элементарной базы и аппаратных методов регулирования тока позволяет частично компенсировать этот недостаток. А благодаря возможности существенно повысить точность перемещений исполнительных механизмов режим микрошагового управления шаговыми двигателями занял существенную нишу в современной технике.
Современные схемы управления шаговыми двигателями (драйверы) обеспечивают режим микрошага 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64 и более!
