Шаговый двигатель

Дмитрий Левкин

• Конструкция
• Характеристики

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.

По конструкции ротора выделяют три типа шаговых двигателей:
• реактивный;
• с постоянными магнитами;
• гибридный.

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

Трехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 30°)

Четырехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 15°)

Ниже представлены осциллограммы управления для трехфазного шагового двигателя.

Униполярное волновое управление

Биполярное полношаговое управление

Биполярное 6-шаговое управление

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

,

• где N_R — количество полюсов ротора;
• N_S – количество полюсов статора.

Осциллограммы управления 4-х фазным реактивным шаговым двигателем

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

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

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.

Таким образом по виду обмоток выделяют два типа шаговых двигателей:
• униполярный (однополярный),
• биполярный (двухполярный).

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.

Существует несколько способов управления:
• волновое,
• полношаговое,
• полушаговое.

Волновое управление

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

Положение ротора шагового двигателя при волновом управлении

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

Волновое управление биполярным шаговым двигателем

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.

Библиографический список

• ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
• Н.И.Волков, В.П.Миловзоров. Электромашинные устройства автоматики: Учеб. для вузов по спец. «Автоматика и телемеханика».- 2-е изд.- М.:Высш.шк., 1986.

устройство, принцип работы, типы, схемы подключения

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

• В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
• Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
• Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
• Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
• Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
• Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
• Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
• Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

• Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
• Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
• Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
• Сложности управления из-за особенности схемы

Устройство и принцип работы

Рис. 1. Принцип действия шагового двигателя

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие  с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется  из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора.  Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от  5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом

Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси.  Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть  деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему  легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта  можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс  или серию импульсов в определенной последовательности.  В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата.   При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

• Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
• Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
• При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
• При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
• Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
• Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый  — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Популярные схемы управления ШД

Схема управления от контроллера с дифференциальным выходом

Является одним из наиболее помехозащищенных способов работы. При этом прямой и инверсный сигнал напрямую подключается к соответствующим полюсам. В такой схемы должно применяться экранирование сигнального проводника. Прекрасно подходит для нагрузки с низкой мощностью.

Схема управления от контроллера с выходом типа «открытый коллектор»

В данной схеме происходит объединение положительных вводов контроллера, которые подключаются к положительному полюсу. В случае питания выше 9В требуется включение в схему специального резистора для ограничения тока. Позволяет задавать необходимое количество шагов со строго установленной скоростью, определить ускорение и т.д.

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль)  происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному  USB порту.

Полезное видео

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой бесщеточный синхронный электродвигатель, который преобразует цифровые импульсы в механическое вращение вала. Его нормальное движение вала состоит из дискретных угловых
движения практически одинаковой величины при управлении от последовательно переключаемого постоянного тока
источник питания.

Шаговый двигатель представляет собой цифровое устройство ввода-вывода. Он особенно хорошо подходит для типа
приложение, в котором управляющие сигналы появляются в виде цифровых импульсов, а не аналоговых напряжений.

Один цифровой импульс на привод шагового двигателя или транслятор заставляет двигатель увеличивать одно точное значение.
угол движения. По мере увеличения частоты цифровых импульсов шаговое движение меняется на
непрерывное вращение.

Некоторые промышленные и научные приложения шаговых двигателей включают робототехнику, станки, машины для захвата и размещения, автоматические машины для резки и соединения проводов и даже устройства для точного контроля жидкости.

Как работает шаговый двигатель?

Каждый оборот шагового двигателя делится на дискретное количество шагов, во многих случаях 200 шагов, и для каждого шага двигателю должен посылаться отдельный импульс. Шаговый двигатель может делать только один шаг за раз, и каждый шаг имеет одинаковый размер.

Поскольку каждый импульс заставляет двигатель поворачиваться на точный угол, обычно 1,8°, положением двигателя можно управлять без какого-либо механизма обратной связи. По мере увеличения частоты цифровых импульсов шаговое движение превращается в непрерывное вращение со скоростью вращения, прямо пропорциональной частоте импульсов.

Шаговые двигатели ежедневно используются как в промышленности, так и в коммерческих целях благодаря их низкой стоимости, высокой надежности, высокому крутящему моменту на низких скоростях и простой прочной конструкции, способной работать практически в любых условиях.

• Угол поворота двигателя пропорционален входному импульсу.
• Двигатель имеет полный крутящий момент в состоянии покоя (если обмотки находятся под напряжением).
• Точное позиционирование и повторяемость движения, так как хорошие шаговые двигатели имеют точность от 3 до 5% шага, и эта ошибка не накапливается от одного шага к другому.
• Отличный отклик на запуск/остановку/реверс.
• Очень надежен, так как в двигателе нет контактных щеток. Поэтому срок службы шагового двигателя просто зависит от срока службы подшипника.
• Реакция шаговых двигателей на цифровые входные импульсы обеспечивает управление без обратной связи, что делает управление двигателем более простым и менее затратным.
• Можно добиться синхронного вращения на очень низкой скорости с нагрузкой, которая непосредственно связана с валом.
• Может быть реализован широкий диапазон скоростей вращения, поскольку скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Выбор шагового двигателя и контроллера

Выбор шагового двигателя зависит от требований к крутящему моменту и скорости приложения. Используйте кривую крутящего момента двигателя (находится в технических характеристиках каждого привода), чтобы выбрать двигатель, который будет выполнять эту работу.

Каждый контроллер шагового двигателя в линейке Omegamation показывает кривые момент-скорость для двигателей, рекомендуемых для данного привода. Если ваши требования к крутящему моменту и скорости могут быть удовлетворены с помощью нескольких шаговых двигателей, выберите контроллер в зависимости от потребностей вашей системы движения (шаг/направление, автономное программирование, аналоговые входы, микрошаговый режим), а затем выберите один из рекомендуемых двигателей для этого контроллера. .

Список рекомендуемых двигателей основан на всесторонних испытаниях, проведенных производителем для обеспечения оптимальной работы комбинации шагового двигателя и контроллера.

Шаг и направление

Эти приводы принимают шаговые импульсы и сигналы направления/разрешения от контроллера шагового двигателя, такого как ПЛК или ПК. Каждый импульс шага заставляет двигатель поворачиваться на точный угол, а частота импульсов определяет скорость вращения. Сигнал направления определяет направление вращения (по часовой стрелке или против часовой стрелки), а сигнал разрешения включает или выключает двигатель.

Осциллятор

Приводы с шаговым двигателем со встроенным цифровым генератором принимают аналоговый вход или джойстик для управления скоростью. Эти системы обычно используются в приложениях, требующих непрерывного движения, а не управления положением, таких как миксеры, блендеры и диспенсеры.

Автономный Программируемый

Все эти контроллеры шаговых двигателей могут быть запрограммированы для автономной работы; программа управления движением создается с помощью простого интерфейса программного обеспечения высокого уровня с функцией перетаскивания (поставляется бесплатно), а затем загружается и выполняется при включении питания. Программа управления движением обычно ожидает ввода, такого как замыкание переключателя или нажатие кнопки, прежде чем выполнять запрограммированное движение.

Высокопроизводительные шаговые двигатели

Эти цифровые приводы с шаговыми двигателями предлагают расширенные функции, такие как самодиагностика, защита от сбоев, автонастройка, сглаживание пульсаций крутящего момента, сглаживание командных сигналов и антирезонансные алгоритмы. Некоторые приводы программируются автономно, в то время как другие предлагают шаг/направление и аналоговые входы. Высокопроизводительные приводы обеспечат наилучшую возможную производительность вашей системы управления перемещением.

Существует три основных типа шаговых двигателей:

• Активный ротор: шаговый двигатель с постоянными магнитами (PM)
• Реактивный ротор: шаговый двигатель с переменным сопротивлением (VR)
• Комбинация VR и PM: гибридный шаговый двигатель (HY)

Это бесщеточные электрические машины, вращающиеся под фиксированным углом.
увеличивается при подключении к последовательно коммутируемому постоянному току.
При использовании переменного тока вращение существенно
непрерывный.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Этот тип шагового двигателя имеет ротор с постоянными магнитами. статор
может быть таким же, как у обычного 2- или 3-фазного индукционного
двигатель или конструкция, аналогичная штампованному двигателю. Последнее является
Самый популярный тип шагового двигателя.

a.) Обычный тип с постоянными магнитами. На рис. 1 показана схема обычного
шаговый двигатель с ротором на постоянных магнитах. 2-фазная обмотка
иллюстрируется. На рис. 1а показана фаза А.
под напряжением с положительной клеммой «А». Поле находится под углом 0°.
С катушкой, намотанной, как показано, северный полюс
ротор также находится в положении 0°.

Вал совершает один оборот за каждый полный оборот
электромагнитного поля в этом двигателе. На рис. 2 показан тот же шаговый двигатель с обеими обмотками под напряжением. Важный
разница здесь в том, что результирующее электромагнитное поле находится между
два полюса. На рис. 2 поле сместилось на 45° от
поле на рис. 1.

Как и в схеме однофазного включения, вал завершает один
оборот за каждый полный оборот электромагнитного поля.
Должно быть очевидно, что этот двигатель может работать на полшага; т. е. шаг в малом
ступенчатые приращения. Это возможно за счет объединения питания
показанный на рисунке 1 с показанным на рисунке 2. На рисунке 3 показаны схемы
Шаговый двигатель с ПМ с полушаговым движением ротора.

Как и на предыдущих схемах, ротор и вал движутся через
под тем же углом, что и поле. Обратите внимание, что каждый шаг приводил к повороту на 45°.
вместо 90° на предыдущей диаграмме.
Шаговый двигатель с постоянными магнитами можно намотать бифилярно.
обмотки, чтобы избежать необходимости менять полярность
обмотка. На рис. 4 показана бифилярная обмотка при
В Таблице IV показана последовательность подачи питания.

Бифилярные обмотки проще коммутировать с помощью транзисторного контроллера.
Требуется меньше переключающих транзисторов.
b.) Штампованный или может штабелироваться шаговый двигатель с постоянными магнитами.
Наиболее популярным типом шагового двигателя с постоянными магнитами является так
называется штампованным типом, когтевым зубом, листовым металлом, жестяной банкой или просто
недорогой мотор. Этот мотор трудно проиллюстрировать ясно
из-за того, как он устроен.

Этот двигатель имеет пару катушек, окружающих ротор с постоянными магнитами.
Катушки заключены в корпус из мягкого железа с зубьями на
внутри взаимодействует с ротором. Каждый корпус катушки имеет одинаковый
количество зубьев равно количеству полюсов ротора. Корпуса
радиально смещены друг относительно друга на половину шага зубьев.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

Этот тип шагового двигателя имеет электромагнитный статор с
ротор из магнитомягкого железа с зубьями и пазами, похожими на
ротор индукторного генератора. В то время как двигатели с постоянными магнитами в основном
2-фазные машины, двигатели VR требуют как минимум 3 фазы. Большинство VR
шаговые двигатели имеют 3 или 4 фазы, хотя 5-фазные двигатели VR
доступный.

В шаговом двигателе VR поле движется с другой скоростью, чем ротор.

Обратите внимание, что катушка фазы А имеет два
южные полюса и отсутствие северных полюсов для пути возврата потока. Вы можете отдохнуть
заверил, что будет. Поток вернется по пути
наименьшего нежелания, а именно через пары полюсов, которые являются ближайшими
на два зуба ротора. Это зависит от положения ротора. Поток вызывает
напряжение в катушках, намотанных на полюс. Это индуцирует ток в
обмотка, замедляющая ротор. Величина тока определяется
напряжение на катушке. Катушка с диодной фиксацией будет иметь больше
ток, чем обмотка с резисторным диодом или стабилитроном.

Гибридный шаговый двигатель

Этот тип двигателя часто называют двигателем с постоянным магнитом.
мотор. Он использует комбинацию постоянного магнита и переменного
Структура нежелания. Его конструкция аналогична конструкции
Индукционный двигатель.

Ротор имеет два
наконечники (хомуты) с выступающими полюсами, расположенными на равном расстоянии друг от друга, но радиально
со смещением друг от друга на половину шага зубьев. Круглый перманент
магнит разделяет их. Ярма имеют практически равномерный поток
противоположной полярности. Статор изготовлен из многослойной стали.
Некоторые двигатели имеют 4 катушки.
в две группы по 2 катушки последовательно. Одна пара катушек называется фазой А и
другая Фаза B.

Количество полных шагов за оборот может быть определено из
по следующей формуле:

SPR = NR x Ø

Где: SPR = количество шагов на оборот

NR = общее количество зубьев ротора (всего для
оба ярма)

Ø = количество фаз двигателя

или: NR = SPR/Ø

Они имеют многозубчатые полюса статора и ротор с постоянными магнитами. Стандартные гибридные двигатели имеют 200 зубьев ротора и угол поворота 1,8º. Поскольку они демонстрируют высокий статический и динамический крутящий момент и работают с очень высокой частотой шагов, гибридные шаговые двигатели используются в самых разных коммерческих приложениях, включая компьютерные дисководы, принтеры/плоттеры и проигрыватели компакт-дисков.

Пошаговые режимы

«Шаговые режимы» шагового двигателя включают полный, половинный и микрошаг. Тип выхода шагового режима любого шагового двигателя зависит от конструкции контроллера. Omegamation™ предлагает приводы с шаговыми двигателями с выбираемыми переключателем полными и полушаговыми режимами, а также микрошаговые приводы с разрешающей способностью, выбираемой переключателем или программно.

Полный шаг

Стандартные гибридные шаговые двигатели имеют 200 зубьев ротора или 200 полных шагов на один оборот вала двигателя. Разделение 200 шагов на 360° вращения равно 1,8° полного угла шага. Обычно полношаговый режим достигается за счет подачи питания на обе обмотки с попеременным изменением направления тока. По сути, один цифровой импульс от драйвера эквивалентен одному шагу.

Полушаг

Половина шага просто означает, что шаговый двигатель вращается со скоростью 400 шагов за оборот. В этом режиме на одну обмотку подается питание, а затем поочередно подается питание на две обмотки, в результате чего ротор вращается на половине расстояния, или 0,9°. Хотя он обеспечивает примерно на 30% меньший крутящий момент, полушаговый режим обеспечивает более плавное движение, чем полношаговый режим.

Микросте

Микрошаг — это относительно новая технология шагового двигателя, которая регулирует ток в обмотке двигателя до такой степени, что количество позиций между полюсами далее подразделяется.

Микрошаговые приводы Omegamation способны делить полный шаг (1,8°) на 256 микрошагов, что дает 51 200 шагов на оборот (0,007°/шаг). Микрошаг обычно используется в приложениях, требующих точного позиционирования и более плавного движения в широком диапазоне скоростей. Как и полушаговый режим, микрошаг обеспечивает примерно на 30% меньший крутящий момент, чем полношаговый режим.

Линейный шаговый двигатель Управление

Вращательное движение шагового двигателя можно преобразовать в поступательное с помощью системы привода с ходовым винтом и червячной передачей (см. рис. B). Ход или шаг ходового винта — это линейное расстояние, пройденное за один оборот винта. Если ход равен одному дюйму на оборот, а на один оборот приходится 200 полных шагов, то разрешение системы ходового винта составляет 0,005 дюйма на шаг. Еще более высокое разрешение возможно при использовании системы шагового двигателя/привода в микрошаговом режиме.

Серия против параллельного соединения

Существует два способа подключения шагового двигателя последовательно или параллельно. Последовательное соединение обеспечивает высокую индуктивность и, следовательно, больший крутящий момент на низких скоростях. Параллельное соединение снизит индуктивность, что приведет к увеличению крутящего момента на более высоких скоростях.

Контроллер шагового двигателя Обзор технологии

Драйвер получает сигналы шага и направления от индексатора или контроллера шагового двигателя и преобразует их в электрические сигналы для запуска шагового двигателя. Для каждого шага вала двигателя требуется один импульс.

В полношаговом режиме со стандартным 200-шаговым двигателем для совершения одного оборота требуется 200 импульсов шага. Скорость вращения прямо пропорциональна частоте импульсов. Некоторые системы управления имеют встроенный генератор, который позволяет использовать внешний аналоговый сигнал или джойстик для установки скорости двигателя.

Характеристики скорости и крутящего момента шагового двигателя основаны на протекании тока от драйвера к обмотке двигателя. Фактор, который препятствует потоку или ограничивает время, необходимое току для возбуждения обмотки, известен как индуктивность. Эффекты индуктивности, большинство типов цепей управления рассчитаны на подачу большего напряжения, чем номинальное напряжение двигателя.

Чем выше выходное напряжение контроллера, тем выше уровень отношения крутящего момента к скорости. Как правило, выходное напряжение драйвера (напряжение шины) должно быть в 5-20 раз выше, чем номинальное напряжение двигателя. Чтобы защитить двигатель от повреждения, ток привода шагового двигателя должен быть ограничен номинальным током шагового двигателя.

Контроллер шагового двигателя Обзор

Индексатор, или контроллер шагового двигателя, обеспечивает шаг и направление для драйвера. Для большинства приложений требуется, чтобы индексатор также управлял другими функциями управления, включая ускорение, замедление, количество шагов в секунду и расстояние. Индексатор также может взаимодействовать со многими другими внешними сигналами и управлять ими.

Связь с системой управления осуществляется через последовательный порт RS-232 и, в некоторых случаях, через порт RS485. В любом случае контроллер шагового двигателя способен получать высокоуровневые команды от главного компьютера и генерировать необходимые импульсы шага и направления для драйвера.

Контроллер включает вспомогательный ввод/вывод для контроля входов от внешних источников, таких как переключатель «Пуск», «Толчок», «Домой» или концевой выключатель. Он также может инициировать другие функции машины через выходные контакты ввода-вывода.

Автономная работа

В автономном режиме контроллер может работать независимо от главного компьютера. После загрузки в энергонезависимую память программы движения можно запускать с различных типов интерфейсов оператора, таких как клавиатура или сенсорный экран, или с переключателя через вспомогательные входы/выходы.

Автономная система управления шаговым двигателем часто комплектуется драйвером и источником питания, а также опциональной обратной связью энкодера для приложений с «замкнутым контуром», требующих обнаружения остановки двигателя и точной компенсации положения двигателя.

Многоосевое управление

Многие приложения управления движением имеют более одного шагового двигателя для управления. В таких случаях доступен многоосевой контроллер шагового двигателя. К сетевому концентратору HUB 444, например, может быть подключено до четырех шаговых приводов, причем каждый привод подключен к отдельному шаговому двигателю. Сетевой концентратор обеспечивает скоординированное движение для приложений, требующих высокой степени синхронизации, таких как круговая или линейная интерполяция.

Двигатели | Сопутствующие товары

Подробнее Двигатели

Как работают шаговые двигатели

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

Статор имеет десять магнитных полюсов с маленькими зубьями, каждый полюс снабжен обмоткой. Каждая обмотка соединена с обмоткой противоположного полюса, так что оба полюса намагничиваются с одинаковой полярностью, когда ток проходит через пару обмоток. (Пропускание тока через данную обмотку намагничивает противоположную пару полюсов той же полярности, то есть северной или южной.)

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

По внешнему периметру каждого ротора имеется 50 маленьких зубьев, при этом маленькие зубья ротора 1 и ротора 2 механически смещены друг относительно друга на половину шага зубьев.

Возбуждение: Для подачи тока через обмотку двигателя

Магнитный полюс: Выступающая часть статора, намагниченная возбуждением

Малые зубья:  Зубья на роторе и статоре

Принцип работы

Ниже приводится пояснение взаимосвязи между малыми зубьями намагниченного статора и малыми зубьями ротора.

При возбуждении фазы «А»

При возбуждении фазы А ее полюса поляризованы на юг. Это притягивает зубья ротора 1, поляризованные на север, и отталкивает зубья ротора 2, поляризованные на юг. Следовательно, силы, действующие на весь блок в равновесии, удерживают ротор в неподвижном состоянии. В это время зубцы полюсов фазы В, которые не возбуждены, смещены с южнополяризованными зубьями ротора 2 так, что они смещены на 0,72˚. Это суммирует взаимосвязь между зубьями статора и зубьями ротора при возбужденной фазе А.

При возбуждении фазы «B»

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

Другими словами, при переключении возбуждения с фазы А на В ротор поворачивается на 0,72˚. Когда возбуждение переходит от фазы A к фазам B, C, D и E, а затем обратно к фазе A, шаговый двигатель вращается точно с шагом 0,72˚. Чтобы вращаться в обратном направлении, измените последовательность возбуждения на фазы A, E, D, C, B, а затем обратно на фазу A.

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

Драйвер выполняет роль переключателя фаз, а его синхронизация управляется импульсно-сигнальным входом в драйвер. В приведенном выше примере показано, что возбуждение продвигается вперед по одной фазе за раз, но в реальном шаговом двигателе эффективное использование обмоток достигается за счет одновременного возбуждения четырех или пяти фаз.

Основные характеристики шаговых двигателей

Важным моментом, который следует учитывать при применении шаговых двигателей, является соответствие характеристик двигателя условиям эксплуатации.
В следующих разделах описываются характеристики, которые необходимо учитывать при применении шаговых двигателей.
Двумя основными характеристиками производительности шагового двигателя являются:

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

Динамические характеристики

Скорость – Характеристики крутящего момента На рисунке выше представлен график характеристик, показывающий взаимосвязь между скоростью и крутящим моментом приводимого шагового двигателя. Эти характеристики всегда учитываются при выборе шагового двигателя. Горизонтальная ось представляет скорость на выходном валу двигателя, а вертикальная ось представляет крутящий момент. Характеристики скорость-крутящий момент определяются двигателем и приводом, и на них сильно влияет тип используемого привода.

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

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

• Максимальная начальная частота (fS) Это максимальная импульсная скорость, при которой двигатель может запускаться или останавливаться мгновенно (без времени разгона/торможения), когда фрикционная и инерционная нагрузка шагового двигателя равны 0. Привод двигателя на импульсной скорости, превышающей эту скорость, потребует постепенное ускорение или замедление. Эта частота будет уменьшаться, когда к двигателю добавляется инерционная нагрузка. См. характеристики инерционной нагрузки – пусковой частоты ниже.

Максимальная частота отклика (fr)  Это максимальная импульсная скорость, при которой двигатель может работать посредством постепенного ускорения или замедления, когда нагрузка трения и инерционная нагрузка шагового двигателя равны 0. На рисунке ниже показаны характеристики скорость-крутящий момент 5-фазного шагового двигателя и комплекта драйвера. .

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

Изменения максимальной пусковой частоты при инерционной нагрузке могут быть аппроксимированы следующей формулой:

Характеристики вибрации

Шаговый двигатель вращается посредством серии шаговых движений. Шаговое движение может быть описано как одношаговая реакция, как показано ниже:

1. Одиночный импульс, поступающий на шаговый двигатель в состоянии покоя, ускоряет двигатель до следующего положения остановки.

2. Ускоренный двигатель вращается через положение остановки, вылетает на определенный угол и отводится назад в обратном направлении.

3. Двигатель останавливается в заданном положении после демпфирующих колебаний.

Вибрация на низких скоростях вызвана ступенчатым движением, которое создает этот тип демпфирующих колебаний. На приведенном ниже графике характеристик вибрации представлена ​​величина вибрации двигателя при вращении. Чем ниже уровень вибрации, тем плавнее будет вращение двигателя.

Статические характеристики

Угол – Характеристики крутящего момента:  Характеристики «угол-крутящий момент» показывают взаимосвязь между угловым смещением ротора и крутящим моментом, приложенным извне к валу двигателя, когда двигатель возбуждается номинальным током. Кривая для этих характеристик показана ниже:

На следующих рисунках показано положение зубьев ротора и статора в пронумерованных точках на приведенной выше диаграмме. При устойчивом положении в точке (1) внешнее приложение силы к валу двигателя создаст крутящий момент T (+) в левом направлении, пытаясь вернуть вал в устойчивую точку (1). Вал остановится, когда внешняя сила сравняется с крутящим моментом в точке (2).

При приложении дополнительной внешней силы существует угол, при котором создаваемый крутящий момент достигает своего максимума в точке (3). Этот крутящий момент называется максимальным удерживающим крутящим моментом TH.

Приложение внешней силы, превышающей это значение, приведет ротор в неустойчивую точку (5) и выше, создав крутящий момент T (-) в том же направлении, что и внешняя сила, так что он переместится в следующую стабильную точку ( 1) и останавливается.

Стабильные точки: точек, где ротор останавливается, при этом зубья статора и зубья ротора точно выровнены. Эти точки чрезвычайно стабильны, и ротор всегда будет останавливаться там, если не будет приложена внешняя сила.

Нестабильные точки:  Точки, в которых зубья статора и ротора смещены на полшага. Ротор в этих точках будет двигаться к следующей устойчивой точке влево или вправо даже при малейшей внешней силе.

Угловая точность

В условиях отсутствия нагрузки шаговый двигатель имеет угловую точность в пределах ±3 угловых минуты (±0,05˚). Небольшая ошибка возникает из-за разницы в механической точности статора и ротора, а также из-за небольшой разницы в сопротивлении постоянного тока обмотки статора. Как правило, угловая точность шагового двигателя выражается в терминах точности положения остановки.

Точность положения остановки:  Точность положения остановки — это разница между теоретическим положением остановки ротора и его фактическим положением остановки. За исходную точку принимается заданная точка остановки ротора, тогда точность положения остановки представляет собой разницу между максимальным (+) значением и максимальным (-) значением в совокупности измерений, выполненных для каждого шага полного оборота.

Точность положения остановки составляет ±3 угловых минуты (±0,05˚), но только при отсутствии нагрузки. В реальных приложениях всегда присутствует одна и та же величина фрикционной нагрузки. Угловая точность в таких случаях обеспечивается угловым смещением, вызванным характеристикой «угол-крутящий момент», основанной на фрикционной нагрузке. Если нагрузка трения постоянна, угол смещения будет постоянным для однонаправленной работы.

Однако при двунаправленной работе угол смещения увеличивается вдвое за круговорот. Когда требуется высокая точность остановки, всегда устанавливайте в одном и том же направлении.

Последовательность возбуждения шагового двигателя и комплекты драйверов

Каждый 5-фазный двигатель и комплект драйверов, представленные в нашем каталоге, состоят из пятипроводного двигателя New Pentagon и драйвера со специальной последовательностью возбуждения. Эта комбинация, являющаяся собственностью Oriental Motor, предлагает следующие преимущества:

• Простые соединения для пяти проводов
• Низкая вибрация

В следующих разделах описывается последовательность проводки и возбуждения.

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

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

New Pentagon, 4-5-фазное возбуждение: полушаговая система (0,36˚/шаг)

Пошаговая последовательность чередования 4-фазного и 5-фазного возбуждения обеспечивает вращение на 0,36˚ за шаг. Один оборот можно разделить на 1000 шагов.

Драйверы шаговых двигателей

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

Обзор системы привода постоянного тока

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

Ток, протекающий по обмоткам двигателя, определяемый как напряжение через резистор обнаружения тока, сравнивается с эталонным напряжением. Управление током осуществляется путем удержания переключающего транзистора Tr2 во включенном состоянии, когда напряжение на детектирующем резисторе ниже опорного напряжения (когда оно не достигло номинального тока), или отключения Tr2, когда значение выше опорного напряжения ( когда он превышает номинальный ток), тем самым обеспечивая постоянный расход номинального тока.

Различия между входными характеристиками переменного и постоянного тока

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

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

Таким образом, двигатель переменного тока и блок драйвера имеют превосходные характеристики крутящего момента в широком диапазоне скоростей, от низких до высоких скоростей, предлагая большое передаточное число. Рекомендуется, чтобы для ваших приложений рассматривались двигатели с входом переменного тока и комплекты драйверов, совместимые с более широким диапазоном условий эксплуатации.

Технология привода Microstep

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

◇ Технология микрошагового привода

Шаговый двигатель перемещается и останавливается с шагом, равным углу шага, определяемому конструкцией явно выраженных полюсов ротора и статора,
легко достигая высокой степени точности позиционирования. С другой стороны, шаговый двигатель вызывает изменение скорости вращения ротора, поскольку
двигатель вращается с шагом шага, что приводит к резонансу или большей вибрации на заданной скорости.

Микрошаговая технология — это технология, обеспечивающая низкий резонанс и низкий уровень шума при чрезвычайно низких скоростях за счет управления потоком
электрический ток, подаваемый на обмотку двигателя и тем самым разделяющий основной угол шага двигателя на более мелкие шаги.

• Основной угол шага двигателя (0,72˚/полный шаг) можно разделить на более мелкие шаги в диапазоне от 1/1 до 1/250. Таким образом, микрошаг обеспечивает плавную работу.
• Благодаря технологии плавного изменения тока привода двигателя вибрация двигателя может быть сведена к минимуму для обеспечения малошумной работы.

◇ До 250 микрошагов

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

Особенности привода Microstep

● Низкая вибрация
Технология привода Microstep электронно разделяет угол шага на более мелкие шаги, обеспечивая плавное пошаговое движение на низких скоростях и значительно снижая вибрацию. В то время как демпфер или аналогичное устройство обычно используется для снижения вибрации, конструкция с низким уровнем вибрации, используемая для самого двигателя, вместе с технологией микрошагового привода более эффективно минимизирует вибрацию. Антивибрационные меры могут быть значительно упрощены, поэтому он идеально подходит для большинства приложений и оборудования, чувствительных к вибрации.

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

● Улучшенная управляемость
Новый микрошаговый драйвер Pentagon с превосходными характеристиками демпфирования сводит к минимуму перерегулирование и недорегулирование в ответ на ступенчатые изменения, точно следуя последовательности импульсов и обеспечивая улучшенную линейность. Кроме того, можно уменьшить ударную нагрузку, обычно возникающую при трогании с места и остановке.

Шаговый двигатель и драйвер

Обзор системы управления

◇ Датчик для определения положения ротора

Датчик определения положения ротора встроен в противоположный конец выходного вала двигателя

:

Обмотка датчика обнаруживает изменения магнитного сопротивления из-за углового положения ротора.

Инновационная система управления с обратной связью

Счетчик отклонений вычисляет отклонение (запаздывание/опережение) фактического углового положения ротора относительно команды положения с помощью импульсного сигнала. Результат расчета используется для обнаружения «области ошибочного шага» и управления двигателем путем переключения между режимами разомкнутого и замкнутого контура.

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

В режиме замкнутого контура возбуждение обмотки двигателя регулируется таким образом, чтобы при заданном угловом положении ротора развивался максимальный крутящий момент. Этот метод управления устраняет нестабильные точки (зоны неточностей) в характеристике «угол-крутящий момент».

Особенности AlphaStep

◇ Улучшенная производительность шагового двигателя

• На высоких скоростях не будет «ошибок». Поэтому, в отличие от обычных шаговых двигателей, работа будет свободна от следующих ограничений:
• Ограничения скорости разгона/торможения и коэффициента инерции, обусловленные профилем импульсов контроллера.
• Ограничения скорости пускового импульса, вызванные «ошибкой».
• Используйте фильтр скорости для настройки отклика при запуске/остановке. Реагирование на пуск/остановку можно настроить с помощью 16 настроек без изменения данных контроллера (пусковой импульс, коэффициенты ускорения/торможения). Эта функция предназначена для уменьшения ударов при работе и вибрации при работе на низкой скорости.

Возврат в исходное положение механической части Работа с использованием сигнала синхронизации возбуждения

● Сигнал синхронизации возбуждения
Сигнал синхронизации возбуждения (TIM.) выводится, когда драйвер первоначально возбуждает шаговый двигатель (шаг «0»). 5-фазный шаговый двигатель и драйверы Oriental Motor выполняют начальное возбуждение при включении питания и продвигают последовательность возбуждения
каждый раз, когда поступает импульсный сигнал, завершая один цикл, когда вал двигателя поворачивается на 7,2˚.

Используйте эти сигналы синхронизации, когда необходимо выполнить высоковоспроизводимый возврат к механическому домашнему режиму. В следующих разделах описывается возврат шагового двигателя к механическому исходному режиму и использование сигналов синхронизации.

● Возврат к механическому домашнему режиму для шаговых двигателей

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

Возврат к механическому исходному режиму шаговых двигателей использует датчики исходного положения для обнаружения механического компонента, используемого для операции позиционирования. Когда обнаруженные сигналы подтверждаются, контроллер прекращает подачу импульсного сигнала, и шаговый двигатель останавливается. Точность исходного положения при таком возврате к механическому исходному положению зависит от эффективности обнаружения датчиков исходного положения. Поскольку эффективность обнаружения датчиков исходного положения зависит от таких факторов, как температура окружающей среды и скорость приближения к зоне обнаружения механизма, необходимо уменьшить эти факторы для приложений, требующих точно воспроизводимого механического определения исходного положения.

● Улучшенная воспроизводимость с использованием сигнала синхронизации возбуждения

Метод обеспечения того, чтобы механическое исходное положение не менялось из-за различий в характеристиках обнаружения датчиков исходного положения, заключается в остановке импульсного сигнала путем логического умножения на временной сигнал. Так как синхронизирующий сигнал выводится при начальном возбуждении, если импульсный сигнал останавливается, когда выводится синхронизирующий сигнал, механическое исходное положение всегда будет определяться при начальном возбуждении.

Зависимость между длиной кабеля и частотой передачи

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

Частота передачи при работе с нашей продукцией (фактические измеренные эталонные значения) показана ниже:

Влияние жесткости муфты на оборудование

Технические характеристики муфты включают допустимую нагрузку, допустимую скорость, жесткость пружины при кручении, люфт (люфт) в муфте и допустимое смещение. На практике при выборе муфт для оборудования, требующего высокой эффективности позиционирования или низкой вибрации, основным критерием выбора будет «жесткость без люфта». Однако в некоторых случаях жесткость муфты лишь незначительно влияет на общую жесткость оборудования.

В этом разделе приводится пример сравнения общей жесткости оборудования, состоящего из шарико-винтовой передачи, в двух приложениях, где используются кулачковая муфта, такая как MCS, и сильфонная муфта, обеспечивающая более высокую жесткость.