Сравнение двухфазных и трёхфазных микрошаговых двигателей

Шаговые двигатели сегодня применяются в различных сферах: машиностроение, станкостроение, электроника и другие виды деятельности. Шаговый двигатель представляет собой синхронный электродвигатель, основными элементами которого являются статор, ротор и обмотки возбуждения. Приведение ротора в движение, происходит при последовательном запуске обмоток, это приводит к дискретным угловым смещением, определяемым типом и характеристиками микрошагового двигателя.

Режим микрошага осуществляется при управлении током обмоток микрошагового двигателя. Выбирая значения токов в обмотках можно зафиксировать ротор в промежуточном положении между шагами. За счёт этого повышается плавность хода ротора и можно достичь очень высоких значений по точности. На сегодняшний день, миркошаговые двигатели позволяют увеличить точность в десятки раз.

Преимущества микрошаговых двигателей для станков с ЧПУ:

• Микрошаговые двигатели в разы дешевле, чем серводвигатели.
• Простота в коммутации (многие программы написанные для ЧПУ станков — подходят).
• Более простые по конструктиву, в случае поломки, ремонт происходит довольно быстро и дёшево.
• Большой срок службы

К недостаткам применения микрошагового двигателя относятся:

• Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового двигателя;
• Нет обратной связи с ЧПУ;
• Расходуемая электроэнергия не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
• Сложности управления из-за особенности схемы;

Сравнение двухфазных и трёхфазных шаговых двигателей

Наиболее распространенные шаговые двигатели – двухфазные и трёхфазные. И зачастую, при выборе лазерного станка или фрезерного станка с ЧПУ, встаёт вопрос, с какими шаговыми двигателями взять станок?
Двухфазный шаговый двигатель является более оптимальным вариантом в 90 % случаев и имеют больше. Объясняется это следующими факторами:

• более простая и надёжная схема устройства
• подходит под большинство драйверов для станков с ЧПУ
• двигатели и драйвера к ним стоят меньше, чем трёхфазные

Трёхфазные двигатели имеют большую дискретность шага, но разница минимальна. При выборе станка гораздо большее значение имеет сам конструктив оборудования, так как именно от этого зависит общая точность. Шаговый двигатель влияет на точность только в совокупности с остальными частями лазерного или фрезерного станка. Качество шагового двигателя не определяется углом шага.

Так, например, при рассмотрении двух одинаковых станков с одинаковой кинематикой, простая установка качественного редуктора 1/20 позволяет добиться на двигателе с шагом 1,8 градуса точности в разы большей, чем на двигателе с шагом 0,9 градуса. Качество шагового двигателя определяют такие моменты, как качество сборки, биение на валах, люфт на валах и погрешность на шаг.

Подводя итог – двухфазные двигатели, на сегодняшний день являются более оптимальным выбором, ввиду названных выше факторов.

Каталог лазерных ЧПУ станков — открыть.

Каталог фрезерных ЧПУ станков — открыть.

Редукторы, мотор-редукторы: ООО «Приводные технологии»

Теория управления шаговыми двигателями

В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики
обратной
связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя

Система отработки угла выходного вала двигателя с использованием датчика обратной связи.

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без
датчика
обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость
использования в ней
цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.
Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в
фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков
обратной
связи.
Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.
Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота.
Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных
или
двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол
соответствует
числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного
коммутатора.
Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами),
реактивного типа и
индукторные.
Шаговые синхронные двигатели активного типа. В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые
двигатели
имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.
Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.

Принципиальная схема управления шаговым двигателем

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.
При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления

Симметричная система коммутации

При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных
обмоток
управления

Несимметричная система коммутации

Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов
больше 1,
выполненный в виде «звездочки» .

Число тактов КТ системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как
видно из
рисунков для симметричной системы управления КТ =4, а для несимметричной КТ =8.

В общем случае число тактов КТ зависит от числа обмоток управления (фаз статора) mу и может быть посчитано
по
формуле:

K_T=m_yn₁n₁,

где n₁=1 при симметричной системе коммутации;

n₁=2 при несимметричной системе коммутации;

n₂=1 при однополярной коммутации;

n₂=2 при двуполярной коммутации.

Схемы, иллюстрирующие положения ротора шагового двигателя с постоянными магнитами при
подключении к
источнику питания одной (а) и двух обмоток (б)

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении; при двуполярной — в
обеих.
Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с
дискретно
вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в
пространстве
машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают.
Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели
являются
многополюсными (р>1).
Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.

Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль
окружности 2р
постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:

Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар
полюсов
связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р= 4…6. Обычно величина
шага ротора
активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.

Реактивные шаговые двигатели. У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них
крупный шаг,
который может достигать десятков градусов.
Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить
шаговые
двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.
Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах
статора

Принцип действия реактивного редукторного шагового двигателя: (а) — исходное положение
устойчивого
равновесия; (б) — положение устойчивого равновесия. cдвинутое на один шаг

Если зубцы ротора соосны с одной диаметрально расположенной парой полюсов статора, то они сдвинуты
относительно
каждой из оставшихся трех пар полюсов статора соответственно на ј, Ѕ и ѕ зубцового деления.
При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.
Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:

В выражении для КТ величину n2 следует брать равной 1, т. к. 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.
Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, 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, т.е. оси их полюсов полностью
совпадают.
Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного
коммутатора.
Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. 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
больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики.
Линейные шаговые синхронные двигатели. При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо
перемещать
объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится
применять
преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.
Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это
позволяет
упростить кинематическую схему различных электроприводов

Схема, иллюстрирующая работу линейного шагового двигателя

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание
магнитопроводов производится постоянным магнитом.
Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного
магнитопровода ротора
сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно
зубцовых
делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку
подмагничивания не
зависит от положения подвижной части.
Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового
двигателя.
Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока
подмагничивания
создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов
данного
магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.

где
KТ — число тактов схемы управления.
Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые
двигатели.
В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами
магнитного
притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу
отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор
подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное
сопротивление движению
ротора и высокая точность позиционирования.
Режимы работы синхронного шагового двигателя. Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе
отработки угла при
подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в
процессе
отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору
результирующей
магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.
Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового
двигателя,
при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это
значит, что в
начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0

Процесс отработки шагов шаговым двигателем

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания
обусловлены
запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая
энергия
преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь,
тем быстрее
заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.
В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение
между
числом шагов ротора и потока статора.
Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и
приемистость.
Предельная механическая характеристика- это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты
управляющих
импульсов

Предельная механическая характеристика шагового двигателя

Приемистость- это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или
добавления шага при
их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с
увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно
перемещаемых) частей и статического момента сопротивления

Предельная динамическая характеристика шагового двигателя

Приемлемость падает с увеличением нагрузки.

Продолжение статьи (на англ. языке)

Шаговые двигатели

Введение

Шаговые двигатели широко используются в принтерах, автоматических инструментах, приводах дисководов, автомобильных приборных панелях и других приложениях, требующих высокой точности позиционирования.

Производители шаговых двигателей: Autonics, Motionking, Fulling motor и другие.

Шаговые двигатели: принцип действия и отличия от двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока (ДПТ) Lenze начинают работать сразу, как только к ним будет приложено постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором — коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре. Шаговый двигатель может быть рассмотрен как ДПТ без коммутатора. Обмотки его являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.

Принято различать шаговые двигатели (Autonics, Motionking, Fulling motor) и серводвигатели (Lenze). Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в количестве шагов на цикл (один оборот ротора). Серводвигатели требуют наличия в системе управления аналоговой обратной связи, в качестве которой обычно используется потенциометр. Ток в этом случае обратно пропорционален разности желаемого и текущего положений. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении.

Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис.1).

Рис.1. Униполярный ШД с постоянными магнитами.

Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода (см рис.2).

Рис.2. Биполярный и гибридный ШД.

За это упрощение приходится платить более сложным реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.

Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ — модуляции.

Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.

Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.

Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных применений.

Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.

На рис.3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.

Рис.3. Управляющая последовательность для режима с единичным шагом.

На рис.4 показана последовательность для полушагового управления.

Рис.4. Управляющая последовательность для режима с половинным шагом.

Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.

В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя.

Система отработки угла выходного вала двигателя с использованием датчика обратной связи

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.
Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.
Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.
Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота.
Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.
Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.
Шаговые синхронные двигатели активного типа. В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.
Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя

Принципиальная схема управления шаговым двигателем

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.
При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления

Симметричная схема коммутации

При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления

Несимметричная система коммутации

Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки».

Число тактов КТ системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления КТ =4, а для несимметричной КТ =8.

В общем случае число тактов КТ зависит от числа обмоток управления (фаз статора) mу и может быть посчитано по формуле:

K_T=m_yn ₁n₁

где

n₁=1 при симметричной системе коммутации;

n₁=2 при несимметричной системе коммутации;

n₂=1 при однополярной коммутации;

n₂=2 при двуполярной коммутации.

Схемы, иллюстрирующие положения ротора шагового двигателя с постоянными магнитами
при подключении к источнику питания одной (а) и двух обмоток (б)

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении; при двуполярной — в обеих. Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают. Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1). Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.

Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:

Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р= 4…6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.

Реактивные шаговые двигатели. У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.
Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.
Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора

Принцип действия реактивного редукторного шагового двигателя:
(а) — исходное положение устойчивого равновесия;
(б) — положение устойчивого равновесия cдвинутое на один шаг

Если зубцы ротора соосны с одной диаметрально расположенной парой полюсов статора, то они сдвинуты относительно каждой из оставшихся трех пар полюсов статора соответственно на ј, Ѕ и ѕ зубцового деления.
При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.
Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:

В выражении для КТ величину n2 следует брать равной 1, т. к. 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.
Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, 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, т.е. оси их полюсов полностью совпадают.
Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.
Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. 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 больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики.
Линейные шаговые синхронные двигатели. При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.
Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов

Схема, иллюстрирующая работу линейного шагового двигателя

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.
Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнитопровода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.
Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя. Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.

где
KТ — число тактов схемы управления.
Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.
В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.
Режимы работы синхронного шагового двигателя. Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.
Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0

Процесс отработки шагов шаговым двигателем

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.
В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.
Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.
Предельная механическая характеристика- это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов

Предельная механическая характеристика шагового двигателя

Приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления

Предельная динамическая характеристика шагового двигателя

Приемистость падает с увеличением нагрузки.

Полезные ссылки

Принцип работы шагового двигателя — ООО «СЗЭМО Электродвигатель»

Шаговые двигатели широко используются в бытовых приборах, транспортных средствах, фрезерных и шлифовальных станках и других производственных механизмах. Устройство представляет собой движок постоянного тока, один оборот которого разделен на несколько одинаковых шагов (это обеспечивается благодаря контроллеру). Главное его отличие от моторов других типов – отсутствие щеточного механизма. Шаговый двигатель оснащен блоком управления (приборной панелью), передатчиками и сигнализаторами.

Как работает шаговый электродвигатель

Зная принцип работы шагового двигателя, вы сможете самостоятельно установить его или произвести ремонт. Он функционирует следующим образом:

• После подачи напряжения на клеммы начинается непрерывное вращение специальных щеток. Входные импульсы устанавливают ведущий вал в положение, которое заранее определено.
• Под воздействием импульсов вал перемещается под фиксированным углом.
• Внешняя цепь управления, чаще всего представленная микроконтроллером, возбуждает электромагниты зубчатого типа. Один из них (тот, к которому приложена энергия) притягивает к себе зубья шестерни, вследствие чего вал движка делает поворот.
• Будучи выровнены по отношению к ведущему электромагниту, остальные магниты смещаются по направлению к следующей магнитной детали.
• Вращение шестеренки обеспечивается отключением первого электромагнита и включением следующего.
• Шестеренка выравнивается по отношению к предыдущему колесу, после чего весь процесс повторяется столько раз, сколько необходимо.

Данные вращения являются постоянным шагом. Для определения скорости мотора нужно подсчитать количество шагов, требуемых для его полного оборота. Точность работы обеспечивается благодаря микропроцессорным системам управления шаговых двигателей.

Виды шаговых двигателей

Существует несколько разных моделей шаговых двигателей. Если конструкция устройства предусматривает наличие постоянного магнита, принцип работы основан на притяжении или отталкивании статором и ротором электромагнитного мотора. В переменно-шаговом движке ротор изготавливается из железа. Минимально допустимое отталкивание в нем происходит при наименьшем зазоре, что обеспечивает притяжение точек ротора к полюсам магнитного статора. В механизмах гибридного типа оба вышеприведенных принципа сочетаются и дополняют друг друга. Из-за сложности конструкции и изготовления такие приборы стоят дороже, чем остальные модели.

Чаще всего в быту и на производстве применяются двухфазные шаговые двигатели. В зависимости от типа обмотки электромагнитных катушек они подразделяются на:

• униполярные;
• биполярные.

Механизмы первого типа оснащены одной обмоткой. Каждая фаза определяется центральным магнитным краном. При включении определенной секции обмотки обеспечивается нужное направление магнитного поля. Такая конструкция предусматривает работу магнитного полюса без дополнительного переключения, что обеспечивает предельно простую коммутацию цепи, равно как и направления тока. Для работы движка (с учетом фазного переключения) обычно достаточно трех проводов на фазу и шести для выходного сигнала. Микроконтроллер используется для активирования транзистора в нужной последовательности (она определяется программой).

Для подключения обмоток соединительные провода должны прикасаться к постоянным магнитам двигателя. При соединении клемм катушки вал проворачивается с трудом. Поскольку общий провод длиннее, чем провод, соединяющий катушки, сопротивление между торцами проводов и торцами катушек в два раза больше сопротивления между торцом катушки и общим проводом.

В механизмах второго типа есть только одна фазовая обмотка. Управляющая схема такого движка обычно сложнее, так как ток в обмотку поступает при помощи магнитного полюса переломным образом. Два провода на фазу не являются общими.

Трехфазный шаговый двигатель устанавливается на фрезерных станках с ЧПУ, запускаемых с компьютера, и транспортных средствах, в которых используется дроссельная заслонка.

Подключение шагового двигателя

Выбор схемы подключения шагового двигателя зависит от:

• количества проводов в приводе;
• способа запуска механизма.

Существующие модели движков имеют 4, 5, 6 или 8 проводов. Прибор с четырьмя проводами можно подключать только к биполярным устройствам. Он оснащен двумя фазными обмотками, каждая из которых имеет два провода. Для пошагового подключения драйвера необходимо определить пары проводов с непрерывной связью с помощью метра.

В механизме с шестью проводами каждая обмотка имеет два провода и центральный кран. Движки этой модели характеризуются высокой мощностью и подключаются как к биполярным, так и к однополярным исполнительным устройствам. В первом случае используется один центр-кран каждой обмотки и один конец провода. Во втором случае используются все шесть проводов. Разделение провода осуществляется с помощью измерительного прибора.

Отличие пятипроводного мотора от шестипроводной модели заключается в том, что соединение центральных клемм представляет собой сплошной кабель, который выходит к центральному проводу. Поскольку отделение одной обмотки от другой без разрывов не представляется возможным, необходимо определить центр провода, после чего соединять его с другими проводниками. Это будет самым безопасным и максимально эффективным решением. Затем движок подключается к сети и проводится проверка его работоспособности.

Для успешной эксплуатации механизма нужно иметь в виду следующие нюансы:

• Номинальное напряжение производится первичной обмоткой при постоянном токе.
• Изменение начальной скорости крутящего момента прямо пропорционально изменению тока.
• Скорость понижения линейного момента на последующих высоких скоростях зависит от индуктивности обмоток и схемы привода.

Благодаря высокой степени защиты шаговые двигатели успешно работают в тяжелых условиях.

Трехфазные гибридные шаговые двигатели, 42 мм

Особенности
Высокая точность, бесперебойность, низкий уровень шума

Области применения
Индустрия безопасности: закрытые телевизионные системы
Индустрия рекламы: лазерные установки, маркировальные машины
Текстильная промышленность: намоточные машины, плосковязальные станки
Автоматизация производства: печатные платы, пайка полупроводников
Медицинская промышленность: шприцевые насосы, инфузионные насосы, стоматологическое оборудование, анализаторы крови.

Похожая продукция
Трехфазный шаговый двигатель для замкнутой системы телевидения | Печатные платы с гибридным шаговым двигателем | Трехфазные гибридные шаговые двигатели для полупроводниковых сварочных аппаратов

Подключение шагового двигателя: схема подключения

Шаговый двигатель, биполярный или униполярный, представляет собой электрическое устройство постоянного тока, разделяющее оборот на определённое количество шагов. Количество и величина шагов задаётся специальным устройством, именуемым контроллер шагового двигателя. Схема шаговый двигатель + контроллер шагового двигателя широко применяется в самых различных механизмах, от бытовой техники до ЧПУ. ШД обеспечивает стабильную и бесперебойную работу оборудования, частью которого он является, однако прежде чем начать работу, его необходимо правильно подключить.

Подключение шагового двигателя

В общем и целом процесс подключения шагового двигателя не является затруднительным. В первую очередь нужно определить, какой тип ШД используется. Для этого следует обратить внимание на то, сколькими проводами снабжён электропривод.  В зависимости от типа, шаговый двигатель может иметь 4, 5, 6 или 8 проводов.

Шаговый двигатель с 4 проводами может использоваться совместно только с биполярными устройствами. Каждая из двух фазных обмоток такого электродвигателя имеет пару проводов с непрерывной связью. Драйвер ШД в данном случае подключается пошагово.

Шаговый двигатель, оснащённый 6-ю или 8-ю проводами, помимо пары проводов для каждой из обмоток имеет также центр-кран для каждой из них. Такой электродвигатель считается униполярным и может быть подключён как к биполярным, так и к униполярным устройствам. Для разделения провода при подключении униполярного ШД рекомендуется использовать измерительный прибор. Если униполярный шаговый двигатель подключается к однополярному элементу, допускается использование всех проводов. Если же подключение необходимо произвести к биполярному оборудованию, используются один конец провода и один центральный кран для каждой из обмоток.

Шаговый двигатель с 5-ю проводами схож с шестипроводным, однако центральные клеммы такого электродвигателя соединяются внутри сплошным кабелем, после чего выводятся к одному проводу. Разделение проводов в таком механизме – довольно трудоёмкий процесс, который очень сложно произвести без разрывов. Наиболее безопасным и эффективным выходом из ситуации при подключении такого прибора является определение центра провода с последующим соединением его с другими проводниками.

Стандартной схемой, использующейся для подключения 4-выводного биполярного ШД к драйверу или контроллеру является подключение первой обмотки к разъёмам А и А*, а второй – непосредственно к контроллеру через разъёмы B и B*. Разъёмы контроллера Dir и Step при таком методе подключения не используются; программное управление осуществляется при помощи генератора импульсов.

ВНИМАНИЕ – всегда проверяйте цветовую схему выводов, шаговый двигатель от конкретного производителя отличается от абсолютно аналогичного ШД другого производителя, а значит, может иметь другую цветовую схему выводов!

По вопросу подключения шагового двигателя, вы всегда можете обратиться к нашим специалистам по телефону по России (звонок бесплатный) 8 800 5555 068 либо по электронной почте.

Шаговые двигатели

— Сравнение двухфазных и пятифазных гибридных шаговых двигателей

Вы сузили круг поиска решения для управления движением до шагового двигателя. Теперь пора определиться, 2 фазы или 5 фаз? ORIENTAL MOTOR производит как 2-фазные (1,8 ° / 0,9 °), так и 5-фазные (0,72 ° / 0,36 °) шаговые двигатели и драйверы. Наш опыт работы с обеими технологиями дает нам уникальную перспективу. ORIENTAL MOTOR собрал быстрое сравнение функций, чтобы развеять путаницу и мифы о двухфазной и пятифазной дискуссии.В руководстве описаны основные различия между обеими технологиями в ключевых областях работы шагового двигателя: разрешение, вибрация, крутящий момент, точность и синхронизм. Опытные сотрудники службы технической поддержки ORIENTAL MOTOR также готовы предоставить более подробные разъяснения по обеим технологиям.

2 фазы, 5 фаз, в чем разница?

Есть два ключевых различия между 2-фазными и 5-фазными шаговыми двигателями. Первый — механический. Шаговый двигатель состоит в основном из двух частей: статора и ротора.Ротор, в свою очередь, состоит из трех компонентов; чашка ротора 1, чашка ротора 2 и постоянный магнит. В двухфазном двигателе статор состоит из 8 магнитных полюсов с небольшими зубцами, а статор пятифазного двигателя состоит из 10 магнитных полюсов. Каждый полюс статора имеет обмотку.

Второе различие между 2 фазами и 5 фазами — это количество фаз. Двухфазный двигатель имеет две фазы: фазу «А» и фазу «В», а 5-фазный двигатель — пять фаз. По сути, количество фаз относится к различным комбинациям полюсов, которые последовательно активируются для притяжения ротора.

2-фазное и 5-фазное прямое соединение

Как эти различия влияют на производительность? На производительность шагового двигателя влияет ряд факторов. Существует несколько способов управления шаговым двигателем, и привод сильно влияет на его характеристики. Wave Drive, Full Step, Half Step и Microstep — наиболее распространенные методы управления, каждый из которых предлагает очень разные характеристики. Не принимая во внимание различные методы привода, мы рассмотрим ключевые области производительности 2-фазных и 5-фазных шаговых двигателей.

Разрешение

Конструктивно 5-фазный шаговый двигатель не сильно отличается от 2-фазного. Ротор в обоих моторах имеет 50 зубьев. Разница в том, что поскольку 5-фазный двигатель имеет 10 полюсов, по 2 на фазу, ротор должен переместиться только на 1/10 шага зуба, чтобы выровняться со следующей фазой. В двухфазном двигателе ротор должен перемещаться на 1/4 шага зубьев, чтобы соответствовать следующей фазе (8 полюсов, по 4 на фазу).

Это приводит к тому, что 2 фазы имеют 200 шагов на оборот, 1.8 ° на шаг, в то время как 5-фазный имеет 500 шагов на оборот, 0,72 ° на шаг. Повышенное разрешение 5-фазной схемы заложено в ее конструкции. В сочетании с микрошаговым драйвером 5-фазный двигатель может совершать шаги до 0,00288 °, однако точность позиционирования и повторяемость по-прежнему зависят от механической точности двигателя. Механическая точность как двухфазного, так и пятифазного двигателя составляет ± 3 угловых минуты (0,05 °).

Вибрация

Из-за меньших углов шага в 5-фазных шаговых двигателях 0.72 ° против 1,8 ° в 2-фазном двигателе, вибрация в 5-фазном двигателе намного меньше, чем в 2-фазном. График справа показывает вибрацию, создаваемую 5-фазным двигателем, в сравнении с вибрацией, создаваемой 2-фазным шаговым двигателем. Как видите, двухфазный двигатель производит гораздо большую вибрацию.

* Графики справа представляют микрошаг с шагом 5K на оборот. Эти графики были созданы путем присоединения генератора к двигателю с двумя валами. Когда двигатель вибрирует, генерируемое напряжение отображалось на графике.Чем сильнее вибрирует двигатель, тем больше генерируется напряжение.

Момент

Хотя разница между выходным крутящим моментом 2-фазного шагового двигателя и 5-фазного шагового двигателя небольшая, 5-фазный двигатель действительно имеет более «полезный» крутящий момент. Это в первую очередь связано с величиной пульсаций крутящего момента, которые производят оба двигателя.

Полушаговый или микрошаговый 5-фазный шаговый двигатель фактически увеличивает крутящий момент до 10% из-за большего числа фаз, находящихся под напряжением.Двухфазные двигатели теряют крутящий момент до 40% при полушаге и микрошаге, однако многие двухфазные драйверы компенсируют это за счет завышения вектора противоположного крутящего момента.

Когда статор находится под напряжением, он создает электромагнит, который притягивает магнитный поток ротора. Магнитный поток можно разбить на два вектора: нормальный и тангенциальный. Крутящий момент создается только при наличии тангенциальной составляющей. Наличие тангенциального потока показано на рисунке ниже.

В , рис. 1 , зубья ротора прямо выровнены с зубьями статора, а магнитный поток имеет только нормальную составляющую, поэтому крутящий момент не создается. Когда зубья ротора смещаются относительно зубцов статора на фиг. , фиг. 2, 3 и 4, , двигатель создает крутящий момент. Мы называем этот крутящий момент отрицательным, потому что крутящий момент пытается вернуть зубья в стабильное положение. В рис. 5 поток равномерно распределяется между зубьями статора, и крутящий момент не создается.Согласно фигурам 6, 7 и 8, , создается положительный крутящий момент, когда смещенные зубья ротора перемещаются, чтобы выровняться со следующими зубьями статора. Наконец, зубья ротора совпадают непосредственно со следующими зубьями статора (, рисунок 1, ).

Каждая фаза двигателя вносит синусоидальную кривую изменения крутящего момента в общий выходной крутящий момент двигателя (показано ниже). Разница между пиком и впадиной называется пульсацией крутящего момента. Пульсация крутящего момента вызывает вибрацию, поэтому чем больше разница, тем сильнее вибрация.

Чем больше фаз вносит вклад в общий крутящий момент двигателя, тем меньше пульсация крутящего момента в 5-фазном двигателе по сравнению с 2-фазным двигателем. Разница между пиком и спадом в двухфазном двигателе может достигать 29%, а в пятифазном — всего около 5%. Поскольку пульсация крутящего момента напрямую влияет на вибрацию, 5-фазный двигатель работает более плавно, чем 2-фазный.

Двухфазное смещение крутящего момента

5-фазный сдвиг крутящего момента

Точность / повторяемость

Точность состоит из двух компонентов: электрического и механического.Электрическая ошибка вызвана дисбалансом фаз. Например, сопротивление обмотки двигателя составляет ± 10%, возможно, что, хотя двигатель рассчитан на 10 Вт, одна фаза может быть 9,2 Вт, а другая фаза — 10,6 Вт. Эта разница между фазами приведет к тому, что ротор будет больше ориентирован на одну фазу, чем на другую.

Есть несколько компонентов механической ошибки, главная из которых — конфигурация зуба. Хотя предполагается, что зубья на двигателе должны быть квадратными, процесс штамповки и возраст штампа могут привести к скруглению некоторых зубцов или их частей.Вместо того, чтобы магнитный поток течет напрямую, он может течь в другом месте, когда зубцы закруглены. Таким образом, эти факторы влияют на точность двигателя.

При использовании привода Full-Step 2-фазный двигатель повторяет состояния на каждом 4-м шаге, тогда как в 5-фазном двигателе состояния повторяются на каждом 10-м шаге. Любая электрическая ошибка, вызванная дисбалансом фаз, устраняется каждые 4 шага в 2-фазном режиме и каждый 10-й шаг в 5-фазном режиме, оставляя только механическую ошибку.

После того, как двигатель совершит полный оборот на 360 °, тот же зуб теперь выровнен в исходной начальной точке, что устраняет механическую ошибку.Поскольку двухфазный двигатель делает 200 шагов на оборот, он почти идеален каждые 200 шагов, в то время как 5-фазные двигатели делают 500 шагов на оборот и почти идеальны каждые 500 шагов.

Синхронизм

Поскольку 5-фазный шаговый двигатель перемещается только на 0,72 ° за шаг, для 5-фазного двигателя практически невозможно пропустить шаг из-за перерегулирования / недовыбора. Двигатель теряет синхронизм или пропускает шаг, если зубья ротора не совпадают с правильными зубьями на статоре.Что может привести к неправильному выравниванию зубов? Во-первых, для того, чтобы зуб ротора не выровнялся должным образом, другой зуб должен быть выровнен там, где он должен был. Чтобы это произошло, ротор должен быть либо перерегулирован (прошел мимо правильного зубца статора), либо перекус (не переместился достаточно далеко, чтобы выровняться с правильным зубом статора) более чем на 3,6 °. Почему 3,6 °? Поскольку зубья ротора притягиваются магнитным полем, правильный зуб должен находиться более чем на полпути между зубьями статора для совмещения (7.2 ° между зубьями ротора, разделенные на 2, дают 3,6 °). Таким образом, когда ротор выходит за пределы правильного зуба статора более чем на 3,6 °, следующий зуб выравнивается на своем месте, в результате чего вы пропустите шаг. И наоборот, если ротор не может двигаться более чем на 3,6 °, текущий зуб ротора останется на одном уровне с зубом статора, и ротор не будет вращаться, что означает, что вы пропустили шаг.

Методы привода

Существует несколько методов привода как для 2-фазных, так и для 5-фазных шаговых двигателей.Вот краткий обзор концепций приводов Full-Step и Microstepping.

2-фазная система полного шага (1,8 ° / шаг)

Двухфазная система полного шага подает питание как на фазу A, так и на фазу B и переключается между положительной и отрицательной полярностью для создания вращения.

5-фазная полноступенчатая система (4-фазное возбуждение Пентагона) (0,72 ° / шаг)

4-фазная система возбуждения уникальна для 5-фазных двигателей и обеспечивает более стабильную работу.

Микрошаговый

Драйверы

Microstep делят основной угол шага двигателя, уменьшая ток до одной фазы и увеличивая ток до следующей фазы с приращениями.Это приводит к тому, что двигатель делает меньшие шаги. С микрошаговым драйвером основной шаг двигателя можно разделить на более мелкие шаги от 1/1 до 1/250.

На иллюстрациях справа представлена ​​основная концепция микрошага.

• Рисунок 1 — фаза A имеет 100% ток, поэтому ротор выстраивается прямо.
• Рисунок 2 — ток в фазе A уменьшен до 75%, в то время как 25% тока теперь находится в фазе B.
• Рисунок 3 — ток для обеих фаз A и B составляет 50%, поэтому ротор располагается прямо посередине между ними.
• Рисунок 4 — фаза A теперь составляет 25%, а фаза B — 75%, поэтому ротор перемещается ближе к фазе B.
• Рисунок 5 — фаза A выключена, а фаза B находится на 100%, поэтому ротор, наконец, совпадает непосредственно с фазой B.

Путем микрошага двигателя в этом примере мы разделили базовые 500 шагов на оборот 5-фазного шагового двигателя на 5, увеличив их до 2500 шагов на оборот. Разрешение двигателя теперь равно 0.144 °.

Microstepping не только обеспечивает более высокое разрешение, но и обеспечивает более плавную работу, более низкую вибрацию и меньший шум, чем другие приводы.

Заключение

В зависимости от вашего конкретного применения может быть достаточно двухфазного двигателя. Однако 5-фазные шаговые двигатели предлагают более высокое разрешение, более низкую вибрацию, более высокие скорости ускорения и замедления (из-за меньших углов шага) и с меньшей вероятностью потеряют синхронизацию из-за перерегулирования / перерегулирования, чем 2-фазные шаговые двигатели.Для приложений, требующих высокой точности, низкого уровня шума и низкой вибрации, 5-фазная технология является лучшей.

Хотите узнать больше?

Команда технической поддержки

ORIENTAL MOTOR и инженеры по приложениям будут работать с вами, чтобы определить лучшее решение для вашего приложения. 2 фазы, 5 фаз, полный шаг, микрошаг? Опытные члены команды ORIENTAL MOTOR знают эту технологию от и до. Мы найдем подходящее решение в соответствии с вашими потребностями и объясним альтернативы.Позвоните по телефону 1-800-GO-VEXTA (468-3982), чтобы поговорить с членом группы технической поддержки ORIENTAL MOTOR.

СЕРИЯ

17HC 1,2 °

СЕРИЯ 17HC: 1,2 ° — РАЗМЕР 17 — 3 ФАЗА

Шаговые двигатели | Двигатели переменного тока

Шаговый двигатель против серводвигателя

Шаговый двигатель — это «цифровая» версия электродвигателя.Ротор движется дискретными шагами по команде, а не вращается непрерывно, как в обычном двигателе. Когда он остановлен, но находится под напряжением, шаговый двигатель (сокращенно от шагового двигателя) удерживает свою нагрузку стабильно с удерживающим моментом .

Широкое распространение шаговых двигателей за последние два десятилетия было вызвано появлением цифровой электроники. Современная электроника на твердотельных драйверах была ключом к ее успеху. Кроме того, микропроцессоры легко подключаются к схемам драйвера шагового двигателя.

С точки зрения применения предшественником шагового двигателя был серводвигатель. Сегодня это более дорогое решение для высокопроизводительных приложений управления движением. Стоимость и сложность серводвигателя обусловлены дополнительными компонентами системы: датчиком положения и усилителем ошибки). Это все еще способ позиционировать тяжелые грузы, недоступные для шаговых двигателей с меньшей мощностью.

Для высокого ускорения или необычно высокой точности по-прежнему требуется серводвигатель. В противном случае по умолчанию используется шаговый двигатель из-за простой электроники привода, хорошей точности, хорошего крутящего момента, умеренной скорости и низкой стоимости.

Шаговый двигатель против серводвигателя

Шаговый двигатель позиционирует головки чтения-записи в дисководе гибких дисков. Когда-то они использовались для той же цели в жестких дисках. Однако высокая скорость и точность, необходимые для позиционирования головки современного жесткого диска, требуют использования линейного серводвигателя (звуковой катушки).

Сервоусилитель — это линейный усилитель с некоторыми сложными для интеграции дискретными компонентами. Чтобы оптимизировать коэффициент усиления сервоусилителя в зависимости от фазовой характеристики механических компонентов, требуются значительные конструкторские усилия.Драйверы шагового двигателя представляют собой менее сложные твердотельные переключатели, они либо «включены», либо «выключены». Таким образом, контроллер шагового двигателя менее сложен и дорог, чем контроллер серводвигателя.

Slo-syn Синхронные двигатели могут работать от сетевого напряжения переменного тока, как однофазные асинхронные двигатели с постоянными конденсаторами. Конденсатор генерирует вторую фазу 90 ° . При постоянном сетевом напряжении у нас есть двухфазный привод.

Сигналы возбуждения биполярные (±) прямоугольные волны 2-24 В в наши дни более распространены.Биполярные магнитные поля также могут быть созданы из униполярных напряжений (одна полярность), приложенных к чередующимся концам обмотки с центральным отводом (рисунок ниже).

Другими словами, на двигатель можно переключить постоянный ток, чтобы он видел переменный ток. Поскольку обмотки последовательно запитываются, ротор синхронизируется с соответствующим магнитным полем статора. Таким образом, мы рассматриваем шаговые двигатели как класс синхронных двигателей переменного тока.

Униполярный привод катушки с центральным отводом в точке (b), имитирует переменный ток в одиночной катушке в точке (a)

Характеристики

Шаговые двигатели

прочные и недорогие, поскольку в роторе нет контактных колец обмотки или коммутатора.Ротор представляет собой твердое тело цилиндрической формы, которое также может иметь выступающие полюса или мелкие зубья. Чаще всего ротор представляет собой постоянный магнит.

Вы можете определить, что ротор представляет собой постоянный магнит, вращая рукой без питания, показывая крутящий момент фиксации , пульсации крутящего момента. Катушки шагового двигателя намотаны внутри многослойного статора, за исключением конструкции и конструкции . Фаз намотки может быть от двух до пяти.

Эти фазы часто разделяют на пары.Таким образом, 4-полюсный шаговый двигатель может иметь две фазы, состоящие из линейных пар полюсов, разнесенных на 90 ° . Также может быть несколько пар полюсов на фазу. Например, 12-полюсный шаговый двигатель имеет 6 пар полюсов, по три пары на фазу.

Поскольку шаговые двигатели не обязательно вращаются непрерывно, номинальная мощность в лошадиных силах отсутствует. Если они вращаются непрерывно, они даже не приблизятся к номинальной мощности в лошадиных силах. По сравнению с другими двигателями это действительно небольшие устройства с низким энергопотреблением.

Они имеют номинальный крутящий момент до тысячи дюйм-унций (дюймов-унций) или десяти Н-м (ньютон-метров) для блока размером 4 кг. Шаговый двигатель маленького размера «копейки» имеет крутящий момент в одну сотую ньютон-метра или несколько дюймов-унций. Большинство шаговых двигателей имеют диаметр в несколько дюймов с крутящим моментом в доли нм или несколько дюймов на дюйм.

Доступный крутящий момент является функцией скорости двигателя, инерции нагрузки, крутящего момента нагрузки и приводной электроники, как показано на кривой скорости и крутящего момента ниже. Удерживающий шаговый двигатель под напряжением имеет относительно высокий удерживающий момент , номинальный .Для работающего двигателя доступен меньший крутящий момент, который снижается до нуля на некоторой высокой скорости.

Эта скорость часто недостижима из-за механического резонанса комбинации нагрузок двигателя.

Скоростные характеристики шагового

Шаговые двигатели перемещаются по одному шагу за раз, угол шага при изменении формы волны возбуждения. Угол шага связан с деталями конструкции двигателя: числом витков, числом полюсов, числом зубцов.Это может быть от 90 ° до 0,75 ° , что соответствует от 4 до 500 шагов на оборот.

Электроника привода может уменьшить угол шага вдвое, перемещая ротор на полутонов .

Шаговые двигатели не могут мгновенно достичь скорости на кривой скорость-крутящий момент. Максимальная начальная частота — это самая высокая скорость, с которой может быть запущен остановленный и ненагруженный шаговый двигатель. Любая нагрузка сделает этот параметр недостижимым.

На практике частота шагов увеличивается во время пуска значительно ниже максимальной пусковой частоты.При остановке шагового двигателя скорость шага может быть уменьшена перед остановкой.

Максимальный крутящий момент, при котором шаговый двигатель может запускаться и останавливаться, равен моменту втягивания . Эта крутящая нагрузка на шаговый двигатель возникает из-за фрикционной (тормозной) и инерционной (маховик) нагрузок на вал двигателя. Когда двигатель набирает обороты, крутящий момент отрыва является максимальным устойчивым крутящим моментом без потери шагов.

Существует три типа шаговых двигателей в порядке возрастания сложности: переменное магнитное сопротивление, постоянный магнит и гибридные.Шаговый двигатель с переменным сопротивлением имеет прочный ротор из мягкой стали с выступающими полюсами. Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет цилиндрический ротор с постоянными магнитами.

Гибридный шаговый двигатель имеет зубцы из мягкой стали, добавленные к ротору с постоянным магнитом для уменьшения угла шага.

Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением

Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением использует магнитный поток, который ищет путь с наименьшим сопротивлением через магнитную цепь. Это означает, что магнитно-мягкий ротор неправильной формы будет двигаться, замыкая магнитную цепь, сводя к минимуму длину любого воздушного зазора с высоким сопротивлением.

Статор обычно имеет три обмотки, распределенные между парами полюсов, ротор — четыре выступающих полюса, что дает угол шага 30 ° . Обесточенный шаговый двигатель без фиксирующего момента при вращении рукой идентифицируется как шаговый двигатель с переменным сопротивлением.

Трехфазные и четырехфазные шаговые двигатели с регулируемым сопротивлением

Формы сигналов возбуждения для шагового двигателя с 3 фазами можно увидеть в разделе «Реактивный двигатель».Привод для шагового двигателя 4 φ показан на рисунке ниже. Последовательное переключение фаз статора создает вращающееся магнитное поле, за которым следует ротор.

Однако из-за меньшего количества полюсов ротора ротор перемещается на каждый шаг меньше, чем угол статора. Для шагового двигателя с переменным сопротивлением шаговый угол определяется по формуле:

 ΘS = 360o / NS ΘR = 360o / NR ΘST = ΘR - ΘS где: ΘS = угол статора, ΘR = угол ротора, ΘST = угол шага NS = количество полюсов статора, NP = количество полюсов ротора 

Последовательность шагов для шагового двигателя с переменным сопротивлением

На рисунке выше переход от φ1 к φ2 и т. Д., магнитное поле статора вращается по часовой стрелке. Ротор движется против часовой стрелки (CCW). Обратите внимание, чего не происходит! Точечный зуб ротора не перемещается на следующий зуб статора. Вместо этого поле статора φ2 притягивает другой зуб при перемещении ротора против часовой стрелки, который представляет собой меньший угол (15 ° ), чем угол статора 30 ° .

Угол зуба ротора 45 ° учитывается при вычислении по приведенному выше уравнению. Ротор перемещается против часовой стрелки к следующему зубцу ротора под углом 45 ° , но совмещается с направлением вращения на 30 ° зуба статора.Таким образом, фактический угол шага — это разница между углом статора 45 ° и углом ротора 30 °.

Как далеко повернулся бы шаговый двигатель, если бы ротор и статор имели одинаковое количество зубцов? Ноль — без обозначений.

При запуске в состоянии покоя с включенной фазой φ1 требуются три импульса (φ2, φ3, φ4) для совмещения «пунктирного» зубца ротора со следующим зубцом статора против часовой стрелки, который составляет 45 ° . С 3 импульсами на зуб статора и 8 зубцами статора, 24 импульса или шагов перемещают ротор на 360 ° .

При изменении последовательности импульсов направление вращения меняется на противоположное вверху справа. Направление, частота шагов и количество шагов регулируются контроллером шагового двигателя, питающим драйвер или усилитель. Это можно было бы объединить в единую печатную плату.

Контроллер может быть микропроцессором или специализированной интегральной схемой. Драйвер представляет собой не линейный усилитель, а простой двухпозиционный переключатель, способный выдавать достаточно большой ток, чтобы активировать шаговый двигатель. В принципе, драйвером может быть реле или даже тумблер для каждой фазы.На практике драйвером служат либо дискретные транзисторные переключатели, либо интегральная схема.

И драйвер, и контроллер могут быть объединены в единую интегральную схему, принимающую прямую команду и шаговый импульс. Он последовательно выводит ток на соответствующие фазы.

Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением

Вы можете разобрать шаговый резистор для просмотра внутренних компонентов. Внутренняя конструкция шагового двигателя с регулируемым сопротивлением показана на рисунке выше.У ротора выступающие полюса, так что они могут притягиваться к вращающемуся полю статора при его переключении. Настоящий двигатель намного длиннее, чем наша упрощенная иллюстрация.

Ходовой винт шагового привода с переменным сопротивлением

Вал часто снабжен приводным винтом (рисунок выше). Это может перемещать головки дисковода гибких дисков по команде контроллера дисковода гибких дисков.

Шаговые двигатели с регулируемым сопротивлением применяются, когда требуется только средний уровень крутящего момента и достаточен большой угол шага.Винтовой привод, используемый в дисководе гибких дисков, является таким приложением. Когда контроллер включается, он не знает положение каретки.

Однако он может двигать каретку к оптическому прерывателю, калибруя положение, в котором острие режущего края прерывает прерыватель, как «исходное». Контроллер отсчитывает пошаговые импульсы от этой позиции. Пока крутящий момент нагрузки не превышает крутящий момент двигателя, контроллер будет знать положение каретки.

Резюме: шаговый двигатель с переменным сопротивлением

• Ротор представляет собой цилиндр из мягкого железа с выступающими (выступающими) полюсами.
• Это наименее сложный и самый недорогой шаговый двигатель.
• Единственный тип шагового двигателя без фиксирующего момента при ручном вращении обесточенного вала двигателя.
• Большой угол ступени
• Ходовой винт часто устанавливается на вал для линейного шагового движения.

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет цилиндрический ротор с постоянными магнитами. Статор обычно имеет две обмотки. Обмотки могут быть отведены по центру, чтобы обеспечить возможность использования униполярной схемы драйвера , в которой полярность магнитного поля изменяется путем переключения напряжения с одного конца обмотки на другой.

Для питания обмоток без центрального ответвителя требуется биполярный привод с переменной полярностью. Чистый шаговый двигатель с постоянным магнитом обычно имеет большой угол шага. Вращение вала обесточенного двигателя показывает фиксирующий момент. Если угол фиксации большой, скажем, от 7,5 ° до 90 ° , это, скорее всего, шаговый двигатель с постоянным магнитом, а не гибридный шаговый двигатель.

Для шаговых двигателей с постоянными магнитами требуются фазные переменные токи, подаваемые на две (или более) обмотки.На практике это почти всегда прямоугольные волны, генерируемые твердотельной электроникой от постоянного тока.

Биполярный привод представляет собой прямоугольные волны, чередующиеся между (+) и (-) полярностями, например, от +2,5 В до -2,5 В. Униполярный привод подает (+) и (-) переменный магнитный поток на разработанные катушки от пары положительных прямоугольных волн, приложенных к противоположным концам катушки с центральным отводом. Синхронизация биполярной или униполярной волны — это волновой, полный или полушаговый.

Волновой привод

Последовательность возбуждения волн PM (a) φ1 +, (b) φ2 +, (c) φ1-, (d) φ2-

Концептуально простейшим приводом является волноводный привод .Последовательность вращения слева направо: положительная φ-1 направляет северный полюс ротора вверх, (+) φ-2 направляет ротор на север вправо, отрицательная φ-1 притягивает ротор на север вниз, (-) φ-2 направляет ротор влево. Приведенные ниже формы волны возбуждения показывают, что только одна катушка находится под напряжением одновременно. Несмотря на простоту, это не дает такого большого крутящего момента, как другие методы привода.

Формы сигналов: биполярный волновой привод

Формы сигналов (рисунок выше) биполярны, поскольку обе полярности, (+) и (-), управляют шаговым двигателем.Магнитное поле катушки меняется на противоположное, потому что меняется полярность управляющего тока.

Формы сигналов: однополярный волновой привод

Сигналы (рисунок выше) однополярны, потому что требуется только одна полярность. Это упрощает электронику привода, но требует вдвое больше драйверов. Форм сигналов вдвое больше, потому что пара (+) волн требуется для создания переменного магнитного поля путем приложения к противоположным концам катушки с центральным отводом.

Двигатель требует переменных магнитных полей. Они могут быть вызваны как униполярными, так и биполярными волнами. Однако обмотки двигателя должны иметь центральные отводы для униполярного привода.

Шаговые двигатели с постоянными магнитами производятся с различными конфигурациями выводов.

Схема подключения шагового двигателя

• 4-проводный двигатель может работать только с биполярным сигналом.
• Шестипроводный двигатель, наиболее распространенный вариант, предназначен для униполярного привода из-за центрального ответвления.Тем не менее, это может быть вызвано биполярными волнами, если игнорировать центральные отводы.
• 5-проводный двигатель может приводиться в движение только однополярными волнами, поскольку общий центральный ответвитель мешает, если обе обмотки находятся под напряжением одновременно.
• 8-проводная конфигурация встречается редко, но обеспечивает максимальную гибкость. Он может быть подключен как для униполярного привода, так и для 6-проводного или 5-проводного двигателя. Пара катушек может быть соединена последовательно для высоковольтного биполярного слаботочного привода или параллельно для низковольтного сильноточного привода.

Бифилярная обмотка получается путем параллельной намотки катушек двумя проводами, часто красного и зеленого эмалированного провода. Этот метод обеспечивает точное соотношение витков 1: 1 для обмоток с центральным отводом. Этот метод намотки применим ко всем схемам, кроме четырехпроводной схемы, описанной выше.

Полный шаговый привод

Полноступенчатый привод обеспечивает больший крутящий момент, чем волновой привод, потому что обе катушки находятся под напряжением одновременно. Это притягивает полюса ротора на полпути между двумя полюсами поля.(Рисунок ниже)

Полный шаг, биполярный привод

Полноступенчатый биполярный привод, как показано выше, имеет тот же угол шага, что и волновой привод. Для униполярного привода (не показан) потребуется пара униполярных сигналов для каждой из вышеуказанных биполярных сигналов, приложенных к концам обмотки с центральным отводом. В униполярном приводе используется менее сложная и менее дорогая схема драйвера. Дополнительная стоимость биполярного привода оправдана, когда требуется больший крутящий момент.

Полушаговый привод

Угол шага для заданной геометрии шагового двигателя сокращается вдвое с полушагом привода . Это соответствует удвоенному количеству ступенчатых импульсов на оборот. (Рисунок ниже) Полушаговый режим обеспечивает большее разрешение при установке вала двигателя.

Например, полушага двигателя, перемещающего печатающую головку по бумаге струйного принтера, удвоит плотность точек.

Полушаг, биполярный привод

Полушаговый привод представляет собой комбинацию волнового привода и полного шага привода, при котором одна обмотка запитана, а затем обе обмотки запитаны, что дает в два раза больше шагов.Формы униполярных сигналов для полушагового привода показаны выше. Ротор совмещен с полюсами возбуждения как для волнового привода, так и между полюсами как для полного шагового привода.

Микрошаги возможны со специализированными контроллерами. Изменяя токи в обмотках синусоидально, многие микрошаги могут быть интерполированы между нормальными положениями. Конструкция шагового двигателя с постоянными магнитами значительно отличается от приведенных выше рисунков.

Желательно увеличить количество полюсов сверх указанного, чтобы получить меньший угол шага.Также желательно уменьшить количество обмоток или, по крайней мере, не увеличивать количество обмоток для простоты изготовления.

Строительство

Конструкция шагового двигателя с постоянными магнитами значительно отличается от приведенных выше рисунков. Желательно увеличить количество полюсов сверх указанного, чтобы получить меньший угол ступеньки. Также желательно уменьшить количество обмоток или, по крайней мере, не увеличивать количество обмоток для простоты изготовления.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами, 24-полюсная конструкция штабелирования

Шаговый двигатель с постоянным магнитом имеет только две обмотки, но при этом имеет 24 полюса в каждой из двух фаз. Этот тип конструкции известен как , может складываться . Фазовая обмотка обернута оболочкой из малоуглеродистой стали с пальцами, выведенными к центру.

Одна фаза на временной основе будет иметь северную и южную стороны. Каждая сторона оборачивается к центру пончика двенадцатью встречно-гребенчатыми пальцами, всего 24 полюса.Эти чередующиеся пальцы север-юг будут притягивать ротор с постоянным магнитом.

Если полярность фазы поменять местами, ротор подскочит на 360 ° /24 = 15 ° . Мы не знаем, какое направление, что бесполезно. Однако, если мы активируем φ-1, а затем φ-2, ротор переместится на 7,5 ° , потому что φ-2 смещен (повернут) на 7,5 ° от φ-1. См. Смещение ниже. И он будет вращаться в воспроизводимом направлении, если фазы чередуются.

Применение любой из вышеуказанных форм сигнала приведет к вращению ротора с постоянным магнитом.

Обратите внимание, что ротор представляет собой серый ферритно-керамический цилиндр, намагниченный по показанной 24-полюсной схеме. Это можно увидеть с помощью магнитной пленки или железных опилок, нанесенных на бумажную обертку. При этом цвета будут зелеными как для северного, так и для южного полюсов с пленкой.

(а) внешний вид штабеля банок, (б) деталь смещения поля

Конструкция шагового двигателя PM в виде штабелированных банок отличительна, и ее легко идентифицировать по сложенным «банкам» (рисунок выше).Обратите внимание на смещение вращения между двухфазными секциями. Это ключ к тому, чтобы ротор следил за переключением полей между двумя фазами.

Резюме: шаговый двигатель с постоянными магнитами

• Ротор представляет собой постоянный магнит, часто ферритовую втулку, намагниченную множеством полюсов.
• Конструкция в виде штабеля банок обеспечивает множество полюсов от одной катушки с чередующимися пальцами из мягкого железа.
• Угол ступени от большого до среднего.
• Часто используется в компьютерных принтерах для продвижения бумаги.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридный шаговый двигатель сочетает в себе особенности шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением и шагового двигателя с постоянным магнитом для обеспечения меньшего угла шага. Ротор представляет собой цилиндрический постоянный магнит, намагниченный по оси радиальными зубьями из мягкого железа.

Катушки статора намотаны на чередующиеся полюсы с соответствующими зубьями. Обычно между парами полюсов распределяются две фазы обмотки.Эта обмотка может иметь центральное ответвление для униполярного привода. Центральный отвод достигается с помощью бифилярной обмотки , пары проводов, физически намотанных параллельно, но соединенных последовательно.

Полюса север-юг полярности смены фаз, когда ток фазового привода меняется на противоположное. Биполярный привод необходим для обмоток без отвода.

Гибридный шаговый двигатель

Обратите внимание, что 48 зубьев на одной секции ротора смещены на половину шага относительно другой.(См. Детали полюсов ротора выше. Это смещение зубцов ротора также показано ниже.) Из-за этого смещения ротор фактически имеет 96 чередующихся полюсов противоположной полярности.

Это смещение допускает вращение с шагом 1/96 оборота за счет изменения полярности поля одной фазы. Обычно используются двухфазные обмотки, как показано выше и ниже. Хотя фаз могло быть целых пять.

Зубья статора на 8 полюсах соответствуют зубьям 48 ротора, за исключением отсутствующих зубцов в пространстве между полюсами.Таким образом, один полюс ротора, скажем южный полюс, может быть совмещен со статором в 48 различных положениях. Однако зубцы южного полюса смещены от северных на половину зуба.

Следовательно, ротор может быть совмещен со статором в 96 различных положениях. Это половинное смещение зуба показано на детали полюса ротора выше или на рисунке ниже.

Как будто это было недостаточно сложно, главные полюса статора разделены на две фазы (φ-1, φ-2). Эти фазы статора смещены друг от друга на четверть зуба.Эта деталь видна только на схематических диаграммах ниже. В результате ротор перемещается с шагом в четверть зуба при поочередном включении фаз.

Другими словами, ротор движется с шагом 2 × 96 = 192 шага за оборот для вышеуказанного шагового двигателя.

На приведенном выше рисунке представлен действующий гибридный шаговый двигатель. Однако мы предоставляем упрощенное графическое и схематическое представление, чтобы проиллюстрировать детали, не очевидные выше. Обратите внимание на уменьшенное количество катушек и зубьев в роторе и статоре для простоты.

На следующих двух рисунках мы пытаемся проиллюстрировать вращение на четверть зуба, производимое двумя фазами статора, смещенными на четверть зуба, и смещение на половину зуба ротора. Смещение статора на четверть зуба в сочетании с синхронизацией тока привода также определяет направление вращения.

Схема гибридного шагового двигателя

Характеристики гибридной схемы шагового двигателя

• Верхняя часть ротора с постоянным магнитом — это южный полюс, нижняя часть — северный.
• Зубцы ротора с севера на юг смещены на половину зуба.
• Если статор φ-1 временно находится под напряжением, север вверху, юг внизу.
• Верхние зубцы статора φ-1 выровнены на север по отношению к верхним южным зубцам ротора.
• Нижние зубцы статора φ-1 ’выровнены на юг по отношению к нижним северным зубцам ротора.
• Крутящий момент, приложенный к валу, достаточный для преодоления удерживающего момента, сдвинет ротор на один зуб.
• Если поменять полярность φ-1, ротор переместится на половину зубца, направление неизвестно.Выравнивание будет следующим: верхняя часть южного статора — нижняя часть северного ротора, нижняя часть северного статора — южный ротор.
• Зубья статора φ-2 не совмещены с зубьями ротора, когда φ-1 находится под напряжением. Фактически, зубцы статора φ-2 смещены на четверть зуба. Это обеспечит вращение на эту величину, если φ-1 обесточен, а φ-2 включен. Полярность φ-1 и привода определяют направление вращения.

Последовательность вращения гибридного шагового двигателя

Вращение гибридного шагового двигателя

• Вверху ротора расположен постоянный магнит на юге, внизу — на севере.Поля φ1, φ-2 переключаемые: вкл., Выкл., Реверс.
• (a) φ-1 = вкл. = Север-верх, φ-2 = выкл. Выровнять (сверху вниз): φ-1 статор-N: ротор-верх-S, φ-1 ’статор-S: ротор-низ-N. Начальное положение, вращение = 0.
• (б) φ-1 = выключено, φ-2 = включено. Выровнять (справа налево): φ-2 статор-N-справа: ротор-верх-S, φ-2 ’статор-S: ротор-низ-N. Поверните на 1/4 зуба, полное вращение = 1/4 зуба.
• (c) φ-1 = реверс (включен), φ-2 = выключен. Выровнять (снизу вверх): φ-1 статор-S: ротор-нижний-N, φ-1 ’статор-N: ротор-верх-S.Поверните на 1/4 зуба от последнего положения. Полный оборот с начала: 1/2 зуба.
• Не показано: φ-1 = выключено, φ-2 = обратное (включено). Выровнять (слева направо): Общее вращение: 3/4 зуба.
• Не показано: φ-1 = включено, φ-2 = выключено (то же, что и (a)). Совмещение (сверху вниз): Общее вращение на 1 зуб.

Шаговый двигатель без источника питания с фиксированным крутящим моментом представляет собой шаговый двигатель с постоянным магнитом или гибридный шаговый двигатель. Гибридный степпер будет иметь небольшой угол шага, намного меньше, чем у 7.5 ° шаговых двигателей с постоянными магнитами. Угол шага может составлять доли градуса, что соответствует нескольким сотням шагов на оборот. Резюме: Гибридный шаговый двигатель

• Угол шага меньше, чем у шаговых двигателей с переменным магнитным сопротивлением или с постоянными магнитами.
• Ротор представляет собой постоянный магнит с мелкими зубьями. Северный и южный зубцы смещены на половину зуба для меньшего угла шага.
• Полюса статора имеют одинаковые мелкие зубья того же шага, что и ротор.
• Обмотки статора разделены не менее чем на две фазы.
• Полюса одной обмотки статора смещены на четверть зуба для еще меньшего угла шага.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

86БИГХ 3 гибридный трехфазный шаговый двигатель провода с цветом

черноты / серебра кодировщика

86BYGH 3-проводной гибридный трехфазный шаговый двигатель для маршрутизатора с ЧПУ

Шаговый двигатель серии NEMA 34 (дюйм) 86BYGH (MM)

Описание:
1.Гибридный шаговый двигатель 86 мм, размер 2 градуса. Шаговый двигатель с ЧПУ
Шаговый двигатель размером 86 мм, шаговый двигатель NEMA34, большие шаговые двигатели
, 3-фазный шаговый двигатель 86 мм, шаговый двигатель размером 86 мм Гибридные шаговые двигатели

1) Сертификаты CE и ROHS
2) Мы можем разработать версию дизайна заказчика

Применения:
Используется для шагового двигателя роботов, шагового двигателя электронного автоматического оборудования
, шагового двигателя медицинского инструмента
, шагового двигателя рекламного инструмента
, шагового двигателя осветительного и звукового оборудования
, шагового двигателя принтера
, шагового двигателя текстильного оборудования.
Шаговый двигатель с ЧПУ.

Угол шага —————————— 1,8 ° ± 5%

Повышение температуры ————————— 80 ℃ Макс.

Устойчивость к изоляции ——— 100 МОм мин., 500 В постоянного тока

Диэлектрическая прочность ——— 500 В переменного тока в течение одной минуты

Температура окружающей среды ———-— 20 ℃ ~ + 50 ℃

Радиальный люфт вала ——————————- 0,02Макс. (450 г-нагрузка)

Осевой люфт вала ——————————— 0.08Макс. (Нагрузка 450 г)

Условия отгрузки:
1. Мы отправим товары после получения оплаты;
2. Мы можем отправить вам UPS / DHL / TNT / EMS / FedEx. Пожалуйста, свяжитесь с нами напрямую, и мы будем использовать ваши предпочтительные способы.Для стран и регионов, в которые EMS не может доставить, пожалуйста, выберите другие способы доставки;
3. Товар будет отправлен в ближайшее время, в течение 1-3 дней;
4. Мы не несем ответственности за несчастные случаи, задержки или другие проблемы, которые находятся в ведении службы доставки;
5. Любые импортные пошлины или сборы возлагаются на покупателя.

Срок возврата и замены:
1. Мы предлагаем клиентам действительно надежную информацию о качестве;
2. Гарантия 30 дней с предоставленными неоригинальными запчастями;
3.Любые проблемы с деталями, пожалуйста, дайте нам знать как можно скорее;
4. Если товар должен быть возвращен, пожалуйста, сохраните первоначальное состояние;
5. Все транспортные расходы оплачиваются покупателем.

Двигатели имеют сертификат CE и ISO9001

Двигатели могут быть спроектированы в соответствии с требованиями заказчика

Как работает шаговый двигатель — Часть 1

Rh3T Magazine Vol 2, Dec 2009

ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ РАБОТАЮТ ОТ НОРМАЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА, КОТОРЫЕ ВРАЩАЮТСЯ ПРИ ПОДКЛЮЧЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ К ИХ КОНТАКТАМ.

Обзор

Шаговые двигатели были разработаны в начале 1960-х годов как недорогая альтернатива сервосистемам позиционирования в развивающейся индустрии компьютерной периферии. Основное преимущество шаговых двигателей заключается в том, что они могут обеспечить точное управление положением без необходимости обратной связи по положению. Другими словами, они могут работать «без обратной связи», что значительно снижает стоимость системы управления положением. Шаговый двигатель преобразует электронные импульсы в пропорциональное механическое движение.Каждый оборот вала шагового двигателя состоит из серии дискретных отдельных шагов. Шаг определяется как угловое вращение выходного вала каждый раз, когда двигатель получает шаговый импульс. Каждый шаг заставляет вал поворачиваться на определенное количество градусов. Размер этого шага зависит от расположения зубьев двигателя, но обычное значение составляет 1,8 градуса, или 200 шагов на оборот.

Шаговые двигатели по сравнению с другими двигателями

1.Бесщеточный

— Шаговые двигатели бесщеточные. Двигатели с контактными щетками создают искры, нежелательные в определенных условиях.

2. Удерживающий момент

— Шаговые двигатели обладают очень хорошей низкой скоростью и удерживающим моментом. Шаговые двигатели обычно оцениваются с точки зрения их удерживающего момента и могут даже удерживать положение (в меньшей степени) без подачи питания, используя магнитный «фиксирующий» момент.

3. Позиционирование с разомкнутым контуром

— Шаговые двигатели могут работать в «разомкнутом контуре» без необходимости использования какого-либо энкодера для определения положения вала.По сравнению с сервоприводами (системы с замкнутым контуром — системы, которые возвращают информацию о положении), шаговые двигатели очень просты в управлении. Положение вала гарантируется, пока крутящий момент двигателя достаточен для нагрузки во всех условиях эксплуатации.

4. Не зависит от нагрузки

— Скорость вращения шагового двигателя не зависит от нагрузки при условии, что он имеет достаточный крутящий момент для преодоления проскальзывания. Чем выше частота вращения шагового двигателя, тем больший крутящий момент ему требуется, поэтому все шаговые двигатели в конечном итоге начинают проскальзывать на некоторых оборотах.Скольжение обычно является катастрофой для степперов, потому что положение вала становится неизвестным. По этой причине программное обеспечение обычно поддерживает шаговую скорость в пределах максимальной максимальной скорости. В приложениях, где требуется известное число оборотов в минуту при переменной нагрузке, шаговые двигатели могут быть очень удобны.

Типичный 2-фазный униполярный шаговый двигатель

Характеристики шагового двигателя

Шаговые двигатели являются устройствами постоянной мощности. По мере увеличения скорости двигателя крутящий момент уменьшается.Кривая крутящего момента может быть расширена за счет использования драйверов с ограничением тока и увеличения управляющего напряжения.

Шаговые двигатели демонстрируют большую вибрацию, чем двигатели других типов, поскольку дискретный шаг имеет тенденцию переключать ротор из одного положения в другое. Эта вибрация может стать очень сильной на некоторых скоростях и привести к потере крутящего момента двигателя. Эффект можно смягчить за счет быстрого ускорения через проблемный диапазон скоростей, физического демпфирования системы или использования микрошагового драйвера. Двигатели с большим числом фаз также работают более плавно, чем двигатели с меньшим числом фаз.

Номинальные параметры и характеристики шагового двигателя

Паспортные данные шаговых двигателей обычно указывают только ток обмотки, а иногда и напряжение и сопротивление обмотки. Номинальное напряжение будет обеспечивать номинальный ток обмотки при постоянном токе: но это в большинстве случаев бессмысленное значение, поскольку все современные драйверы ограничивают ток, а напряжения привода значительно превышают номинальное напряжение двигателя.

Крутящий момент на низкой скорости шагового двигателя напрямую зависит от тока.Скорость падения крутящего момента на более высоких скоростях зависит от индуктивности обмотки и схемы возбуждения, к которой она подключена, особенно от управляющего напряжения.

Шаговые двигатели должны иметь размер в соответствии с опубликованной кривой крутящего момента, которая указана производителем при определенных напряжениях привода и / или с использованием собственной схемы привода. Не гарантируется, что вы достигнете одинаковых характеристик при различных схемах привода, поэтому при выборе пары следует соблюдать особую осторожность.

Обычно основные характеристики можно найти на паспортной табличке

Основы работы

Шаговые двигатели работают иначе, чем обычные двигатели постоянного тока, которые вращаются при подаче напряжения на их клеммы.С другой стороны, шаговые двигатели имеют несколько «зубчатых» электромагнитов, расположенных вокруг куска железа в форме центральной шестерни. Электромагниты получают питание от внешней цепи управления, такой как микроконтроллер. Чтобы заставить вал двигателя вращаться, сначала на один электромагнит подается мощность, которая заставляет зубья шестерни магнитно притягиваться к зубцам электромагнита. Когда зубья шестерни таким образом выровнены относительно первого электромагнита, они немного смещены относительно следующего электромагнита.Таким образом, когда следующий электромагнит включен, а первый выключен, шестерня слегка поворачивается, чтобы выровняться со следующей, и оттуда процесс повторяется. Каждый из этих небольших поворотов называется «шагом», при этом целое (полное число) количество шагов, совершающих полный оборот. Таким образом, двигатель можно повернуть на точный угол.

Типы шаговых двигателей

Шаговые двигатели можно классифицировать по их конструкции, топологии привода и схеме шага.Существует три основных типа конструкции шаговых двигателей. Они различаются по конструкции, основанной на использовании постоянных магнитов и / или чугунных роторов с ламинированными стальными статорами. К ним относятся:

1. Шаговый двигатель с постоянным магнитом
2. Гибридный синхронный шаговый двигатель
3. Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

Шаговые двигатели с постоянным магнитом недороги и имеют большой шаговый угол от 7,5 ° до 18 °. Шаговые двигатели с постоянными магнитами часто используются в недорогих потребительских товарах.Гибридные шаговые двигатели немного дороже и имеют угол шага 1,8 ° или 0,9 °. Гибридные шаговые двигатели преобладают в промышленных приложениях управления движением. Двигатели с регулируемым сопротивлением обычно имеют три или пять фаз и требуют другой топологии привода. Шаговые двигатели с регулируемым сопротивлением не рассматриваются в этой эталонной конструкции. Наиболее распространенным типом конструкции шагового двигателя, используемого для управления движением в промышленности, является гибридный двигатель с постоянными магнитами.

Двухфазные шаговые двигатели

Шаговые двигатели также бывают с разным количеством фаз.В этой статье мы будем подробно обсуждать только двухфазные шаговые двигатели, поскольку они используются чаще всего. В двухфазном шаговом двигателе существует два основных устройства намотки электромагнитных катушек: биполярное и униполярное.

Униполярные двигатели

Униполярный шаговый двигатель логически имеет две обмотки на фазу, по одной для каждого направления магнитного поля. Поскольку в этом устройстве магнитный полюс можно перевернуть без переключения направления тока, схему коммутации можно сделать очень простой (например,один транзистор) для каждой обмотки. Обычно для данной фазы один конец каждой обмотки делается общим: это дает три вывода на фазу и шесть выводов для типичного двухфазного двигателя. Часто эти две общие фазы соединены внутри, поэтому у двигателя всего пять выводов.

Микроконтроллер или контроллер шагового двигателя можно использовать для активации управляющих транзисторов в правильном порядке, и эта простота эксплуатации делает униполярные двигатели популярными среди любителей; они, вероятно, являются самым дешевым способом получения точных угловых перемещений.

Катушки униполярного шагового двигателя

Для экспериментатора один из способов отличить общий провод от провода на конце катушки — это измерить сопротивление. Сопротивление между общим проводом и проводом на конце катушки всегда вдвое меньше, чем между проводом на конце и на конце катушки. Это связано с тем, что на самом деле длина катушки между концами в два раза больше, а от центра (общего провода) до конца — только половина. Быстрый способ определить, работает ли шаговый двигатель, состоит в том, чтобы закоротить каждые две пары и попытаться повернуть вал, всякий раз, когда чувствуется сопротивление выше нормального, это указывает на то, что цепь к конкретной обмотке замкнута и что фаза работает. .

Униполярные шаговые двигатели с шестью или восемью проводами можно приводить в действие с помощью биполярных драйверов, оставляя общие общие фазы отключенными и одновременно управляя двумя обмотками каждой фазы. Также можно использовать биполярный драйвер для управления только одной обмоткой каждой фазы, оставляя половину обмоток неиспользуемой.

Биполярные двигатели

Биполярные двигатели логически имеют одну обмотку на фазу. Ток в обмотке необходимо реверсировать, чтобы перевернуть магнитный полюс, поэтому схема возбуждения должна быть более сложной, обычно с Н-мостовой схемой.На каждую фазу приходится два вывода, ни одного общего.

Эффекты статического трения при использовании H-образного моста наблюдались при определенных топологиях привода. Поскольку обмотки используются лучше, они более мощные, чем униполярный двигатель того же веса.

Катушки биполярного шагового двигателя

Униполярный и биполярный

Крутящий момент шагового двигателя пропорционален напряженности магнитного поля обмоток статора.Его можно увеличить, только добавив дополнительных обмоток или увеличив ток. Естественным ограничением любого увеличения тока является опасность насыщения железного сердечника. Гораздо важнее максимальное повышение температуры двигателя из-за потерь мощности в обмотках статора. Это показывает одно преимущество биполярной схемы, которая по сравнению с униполярными системами имеет только половину сопротивления меди из-за двойного сечения провода. Ток обмотки можно увеличить в √2 раз, и это окажет прямое пропорциональное влияние на крутящий момент.Таким образом, при пределе потерь мощности биполярные двигатели обеспечивают примерно на 40% больше крутящего момента (рис. 5), чем униполярные двигатели, построенные на той же раме. Если более высокий крутящий момент не требуется, можно либо уменьшить размер двигателя, либо уменьшить потери мощности. Сравнивая рисунок 3 и рисунок 4, вы заметите, что униполярным шаговым двигателем можно управлять, используя биполярный метод, удалив соединение общих проводов.

Драйвер биполярных двигателей обеспечивает больший крутящий момент, чем униполярные двигатели.

Трехфазные и др.

Студент последнего семестра Международного колледжа INTI опубликовал на веб-сайте Cytron запрос о методах различения двухфазных и четырехфазных шаговых двигателей. Я надеюсь, что вы хорошо знакомы с основными обмотками катушек двухфазного шагового двигателя, когда дойдете сюда. На рисунке 6 показаны обмотки трехфазного шагового двигателя. Для трехфазного биполярного подключения просто удалите соединение «com» ​​на Рисунке 6.Без дополнительных пояснений можно ясно увидеть разницу между двухфазным и трехфазным шаговым двигателем. Таким образом, добавление еще одной катушки к схеме на рисунке 6 дает в этом случае четырехфазный шаговый двигатель. До сих пор вы должны заметить, что наблюдение за количеством проводов не гарантирует правильного определения типа двигателя.

Катушки трехфазного униполярного шагового двигателя

8-выводный шаговый двигатель

8-выводный шаговый двигатель намотан как униполярный шаговый двигатель, но выводы не соединены с общим внутренним контактом двигателя.Этот тип двигателя может быть подключен в нескольких конфигурациях:

• 2-фазный униполярный с последовательными обмотками и общими проводами.
• 2-фазный биполярный с последовательными обмотками без учета общих проводов. Это дает более высокую индуктивность, но меньший ток на обмотку.
• 2-х фазный биполярный с параллельными обмотками. Это требует более высокого тока, но может работать лучше, поскольку индуктивность обмотки уменьшается.
• 4-х фазный биполярный с одной обмоткой на фазу. Этот метод запустит двигатель только на половине имеющихся обмоток, что снизит доступный крутящий момент на низкой скорости, но потребует меньшего тока.

8-выводные катушки шагового двигателя

Заключение

Шаговый двигатель может быть хорошим выбором, когда требуется контролируемое движение. Завершим статью обзором плюсов и минусов использования шаговых двигателей.

Плюсы

1. Угол поворота двигателя пропорционален входному импульсу.

2. Двигатель имеет полный крутящий момент в состоянии покоя (если обмотки находятся под напряжением).

3. Точное позиционирование и повторяемость движения, так как хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% шага, и эта ошибка не суммируется от одного шага к другому.

4. Отличная реакция на пуск / остановку / реверс.

5. Очень надежный, так как в двигателе нет контактных щеток. Следовательно, срок службы двигателя просто зависит от срока службы подшипника.

6. Реакция двигателей на импульсы цифрового входа обеспечивает управление без обратной связи, что упрощает управление двигателем и снижает его стоимость.

7. Можно добиться синхронного вращения на очень низкой скорости с нагрузкой, непосредственно связанной с валом.

8. Можно реализовать широкий диапазон скоростей вращения, поскольку скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Минусы

1. Требуется более сложный алгоритм управления и схема привода двигателя.

2. При неправильном контроле могут возникать резонансы.

3. Непросто работать на очень высоких скоростях.

В следующей части статьи будут описаны методы управления шаговыми двигателями и конструкция оборудования. Пожалуйста, не переключайтесь!

Информация взята из:

SD02B Руководство пользователя

http://www.st.com

http://www.stepperworld.com

http: //www.cs.uiowa .edu / ~ jones / step

http://www.solarbotics.net

DY3E Усилители DY3A 3-фазного составного шагового двигателя

Управление шаговым двигателем как бесщеточным двигателем с замкнутым контуром

Когда характеристики шагового двигателя с разомкнутым контуром не подходят для приложения, инженер обычно использует трехфазный бесщеточный двигатель с замкнутым контуром. Это решение может стать дорогостоящим, особенно если также требуется высокий крутящий момент. Однако теперь можно использовать опцию Galil 2 Phase Brushless (2PB) с шаговыми двигателями, чтобы получить преимущества как шаговых двигателей, так и трехфазных бесщеточных двигателей с обратной связью в одном небольшом и простом в использовании корпусе.Трехфазный BLM и 2PB являются взаимоисключающими функциями. Если вам требуется сочетание двигателей, обратитесь к инженеру по применению в Gal il.

Подобно трехфазному бесщеточному двигателю, Galil синусоидально коммутирует двухфазный шаговый двигатель, что обеспечивает плавное движение без разрывов. Небольшая разница в том, что каждая фаза в трехфазном бесщеточном двигателе смещена на 120 электрических градусов, в то время как каждая фаза в двухфазном шаговом двигателе смещена на 90 градусов. Решение 2PB с обратной связью также позволяет контроллеру использовать параметры ПИД, полюсные / узкополосные фильтры и параметры управления с прямой связью.Эти возможности позволяют контроллеру учитывать трение, резонансы и другие возмущения системы.

У шагового управления с обратной связью много преимуществ, таких как более высокая точность позиционирования и снижение энергопотребления двигателя. Другие преимущества включают высокий крутящий момент, сравнимый с реализацией трехфазного бесщеточного двигателя с коробкой передач. Самым большим преимуществом использования шаговых двигателей в управлении с обратной связью является низкая стоимость самих шаговых двигателей и экономическая выгода, заключающаяся в отсутствии необходимости в коробке передач, когда требуется высокий крутящий момент.Все эти преимущества обеспечивают идеальный вариант для приложений, требующих высокого крутящего момента, невысокой стоимости и точности.

Для получения дополнительной информации о характеристиках шагового двигателя с обратной связью, пожалуйста, обратитесь к статье «Повышение производительности шагового двигателя с обратной связью».

Опция 2PB теперь доступна для интегрированных синусоидальных усилителей Galil AMP-43540, AMP-43520 и DMC-30017.