Шаговый двигатель

 

Содержание

1. Устройство шаговых двигателей

     1.1.Шаговый двигатель, преимущества и недостатки

      1.2. Виды шаговых двигателей 

      1.3. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением 

      1.4. Двигатели с постоянными магнитами

     1.5. Гибридные двигатели

     1.6. Биполярные и униполярные шаговые двигатели

     1.7. Управления фазами шагового двигателя

2.Управления шаговым двигателем

      2.1. Способы управления шаговым двигателем

      2.2. Драйвер шагового двигателя

      2.3. Контроллер шагового двигателя

      2.4. Управление шаговым двигателем с помощью PC

3. Выводы

Рекомендуемая литература

 

 

 

 

 

 

 

1. Устройство шаговых  двигателей.

 

        1.1.Шаговый двигатель, преимущества и недостатки.

 

Шаговый двигатель –  это электромеханичское устройство,  которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Шаговый двигатель практически ничем не отличается от двигателей других типов. Чаще всего это круглый корпус, вал, несколько выводов (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид шаговых  двигателей семейства ДШИ-200.

Однако шаговые двигатели  обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает порой их исключительно  удобными для применения или даже незаменимыми. 

Чем же хорош шаговый двигатель? 

•  угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые  поданы на двигатель 

•  двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны) 

•  прецизионное позиционирование и повторяемость.  Хорошие шаговые  двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается  от шага к шагу 

•  возможность быстрого старта/остановки/реверсирования 

•  высокая надежность,  связанная с отсутствием щеток,  срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников 

•  однозначная зависимость  положения от входных импульсов  обеспечивает позиционирование без  обратной связи 

•  возможность получения  очень низких скоростей вращения для нагрузки,  присоединенной непосредственно  к валу двигателя без промежуточного редуктора 

•  может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей,  скорость пропорциональна частоте  входных импульсов 

Но не все так хорошо...

            •  шаговым двигателем присуще явление резонанса 

•  возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи 

•  потребление энергии  не уменьшается даже без нагрузки 

•  затруднена работа на высоких скоростях 

•  невысокая удельная мощность 

•  относительно сложная  схема управления 

Шаговые двигатели относятся  к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока.  Как и любые бесколлекторные двигатели, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в критичных, например, индустриальных применениях. По сравнению с обычными двигателями постоянного тока,  шаговые двигатели требуют значительно более сложных схем управления,  которые должны выполнять все коммутации обмоток при работе двигателя. 

Одним из главных преимуществ  шаговых двигателей является возможность  осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика  обратной связи. Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении и с  относительно постоянной нагрузкой. В  то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. 

В отличие от коллекторных двигателей, у котрых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигатель имеет больший момент на низких скоростях. К тому же,  шаговые двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными двигателями,  что ограничивает максимальное передаточное число и,  соответственно,  увеличение момента с помощью редуктора.

 

1.2.Виды шаговых двигателей. 

 

Существуют три основных типа шаговых двигателей: 

•  двигатели с переменным магнитным сопротивлением 

•  двигатели с постоянными  магнитами 

•  гибридные двигатели 

Определить тип двигателя  можном по конфигурации обмоток. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют три (реже четыре)  обмотки с одним общим выводом.  Двигатели с постоянными магнитами чаще всего имеют две независимые обмотки.  Эти обмотки могут иметь отводы от середины.  Иногда двигатели с постоянными магнитами имеют 4 раздельных обмотки.   В шаговом двигателе вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора,  которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов.  Полюс можно определить как некоторую область намагниченного тела,  где магнитное поле сконцентрировано.

Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин.  Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков.  Таким образом,  момент зависит от параметров обмоток.  Если хотя бы одна обмотка шагового двигателя запитана,  ротор принимает определенное положение. Он будет находится в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия. 

 

1.3.Двигатели с переменным магнитным сопротивлением.

 

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют  несколько полюсов на статоре  и ротор зубчатой формы из магнитомягкого материала (рис. 2). Намагниченность ротора отсутствует. Для простоты на рисунке ротор имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3  независимые обмотки,  каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель имет шаг 30 град. 

Рис. 2.  Двигатель с  переменным магнитным сопротивлением.

При включени тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут,  т.е.  зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов,  на которых находится запитанная обмотка.  Если затем выключить эту обмотку и включить следующую,  то ротор поменяет положение,  снова замкнув своими зубцами магнитный поток.  Таким образом,  чтобы осуществить непрерывное вращение,  нужно включать фазы попеременно.  Двигатель не чувствителен к направлению тока в обмотках.  Реальный двигатель может иметь большее количество полюсов статора и большее количество зубцов ротора,  что соответствует большему количеству шагов на оборот.  Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой,   что вместе с соответствующими зубцами ротора обеспечивает очень маленькое значения угла шага,  порядка нескольких градусов.  Двигатели с переменным магнитным сопротивлением довольно редко используют в индустриальных применениях. 

 

1.4.Двигатели с постоянными магнитами.

 

Двигатели с постоянными  магнитами состоят из статора,  который имеет обмотки,  и ротора,  содержащего постоянные магниты  (рис. 3). Чередующиеся полюса ротора имеют  прямолинейную форму и расположены  параллельно оси двигателя.  Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и,  как следствие,  больший момент,  чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением. 

Рис. 3.  Двигатель с  постоянными магнитами.

Показанный на рисунке  двигатель имеет 3  пары полюсов  ротора и 2  пары полюсов статора.

Двигатель имеет 2 независимые  обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах  статора.  Такой двигатель,  как  и рассмотренный ранее двигатель  с переменным магнитным сопротивлением, имеет величину шага 30 град. При включении тока в одной из катушек,  ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга.  Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно.  На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48 – 24  шага на оборот (угол шага 7.5 – 15 град).  

Разрез реального шагового двигателя с постоянными магнитами  показан на рис. 4. 

Рис. 4.  Разрез шагового двигателя  с постоянными магнитами.

Для удешевления конструкции  двигателя магнитопровод статора выполнен в виде штампованного стакана.  Внутри находятся полюсные наконечники в виде ламелей.  Обмотки фаз размещены на двух разных магнитопроводах,  которые установлены друг на друге.  Ротор представляет собой цилиндрический многополюсный постоянный магнит. 

 

1.5.Гибридные двигатели. 

 

Гибридные двигатели обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число  шагов на оборот для гибридных  двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3.6 – 0.9  град.).

Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с  переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.  Ротор гибридного двигателя имеет  зубцы, расположенные в осевом направлении (рис. 5). 

Рис. 5.  Гибридный двигатель.

Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит.  Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки – южными.  Кроме того,  верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.  Статор гибридного двигателя также имеет зубцы,  обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов,  в отличие от основных полюсов,  на которых расположены обмотки. Обычно используются 4  основных полюса для 3.6  град.  двигателей и 8  основных полюсов для 1.8-  и 0.9  град.  двигателей.  Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора,  что улучшает статический и динамический момент.  Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов,  когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора,  а часть между ними. 

Ротор показанного на рисунке  двигателя имеет 100  полюсов (50  пар),  двигатель имеет 2  фазы,  поэтому полное количество полюсов  – 200, а шаг, соответственно, 1.8 град.   Продольное сечение гибридного шагового двигателя показано на рис. 6.  Стрелками  показано направление магнитного потока постоянного магнита ротора.  Часть потока  (на рисунке показана черной линией)  проходит  через полюсные наконечники ротора,  воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании момента.

Рис. 6.  Продольный разрез гибридного шагового двигателя.

Как видно на рисунке,  воздушные зазоры у верхнего и  нижнего полюсного наконечника  ротора разные.  Это достигается  благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубъев.  Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальные воздушные зазоры и, как следствие,  обладает минимальным магнитным сопротивлением.  По этой цепи замыкается другая часть потока  (на рисунке показана штриховой белой линией),  которая и создает момент.  

Большинство современных  шаговых двигателей являются гибридными.  По сути гибридный двигатель является двигателем с постоянными магнитами,  но с большим числом полюсов. 

 

1.6.Биполярные и униполярные шаговые двигатели.   

 

В зависимости от конфигурации обмоток двигатели делятся на биполярные и униполярные.

Биполярный двигатель  имеет одну обмотку в каждой фазе,  которая для изменения направления  магнитного поля должна переполюсовывается драйвером.  Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер,  или полумостовой с двухполярным питанием.  Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода (рис. 7а).

Рис. 7.Биполярный двигатель (а), униполярный (б) и четырехобмоточный (в).

Униполярный двигатель также  имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод.  Это позволяет изменять направление  магнитного поля,  создаваемого обмоткой,  простым переключением половинок  обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь  только 4  простых ключа.  Таким образом,  в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля.  Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя,  поэтому такой двигатель может иметь 5  или 6  выводов (рис. 7б).

Иногда униполярные двигатели  имеют раздельные 4  обмотки.  Каждая обмотка имеет отдельные выводы,  поэтому всего выводов 8 (рис. 7в).  При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно  использовать как униполярный или  как биполярный. Униполярный двигатель  с двумя обмоткими и отводами тоже можно использовать в биполярном режиме,  если отводы оставить неподключенными.  В любом случае ток обмоток следует выбирать так,  чтобы не превысить максимальной рассеиваемой мощности.