Шаговый двигатель

Если сравнивать между  собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность. При одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент. 

Момент,  создаваемый шаговым  двигателем,  пропорционален величине магнитного поля,  создаваемого обмотками  статора. Путь для повышения магнитного поля – это увеличение тока или  числа витков обмоток.  Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения  железного сердечника.  Однако на практике это ограничение действует  редко.  Гораздо более существенным является ограничение по нагреву  двигателя в следствии омических потерь в обмотках.  Как раз этот факт и демонстрирует одно из преимуществ биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется  лишь половина обмоток.  Другая половина просто занимает место в окне сердечника,  что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра.  В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки, т.е. их использование оптимально. В таком двигателе сечение отдельных обмоток вдвое больше,  а омическое сопротивление – соответственно вдвое меньше.  Это позволяет увеличить ток в корень из двух раз при тех же потерях,  что дает выигрыш в моменте примерно 40%.  Если же повышенного момента не требуется,  униполярный двигатель позволяет уменьшить габариты или просто работать с меньшими потерями.  На практике все же часто применяют униполярные двигатели,  так как они требуют значительно более простых схем управления обмотками.  Это важно,  если драйверы выполнены на дискретных компонентах.  В настоящее время существуют специализированные микросхемы драйверов для биполярных двигателей,  с использованием которых драйвер получается не сложнее,  чем для униполярного двигателя.  Например,  это микросхемы L293E, L298N  или L6202  фирмы SGS-Thomson, PBL3770,  PBL3774  фирмы Ericsson, NJM3717, NJM3770, NJM3774  фирмы JRC, A3957  фирмы Allegro,  LMD18T245 фирмы National Semiconductor.

 

1.7.Управления фазами шагового двигателя. 

 

Первый способ обеспечивается попеременной коммутации фаз, при этом они не перекрываются, в один момент времени включена только одна фаза  (рис  8а). Этот способ называют ”one phase on” full step  или wave drive mode.  Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными»  точками равновесия ротора у незапитанного двигателя.  Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени иcпользуется 50% обмоток, а для униполярного – только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент. 

Рис. 8.  Различные способы  управления фазами шагового двигателя.

Второй способ - управление фазами с перекрытием: две фазы включены в одно и то же время. Его называют ”two-phase-on” full step  или просто full step mode.  При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора  (рис. 8б)  и обеспечивается примерно на 40%  больший момент,  чем в случае одной включенной фазы.  Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага,  как и первый способ,  но положение точек равновесия ротора смещено на пол-шага. 

Третий способ является комбинацией  первых двух и называется полушаговым режимом, ”one and  two-phase-on” half step  или просто half step mode,  когда двигатель делает шаг в половину основного. Этот метод управления достаточно распространен, так как двигатель с меньшим шагом стоит дороже и очень заманчиво получить от 100-шагового двигателя 200  шагов на оборот.

Каждый второй шаг запитана лишь одна фаза,  а в остальных  случаях запитаны две  (рис. 8в). В  результате угловое перемещение  ротора составляет половину угла шага для первых двух способов управления.  Кроме уменьшения размера шага этот способ управления позволяет частично избавиться от явления резонанса.  Полушаговый режим обычно не позволяет получить полный момент,  хотя наиболее совершенные драйверы реализуют модифицированный полушаговый режим,  в котором двигатель обеспечивает практически полный момент,  при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной. 

Еще один способ управления называется микрошаговым режимом или micro stepping mode.  При этом способе управления ток в фазах нужно менять небольшими шагами,  обеспечивая таким образом дробление половинного шага на еще меньшие микрошаги. Когда одновременно включены две фазы,  но их токи не равны,  то положение равновесия ротора будет лежать не в середине шага, а в другом месте, определяемом соотношением токов фаз. Меняя это соотношение, можно обеспечить некоторое количество микрошагов внутри одного шага.  Кроме увеличения разрешающей способности,  микрошаговый режим имеет и другие преимущества,  которые будут описаны ниже.  Вместе с тем,  для реализации микрошагового режима требуются значительно более сложные драйверы,  позволяющие задавать ток в обмотках с необходимой дискретностью.

Полушаговый режим является частным случаем микрошагового режима,  но он не требует формирования ступенчатого тока питания катушек, поэтому часто реализуется.   В полношаговом режиме с двумя включенными фазами положения точек равновесия ротора смещены на пол-шага. Нужно отметить, что эти положения ротор принимает при работе двигателя, но положение ротора не может сохраняться неизменным после выключения тока обмоток.

Поэтому при включении  и выключении питания двигателя  ротор будет смещаться на пол-шага.  Для того, чтобы он не смещался при остановке, необходимо подавать в обмотки ток удержания. То же справедливо и для полушагового и микрошагового режимов.  Следует отметить,  что если в выключенном состоянии ротор двигателя поворачивался,  то при включении питания возможно смещение ротора и на большую, чем половина шага величину. 

Ток удержания может быть меньше номинального,  так как  от двигателя с неподвижным ротором  обычно не требуется большого момента.  Однако есть применения,  когда в  остановленном состоянии двигатель  должен обеспечивать полный момент, что  для шагового двигателя возможно.

Это свойство шагового двигателя  позволяет в таких ситуациях  обходиться без механических тормозных  систем.  Поскольку современные  драйверы позволяют регулировать ток  питания обмоток двигателя,  задание  необходимого тока удержания обычно не представляет проблем.  

Для двигателя, у которого запитана одна обмотка, зависимость  момента от угла поворота ротора относительно точки равновесия является приблизительно синусоидальной.  Эта зависимость  для двухобмоточного двигателя, который имеет N шагов на оборот (угол шага в радианах S = (2*pi)/N),  показана на рис. 9. 

Рис. 9.  Зависимость момента  от угла поворота ротора для одной  запитанной обмотки.

Реально характер зависимости  может быть несколько другой,  что объясняется неидеальностью геометрии ротора и статора.  Пиковое значение момента называется моментом удержания.

Если к ротору приложить  внешний момент,  который превышает  момент удержания,  ротор провернется. Если внешний момент не превышает  момента удержания, то ротор будет  находится в равновесии в пределах угла шага.  Нужно отметить,  что у обесточенного двигателя момент удержания не равен нулю вследствие действия постоянных магнитов ротора. Этот момент обычно составляет около 10% максимального момента, обеспечиваемого двигателем.  

Если запитать одновременно две обмотки двигателя,  то момент будет равен сумме моментов,  обеспечиваемых обмотками по отдельности (рис. 10). 

Рис. 10. Зависимость момента  от угла поворота ротора для двух запитанных обмоток.

При этом,  если токи в обмотках одинаковы,  то точка максимума момента будет смещена на половину шага. На половину шага сместится и точка равновесия ротора (точка e на рисунке). Этот факт и положен в основу реализации полушагового режима. Пиковое значение момента (момент удержания) при этом будет в корень из двух раз больше, чем при одной запитанной обмотке.  

Именно этот момент обычно и указывается в характеристиках  шагового двигателя.   Величина и направление магнитного поля показаны на векторной диаграмме (рис. 11). 

Рис. 11. Величина и направление  магнитного поля для разных режимов  питания фаз.

По сравнению с полношаговым режимом, полушаговый режим имеет следующие преимущества: 

•  более высокая разрешающая  способность без применения более  дорогих двигателей 

•  меньшие проблемы с  явлением резонанса.  Резонанс приводит лишь к частичной потере момента, что обычно не мешает нормальной работе привода. 

Недостатком полушагового режима является довольно значительное  колебание момента от шага к шагу. В тех положениях ротора, когда запитана одна фаза, момент составляет примерно 70% от полного, когда запитаны две фазы. Эти колебания могут явиться причиной повышенных вибраций и шума, хотя они всё равно остаются меньшими, чем в полношаговом режиме. 

Микрошаговый режим обеспечивается путем получения поля статора,  вращающегося более плавно, чем в полно- или полушаговом режимах. В результате обеспечиваются меньшие вибрации и практически бесшумная работа вплоть до нулевой частоты.  К тому же меньший угол шага способен обеспечить более точное позиционирование.  Существует много различных микрошаговых режимов, с величиной шага от 1/3 полного шага до 1/32 и даже меньше. Шаговый двигатель является синхронным электродвигателем.  Это значит,  что положение равновесия неподвижного ротора совпадает с направлением магнитного поля статора.  При повороте поля статора ротор тоже поворачивается, стремясь занять новое положение равновесия. 

Рис. 12. Зависимость момента  от угла поворота ротора в случае разных значений тока фаз.

Чтобы получить нужное направление  магнитного поля, необходимо выбрать  не только правильное направление токов  в катушках, но и правильное соотношение  этих токов. 

Смещение точки равновесия ротора говорит о том,  что ротор  можно зафиксировать в любой  произвольной позиции.  Для этого  нужно лишь правильно установить отношение токов в фазах.  Именно этот факт используется при реализации микрошагового режима.

Часто простота системы является решающим фактором, даже если при этом придется применить двигатель больших  габаритов.  Несмотря на то,  что драйвер,  обеспечивающий микрошаговый режим, намного сложнее обычного драйвера, всё равно система может оказаться более простой и дешевой, чем шаговый двигатель, плюс редуктор. Современные микроконтроллеры иногда имеют встроенные ЦАПы,  которые можно использовать для реализации микрошагового режима взамен специальных контроллеров.  Это позволяет сделать практически одинаковой стоимость оборудования для полношагового и микрошагового режимов. 

На практике при осуществлении  каждого шага ротор не сразу останавливается  в новом положении равновесия,  а осуществляет затухающие колебания  вокруг положения равновесия.  Время  установления зависит от характеристик  нагрузки и от схемы драйвера.  Во многих приложениях такие колебания  являются нежелательными.  Избавиться от этого явления можно путем  использования микрошагового режима.  На рис.13  показаны перемещения ротора при работе в полношаговом и микрошаговом режимах. 

Рис. 13. Перемещения ротора в полношаговом и микрошаговом режимах.

Видно,  что в полношаговом режиме наблюдаются выбросы и колебания,  в то время как в микрошаговом режиме их нет. Однако и в этом режиме график положения ротора отличается от прямой линии. Эта погрешность объясняется погрешностью геометрии деталей двигателя и может быть уменьшена путем проведения калибровки и последующей компенсации путем корректировки токов фаз. 

На практике существуют некоторые  факторы,  ограничивающие точность работы привода в микрошаговом режиме.  Некоторые из них относятся к драйверу,  а некоторые непосредственно к двигателю. 

 

2. Управления шаговым  двигателем.

 

2.1. Способы управления  шаговым двигателем.

 

Для питания обычного двигателя  постоянного тока требуется лишь источник постоянного напряжения,  а необходимые коммутации обмоток  выполняются коллектором.  С шаговым двигателем всё сложнее.  Все комутации должен выполнять внешний контроллер.  В настоящее время примерно в 95%  случаев для управления шаговыми двигателями используются микроконтроллеры.  В простейшем случае для управления шаговым двигателем в полношаговом режиме требуются всего два сигнала, сдвинутые по фазе на 90 градусов. Направление вращения зависит  от того, какая фаза опережает. Скорость определяется часотой следования импульсов. В полушаговом режиме всё несколько сложнее и требуется уже минимум 4  сигнала.  Все сигналы управления шаговым двигателем можно сформировать программно, однако это вызовет большую загрузку микроконтроллера.  Поэтому чаще применяют специальные микросхемы драйверов шагового двигателя,  которые уменьшают количество требуемых от процессора динамических сигналов.  Типично эти микросхемы требуют тактовую частоту,  которая является частотой повторения шагов и статический сигнал,  который задает направление.  Иногда еще присутствует сигнал включения полушагового режима.  Для микросхем драйверов,  которые работают в микрошаговом режиме,  требуется большее количество сигналов.  Распространенным является случай,  когда необходимые последовательности сигналов управления фазами формируются с помощью одной микросхемы,  а необходимые токи фаз обеспечивает другая микросхема. Хотя в последнее время появляется все больше драйверов,  реализующих все функции в одной микросхеме.