Виды шаговых двигателей

 

Держи его!

 

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. Задача обычно заключается просто в соответствующей программной поддержке для управляющего микроконтроллера.

 

Полушаговый режим 

 

Основным принципом работы шагового двигателя является создание вращающегося магнитного поля, которое заставляет ротор поворачиваться. Вращающееся магнитное поля создается статором, обмотки которого соответствующим образом запитываются.

 

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. Формула, описывающая зависимость момента  от угла поворота ротора, имеет следующий вид:

T = - Th*sin((pi/2)/S)*Ф),

где T – момент, Th – момент удержания,

S – угол шага,

Ф – угол поворота ротора.

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.

 

Иногда используют термины «механический  угол поворота ротора» и «электрический угол поворота ротора». Механический угол вычисляется исходя из того, что  полный оборот ротора составляет 2*pi радиан. При вычислении электрического угла принимается, что один оборот соответствует одному периоду угловой зависимости момента. Для приведенных выше формул Ф является механическим углом поворота ротора, а электрический угол для двигателя, имеющего 4 шага на периоде кривой момента, равен ((pi/2)/S)*Ф или (N/4)*Ф, где N – число шагов на оборот. Электрический угол фактически определяет угол поворота магнитного поля статора и позволяет строить теорию независимо от числа шагов на оборот для конкретного двигателя.

 

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.

Th2 = 2 0.5*Th1,

 

где Th2 – момент удержания при  двух запитанных обмотках,

Th1 – момент удержания 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.

 

Оси X и Y совпадают с направлением магнитного поля, создаваемого обмотками  первой и второй фазы двигателя. Когда двигатель работает с одной включенной фазой, ротор может занимать положения 1, 3, 5, 7. Если включены две фазы, то ротор может занимать положения 2, 4, 6, 8. К тому же, в этом режиме больше момент, так как он пропорционален длине вектора на рисунке. Оба эти метода управления обеспечивают полный шаг, но положения равновесия ротора смещены на пол-шага. Если скомбинировать два этих метода и подать на обмотки соответствующие последовательности импульсов, то можно заставить ротор последовательно занимать положения 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, что соответствует половинному шагу.

 

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.

 

Способом устранения колебаний момента является поднятие момента в положениях с одной включенной фазой и обеспечение таким образом одинакового момента во всех положениях ротора. Это может быть достигнуто путем увеличения тока в этих положениях до уровня примерно 141% от номинального. Некоторые драйверы, такие как PBL 3717/2 и PBL 3770A фирмы Ericsson, имеют логические входы для изменения величины тока. Нужно отметить, что величина 141% является теоретической, поэтому в приложениях, требующих высокой точности поддержания момента эта величина должна быть подобрана экспериментально для конкретной скорости и конкретного двигателя. Поскольку ток поднимается только в те моменты, когда включена одна фаза, рассеиваемая мощность равна мощности в полношаговом режиме при токе 100% от номинального. Однако такое увеличение тока требует более высокого напряжения питания, что не всегда возможно. Есть и другой подход. Для устранения колебаний момента при работе двигателя в полушаговом режиме можно снижать ток в те моменты, когда включены две фазы. Для получения постоянного момента этот ток должен составлять 70.7% от номинального. Таким образом реализует полушаговый режим, например, микросхема драйвера A3955 фирмы Allegro.

 

Для полушагового режима очень важным является переход в состояние  с одной выключенной фазой. Чтобы заставить ротор принять соответствующее положение, ток в отключенной фазе должен быть уменьшен до нуля как можно быстрее. Длительность спада тока зависит от напряжения на обмотке в то время, когда она теряет свою запасенную энергию. Замыкая в это время обмотку на источник питания, который представляет максимальное напряжение, имеющееся в системе, обеспечивается максимально быстрый спад тока. Для получения быстрого спада тока при питании обмоток двигателя H-мостом все транзисторы должны закрываться, при этом обмотка через диоды оказывается подключенной к источнику питания. Скорость спада тока значительно уменьшится, если один транзистор моста оставить открытым и закоротить обмотку на транзистор и диод. Для увеличения скорости спада тока при управлении униполярными двигателями подавление выбросов ЭДС самоиндукции предпочтительнее осуществлять не диодами, а варисторами или комбинацией диодов и стабилитрона, которые ограничат выброс на большем, но безопасном для транзисторов уровне.

 

Микрошаговый режим

 

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.

 

Если одновременно запитаны две  обмотки двигателя, но токи в этих обмотках не равны (рис. 12), то результирующий момент будет

Th = ( a2 + b2 )0.5,

 

а точка равновесия ротора сместится  в точку 

 

x = ( S / (pi/2) ) arctan( b / a ),

 

где a и b – момент, создаваемый первой и второй фазой соответственно,

Th – результирующий момент  удержания,

x – положение равновесия ротора  в радианах,

S – угол шага в радианах.

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.

Ещё раз нужно отметить, что приведенные  выше формулы верны только в том  случае, если зависимость момента  от угла поворота ротора синусоидальная и если ни одна часть магнитной  цепи двигателя не насыщается.

 

В пределе, шаговый двигатель может  работать как синхронный электродвигатель в режиме непрерывного вращения. Для  этого токи его фаз должны быть синусоидальными, сдвинутыми друг относительно друга на 90 град.

 

Результатом использования микрошагового режима является намного более плавное вращение ротора на низких частотах. На частотах в 2 – 3 раза выше собственной резонансной частоты ротора и нагрузки, микрошаговый режим дает незначительные преимущества по сравнению с полу- или полношаговым режимами. Причиной этого является фильтрующее действие инерции ротора и нагрузки. Система с шаговым двигателем работает подобно фильтру нижних частот. В микрошаговом режиме можно осуществлять только разгон и торможение, а основное время работать в полношаговом режиме. К тому же, для достижения высоких скоростей в микрошаговом режиме требуется очень высокая частота повторения микрошагов, которую не всегда может обеспечить управляющий микроконтроллер. Для предотвращения переходных процессов и потери шагов, переключения режимов работы двигателя (из микрошагового режима в полношаговый и т.п.) необходимо производить в те моменты, когда ротор находится в положении, соответствующем одной включенной фазе. Некоторые микросхемы драйверов микрошагового режима имеют специальный сигнал, который информирует о таком положении ротора. Например, это драйвер A3955 фирмы Allegro.

 

Во многих приложениях, где требуются  малые относительные перемещения  и высокая разрешающая способность, микрошаговый режим способен заменить механический редуктор. 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.

 

Иногда микрошаговый режим используется для увеличения точности величины шага сверх заявленной производителем двигателя. При этом используется номинальное  число шагов. Для повышения точности используется коррекция положения ротора в точках равновесия. Для этого сначала снимают характеристику для конкретного двигателя, а затем, изменяя соотношение токов в фазах, корректируют положение ротора индивидуально для каждого шага. Такой метод требует предварительной калибровки и дополнительных ресурсов управляющего микроконтроллера. Кроме того, требуется датчик начального положения ротора для синхронизации его положения с таблицой корректирующих коэффициентов.

 

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.

 

Обычно производители шаговых  двигателей указывают такой параметр, как точность шага. Точность шага указывается  для положений равновесия ротора при двух включенных фазах, токи которых  равны. Это соответствует полношаговому режиму с перекрытием фаз. Для микрошагового режима, когда токи фаз не равны, никаких данных обычно не приводится.