Виды шаговых двигателей

 

В данной программе периодичность  вычисления новых значений скорости и периода выбрана равной 15.625мс. Такое значение выбрано не случайно. Этот интервал составляет 1/64с, а главное, он содержит целое число периодов переполнения таймера 0 (25мкс). Удобно, если значения скорости и ускорения задаются в естественных единицах, т.е. в шагах в секунду и в шагах, деленных на секунду в квадрате. Для того чтобы иметь возможность в целочисленной арифметике вычислять мгновенную скорость 64 раза в секунду, нужно перейти к внутреннему представлению скорости, увеличенному в 64 раза. Умножение и деление на 64 сводится к обычным сдвигам и поэтому требует очень мало времени. Заданную периодичность вычислений обеспечивает еще один программный таймер URCNT, который декрементируется в прерывании таймера 0 (раз в 25мкс). Этот таймер всегда загружается постоянной величиной, что обеспечивает неизменный период его переполнений, равный 15.625мс. При переполнении этого таймера устанавливается битовый флаг UPD, который сигнализирует основной программе, что «пора-бы обновить значения скорости и периода».

 

Основная программа (рис. 34) выполняет  вычисление мгновенных значений скорости и периода следования шагов, обеспечивая  необходимую кривую разгона. В данном случае разгон и торможение осуществляются с постоянным ускорением, поэтому скорость меняется линейно. Период при этом меняется по гиперболическому закону, и его вычисление – основная работа программы.

Рис. 34. Блок-схема основного цикла  программы.

 

Обновление значений скорости и  периода следования шагов основная программа делает периодически, периодичность задается флагом UPD. Обновление программа делает на основе сравнения значений двух переменных: мгновенной скорости VC и требуемой скорости VR.

 

Значение требуемой скорости также  определяется в основной программе. Это делается на основе анализа управляющих сигналов и сигналов с концевых выключателей. В зависимости от этих сигналов, основная программа загружает переменную VR значением требуемой скорости. В данной программе это V для движения вперед, -V для движения назад и 0 для остановки. В общем случае, набор скоростей (а также ускорений и токов фаз) может быть сколь угодно большим, в зависимости от требований.

 

Если скорости VC и VR равны, значит, шаговый двигатель работает в  стационарном режиме и обновления не требуется. Если же скорости не равны, то значение VC с заданным ускорением приближается к VR, т.е. двигатель ускоряется (или замедляется) до достижения номинальной скорости. В случае, когда даже знаки VR и VC отличаются, двигатель замедляется, реверсируется и потом достигает требуемой скорости. Происходит это как-бы само собой, благодаря структуре программы.

 

Если при очередной проверке обнаруживается, что скорости VR и VC не равны, то к значению VC прибавляется (или вычитается) значение ускорения A. Если в результате этой операции происходит превышение требуемой скорости, то полученное значение корректируется путем замены на точное значение требуемой скорости.

 

Затем происходит вычисление периода T (рис. 35).

Рис. 35. Блок-схема подпрограммы вычисления периода.

 

Вначале вычисляется модуль текущей  скорости. Затем происходит ограничение  минимальной скорости. Это ограничение  необходимо по двум причинам. Во-первых, бесконечно малой скорости соответствует бесконечно большой период, что вызовет ошибку в вычислениях. Во-вторых, шаговые двигатели имеют довольно протяженную по скорости зону старта, поэтому нет необходимости стартовать на очень маленькой скорости, тем более что вращение на малых скоростях вызывает повышенный шум и вибрацию. Значение минимальной скорости VMIN должно выбираться исходя из конкретной задачи и типа двигателя. После ограничения минимальной скорости производится вычисление периода по формуле T = 2560000/|VC|. На первый взгляд формула не очевидна, но если учесть, что период необходимо получить в 25мкс-интервалах, а внутреннее представление VC – это умноженное на 64 ее истинное значение, то все становится на свои места. При вычислении T требуется операция беззнакового деления формата 24/24, которое AVR на тактовой частоте 10МГц делает примерно за 70мкс. Учитывая, что вычисления периода происходят не чаще, чем один раз в 15.625мс, загрузка процессора получается очень низкой. Основную загрузку производит прерывание таймера 0, да и оно в основном выполняется по короткой ветке (без переполнения STCNT) длительностью примерно 3мкс, что соответствует 12%-й загрузке процессора. Это означает, что имеются значительные резервы вычислительных ресурсов.

 

Печатная плата контроллера  шагового двигателя приведена на рис. 36.

Рис. 36. Печатная плата контроллера  шагового двигателя.

 

Приведенная демонстрационная программа  не имеет многих функций, которые  должны присутствовать в законченном  контроллере шагового двигателя. Реализация этих функций сильно зависит от особенностей применения конкретного шагового двигателя и вряд ли может быть сделана универсальной. В то же время приведенная программа может служить основой для написания специальных программ, обладающих тем или иным набором возможностей. Например, на основе данной платы создан ряд специализированных контроллеров шаговых двигателей. Одна из моделей такого контроллера обладает следующими возможностями:

максимальная частота коммутации фаз 3 Кгц 

разгон с постоянным ускорением

программируемое направление вращения

программируемое ускорение 

программируемый средний ток обмоток 

программируемый ток удержания 

режим перемещения на N шагов 

полушаговый режим 

формирователь импульса привязки с  программируемой задержкой

хранение основных параметров в  энергонезависимой памяти

один внешний источник питания 

управление по интерфейсу RS-232C или  местное 

адресация до 7 устройств на одном RS-232C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Види крокових двигунів 
 
Існують три основні типи крокових двигунів : 
двигуни з перемінним магнітним опором 
двигуни з постійними магнітами 
гібридні двигуни 
Визначити тип двигуна можна навіть на дотик : при обертанні валу знеструмленого двигуна з постійними магнітами (або гібридного ) відчувається змінний опір обертанню , двигун обертається ніби клацаннями . Водночас вал знеструмленого двигуна із змінним магнітним опором обертається вільно . Гібридні двигуни є подальшим удосконаленням двигунів з постійними магнітами і за способом управління нічим від них не відрізняються. Визначити тип двигуна можна також по конфігурації обмоток. Двигуни з перемінним магнітним опором зазвичай мають три ( рідше чотири ) обмотки з одним загальним висновком. Двигуни з постійними магнітами найчастіше мають дві незалежні обмотки. Ці обмотки можуть мати відводи від середини. Іноді двигуни з постійними магнітами мають 4 роздільних обмотки. 
 
У кроковому  двигуні обертовий момент створюється магнітними потоками статора і ротора , які відповідним чином орієнтовані один щодо одного. Статор виготовлений з матеріалу з високою магнітною проникністю і має декілька полюсів. Полюс можна визначити як деяку область намагніченого тіла , де магнітне поле сконцентровано . Полюса мають як статор , так і ротор. Для зменшення втрат на вихрові струми магнітопроводи зібрані з окремих пластин , подібно сердечникові трансформатора. Обертаючий момент пропорційний величині магнітного поля , яка пропорційна струму в обмотці і кількості витків. Таким чином , момент залежить від параметрів обмоток. Якщо хоча б одна обмотка крокової двигуна запитана , ротор приймає певне положення . Він буде знаходиться в цьому положенні до тих пір , поки зовнішній прикладений момент не перевищить деякого значення , званого моментом утримання . Після цього ротор повернеться і буде намагатися прийняти одне з таких положень рівноваги . 
 
Двигуни з перемінним магнітним опором 
 
Крокові двигуни з перемінним магнітним опором мають кілька полюсів на статорі і ротор зубчастої форми з магніто-мягкого матеріалу ( рис. 2 ) . Намагніченість ротора відсутня. Для простоти на малюнку ротор має 4 зубці , а статор має 6 полюсів. Двигун має 3 незалежні обмотки , кожна з яких намотана на двох протилежних полюсах статора. Такий двигун має крок 30 град.

 

 

 

 

 

 

Рис . 2 . Двигун з змінним магнітним  опором. 
 
При включенні струму в одній з котушок , ротор прагне зайняти положення , коли магнітний потік замкнутий, тобто зубці ротора будуть знаходитися напроти тих полюсів , на яких знаходиться живиться обмотка . Якщо потім вимкнути цю обмотку і включити наступну , то ротор поміняє положення , знову замкнувши своїми зубцями магнітний потік . Таким чином , щоб здійснити безперервне обертання , потрібно включати фази поперемінно . Двигун не чутливий до напрямку струму в обмотках . Реальний двигун може мати більшу кількість полюсів статора і більша кількість зубців ротора , що відповідає більшій кількості кроків на оборот . Іноді поверхню кожного полюса статора виконують зубчастої , що разом з відповідними зубцями ротора забезпечує дуже маленьке значення кута кроку , порядку декількох градусів. Двигуни з перемінним магнітним опором досить рідко використовують в індустріальних застосуваннях . 
 
Двигуни з постійними магнітами 
 
Двигуни з постійними магнітами складаються з статора , який має обмотки , і ротора , що містить постійні магніти (рис. 3 ) . Чергуються полюса ротора мають прямолінійну форму і розташовані паралельно осі двигуна. Завдяки намагніченості ротора в таких двигунах забезпечується більший магнітний потік і , як наслідок , більший момент , ніж у двигунів з перемінним магнітним опором.

 

 

 

 

 

 

Рис . 3 . Двигун з постійними магнітами . 
 
Показаний на малюнку двигун має 3 пари полюсів ротора і 2 пари полюсів статора. Двигун має 2 незалежні обмотки , кожна з яких намотана на двох протилежних полюсах статора. Такий двигун , як і розглянутий раніше двигун із змінним магнітним опором , має величину кроку 30 град. При включенні струму в одній з котушок , ротор прагне зайняти таке положення , коли різнойменні полюси ротора і статора знаходяться один навпроти одного. Для здійснення безперервного обертання потрібно включати фази поперемінно . На практиці двигуни з постійними магнітами зазвичай мають 48 - 24 кроку на оборот ( кут кроку 7.5 - 15 град ) . 
 
Розріз реального крокової двигуна з постійними магнітами показаний на рис. 4 .

 

 

 

 

 

Рис . 4 . Розріз крокової двигуна з  постійними магнітами . 
 
Для здешевлення конструкції двигуна магнітопровід статора виконаний у вигляді штампованого склянки . Усередині знаходяться полюсні наконечники у вигляді ламелей. Обмотки фаз розміщені на двох різних магнітопроводах , які встановлені один на одному. Ротор являє собою циліндричний багатополюсний постійний магніт. 
 
Двигуни з постійними магнітами схильні до впливу зворотного ЕРС з боку ротора , котрая обмежує максимальну швидкість. Для роботи на високих швидкостях використовуються двигуни з перемінним магнітним опором. 
 
гібридні двигуни 
 
Гібридні двигуни є більш дорогими , ніж двигуни з постійними магнітами , зате вони забезпечують меншу величину кроку , більший момент і велику швидкість. Типове число кроків на оборот для гібридних двигунів становить від 100 до 400 ( кут кроку 3.6 - . 0,9 град ) . Гібридні двигуни поєднують в собі кращі риси двигунів з перемінним магнітним опором і двигунів з постійними магнітами . Ротор гібридного двигуна має зубці , розташовані в осьовому напрямку ( рис. 5 ) .

 

 

 

 

Рис . 5 . Гібридний  двигун. 
 
Ротор розділений на дві частини , між якими розташований циліндричний постійним магніт. Таким чином , зубці верхньої половинки ротора є північними полюсами , а зубці нижньої половинки - південними . Крім того , верхня і нижня половинки ротора повернені один щодо одного на половину кута кроку зубців. Число пар полюсів ротора дорівнює кількості зубців на одній з його половинок. Зубчасті полюсні наконечники ротора , як і статор , набрані з окремих пластин для зменшення втрат на вихрові струми. Статор гібридного двигуна також має зубці , забезпечуючи велику кількість еквівалентних полюсів , на відміну від основних полюсів , на яких розташовані обмотки. Зазвичай використовуються 4 основних полюса для 3.6 град. двигунів і 8 основних полюсів для 1.8- і 0.9 град. двигунів. Зубці ротора забезпечують менший опір магнітного ланцюга в певних положеннях ротора , що покращує статичний і динамічний момент . Це забезпечується відповідним розташуванням зубців , коли частина зубців ротора знаходиться строго напроти зубців статора , а частина між ними. Залежність між числом полюсів ротора , числом еквівалентних полюсів статора і числом фаз визначає кут кроку S двигуна: 
S = 360 / ( Nph * Ph ) = 360 / N , 
 
де НПХ - чило еквівалентних полюсів на фазу = число полюсів ротора , 
Ph - число фаз , 
N - повна кількість полюсів для всіх фаз разом. 
Ротор показаного на малюнку двигуна має 100 полюсів ( 50 пар ) , двигун має 2 фази , тому повне кількість полюсів - 200 , а крок , відповідно, на 1,8 град. 
 
Подовжній перетин гібридного крокової двигуна показано на рис. 6 . Стрілками показано напрямок магнітного потоку постійного магніту ротора. Частина потоку ( на малюнку показана чорною лінією ) проходить через полюсні наконечники ротора , повітряні зазори і полюсний наконечник статора. Ця частина не бере участь у створенні моменту. 
 
 
 
 
Рис . 6 . Поздовжній розріз гібридного крокової двигуна . 
 
Як видно на малюнку , повітряні зазори у верхнього і нижнього полюсного наконечника ротора різні. Це досягається завдяки повороту полюсних наконечників на половину кроку зуб . Тому існує інша магнітна ланцюг , яка містить мінімальні повітряні зазори і , як наслідок , володіє мінімальним магнітним опором. З цієї ланцюга замикається інша частина потоку (на малюнку показана штриховий білою лінією ) , яка і створює момент . Частина ланцюга лежить у площині , перпендикулярній малюнку, тому не відображено. У цій же площині створюють магнітний потік котушки статора. У гібридному двигуні цей потік частково замикається полюсними наконечниками ротора , і постійний магніт його « бачить» слабко. Тому на відміну від двигунів постійного струму , магніт гібридного двигуна неможливо розмагнітити ні при якій величині струму обмоток. 
 
Величина зазору між зубцями ротора і статора дуже невелика - типово 0.1 мм. Це вимагає високої точності при збірці, тому кроковий двигун не варто розбирати заради задоволення цікавості , інакше на цьому його термін служби може закінчитися . 
Щоб магнітний потік не замикався через вал , який проходить всередині магніту , його виготовляють з немагнітних марок сталі. Вони зазвичай мають підвищену крихкістю , тому з валом , особливо малого діаметра , слід поводитися з обережністю. 
 
Для отримання великих моментів необхідно збільшувати як поле , створюване статором , так і поле постійного магніту . При цьому потрібно більший діаметр ротора , що погіршує ставлення крутного моменту до моменту інерції . Тому потужні крокові двигуни іноді конструктивно виконують з декількох секцій у вигляді етажерки. Крутний момент і момент інерції збільшуються пропорційно кількості секцій , а їх ставлення не погіршується . 
 
Існують і інші конструкції крокових двигунів. Наприклад , двигуни з дисковим намагніченим ротором. Такі двигуни мають малий момент інерції ротора , що в ряді випадків важливо . 
 
Більшість сучасних крокових двигунів є гібридними . По суті гібридний двигун є двигуном з постійними магнітами , але з великим числом полюсів. За способом управління такі двигуни однакові, далі будуть розглядатися тільки такі двигуни. Найчастіше на практиці двигуни мають 100 або 200 кроків на оборот , відповідно крок дорівнює 3,6 грд або 1.8 грд. Більшість контролерів дозволяють працювати в полушаговом режимі , де цей кут вдвічі менше , а деякі контролери забезпечують мікрошаговий режим. 
 
Біполярні і уніполярні крокові двигуни 
 
Залежно від конфігурації обмоток двигуни діляться на біполярні і уніполярні . Біполярний двигун має одну обмотку в кожній фазі , яка для зміни напрямку магнітного поля повинна переполюсовивается драйвером . Для такого типу двигуна потрібна мостовий драйвер , або полумостовой з двополярного харчуванням. Всього біполярний двигун має дві обмотки і, відповідно , чотири виводу ( рис. 7а ) . 
 
  
 
 
Рис . 7 . Біполярний двигун ( а ) , уніполярний (б ) і чотириобмоткову (в). 
 
Уніполярний двигун також має одну обмотку в кожній фазі , але від середини обмотки зроблений відвід . Це дозволяє змінювати напрямок магнітного поля , створюваного обмоткою , простим перемиканням половинок обмотки. При цьому істотно спрощується схема драйвера. Драйвер повинен мати тільки 4 простих ключа. Таким чином , в уніполярному двигуні використовується інший спосіб зміни напрямку магнітного поля. Середні висновки обмоток можуть бути об'єднані всередині двигуна , тому такий двигун може мати 5 або 6 висновків (рис. 7б) . Іноді уніполярні двигуни мають роздільні 4 обмотки , з цієї причини їх помилково називають 4 -х фазними двигунами. Кожна обмотка має окремі висновки , тому всього висновків 8 (рис. 7в ) . При відповідному з'єднанні обмоток такий двигун можна використовувати як уніполярний або як біполярний . Уніполярний двигун з двома обмотками і відводами теж можна використовувати в біполярному режимі , якщо відводи залишити непідключеними . У будь-якому випадку струм обмоток слід вибирати так , щоб не перевищити максимальної потужності, що розсіюється . 
 
Біполярний або уніполярний ? 
 
Якщо порівнювати між собою біполярний і уніполярний двигуни , то біполярний має більш високу питому потужність . При одних і тих же розмірах біполярні двигуни забезпечують більший момент . 
 
Момент , створюваний кроковим двигуном , пропорційний величині магнітного поля , створюваного обмотками статора. Шлях для підвищення магнітного поля - це збільшення струму або числа витків обмоток. Природним обмеженням при підвищенні струму обмоток є небезпека насичення залізного сердечника. Однак на практиці це обмеження діє рідко. Набагато більш істотним є обмеження по нагріванню двигуна вследствии омічних втрат в обмотках . Якраз цей факт і демонструє одна з переваг біполярних двигунів. У уніполярному двигуні в кожний момент часу використовується лише половина обмоток. Інша половина просто займає місце у вікні сердечника , що змушує робити обмотки проводом меншого діаметру. У той же час в біполярному двигуні завжди працюють всі обмотки , тобто їх використання оптимально . У такому двигуні перетин окремих обмоток вдвічі більше , а омічний опір - відповідно вдвічі менше. Це дозволяє збільшити струм в корінь з двох разів при тих же втратах , що дає виграш в моменті приблизно 40 %. Якщо ж підвищеного моменту не потрібно , уніполярний двигун дозволяє зменшити габарити або просто працювати з меншими втратами. На практиці все ж часто застосовують уніполярні двигуни , так як вони вимагають значно більш простих схем управління обмотками . Це важливо , якщо драйвери виконані на дискретних компонентах. В даний час існують спеціалізовані мікросхеми драйверів для біполярних двигунів , з використанням яких драйвер виходить не складніше , ніж для униполярного двигуна. Наприклад , це мікросхеми L293E , L298N або L6202 фірми SGS- Thomson , PBL3770 , PBL3774 фірми Ericsson , NJM3717 , NJM3770 , NJM3774 фірми JRC , A3957 фірми Allegro , LMD18T245 фірми National Semiconductor . 
 
Діаграми , діаграми ... 
 
Існує кілька способів управління фазами крокової двигуна . 
 
Перший спосіб забезпечується попеременной комутації фаз , при цьому вони не перекриваються , в один момент часу включена тільки одна фаза (рис 8а) . Цей спосіб називають " одна фаза на " режим хвиля приводу повний крок чи . Точки рівноваги ротора для кожного кроку збігаються з «природними» точками рівноваги ротора у незапітанного двигуна. Недоліком цього способу управління є те , що для біполярного двигуна в один і той же момент часу іcпользуется 50 % обмоток , а для униполярного - тільки 25 %. Це означає , що в такому режимі не може бути отримано повний момент . 
 
 
 
Рис . 8 . Різні способи управління фазами крокової двигуна . 
 
Другий спосіб - управління фазами з перекриттям : дві фази включені в один і той же час. Його називають " двофазний - на " повний крок або просто повної покроковому режимі. При цьому способі управління ротор фіксується в проміжних позиціях між полюсами статора (рис. 8б ) і забезпечується приблизно на 40 % більший момент , ніж у випадку однієї включеної фази . Цей спосіб управління забезпечує такий же кут кроку , як і перший спосіб , але становище точок рівноваги ротора зміщено на пів- кроку . 
 
Третій спосіб є комбінацією перших двох і називається полушаговим режимом ", один і двофазна - на " півкроку або просто половину режимі кроку , коли двигун робить крок в половину основного . Цей метод управління досить поширений , так як двигун з меншим кроком коштує дорожче і дуже заманливо отримати від 100 - крокової двигуна 200 кроків на оборот . Кожен другий крок запитана лише одна фаза , а в інших випадках запитані дві ( рис. 8в ) . В результаті кутове переміщення ротора становить половину кута кроку для перших двох способів управління . Окрім зменшення розміру кроку цей спосіб управління дозволяє частково позбутися явища резонансу . Полушаговий режим зазвичай не дозволяє отримати повний момент , хоча найбільш досконалі драйвери реалізують модифікований полушаговий режим , в якому двигун забезпечує практично повний момент , при цьому розсіює потужність не перевищує номінальної . 
 
Ще один спосіб управління називається мікрошаговий режимом або мікро тактового режиму. При цьому способі управління струм в фазах потрібно міняти невеликими кроками , забезпечуючи таким чином дроблення половинного кроку на ще менші мікрошагі . Коли одночасно включені дві фази , але їх струми не рівні , то становище рівноваги ротора буде лежати не в середині кроку , а в іншому місці , визначеному співвідношенням струмів фаз. Міняючи це співвідношення , можна забезпечити деяку кількість мікрошагов всередині одного кроку . Крім збільшення роздільної здатності , мікрошаговий режим має й інші переваги , які будуть описані нижче. Разом з тим , для реалізації мікрошаговий режиму потрібні значно складніші драйвери , що дозволяють задавати струм в обмотках з необхідною дискретністю . Полушаговий режим є окремим випадком мікрошаговий режиму , але він не вимагає формування ступеневої струму живлення котушок , тому часто реалізується . 
 
Тримай його ! 
 
У полношаговом режимі з двома включеними фазами положення точок рівноваги ротора зміщені на пів- кроку . Потрібно відзначити , що ці положення ротор приймає при роботі двигуна , але становище ротора не може зберігатися незмінним після виключення струму обмоток. Тому при включенні і виключенні живлення двигуна ротор буде зміщуватися на пів- кроку . Для того , щоб він не зміщувався при зупинці , необхідно подавати в обмотки струм утримання . Те ж справедливо і для полушагового і мікрошаговий режимів . Слід зазначити , що якщо у вимкненому стані ротор двигуна повертався, то при включенні харчування можливе зміщення ротора і на більшу , ніж половина кроку величину. 
 
Ток утримання може бути менше номінального , так як від двигуна з нерухомим ротором зазвичай не потрібно великого моменту. Однак є застосування , коли в зупиненому стані двигун повинен забезпечувати повний момент , що для крокової двигуна можливо. Ця властивість крокової двигуна дозволяє в таких ситуаціях обходитися без механічних гальмівних систем . Оскільки сучасні драйвери дозволяють регулювати струм живлення обмоток двигуна , завдання необхідного струму утримання зазвичай не представляє проблем. Завдання зазвичай полягає просто у відповідній програмної підтримки для керуючого мікроконтролера. 
 
Полушаговий режим 
 
Основним принципом роботи крокового двигуна є створення обертового магнітного поля , яке змушує ротор повертатися. Обертове магнітне поля створюється статором , обмотки якого відповідним чином живляться . 
 
Для двигуна , у якого запитана одна обмотка , залежність моменту від кута повороту ротора відносно точки рівноваги є приблизно синусоїдальної . Ця залежність для двохобмотувальні двигуна , який має N кроків на оборот ( кут кроку в радіанах S = ( 2 * пі ) / N ) , показана на рис. 9 . 
 
 
 
 
Рис . 9 . Залежність моменту від кута повороту ротора для однієї живиться обмотки. 
 
Реально характер залежності може бути дещо інший , що пояснюється неідеальністю геометрії ротора і статора. Пікове значення моменту називається моментом утримання . Формула , що описує залежність моменту від кута повороту ротора , має наступний вигляд: 
Т = - че * гріх ( ( пі / 2 ) / S) * Ф) , 
де T - момент , Чт - момент утримання , 
S - кут кроку , 
Ф - кут повороту ротора. 
Якщо до ротора докласти зовнішній момент , який перевищує момент утримання , ротор провернется . Якщо зовнішній момент не перевищує моменту утримання , то ротор буде знаходиться в рівновазі в межах кута кроку . Потрібно відзначити , що у знеструмленого двигуна момент утримання не дорівнює нулю внаслідок дії постійних магнітів ротора. Цей момент зазвичай становить близько 10 % максимального моменту , забезпечуваного двигуном. 
 
Іноді використовують терміни « механічний кут повороту ротора » і «електричний кут повороту ротора ». Механічний кут обчислюється виходячи з того , що повний оборот ротора становить 2 * пі радіан . При обчисленні електричного кута приймається , що один оборот відповідає одному періоду кутовий залежності моменту . Для наведених вище формул Ф є механічним кутом повороту ротора , а електричний кут для двигуна, що має 4 кроки на періоді кривої моменту , дорівнює ( ( пі / 2 ) / S) * Ф або ( N / 4 ) * Ф , де N - число кроків на оборот . Електричний кут фактично визначає кут повороту магнітного поля статора і дозволяє будувати теорію незалежно від числа кроків на оборот для конкретного двигуна. 
 
Якщо живити одночасно дві обмотки двигуна , то момент буде дорівнює сумі моментів , забезпечуваних обмотками окремо ( рис. 10 ) . 
 
 
 
 
 
Рис . 10 . Залежність моменту від кута повороту ротора для двох заживлених обмоток. 
 
При цьому, якщо струми в обмотках однакові, то точка максимуму моменту буде зміщена на половину кроку . На половину кроку зміститься і точка рівноваги ротора (точка е на малюнку). Цей факт і покладений в основу реалізації полушагового режиму. Пікове значення моменту ( момент утримання) при цьому буде в корінь з двох разів більше , ніж при одній живиться обмотці. 
Th2 = 2 0.5 * Th1 , 
 
де Th2 - момент утримання при двох заживлених обмотках , 
Th1 - момент утримання при одній живиться обмотці. 
Саме цей момент зазвичай і вказується в характеристиках крокової двигуна . 
 
Величина і напрям магнітного поля показані на векторній діаграмі ( рис. 11 ) . 
 
 
 
 
Рис . 11 . Величина і напрям магнітного поля для різних режимів харчування фаз. 
 
Осі X і Y збігаються з напрямом магнітного поля , створюваного обмотками першої та другої фази двигуна. Коли двигун працює з однією включеної фазою , ротор може займати положення 1 , 3 , 5 , 7 . Якщо включені дві фази , то ротор може займати положення 2 , 4 , 6 , 8 . До того ж , в цьому режимі більше момент , так як він пропорційний довжині вектора на малюнку . Обидва ці методу управління забезпечують повний крок , але положення рівноваги ротора зміщені на пів- кроку . Якщо скомбінувати два цих методу і подати на обмотки відповідні послідовності імпульсів , то можна змусити ротор послідовно займати положення 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , що відповідає половинному кроці. 
 
У порівнянні з полношаговим режимом , полушаговий режим має такі переваги: 
більш висока роздільна здатність без застосування більш дорогих двигунів 
менші проблеми з явищем резонансу . Резонанс призводить лише до часткової втрати моменту , що зазвичай не заважає нормальній роботі приводу . 
Недоліком полушагового режиму є досить значне коливання моменту від кроку до кроку . У тих положеннях ротора , коли запитана одна фаза , момент складає приблизно 70 % від повного , коли запитані дві фази . Ці коливання можуть з'явитися причиною підвищених вібрацій і шуму , хоча вони все одно залишаються меншими , ніж у полношаговом режимі. 
 
Способом усунення коливань моменту є підняття моменту в положеннях з одного включеної фазою і забезпечення таким чином однакового моменту у всіх положеннях ротора. Це може бути досягнуто шляхом збільшення струму в цих положеннях до рівня приблизно 141 % від номінального . Деякі драйвери , такі як PBL 3717 /2 і ПБЛ 3770A фірми Ericsson , мають логічні входи для зміни величини струму. Потрібно відзначити , що величина 141 % є теоретичною , тому в додатках , що вимагають високої точності підтримки моменту ця величина повинна бути підібрана експериментально для конкретної швидкості і конкретного двигуна. Оскільки струм піднімається тільки в ті моменти , коли включена одна фаза , розсіює потужність дорівнює потужності в полношаговом режимі при струмі 100 % від номінального . Однак таке збільшення струму вимагає більш високої напруги харчування , що не завжди можливо. Є й інший підхід. Для усунення коливань моменту при роботі двигуна в полушаговом режимі можна знижувати струм в ті моменти , коли включені дві фази . Для отримання постійного моменту цей струм повинен становити 70,7 % від номінального . Таким чином реалізує полушаговий режим , наприклад , мікросхема драйвера A3955 фірми Allegro. 
 
Для полушагового режиму дуже важливим є перехід в стан з одного виключеною фазою. Щоб змусити ротор прийняти відповідне положення , струм в відключеною фазі повинен бути зменшений до нуля якомога швидше. Тривалість спаду струму залежить від напруги на обмотці в той час , коли вона втрачає свою запасені енергію. Замикаючи в цей час обмотку на джерело живлення , який представляє максимальну напругу , наявне в системі , забезпечується максимально швидкий спад струму. Для отримання швидкого спаду струму при живленні обмоток двигуна H - мостом всі транзистори повинні закриватися , при цьому обмотка через діоди виявляється підключеної до джерела живлення. Швидкість спаду струму значно зменшиться , якщо один транзистор моста залишити відкритим і закоротити обмотку на транзистор і діод . Для збільшення швидкості спаду струму при управлінні уніполярними двигунами придушення викидів ЕРС самоіндукції переважніше здійснювати не діодами , а варисторами або комбінацією діодів і стабілітрона , які обмежать викид на більшому, але безпечному для транзисторів рівні. 
 
мікрошаговий режим 
 
Мікрошаговий режим забезпечується шляхом отримання поля статора , обертового більш плавно , ніж в повно-або полушаговом режимах. У результаті забезпечуються менші вібрації і практично безшумна робота аж до нульової частоти. До того ж менший кут кроку здатний забезпечити більш точне позиціонування . Існує багато різних мікрошаговий режимів , з величиною кроку від 1 / 3 повного кроку до 1 / 32 і навіть менше. Кроковий двигун є синхронним електродвигуном. Це означає , що положення рівноваги нерухомого ротора співпадає з напрямком магнітного поля статора. При повороті поля статора ротор теж повертається , прагнучи зайняти нове положення рівноваги . 
 
 
 
 
Рис . 12 . Залежність моменту від кута повороту ротора в разі різних значень струму фаз. 
 
Щоб отримати потрібний напрямок магнітного поля , необхідно вибрати не тільки правильний напрямок струмів у котушках , але і правильне співвідношення цих струмів . 
 
Якщо одночасно запитані дві обмотки двигуна , але струми в цих обмотках не рівні (рис. 12 ) , то результуючий момент буде 
Th = ( А2 + b2) 0.5 , 
 
а точка рівноваги ротора зміститься в точку 
 
х = ( S / ( пі / 2 )) АГС (б / а ) , 
 
де в і B - момент , створюваний першої та другою фазою відповідно, 
Чт - результуючий момент утримання , 
х - положення рівноваги ротора в радіанах , 
S - кут кроку в радіанах . 
Зсув точки рівноваги ротора говорить про те , що ротор можна зафіксувати в будь-якій довільній позиції. Для цього потрібно лише правильно встановити відношення струмів в фазах. Саме цей факт використовується при реалізації мікрошаговий режиму. 
Ще раз потрібно відзначити , що наведені вище формули вірні тільки в тому випадку , якщо залежність моменту від кута повороту ротора синусоїдальна і якщо жодна частина магнітного ланцюга двигуна не насичується . 
 
У межі , кроковий двигун може працювати як синхронний електродвигун в режимі безперервного обертання. Для цього струми його фаз повинні бути синусоїдальними , зсунутими один щодо одного на 90 град. 
 
Результатом використання мікрошаговий режиму є набагато більш плавне обертання ротора на низьких частотах. На частотах в 2 - 3 рази вище власної резонансної частоти ротора і навантаження , мікрошаговий режим дає незначні переваги в порівнянні з напів-або полношаговим режимами. Причиною цього є фільтруюче дію інерції ротора і навантаження. Система з кроковим двигуном працює подібно фільтру нижніх частот. У мікрошаговий режимі можна здійснювати тільки розгін і гальмування , а основний час працювати в полношаговом режимі. До того ж , для досягнення високих швидкостей в мікрошаговий режимі потрібно дуже висока частота повторення мікрошагов , яку не завжди може забезпечити керуючий мікроконтролер. Для запобігання перехідних процесів і втрати кроків , перемикання режимів роботи двигуна ( з мікрошаговий режиму в полношаговий тощо ) необхідно проводити в ті моменти , коли ротор знаходиться в положенні , відповідному однієї включеної фазі. Деякі мікросхеми драйверів мікрошаговий режиму мають спеціальний сигнал , який інформує про таке становище ротора. Наприклад , це драйвер A3955 фірми Allegro. 
 
У багатьох додатках , де потрібні малі відносні переміщення і висока роздільна здатність , мікрошаговий режим здатний замінити механічний редуктор. Часто простота системи є вирішальним фактором , навіть якщо при цьому доведеться застосувати двигун великих габаритів . Незважаючи на те , що драйвер , що забезпечує мікрошаговий режим , набагато складніше звичайного драйвера , все одно система може виявитися більш простою і дешевою , ніж кроковий двигун , плюс редуктор. Сучасні мікроконтролери іноді мають вбудовані ЦАПи , які можна використовувати для реалізації мікрошаговий режиму замість спеціальних контролерів. Це дозволяє зробити практично однаковою вартість обладнання для полношагового і мікрошаговий режимів . 
 
Іноді мікрошаговий режим використовується для збільшення точності величини кроку понад заявлену виробником двигуна. При цьому використовується номінальне число кроків. Для підвищення точності використовується корекція положення ротора в точках рівноваги . Для цього спочатку знімають характеристику для конкретного двигуна , а потім , змінюючи співвідношення струмів в фазах , коригують положення ротора індивідуально для кожного кроку . Такий метод вимагає попередньої калібрування і додаткових ресурсів керуючого мікроконтролера. Крім того , потрібно датчик початкового положення ротора для синхронізації його положення з таблицой коригувальних коефіцієнтів . 
 
На практиці при здійсненні кожного кроку ротор не відразу зупиняється в новому положенні рівноваги , а здійснює затухаючі коливання навколо положення рівноваги . Час встановлення залежить від характеристик навантаження і від схеми драйвера. У багатьох додатках такі коливання є небажаними . Позбутися цього явища можна шляхом використання мікрошаговий режиму. На рис. 13 показані переміщення ротора при роботі в полношаговом і мікрошаговий режимах....