Шаговый двигатель , также известный как шаговый двигатель или шаговый двигатель , [1] представляет собой электрический двигатель , который вращается сериями небольших угловых шагов, а не непрерывно. [2] Шаговые двигатели представляют собой тип цифрового привода . Как и другие электромагнитные приводы, они преобразуют электрическую энергию в механическую для выполнения работы . [1]
Шаговый двигатель — это бесщеточный электродвигатель постоянного тока , который делит полный оборот на несколько равных шагов. Положению двигателя можно дать команду на перемещение и удержание на одном из этих шагов без какого-либо датчика положения для обратной связи ( контроллер с разомкнутым контуром ), если двигатель правильно рассчитан на применение с точки зрения крутящего момента и скорости.
Импульсные реактивные двигатели представляют собой очень большие шаговые двигатели с уменьшенным числом полюсов и, как правило, коммутируются с обратной связью .
Коллекторные двигатели постоянного тока вращаются непрерывно, когда на их клеммы подается постоянное напряжение . Шаговый двигатель известен своим свойством преобразовывать последовательность входных импульсов (обычно прямоугольных волн) в точно определенное приращение вращательного положения вала. Каждый импульс вращает вал на фиксированный угол.
Шаговые двигатели фактически имеют несколько «зубчатых» электромагнитов, расположенных в виде статора вокруг центрального ротора, куска железа в форме шестерни. На электромагниты подается питание от внешней схемы управления или микроконтроллера . Чтобы заставить вал двигателя вращаться, сначала подается мощность на один электромагнит, который магнитно притягивает зубья шестерни. Когда зубья шестерни совпадают с первым электромагнитом, они слегка смещены относительно следующего электромагнита. Это означает, что при включении следующего электромагнита и выключении первого шестерня слегка вращается, чтобы совместиться со следующим. Оттуда процесс повторяется. Каждое из частичных вращений называется «шагом», при этом целое число шагов составляет полный оборот. Таким образом, двигатель можно повернуть на точный угол.
Круговое расположение электромагнитов разделено на группы, каждая группа называется фазой, и в каждой группе имеется одинаковое количество электромагнитов. Количество групп выбирает конструктор шагового двигателя. Электромагниты каждой группы чередуются с электромагнитами других групп, образуя единую схему расположения. Например, если шаговый двигатель имеет две группы, обозначенные как A или B, и всего десять электромагнитов, то шаблон группировки будет ABABABABAB.
Все электромагниты одной группы находятся под напряжением одновременно. По этой причине шаговые двигатели с большим количеством фаз обычно имеют больше проводов (или выводов) для управления двигателем.
Существует три основных типа шаговых двигателей: [1] [3]
Двигатели с постоянными магнитами используют постоянный магнит (ПМ) в роторе и работают за счет притяжения или отталкивания между магнитом ротора и электромагнитами статора .
Импульсы перемещают ротор по часовой стрелке или против часовой стрелки дискретными шагами. Если оставить питание на последнем этапе, в этом месте вала останется сильный фиксатор . Этот фиксатор имеет предсказуемую жесткость пружины и заданный предел крутящего момента; проскальзывание происходит при превышении лимита. Если ток отключается, меньший фиксатор все равно остается, удерживая положение вала от пружины или других воздействий крутящего момента. Затем шаг можно возобновить при надежной синхронизации с управляющей электроникой.
Двигатели с переменным сопротивлением (VR) имеют ротор из мягкого железа [4] и работают по принципу, согласно которому минимальное сопротивление возникает при минимальном зазоре, следовательно, точки ротора притягиваются к полюсам магнитов статора . В то время как гибридные синхронные двигатели представляют собой комбинацию постоянного магнита и типов с переменным сопротивлением, позволяющие максимизировать мощность при небольшом размере. [5]
Двигатели с переменным сопротивлением имеют фиксаторы при включении, но не при выключении.
Существует две основные схемы намотки электромагнитных катушек двухфазного шагового двигателя: биполярная и униполярная.
Униполярный шаговый двигатель имеет по одной обмотке с центральным отводом на фазу. Каждая секция обмоток включена для каждого направления магнитного поля. Поскольку в такой схеме магнитный полюс можно поменять местами без переключения полярности общего провода, схема коммутации может представлять собой просто один переключающий транзистор для каждой половины обмотки. Обычно, учитывая фазу, центральный отвод каждой обмотки делается общим: три вывода на фазу и шесть выводов для типичного двухфазного двигателя. Часто эти две общие фазы соединены внутри, поэтому двигатель имеет только пять выводов.
Микроконтроллер или контроллер шагового двигателя можно использовать для активации приводных транзисторов в правильном порядке, и эта простота эксплуатации делает униполярные двигатели популярными среди любителей; это, вероятно, самый дешевый способ получить точные угловые движения. Экспериментатор может идентифицировать обмотки, соприкасаясь между собой клеммными проводами двигателей с постоянными магнитами. Если клеммы катушки соединены, вал становится труднее поворачивать. Один из способов отличить центральный отвод (общий провод) от провода на конце катушки — измерить сопротивление. Сопротивление между общим проводом и проводом конца катушки всегда составляет половину сопротивления между проводами конца катушки. Это связано с тем, что длина катушки между концами вдвое больше, а расстояние от центра (общий провод) до конца составляет только половину. Быстрый способ определить, работает ли шаговый двигатель, — закоротить каждые две пары и попробовать провернуть вал. Всякий раз, когда ощущается сопротивление, превышающее нормальное, это указывает на то, что цепь конкретной обмотки замкнута и фаза исправна.
Биполярные двигатели имеют пару однообмоточных соединений на фазу. Ток в обмотке необходимо изменить на противоположный, чтобы изменить магнитный полюс, поэтому схема управления должна быть более сложной, обычно с H-мостом (однако существует несколько готовых микросхем драйверов, позволяющих сделать это простое дело). На каждую фазу приходится два вывода, ни один из них не является общим.
Типичная схема движения биполярного шагового двигателя с двумя катушками будет следующей: A+ B+ A− B−. Т.е. подать на катушку А положительный ток, затем снять ток с катушки А; затем подать на катушку B положительный ток, затем снять ток с катушки B; затем подайте на катушку А отрицательный ток (меняя полярность, переключив провода, например, с помощью Н-моста), затем снимите ток с катушки А; затем подать на катушку B отрицательный ток (снова поменяв полярность, как и на катушке A); цикл завершен и начинается заново.
Эффекты статического трения при использовании H-моста наблюдались в определенных топологиях привода. [6]
Дизеринг шагового сигнала на более высокой частоте, чем может реагировать двигатель, уменьшит этот эффект «статического трения».
Поскольку обмотки используются лучше, они более мощные, чем униполярный двигатель того же веса. Это связано с физическим пространством, занимаемым обмотками. Униполярный двигатель имеет в два раза больше проводов в том же пространстве, но в любой момент времени используется только половина, следовательно, его эффективность составляет 50% (или примерно 70% доступного выходного крутящего момента). Хотя биполярным шаговым двигателем сложнее управлять, обилие микросхем драйверов означает, что добиться этого гораздо проще.
Шаговый двигатель с 8 выводами похож на униполярный шаговый двигатель, но выводы не соединены с общими внутри двигателя. Этот тип двигателя может быть подключен в нескольких конфигурациях:
Многофазные шаговые двигатели с большим количеством фаз обычно имеют гораздо более низкий уровень вибрации. [7] Хотя они более дорогие, они имеют более высокую удельную мощность и с соответствующей электроникой привода часто лучше подходят для применения [ нужна ссылка ] .
Производительность шагового двигателя сильно зависит от схемы драйвера . Кривые крутящего момента могут быть расширены до более высоких скоростей, если полюса статора можно менять местами быстрее, причем ограничивающим фактором является комбинация индуктивности обмотки. Для преодоления индуктивности и быстрого переключения обмоток необходимо увеличить напряжение возбуждения. Это дополнительно приводит к необходимости ограничения тока, который в противном случае может индуцировать такое высокое напряжение.
Дополнительным ограничением, часто сравнимым с влиянием индуктивности, является противо-ЭДС двигателя. Когда ротор двигателя вращается, генерируется синусоидальное напряжение, пропорциональное скорости (частоте шагов). Это напряжение переменного тока вычитается из формы сигнала напряжения, доступной для того, чтобы вызвать изменение тока.
Схемы драйвера L/R также называются приводами постоянного напряжения , поскольку к каждой обмотке прикладывается постоянное положительное или отрицательное напряжение для установки положения ступеней. Однако именно ток обмотки, а не напряжение, прикладывает крутящий момент к валу шагового двигателя. Ток I в каждой обмотке связан с приложенным напряжением V посредством индуктивности обмотки L и сопротивления обмотки R. Сопротивление R определяет максимальный ток в соответствии с законом Ома I=V/R. Индуктивность L определяет максимальную скорость изменения тока в обмотке по формуле для дросселя dI /dt = V/L. Результирующий ток импульса напряжения представляет собой быстро возрастающий ток в зависимости от индуктивности. Это достигает значения V/R и сохраняется до конца импульса. Таким образом, при управлении приводом постоянного напряжения максимальная скорость шагового двигателя ограничивается его индуктивностью, поскольку на некоторой скорости напряжение U будет меняться быстрее, чем ток I, который можно поддерживать. Проще говоря, скорость изменения тока равна L/R (например, индуктивности 10 мГн и сопротивлению 2 Ом потребуется 5 мс для достижения примерно 2/3 максимального крутящего момента или около 24 мс для достижения 99% максимального крутящего момента). Для получения высокого крутящего момента на высоких скоростях требуется большое напряжение привода с низким сопротивлением и низкой индуктивностью.
При использовании привода L/R можно управлять резистивным двигателем низкого напряжения с приводом более высокого напряжения, просто добавляя внешний резистор последовательно с каждой обмоткой. Это приведет к потере мощности резисторов и выделению тепла. Поэтому этот вариант считается малоэффективным, хотя и простым и дешевым.
Современные драйверы напряжения преодолевают некоторые из этих ограничений, аппроксимируя синусоидальную форму напряжения фазам двигателя. Амплитуда сигнала напряжения настроена на увеличение с увеличением скорости шага. При правильной настройке это компенсирует эффекты индуктивности и противо-ЭДС , обеспечивая достойную производительность по сравнению с драйверами токового режима, но за счет усилий по проектированию (процедуры настройки), которые проще для драйверов токового режима.
Схемы управления прерывателем называются приводами с управляемым током, поскольку они генерируют управляемый ток в каждой обмотке, а не подают постоянное напряжение. Схемы привода прерывателя чаще всего используются с двухобмоточными биполярными двигателями, при этом две обмотки приводятся в действие независимо, чтобы обеспечить определенный крутящий момент двигателя по часовой или против часовой стрелки. На каждую обмотку к обмотке прикладывается «питающее» напряжение в виде прямоугольного напряжения; например 8 кГц. Индуктивность обмотки сглаживает ток, который достигает уровня, соответствующего прямоугольному рабочему циклу . Чаще всего на контроллер подаются двухполярные питающие (+ и -) напряжения относительно обратной обмотки. Таким образом, рабочий цикл 50% приводит к нулевому току. 0% приводит к полному току V/R в одном направлении. 100% означает полный ток в противоположном направлении. Этот уровень тока контролируется контроллером путем измерения напряжения на небольшом сенсорном резисторе, включенном последовательно с обмоткой. Для этого требуется дополнительная электроника для определения токов в обмотках и управления переключением, но это позволяет шаговым двигателям управляться с более высоким крутящим моментом на более высоких скоростях, чем приводы L/R. Это также позволяет контроллеру выводить заданные уровни тока, а не фиксированные. Интегрированная электроника для этой цели широко доступна.
Шаговый двигатель представляет собой синхронный двигатель многофазного переменного тока (см. «Теорию» ниже), в идеале он приводится в движение синусоидальным током. Полношаговая форма сигнала является грубой аппроксимацией синусоиды и является причиной такой сильной вибрации двигателя. Для лучшего приближения к синусоидальной форме сигнала были разработаны различные методы управления: полушаговый и микрошаговый.
В этом методе привода одновременно активируется только одна фаза. Он имеет такое же количество ступеней, как и полношаговый привод, но крутящий момент двигателя будет значительно меньше номинального. Его используют редко. Анимированная фигура, показанная выше, представляет собой волновой двигатель. В анимации ротор имеет 25 зубцов, и для поворота на одно положение зуба требуется 4 шага. Так что будет25 × 4 = 100 шагов за полный оборот и каждый шаг составит 360 ⁄ 100 =3,6 ° .
Это обычный метод полного привода двигателя. Две фазы всегда включены, поэтому двигатель будет обеспечивать максимальный номинальный крутящий момент. Как только одна фаза отключается, включается другая. Волновой привод и однофазный полношаговый привод — это одно и то же, с одинаковым количеством шагов, но разницей в крутящем моменте.
При полушаге привод поочередно включает две фазы и одну фазу. Это увеличивает угловое разрешение. Двигатель также имеет меньший крутящий момент (около 70%) в положении полного шага (когда включена только одна фаза). Это можно смягчить, увеличив ток в активной обмотке для компенсации. Преимущество полушагового режима заключается в том, что для его поддержки не требуется менять электронику привода. На анимированном рисунке, показанном выше, если мы изменим его на полушаг, то для поворота на 1 положение зуба потребуется 8 шагов. Таким образом, на один полный оборот будет 25×8 = 200 шагов, а каждый шаг составит 360/200 = 1,8°. Его угол на шаг составляет половину полного шага.
То, что обычно называют микрошагом, часто представляет собой синусно-косинусный микрошаг , при котором ток обмотки приближается к синусоидальной форме переменного тока. Распространенным способом получения синусно-косинусного тока являются схемы с прерывателем. Синус-косинусный микрошаг является наиболее распространенной формой, но можно использовать и другие формы сигналов. [8] Независимо от используемой формы сигнала, поскольку микрошаги становятся меньше, работа двигателя становится более плавной, что значительно снижает резонанс в любых частях, к которым двигатель может быть подключен, а также в самом двигателе. Разрешение будет ограничено механическим заеданием , люфтом и другими источниками ошибок между двигателем и конечным устройством. Для увеличения разрешения позиционирования можно использовать зубчатые редукторы.
Уменьшение размера шага является важной особенностью шаговых двигателей и основной причиной их использования при позиционировании.
Пример: многие современные гибридные шаговые двигатели рассчитаны так, что ход каждого полного шага (например, 1,8 градуса на полный шаг или 200 полных шагов на оборот) будет находиться в пределах 3–5 % от хода каждого второго полного шага, пока поскольку двигатель работает в пределах указанного рабочего диапазона. Некоторые производители показывают, что их двигатели могут легко поддерживать равенство размера шага на уровне 3 или 5%, поскольку размер шага уменьшается с полного шага до шага 1/10. Затем, по мере роста числа делителей микрошагов, повторяемость размера шага ухудшается. При большом уменьшении размера шага можно выдать множество команд микрошагов до того, как какое-либо движение вообще произойдет, и тогда движение может представлять собой «прыжок» в новое положение. [9] Некоторые микросхемы шагового контроллера используют увеличенный ток для минимизации таких пропущенных шагов, особенно когда пиковые импульсы тока в одной фазе в противном случае были бы очень короткими.
Шаговый двигатель можно рассматривать как синхронный двигатель переменного тока с увеличенным числом полюсов (как на роторе, так и на статоре), при условии, что они не имеют общего знаменателя. Кроме того, магнитомягкий материал с множеством зубцов на роторе и статоре позволяет дешево увеличить количество полюсов (реактивный двигатель). Современные шаговые двигатели имеют гибридную конструкцию и имеют как постоянные магниты, так и сердечники из мягкого железа .
Для достижения полного номинального крутящего момента катушки шагового двигателя должны достигать полного номинального тока на каждом этапе. Индуктивность обмотки и противо-ЭДС, генерируемые движущимся ротором, имеют тенденцию сопротивляться изменениям тока привода, поэтому по мере увеличения скорости двигателя все меньше и меньше времени тратится на полный ток, что приводит к снижению крутящего момента двигателя. По мере дальнейшего увеличения скорости ток не достигнет номинального значения, и в конечном итоге двигатель перестанет создавать крутящий момент.
Это мера крутящего момента, создаваемого шаговым двигателем, когда он работает без состояния ускорения. На низких скоростях шаговый двигатель может синхронизироваться с приложенной шаговой частотой, и этот втягивающий момент должен преодолевать трение и инерцию. Важно убедиться, что нагрузка на двигатель является фрикционной, а не инерционной, поскольку трение уменьшает любые нежелательные колебания.
Кривая втягивания определяет область, называемую областью начала/остановки. В этой области двигатель может быть запущен/остановлен мгновенно с приложенной нагрузкой и без потери синхронизма.
Выводной момент шагового двигателя измеряется путем ускорения двигателя до желаемой скорости и последующего увеличения крутящей нагрузки до тех пор, пока двигатель не заглохнет или не пропустит шаги. Это измерение проводится в широком диапазоне скоростей, и результаты используются для построения кривой динамических характеристик шагового двигателя. Как отмечено ниже, на эту кривую влияют напряжение возбуждения, ток возбуждения и методы переключения тока. Проектировщик может включить коэффициент безопасности между номинальным крутящим моментом и расчетным крутящим моментом при полной нагрузке, необходимым для данного применения.
Синхронные электродвигатели , использующие постоянные магниты, имеют резонансный удерживающий момент положения (называемый фиксирующим моментом или зубчатым моментом и иногда включенный в технические характеристики), когда они не приводятся в действие электрически. Сердечники из мягкого железа не демонстрируют такого поведения.
Когда двигатель делает один шаг, он выходит за пределы конечной точки покоя и колеблется вокруг этой точки, когда приходит в состояние покоя. Этот нежелательный звон проявляется как вибрация ротора двигателя и более выражен в ненагруженных двигателях. Ненагруженный или недостаточно нагруженный двигатель может и часто останавливается, если возникающая вибрация достаточна, чтобы вызвать потерю синхронизации.
Шаговые двигатели имеют собственную частоту работы. Когда частота возбуждения соответствует этому резонансу, звон становится более выраженным, шаги могут быть пропущены и более вероятен срыв. Резонансную частоту двигателя можно рассчитать по формуле:
где – удерживающий момент в Н·м, – количество пар полюсов, – инерция ротора в кг·м². Величина нежелательного звона зависит от противо-ЭДС, возникающей в результате скорости ротора. Результирующий ток способствует демпфированию, поэтому характеристики схемы управления важны. Звон ротора можно описать с помощью коэффициента демпфирования .
На паспортных табличках шаговых двигателей обычно указывается только ток обмотки, а иногда и напряжение и сопротивление обмотки. Номинальное напряжение будет обеспечивать номинальный ток обмотки при постоянном токе: но это по большей части бессмысленное значение, поскольку все современные драйверы ограничивают ток, а напряжения привода значительно превышают номинальное напряжение двигателя.
В даташитах производителя часто указывается индуктивность. Обратная ЭДС также важна, но редко упоминается (ее легко измерить осциллографом). Эти цифры могут быть полезны для более глубокого проектирования электроники, при отклонении от стандартных напряжений питания, адаптации электронных драйверов сторонних производителей или при выборе между моделями двигателей с аналогичными характеристиками размера, напряжения и крутящего момента.
Низкоскоростной крутящий момент шагового двигателя будет напрямую зависеть от тока. Насколько быстро крутящий момент падает на более высоких скоростях, зависит от индуктивности обмотки и схемы привода, к которой она подключена, особенно от управляющего напряжения.
Размер шаговых двигателей следует выбирать в соответствии с опубликованной кривой крутящего момента , указанной производителем при определенных напряжениях привода или при использовании собственной схемы привода. Провалы на кривой крутящего момента предполагают возможные резонансы, влияние которых на применение следует учитывать проектировщикам.
Шаговые двигатели, адаптированные к суровым условиям окружающей среды, часто имеют степень защиты IP65 . [10]
Национальная ассоциация производителей электрооборудования США (NEMA) стандартизирует различные размеры, маркировку и другие аспекты шаговых двигателей в стандарте NEMA (NEMA ICS 16-2001). [11] Шаговые двигатели NEMA маркируются размером лицевой панели, NEMA 17 — это шаговый двигатель с лицевой панелью размером 1,7 на 1,7 дюйма (43 мм × 43 мм), размеры указаны в дюймах. В стандарте также перечислены двигатели, размеры лицевой панели которых указаны в метрических единицах. Эти двигатели обычно обозначаются NEMA DD, где DD — это диаметр лицевой панели в дюймах, умноженный на 10 (например, NEMA 17 имеет диаметр 1,7 дюйма). Существуют дополнительные спецификации для описания шаговых двигателей, и такие подробности можно найти в стандарте ICS 16-2001.
Шаговые двигатели с компьютерным управлением представляют собой тип системы позиционирования с управлением движением . Обычно они имеют цифровое управление как часть системы с разомкнутым контуром для использования в приложениях удержания или позиционирования.
В области лазеров и оптики они часто используются в оборудовании прецизионного позиционирования, таком как линейные приводы , линейные столики , вращающиеся столики , гониометры и крепления для зеркал . Другие области применения - упаковочное оборудование и позиционирование пилотных ступеней клапанов в системах управления жидкостью.
В коммерческих целях шаговые двигатели используются в дисководах гибких дисков , планшетных сканерах , компьютерных принтерах , плоттерах , игровых автоматах , сканерах изображений , приводах компакт-дисков , интеллектуальном освещении , объективах фотоаппаратов , станках с ЧПУ и 3D-принтерах . Некоторые любители программирования использовали массивы шаговых двигателей в качестве электронных музыкальных инструментов , программируя двигатели на вращение с частотами различных музыкальных тонов в последовательности, имитирующей последовательность, найденную в MIDI- файле. [12] [13]
Система шагового двигателя состоит из трех основных элементов, часто объединенных с пользовательским интерфейсом определенного типа (хост-компьютер, ПЛК или терминал):
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )Моторы главной передачи