Шаговый двигатель , также известный как шаговый двигатель или шаговый двигатель , [1] представляет собой бесщеточный электродвигатель постоянного тока , который вращается серией небольших и дискретных угловых шагов. [2] Шаговые двигатели могут быть установлены в любое заданное положение шага без необходимости использования датчика положения для обратной связи . Положение шага может быть быстро увеличено или уменьшено для создания непрерывного вращения, или двигателю можно приказать активно удерживать свое положение на одном заданном шаге. Двигатели различаются по размеру, скорости, разрешению шага и крутящему моменту .
Реактивные двигатели с коммутацией импульсов — это очень большие шаговые двигатели с уменьшенным числом полюсов. Обычно они используют коммутаторы с замкнутым контуром .
Коллекторные двигатели постоянного тока вращаются непрерывно, когда на их клеммы подается постоянное напряжение . Шаговый двигатель известен своим свойством преобразования последовательности входных импульсов (обычно прямоугольных волн) в точно определенное приращение положения вращения 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. Электромагниты питаются от внешней схемы драйвера или микроконтроллера . Чтобы заставить вал двигателя вращаться, сначала подается питание на один электромагнит, который магнитно притягивает зубья шестерни. Когда зубья шестерни выровнены с первым электромагнитом, они слегка смещены относительно следующего электромагнита. Это означает, что когда следующий электромагнит включается, а первый выключается, шестерня слегка поворачивается, чтобы выровняться со следующим. С этого момента процесс повторяется. Каждое из частичных вращений называется «шагом», при этом целое число шагов совершает полный оборот. Таким образом, двигатель можно повернуть на точный угол.
Круговое расположение электромагнитов разделено на группы, каждая группа называется фазой, и в каждой группе равное количество электромагнитов. Количество групп выбирается конструктором шагового двигателя. Электромагниты каждой группы чередуются с электромагнитами других групп, чтобы сформировать равномерную схему расположения. Например, если шаговый двигатель имеет две группы, обозначенные как A или B, и десять электромагнитов в общей сложности, то схема группировки будет ABABABABAB.
Электромагниты в одной группе запитываются все вместе. Из-за этого шаговые двигатели с большим количеством фаз обычно имеют больше проводов (или выводов) для управления двигателем.
Существует три основных типа шаговых двигателей: с постоянными магнитами , с переменным магнитным сопротивлением и гибридные синхронные. [1] [3]
Двигатели с постоянными магнитами используют постоянный магнит (ПМ) в роторе и работают на притяжении или отталкивании между магнитом ротора и электромагнитами статора . Импульсы перемещают ротор по часовой стрелке или против часовой стрелки дискретными шагами. Если оставить питание на последнем шаге, в этом месте вала останется сильный фиксатор . Этот фиксатор имеет предсказуемую жесткость пружины и заданный предел крутящего момента; проскальзывание происходит, если предел превышен. Если ток отключается, все еще остается меньший фиксатор , удерживающий положение вала против пружины или других влияний крутящего момента. Затем шаг может быть возобновлен, надежно синхронизированный с управляющей электроникой.
Шаговые двигатели с постоянными магнитами имеют простую электронику переключения постоянного тока, фиксатор выключения питания и отсутствие считывания положения. Эти качества идеально подходят для таких приложений, как бумажные принтеры, 3D-принтеры и робототехника. Такие приложения отслеживают положение, просто подсчитывая количество шагов, которые каждый двигатель должен был сделать.
Двигатели с переменным магнитным сопротивлением (VR) имеют ротор из мягкого железа [4] и работают по принципу, что минимальное магнитное сопротивление достигается при минимальном зазоре, поэтому точки ротора притягиваются к магнитным полюсам статора . Двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют фиксаторы при включении питания, но не при выключении.
Гибридные синхронные двигатели представляют собой комбинацию двигателей с постоянным магнитом и переменного магнитного сопротивления, позволяющую максимально увеличить мощность при небольших размерах. [5]
Существуют два основных варианта расположения обмоток электромагнитных катушек в двухфазном шаговом двигателе: биполярный и униполярный.
Униполярный шаговый двигатель имеет одну обмотку с центральным отводом на фазу. Каждая секция обмоток включается для каждого направления магнитного поля. Поскольку в этой конструкции магнитный полюс может быть изменен без переключения полярности общего провода, коммутационная схема может быть просто одним транзистором переключения 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 фазы соединены внутри, поэтому двигатель имеет только пять выводов.
Микроконтроллер или контроллер шагового двигателя можно использовать для активации транзисторов привода в правильном порядке, и эта простота эксплуатации делает униполярные двигатели популярными среди любителей; они, вероятно, являются самым дешевым способом получения точных угловых перемещений. Для экспериментатора обмотки могут быть идентифицированы путем соприкосновения клеммных проводов вместе в двигателях с постоянными магнитами. Если клеммы катушки соединены, вал становится труднее вращать. Один из способов отличить центральный отвод (общий провод) от провода на конце катушки — это измерение сопротивления. Сопротивление между общим проводом и проводом на конце катушки всегда составляет половину сопротивления между проводами на концах катушки. Это связано с тем, что длина катушки между концами в два раза больше, а от центра (общего провода) до конца — только половина. Быстрый способ определить, работает ли шаговый двигатель, — это замкнуть накоротко каждые две пары и попробовать повернуть вал. Всякий раз, когда ощущается сопротивление выше обычного, это указывает на то, что цепь к конкретной обмотке замкнута и что фаза работает.
Биполярные двигатели имеют пару однообмоточных соединений на фазу. Ток в обмотке должен быть реверсирован, чтобы реверсировать магнитный полюс, поэтому схема управления должна быть более сложной, как правило, с компоновкой H-моста (однако есть несколько готовых микросхем драйверов, которые упрощают это дело). На фазу приходится два вывода, ни один из них не является общепринятым.
Типичная схема управления двухкатушечным биполярным шаговым двигателем будет выглядеть так: A+ B+ A− B−. То есть, возбуждаем катушку A положительным током, затем отключаем ток от катушки A; затем возбуждаем катушку B положительным током, затем отключаем ток от катушки B; затем возбуждаем катушку A отрицательным током (изменяя полярность, переключая провода, например, с помощью моста H), затем отключаем ток от катушки A; затем возбуждаем катушку B отрицательным током (снова изменяя полярность, как у катушки A); цикл завершается и начинается заново.
Эффекты статического трения с использованием Н-моста наблюдались в некоторых топологиях привода. [6]
Изменение частоты сигнала шагового двигателя на более высокую, чем та, на которую 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 только половина используется в любой момент времени, поэтому его эффективность составляет 50% (или примерно 70% от доступного крутящего момента). Хотя биполярный шаговый двигатель сложнее в управлении, обилие микросхем драйверов означает, что это гораздо менее сложно сделать.
Шаговый двигатель с 8 выводами похож на униполярный шаговый двигатель, но выводы не соединены с общим проводом внутри двигателя. Этот тип двигателя может быть подключен в нескольких конфигурациях:
Многофазные шаговые двигатели с большим количеством фаз, как правило, имеют гораздо более низкий уровень вибрации. [7] Хотя они и более дороги, они имеют более высокую плотность мощности и при наличии соответствующей электроники привода часто лучше подходят для применения [ требуется ссылка ] .
Производительность шагового двигателя сильно зависит от схемы драйвера . Кривые крутящего момента могут быть расширены до более высоких скоростей, если полюса статора могут быть изменены быстрее, ограничивающим фактором является комбинация индуктивности обмотки. Чтобы преодолеть индуктивность и быстро переключить обмотки, необходимо увеличить напряжение привода. Это приводит к необходимости ограничения тока, который эти высокие напряжения могут в противном случае индуцировать.
Дополнительным ограничением, часто сопоставимым с эффектами индуктивности, является обратная ЭДС двигателя. При вращении ротора двигателя генерируется синусоидальное напряжение, пропорциональное скорости (шаговой скорости). Это переменное напряжение вычитается из доступной формы волны напряжения, чтобы вызвать изменение тока.
Схемы драйверов L/R также называются приводами постоянного напряжения , поскольку для установки положений шага к каждой обмотке прикладывается постоянное положительное или отрицательное напряжение. Однако именно ток обмотки, а не напряжение, прикладывает крутящий момент к валу шагового двигателя. Ток I в каждой обмотке связан с приложенным напряжением V индуктивностью обмотки L и сопротивлением обмотки R. Сопротивление R определяет максимальный ток согласно закону Ома I=V/R. Индуктивность L определяет максимальную скорость изменения тока в обмотке согласно формуле для индуктора dI/dt = V/L. Результирующий ток для импульса напряжения представляет собой быстро нарастающий ток как функцию индуктивности. Он достигает значения V/R и сохраняется в течение оставшейся части импульса. Таким образом, при управлении приводом постоянного напряжения максимальная скорость шагового двигателя ограничена его индуктивностью, поскольку на некоторой скорости напряжение U будет меняться быстрее, чем ток I может поддерживаться. Проще говоря, скорость изменения тока равна L / R (например, индуктивность 10 мГн с сопротивлением 2 Ом займет 5 мс, чтобы достичь приблизительно 2/3 максимального крутящего момента или около 24 мс, чтобы достичь 99% максимального крутящего момента). Для получения высокого крутящего момента на высоких скоростях требуется большое напряжение привода с низким сопротивлением и низкой индуктивностью.
С приводом L/R можно управлять низковольтным резистивным двигателем с более высоким напряжением привода, просто добавив внешний резистор последовательно с каждой обмоткой. Это приведет к потере мощности в резисторах и выделению тепла. Поэтому это считается вариантом с низкой производительностью, хотя и простым и дешевым.
Современные драйверы с режимом напряжения преодолевают некоторые из этих ограничений, приближая синусоидальную форму волны напряжения к фазам двигателя. Амплитуда формы волны напряжения настроена на увеличение с шагом. При правильной настройке это компенсирует эффекты индуктивности и противо-ЭДС , обеспечивая достойную производительность по сравнению с драйверами с режимом тока, но за счет усилий по проектированию (процедур настройки), которые проще для драйверов с режимом тока.
Схемы управления прерывателем называются управляемыми токовыми приводами, потому что они генерируют управляемый ток в каждой обмотке, а не подают постоянное напряжение. Схемы управления прерывателем чаще всего используются с двухобмоточными биполярными двигателями, причем две обмотки приводятся в действие независимо для обеспечения определенного крутящего момента двигателя по часовой стрелке или против часовой стрелки. На каждой обмотке «питающее» напряжение подается на обмотку в виде прямоугольной волны; например, 8 кГц. Индуктивность обмотки сглаживает ток, который достигает уровня в соответствии с рабочим циклом прямоугольной волны . Чаще всего на контроллер подаются биполярные напряжения питания (+ и -) относительно возврата обмотки. Таким образом, рабочий цикл 50% приводит к нулевому току. 0% приводит к полному току V/R в одном направлении. 100% приводит к полному току в противоположном направлении. Этот уровень тока контролируется контроллером путем измерения напряжения на небольшом чувствительном резисторе, включенном последовательно с обмоткой. Это требует дополнительной электроники для измерения токов обмоток и управления переключением, но позволяет шаговым двигателям работать с более высоким крутящим моментом на более высоких скоростях, чем приводы L/R. Это также позволяет контроллеру выводить заранее определенные уровни тока, а не фиксированные. Интегрированная электроника для этой цели широко доступна.
Шаговый двигатель — это многофазный синхронный двигатель переменного тока (см. Теорию ниже), и он идеально управляется синусоидальным током. Полношаговая форма волны — это грубое приближение синусоиды, и именно поэтому двигатель демонстрирует такую сильную вибрацию. Были разработаны различные методы привода для лучшего приближения к синусоидальной форме волны привода: это полушаговый и микрошаговый.
В этом методе привода активируется только одна фаза за раз. Он имеет то же количество шагов, что и полношаговый привод, но у двигателя будет значительно меньший крутящий момент, чем номинальный. Он редко используется. Анимированная фигура, показанная выше, представляет собой двигатель с волновым приводом. В анимации ротор имеет 25 зубцов, и для поворота на одну позицию зубца требуется 4 шага. Поэтому будет25 × 4 = 100 шагов за полный оборот, и каждый шаг будет 360 ⁄ 100 =3,6 ° .
Это обычный метод для полношагового 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 полушаговом режиме привод чередует две фазы и одну фазу. Это увеличивает угловое разрешение. Двигатель также имеет меньший крутящий момент (приблизительно 70%) в положении полного шага (где включена только одна фаза). Это можно смягчить, увеличив ток в активной обмотке для компенсации. Преимущество полушагового режима заключается в том, что электронике привода не нужно изменяться для его поддержки. На анимированном рисунке, показанном выше, если мы изменим его на полушаговый режим, то потребуется 8 шагов для поворота на 1 позицию зуба. Таким образом, будет 25×8 = 200 шагов на полный оборот, и каждый шаг будет 360/200 = 1,8°. Его угол на шаг составляет половину полного шага.
То, что обычно называют микрошагом, часто является синусно-косинусным микрошагом , в котором ток обмотки приближается к синусоидальной форме переменного тока. Обычный способ получения синусно-косинусного тока — это схемы управления с прерывателем. Синусно-косинусный микрошаг является наиболее распространенной формой, но могут использоваться и другие формы сигнала. [8] Независимо от используемой формы сигнала, по мере уменьшения микрошагов работа двигателя становится более плавной, тем самым значительно уменьшая резонанс в любых частях, к которым может быть подключен двигатель, а также в самом двигателе. Разрешение будет ограничено механическим трением , люфтом и другими источниками ошибок между двигателем и конечным устройством. Для повышения разрешения позиционирования могут использоваться редукторы.
Уменьшение размера шага является важной особенностью шаговых двигателей и основной причиной их использования для позиционирования.
Пример: многие современные гибридные шаговые двигатели рассчитаны таким образом, что перемещение каждого полного шага (например, 1,8 градуса на полный шаг или 200 полных шагов на оборот) будет в пределах 3% или 5% перемещения каждого другого полного шага, пока двигатель работает в пределах своих указанных рабочих диапазонов. Несколько производителей показывают, что их двигатели могут легко поддерживать 3% или 5% равенство размера перемещения шага, когда размер шага уменьшается от полного шага до 1/10 шага. Затем, по мере увеличения числа делителей микрошага, повторяемость размера шага ухудшается. При большом уменьшении размера шага можно выдать много команд микрошага, прежде чем произойдет какое-либо движение, и тогда движение может быть «прыжком» в новое положение. [9] Некоторые микросхемы контроллера шагового двигателя используют повышенный ток, чтобы минимизировать такие пропущенные шаги, особенно когда импульсы пикового 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 этом необходимо следить за тем, чтобы у них не было общего знаменателя. Кроме того, мягкий магнитный материал с большим количеством зубцов на роторе и статоре дешево увеличивает число полюсов (реактивный двигатель). Современные шаговые двигатели имеют гибридную конструкцию, имея как постоянные магниты, так и сердечники из мягкого железа .
Для достижения полного номинального крутящего момента катушки шагового двигателя должны достигать своего полного номинального тока на каждом шаге. Индуктивность обмотки и противо-ЭДС, генерируемая движущимся ротором, имеют тенденцию противостоять изменениям тока привода, так что по мере увеличения скорости двигателя все меньше и меньше времени тратится на полный ток, тем самым уменьшая крутящий момент 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 применяемой частотой шага, и этот крутящий момент должен преодолевать трение и инерцию. Важно убедиться, что нагрузка на двигатель фрикционная, а не инерционная, поскольку трение уменьшает любые нежелательные колебания.
Кривая втягивания определяет область, называемую областью старта/остановки. В этой области двигатель может быть запущен/остановлен мгновенно с приложением нагрузки и без потери синхронизма.
Крутящий момент шагового двигателя измеряется путем ускорения двигателя до желаемой скорости и последующего увеличения нагрузки крутящего момента до тех пор, пока двигатель не заглохнет или не пропустит шаги. Это измерение проводится в широком диапазоне скоростей, а результаты используются для создания динамической кривой производительности шагового двигателя. Как отмечено ниже, эта кривая зависит от напряжения привода, тока привода и методов переключения тока. Проектировщик может включить коэффициент безопасности между номинальным крутящим моментом и расчетным крутящим моментом полной нагрузки, необходимым для приложения.
Синхронные электродвигатели, использующие постоянные магниты, имеют резонансный момент удержания положения (называемый моментом фиксатора или зубцовым моментом , и иногда включается в спецификации), когда они не приводятся в действие электричеством. Магнитопроводы с мягким железом не демонстрируют такого поведения.
Когда двигатель делает один шаг, он проскакивает конечную точку покоя и колеблется вокруг этой точки, когда он останавливается. Этот нежелательный звон ощущается как вибрация ротора двигателя и более выражен в ненагруженных двигателях. Ненагруженный или недогруженный двигатель может, и часто будет, останавливаться, если испытываемая вибрация достаточна, чтобы вызвать потерю синхронизации.
Шаговые двигатели имеют собственную частоту работы. Когда частота возбуждения совпадает с этим резонансом, звон становится более выраженным, шаги могут пропускаться, и более вероятна остановка. Резонансная частота двигателя может быть рассчитана по формуле:
где - удерживающий момент в Н·м, - число пар полюсов, - инерция ротора в кг·м². Величина нежелательного звона зависит от обратной ЭДС, возникающей из-за скорости ротора. Результирующий ток способствует затуханию, поэтому характеристики цепи привода важны. Звон ротора можно описать в терминах коэффициента затухания .
На заводских табличках шаговых двигателей обычно указывается только ток обмотки, а иногда напряжение и сопротивление обмотки. Номинальное напряжение будет давать номинальный ток обмотки при постоянном токе: но это в основном бессмысленная оценка, поскольку все современные драйверы ограничивают ток, а напряжения привода значительно превышают номинальное напряжение двигателя.
В технических описаниях производителя часто указывается индуктивность. Противо-ЭДС также важна, но редко указывается (ее легко измерить с помощью осциллографа). Эти цифры могут быть полезны для более глубокого проектирования электроники при отклонении от стандартных напряжений питания, адаптации сторонних драйверных электронных устройств или для получения информации при выборе между моделями двигателей с другими схожими 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 напряжения привода.
Шаговые двигатели должны быть рассчитаны в соответствии с опубликованной кривой крутящего момента , которая указывается производителем при определенных напряжениях привода или с использованием собственной схемы привода. Провалы в кривой крутящего момента указывают на возможные резонансы, влияние которых на применение должно быть понято проектировщиками.
Шаговые двигатели, адаптированные к суровым условиям, 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 по размеру лицевой панели, NEMA 17 — это шаговый двигатель с лицевой панелью 1,7 на 1,7 дюйма (43 мм × 43 мм) и размерами, указанными в дюймах. В стандарте также перечислены двигатели с размерами лицевой панели, указанными в метрических единицах. Такие двигатели обычно обозначаются как NEMA DD, где DD — диаметр лицевой панели в дюймах, умноженный на 10 (например, NEMA 17 имеет диаметр 1,7 дюйма). Существуют и другие спецификации для описания шаговых двигателей, и такие подробности можно найти в стандарте ICS 16-2001.
Шаговые двигатели с компьютерным управлением являются типом системы позиционирования с управлением движением . Они обычно управляются цифровым способом как часть системы открытого контура для использования в приложениях удержания или позиционирования.
В области лазеров и оптики они часто используются в точном позиционирующем оборудовании, таком как линейные приводы , линейные ступени , вращающиеся ступени , гониометры и зеркальные крепления . Другие применения - в упаковочном оборудовании и позиционировании ступеней управления клапанами для систем управления потоками.
В коммерческих целях шаговые двигатели используются в дисководах , планшетных сканерах , компьютерных принтерах , плоттерах , игровых автоматах , сканерах изображений , компакт-дисковых приводах, интеллектуальном освещении , объективах камер , станках с ЧПУ и 3D-принтерах . Некоторые любители программирования использовали массивы шаговых двигателей в качестве электронных музыкальных инструментов , программируя двигатели для вращения на частотах различных музыкальных тонов в последовательности, которая имитирует ту, что находится в файле MIDI . [12] [13]
Система шагового двигателя состоит из трех основных элементов, часто объединенных с каким-либо типом пользовательского интерфейса (хост-компьютер, ПЛК или неавтоматизированный терминал):
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )