Шаговые двигатели: типы, конструкция, принцип работы и применение

Типы шаговых двигателей — их конструкция, принцип работы и применение

Изобретение специальных драйверов для шаговых двигателей и других цифровых технологий управления для интерфейса шагового двигателя с ПК-системами стало причиной широкого принятия шаговых двигателей в последнее время. Шаговые двигатели становятся идеальным выбором для систем автоматизации, требующих точного управления скоростью или точного позиционирования или обоих сразу.

Как известно, многие промышленные электродвигатели используются с замкнутым контуром обратной связи для достижения точного позиционирования или точного управления скоростью, с другой стороны, шаговый двигатель способен работать в открытой системе управления. Это, в свою очередь, снижает общую стоимость системы и упрощает конструкцию машины по сравнению с системой управления сервоприводами. Кратко обсудим шаговый двигатель и его типы.

• Связанная статья: Сервопривод — типы, конструкция, принцип работы и применение

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это бесколлекторный электромеханический прибор, который преобразует последовательность электрических импульсов, подаваемых на его обмотки возбуждения, в точно определенное пошаговое механическое вращение вала. Вал двигателя поворачивается на фиксированный угол для каждого дискретного импульса. Это вращение может быть линейным или угловым. Он делает один шаг на один входной импульс.

Когда подается последовательность импульсов, он поворачивается на определенный угол. Угол, на который поворачивается вал шагового двигателя для каждого импульса, называется углом шага, который обычно выражается в градусах.

Количество входных импульсов, подаваемых на двигатель, определяет угол шага и, следовательно, положение вала двигателя контролируется путем управления количеством импульсов. Эта уникальная особенность делает шаговый двигатель отлично подходящим для системы управления с открытым контуром, где точное положение вала поддерживается точным количеством импульсов без использования датчика обратной связи.

Если угол шага меньше, тем больше будет количество шагов на оборот и выше будет точность полученного положения. Углы шага могут быть до 90 градусов и до 0,72 градуса, однако наиболее часто используемые углы шага — 1,8°, 2,5°, 7,5° и 15°.

Направление вращения вала зависит от последовательности импульсов, подаваемых на статор. Скорость вала или средняя скорость двигателя прямо пропорциональна частоте (скорости входных импульсов) входных импульсов, подаваемых на обмотки возбуждения. Поэтому, если частота низкая, шаговый двигатель вращается шагами, а при высокой частоте он вращается непрерывно, как двигатель постоянного тока, из-за инерции.

Как и все электродвигатели, у него есть статор и ротор. Ротор — подвижная часть, у которой нет обмоток, щеток и коллектора. Обычно роторы либо с переменным магнитным сопротивлением, либо постоянного магнита. Статор часто изготавливается с многолюльчатыми и мног фазными обмотками, обычно трех- или четырехфазными, намотанными для требуемого количества полюсов, определяемого желаемым угловым смещением на входной импульс.

В отличие от других двигателей, он работает по запрограммированным дискретным управляющим импульсам, подаваемым на обмотки статора через электронный драйвер. Вращение происходит благодаря магнитному взаимодействию между полюсами последовательно возбуждаемых обмоток статора и полюсами ротора.

На сегодняшнем рынке существует несколько типов шаговых двигателей в широком диапазоне размеров, количества шагов, конструкций, обмоток, шестерен и других электрических характеристик. Поскольку эти двигатели способны работать в дискретном режиме, они отлично подходят для интерфейса с цифровыми устройствами управления, такими как компьютеры.

Благодаря точному управлению скоростью, вращением, направлением и угловой позицией, они представляют особый интерес для систем управления промышленными процессами, станков с ЧПУ, робототехники, систем автоматизации производства и приборостроения.

• Связанная статья: Бесколлекторный двигатель постоянного тока — конструкция, принцип работы и применение

Типы шаговых двигателей

Существует три основные категории шаговых двигателей:

• Шаговый двигатель с постоянным магнитом
• Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением
• Гибридный шаговый двигатель
  

Во всех этих двигателях обмотки возбуждения используются в статоре, где количество обмоток соответствует количеству фаз.

Напряжение постоянного тока подается как возбуждение на катушки обмоток, и каждый вывод обмотки подключен к источнику через твердотельный ключ. В зависимости от типа шагового двигателя, его ротор проектируется как ротор из мягкой стали с сальIENTными полюсами, цилиндрический ротор с постоянным магнитом и постоянный магнит с зубьями из мягкой стали. Рассмотрим эти типы подробнее.

• Также читайте: Соединение трехфазного двигателя «Звезда/Треугольник» (Y-Δ) Реверс / Прямой с таймером Силовая и управляющая схема

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Это базовый тип шагового двигателя, который существует уже давно и обеспечивает самый простой способ понять принцип работы с точки зрения структуры. Как следует из названия, угловая позиция ротора зависит от магнитного сопротивления магнитной цепи, образованной между полюсами статора (зубами) и зубьями ротора.

Конструкция шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением

Он состоит из намотанного статора и ротора из мягкого железа с множеством зубьев. Статор имеет пакет электрических стальных ламинаций, на которых намотаны статорные обмотки. Обычно он намотан для трех фаз, распределенных между парами полюсов.

Количество полюсов на статоре, таким образом образованных, равно четному кратному количеству фаз, для которых обмотки намотаны на статоре. На рисунке ниже статор имеет 12 равнораспределенных выдающихся полюсов, где каждый полюс намотан возбуждающей катушкой. Эти три фазы возбуждаются от источника постоянного тока с помощью твердотельных ключей.

Ротор не имеет обмоток и является сальIENTным полюсным типом, сделанным полностью из ламинированных стальных пакетов с пазами. Выдающиеся зубья ротора имеют такую же ширину, как и зубья статора. Количество полюсов на статоре отличается от количества полюсов ротора, что обеспечивает способность к самостарту и двунаправленному вращению двигателя.

Отношение полюсов ротора к полюсам статора для трехфазного шагового двигателя задается как Nr = Ns ± (Ns / q). Здесь Ns = 12, q = 3, следовательно Nr = 12 ± (12 / 3) = 16 или 8. Конструкция ротора с 8 полюсами без возбуждения показана ниже.

Принцип работы шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением

Шаговый двигатель работает по принципу, что ротор выравнивается в определенной позиции с зубьями возбуждаемого полюса в магнитной цепи, где существует путь минимального сопротивления. Всякий раз, когда к двигателю подается питание и возбуждается определенная обмотка, она создает свое магнитное поле и развивает свои магнитные полюса.

Из-за остаточного магнетизма в полюсах ротора, он заставляет ротор двигаться в такую позицию, чтобы достичь положения минимального сопротивления, и таким образом один набор полюсов ротора выравнивается с возбужденным набором полюсов статора. В этой позиции ось магнитного поля статора совпадает с осью, проходящей через любые два магнитных полюса ротора.

Когда ротор выравнивается с полюсами статора, у него достаточно магнитной силы, чтобы удерживать вал от перехода в следующую позицию, либо по часовой стрелке, либо против.

Рассмотрим схемную диаграмму 3-фазного, 6-полюсного статора и 4-зубчатого ротора, показанную на рисунке ниже. Когда фаза А-А' запитана от источника постоянного тока замыканием выключателя -1, обмотка становится магнитом, в результате чего один зубь становится северным, а другой — южным. Так ось магнитного поля статора лежит вдоль этих полюсов.

Благодаря силе притяжения северный полюс статора притягивает ближайший зубь ротора противоположной полярности, то есть южный, а южный полюс притягивает ближайший зубь ротора противоположной полярности, то есть северный. Ротор затем устанавливается в свою позицию минимального сопротивления, где магнитная ось ротора в точности совпадает с магнитной осью статора.

Когда фаза В-В' возбуждается замыканием выключателя -2, сохраняя фазу А-А' развозбужденной замыканием выключателя -1, обмотка В-В' создаст магнитный поток, и следовательно ось магнитного поля статора сместится вдоль полюсов, образованных ею. Следовательно, ротор смещается в положение наименьшего сопротивления с намагниченными зубьями статора и поворачивается на угол 30 градусов по часовой стрелке.

Когда выключатель -3 возбуждается после размыкания выключателя -2, фаза С-С' возбуждается, зубья ротора выравниваются с новой позицией, перемещаясь через дополнительный угол 30 градусов. Таким образом, ротор движется по часовой или против часовой стрелки последовательным возбуждением статорных обмоток в определенной последовательности. Угол шага этого 3-фазного 4-зубчатого ротора шагового двигателя выражается как 360 / (4 × 3) = 30 градусов (так как угол шага = 360 / Nr × q).

Угол шага можно еще больше уменьшить, увеличив количество полюсов на статоре и роторе, в таком случае двигатели часто намотаны дополнительными фазными обмотками. Это также можно достичь, приняв другую конструкцию шаговых двигателей, такую как многостопчатое расположение и редукторный механизм.

• Также читайте: Соединение трехфазного двигателя ЗВЕЗДА/ТРЕУГОЛЬНИК без таймера Силовая и управляющая схема

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Конструкция двигателя с постоянным магнитом, пожалуй, самая распространенная среди нескольких типов шаговых двигателей. Как следует из названия, она добавляет постоянные магниты в конструкцию двигателя. Этот тип шаговых двигателей также называется can-stack motor или tin-can motor. Главное преимущество этого двигателя — его низкая стоимость производства. Этот тип двигателя имеет 48–24 шага на оборот.

Конструкция шагового двигателя с постоянным магнитом

В этом двигателе статор многолюльчатый, и его конструкция аналогична конструкции шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением, обсужденной выше. Он состоит из пазовой периферии, на которой намотаны статорные катушки. У него есть выдающиеся полюса на пазовой структуре, где намотанные обмотки могут быть двух-, трех- или четырехфазными.

Конечные выводы всех этих обмоток выведены наружу и подключены к постоянному току возбуждения через твердотельные ключи в схеме драйвера.

Ротор сделан из материала постоянного магнита, как феррит, который может быть либо цилиндрической, либо сальIENTной полюсной формы, но обычно он гладкий цилиндрический. Ротор спроектирован так, чтобы иметь четное число постоянных магнитных полюсов с чередующимися северными и южными полярностями.

Принцип работы шагового двигателя с постоянным магнитом

Работа этого двигателя основана на принципе, что разноименные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются. Когда статорные обмотки возбуждаются источником постоянного тока, они создают магнитный поток и устанавливают северные и южные полюса. Благодаря силе притяжения и отталкивания между полюсами постоянного магнита ротора и полюсами статора, ротор начинает двигаться до позиции, для которой импульсы поданы на статор.

Рассмотрим 2-фазный шаговый двигатель с двумя полюсами постоянного магнита ротора, как показано на рисунке ниже.

Когда фаза А возбуждается положительным током относительно А', обмотки устанавливают северные и южные полюса. Благодаря силе притяжения полюса ротора выравниваются с полюсами статора так, что магнитная ось ротора выравнивается с осью статора, как показано на рисунке.

Когда возбуждение переключается на фазу В, а фаза А отключается, ротор дальше выравнивается с магнитной осью фазы В и таким образом поворачивается на 90 градусов по часовой стрелке.

Далее, если фаза А возбуждается отрицательным током относительно А', формирование полюсов статора заставляет ротор двигаться через еще 90 градусов по часовой стрелке.

Точно так же, если фаза В возбуждается отрицательным током замыканием выключателя фазы А, ротор поворачивается через еще 90 градусов в том же направлении. Далее, если фаза А возбуждается положительным током, ротор возвращается в исходную позицию, таким образом совершая полный оборот 360 градусов. Это означает, что всякий раз, когда статор возбуждается, ротор стремится повернуться на 90 градусов по часовой стрелке.

Угол шага этого 2-фазного 2-полюсного ротора двигателя с постоянным магнитом выражается как 360 / (2 × 2) = 90 градусов. Размер шага можно уменьшить путем одновременного возбуждения двух фаз или последовательности режимов 1-фаза ВКЛ и 2-фазы ВКЛ с правильной полярностью.

• Также читайте: Термины и определения, связанные с управлением и защитой двигателей

Гибридный шаговый двигатель

Это наиболее популярный тип шагового двигателя, так как он обеспечивает лучшую производительность, чем ротор с постоянным магнитом, в плане разрешения шага, удерживающего момента и скорости. Однако эти двигатели дороже шаговых двигателей с постоянным магнитом. Он объединяет лучшие черты и шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением, и шагового двигателя с постоянным магнитом. Эти двигатели используются в приложениях, требующих очень малого угла шага, такого как 1,5°, 1,8° и 2,5°.

Конструкция гибридного шагового двигателя

Статор этого двигателя такой же, как у его аналога с постоянным магнитом или переменным магнитным сопротивлением. Статорные катушки намотаны на чередующихся полюсах. В этом случае катушки разных фаз намотаны на каждом полюсе, обычно две катушки на полюс, что называется бифилярным соединением.

Ротор состоит из постоянного магнита, намагниченного в осевом направлении для создания пары магнитных полюсов (С и Ю полюса). Каждый полюс покрыт равномерно распределенными зубьями. Зубья сделаны из мягкой стали и двух секций, из которых на каждом полюсе смещены друг относительно друга на половину шага зубья.

• Связанная статья: Почему электродвигатели указывают в кВт, а не в кВА?

Принцип работы гибридного шагового двигателя

Этот двигатель работает аналогично шаговому двигателю с постоянным магнитом. На рисунке выше показан 2-фазный, 4-полюсный, 6-зубчатый ротор гибридного шагового двигателя. Когда фаза А-А' возбуждается источником постоянного тока, сохраняя В-В' не возбужденной, ротор выравнивается так, что южный полюс ротора обращен к северному полюсу статора, в то время как северный полюс ротора обращен к южному полюсу статора.

Теперь, если фаза В-В' возбуждается, сохраняя А-А' выключенной так, что верхний полюс становится северным, а нижний — южным, то ротор выровняется в новой позиции, перемещаясь против часовой стрелки. Если фаза В-В' возбуждается с противоположной полярностью так, что верхний полюс становится южным, а нижний — северным, то ротор повернется по часовой стрелке.

Правильной последовательностью импульсов к статору двигатель будет поворачиваться в желаемом направлении. Для каждого возбуждения ротор блокируется в новой позиции, и даже если возбуждение убрано, двигатель все равно сохраняет свое заблокированное состояние благодаря возбуждению постоянного магнита. Угол шага этого 2-фазного, 4-полюсного, 6-зубчатого ротора двигателя составляет 360 / (2 × 6) = 30 градусов. На практике гибридные двигатели конструируют с большим числом полюсов ротора для получения высокого углового разрешения.

• Связанная статья: Что такое КПД двигателя и как его улучшить?

Униполярные и биполярные шаговые двигатели

Обсужденные выше двигатели могут быть униполярными или биполярными в зависимости от расположения катушек обмоток. Униполярный двигатель имеет две обмотки на фазу, и следовательно направление тока через эти обмотки меняет вращение двигателя. В этой конфигурации ток течет в одном направлении в одной катушке и в противоположном в другой.

На рисунке ниже показан 2-фазный униполярный шаговый двигатель, где катушки А и С — для одной фазы, а В и D — для другой. В каждой фазе каждая катушка несет ток в противоположном направлении к другой катушке. Только одна катушка будет нести ток в данный момент в каждой фазе для достижения определенного направления вращения. Так просто переключая выводы на каждую катушку, направление вращения контролируется.

В случае биполярного шагового двигателя, каждая фаза состоит из одной обмотки, а не двух, как в случае униполярного. В этом случае направление вращения контролируется изменением направления тока через обмотки. Следовательно, требуется более сложная схема драйвера для изменения тока.

• Также читайте: Что такое соленоид и магнитное поле соленоида

Режимы шага шагового двигателя

Типичное шаговое действие заставляет двигатель шагать через последовательность положений равновесия в ответ на токовые импульсы, поданные ему. Возможно изменять шаговое действие различными способами, просто меняя последовательность, через которую статорные обмотки возбуждаются. Следующие — наиболее распространенные режимы работы или управления шаговыми двигателями.

1. Волновой шаг (Wave step)
2. Полный шаг (Full step)
3. Полушаг (Half step)
4. Микрошаг (Microstepping)

Режим волнового шага

Режим волнового шага — самый простой из всех остальных режимов, в котором в любой момент времени возбуждается только одна обмотка. Каждая катушка фазы подключается к источнику поочередно. Таблица ниже показывает порядок, в котором катушки возбуждаются в 4-фазном шаговом двигателе.

В этом режиме двигатель дает максимальный угол шага по сравнению со всеми остальными режимами. Это самый простой и наиболее часто используемый режим для шагового движения; однако развиваемый момент меньше, так как он использует только часть общей обмотки в данный момент.

Режим полного шага

В этом режиме управления две статорные фазы возбуждаются одновременно в любой момент времени. Когда две фазы возбуждаются вместе, ротор испытывает момент от обеих фаз и приходит в положение равновесия, которое будет промежуточным между двумя соседними позициями волнового шага или 1-фазными возбуждениями. Так что этот шаг обеспечивает лучший удерживающий момент, чем волновой шаг. Таблица ниже показывает управление полным шагом для 4-фазного шагового двигателя.

Режим полушага

Это комбинация и волнового, и полного шаговых режимов. В этом случае однофазное и двухфазное возбуждения выполняются поочередно, то есть одна фаза ВКЛ, две фазы ВКЛ, и так далее. Угол шага в этом режиме становится половиной угла полного шага. Этот режим управления имеет наибольший момент и стабильность по сравнению со всеми остальными режимами. Таблица, содержащая последовательность фазного импульсирования для 4-фазного двигателя в режиме полушага, приведена ниже.

Режим микрошага

В этом режиме каждый шаг двигателя подразделяется на несколько малых шагов, даже сотни фиксированных позиций, поэтому достигается более высокое разрешение позиционирования. В этом режиме токи через обмотки непрерывно варьируются для получения очень малых шагов. В этом режиме две фазы возбуждаются одновременно, но с неравными токами в каждой фазе.

Например, ток через фазу -1 удерживается постоянным, в то время как ток через фазу-2 увеличивается ступенчато до максимального значения, будь то отрицательное или положительное. Ток в фазе-1 затем уменьшается или увеличивается ступенчато до нуля. Таким образом, двигатель будет производить малый размер шага.

Все эти режимы шага могут быть получены каждым типом шагового двигателя, обсужденным выше. Однако направление тока в каждой обмотке во время этих шагов может варьироваться в зависимости от типа двигателя и того, является ли он униполярным или биполярным.

• Связанная статья: Расчет сечения кабеля для двигателей НН и ВН

Преимущества шагового двигателя

• В положении покоя двигатель имеет полный момент. Неважно, есть ли движение или смена положения.
• Он имеет хороший отклик на запуск, остановку и реверс положения.
• Так как в шаговом двигателе нет контактных щеток, он надежен, а срок службы зависит от подшипников двигателя.
• Угол вращения двигателя прямо пропорционален входным сигналам.
• Он прост и недорог в управлении, так как двигатель обеспечивает управление с открытым контуром при ответе на цифровые входные сигналы.
• Скорость двигателя прямо пропорциональна частоте входных импульсов, таким образом можно достичь широкого диапазона скоростей вращения.
• Когда нагрузка сцеплена с валом, все еще возможно реализовать синхронное вращение с низкой скоростью.
• Точность позиционирования и повторяемость движения хороши, так как он имеет точность 3–5% от шага, где ошибка не накапливается от шага к шагу.
• Шаговые двигатели безопасны и недороги (по сравнению с сервоприводами), имеют высокий момент на низких скоростях, высокую надежность с простой конструкцией, которая работает в любой среде.

Недостатки шаговых двигателей

• Шаговые двигатели имеют низкий КПД.
• Они имеют низкую точность.
• Их момент очень быстро падает со скоростью.
• Так как шаговый двигатель работает в открытом контуре управления, нет обратной связи для указания потенциальных пропущенных шагов.
• Они имеют низкое отношение момента к моменту инерции, значит не могут быстро разгонять нагрузку.
• Они шумные.

Применение шаговых двигателей

• Шаговые двигатели используются в автоматизированном производственном оборудовании, автомобильных приборах и промышленных машинах, таких как упаковка, маркировка, наполнение и резка и т.д.
• Они широко используются в устройствах безопасности, таких как камеры видеонаблюдения и охраны.
• В медицинской промышленности шаговые двигатели широко используются в пробы, цифровой стоматологической фотографии, респираторах, жидкостных насосах, аппаратах для анализа крови и медицинских сканерах и т.д.
• Они используются в потребительской электронике в сканерах изображений, ксероксах и печатных машинах и в цифровых камерах для автоматических функций зума и фокусировки и позиционирования.
• Шаговые двигатели также используются в лифтах, конвейерных лентах и разделителях полос.

Также читайте:

• Приводы постоянного тока — конструкция, работа и классификация электрических приводов постоянного тока
• Схемы силового и управления трехфазного двигателя
• Библиотека электродвигателей (AC и DC)