8 800 555-63-74 language EN
Бесплатные звонки по РФ
Корзина
0 товаров
0
Регистрация
Войти как пользователь
Вы можете войти на сайт, если вы зарегистрированы на одном из этих сервисов:
  • СТАНКИ с ЧПУ
  • СТАНКИ
  • МЕХАТРОНИКА
  • ТЕРМИЧЕСКАЯ РЕЗКА
  • НАБОРЫ ЧПУ
  • ЭЛЕКТРОНИКА
  • ЭЛЕКТРОНИКА ЧПУ
  • ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
  • ЭЛЕКТРОПРИВОД
  • МЕХАНИКА
  • НАПРАВЛЯЮЩИЕ
  • ПЕРЕДАЧИ
  • ПНЕВМАТИКА
  • ИНСТРУМЕНТ
  • ОСНАСТКА
  • СМАЗКА И СОЖ
  • СОФТ ДЛЯ ЧПУ

Определение

Принцип работы шагового электродвигателя

Шаговый двигатель - синхронный бесколлекторный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток подаваемый в одну из обмоток статора вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. Управлять ШД намного сложнее чем обычным коллекторным двигателем — нужно в определенной последовательности переключать напряжения в обмотках с одновременным контролем тока. Для управления ШД используются специальные устройства - драйверы.

Описание и устройство

Более подробно про устройство и управление шаговым двигателем можно прочитать в википедии. В целом, его конструкция похожа на обычный бесколлекторный двигатель с ротором особой формы.

Виды ШД

Разобранный униполярный 2х фазный ШД DYNASYN

В зависимости от конфигурации обмоток двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовывается драйвером. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода. Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. Таким образом, в униполярном двигателе используется другой способ изменения направления магнитного поля. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 или 6 выводов. Иногда униполярные двигатели имеют раздельные 4 обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8. При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный или как биполярный. Биполярный двигатель (а), униполярный (б) и четырехобмоточный (в):

Особенности ШД

Важными свойствами ШД, о которых надо обязательно иметь четкое представление, являются

  • Дискретность перемещений. 
    Основное свойство, из которого вытекают все остальные. Большинство моторов делает 200 или 400 шагов на оборот, однако конструкция ШД позволяет фиксировать ротор в промежуточных положениях, что позволяет добиться дробления шага до 800-10000(и даже более) шагов/оборот.
  • Ограниченная точность установки ротора 
    Подавляющее производимых ШД имеют погрешность при выполнении установки ротора в размере плюс-минус 5% от величины шага, т.е. для двигателя с шагом 1.8 град погрешность составит плюс-минус 5.4 минуты. На практике это означает, что, при дроблении шага 1:10 величина шага уже будет равна погрешности установки, и большие деления не обеспечат более точного перемещения. Единственным их применением остается повышение плавности работы ШД(см. ниже п. "Резонанс").
  • Обратная зависимость момента от скорости
    Приближенно, можно говорить о том, что величина момента, помноженная на скорость вращения вала ШД - величина постоянная. С увеличением скорости вращения крутящий момент на валу падает пропорционально.
  • Резонанс ШД.

Преимущества шаговых двигателей

см. основную статью Шаговые двигатели или серводвигатели?

  • Угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель
  • Двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны)
  • Повторяемость. Как было сказано, шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу
  • Возможность быстрого старта/остановки/реверсирования
  • Высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников
  • Однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без использования обратной связи
  • Возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без редуктора
  • Большой диапазон скоростей
  • Низкая стоимость(по отношению к сервоприводам)

Недостатки шаговых двигателей

  • Резонанс
  • Возможен пропуск шагов, и как следствие - потеря контроля положения(ввиду отсутствия обратной связи)
  • Потеря момента и стабильности на высоких скоростях
  • Невысокая удельная мощность

Управление шаговым двигателем

Самый простой вариант: Есть четыре электромагнитные катушки A, B, A’, B’. Если по ним пропускать ток — они становятся магнитами (катушки А и В активны при “прямом” направлении тока, A’ и B’ — при “обратном”). Есть колесо с зубчиками (например, зубчик один — стрелка). Зубчик притягивается к той катушке, по которой пропускают ток. Таким образом, если последовательно включать ток в катушках, то стрелка будет совершать вращательное движение. Чтобы сделать это движение более плавным, можно добавлять зубчики, можно катушки, а можно и то и другое — принцип остаётся тот же, меняется только тяга и угол поворота за один вкл/выкл. Обычно используется следующая конфигурация: катушки выстраиваются по четыре вдоль периметра вращения, на каждую четвёрку есть по зубцу, таким образом есть шестерёнка и много катушек вокруг неё. Рассмотрим самую простую модель с четырьмя катушками и одним зубчиком. Подумаем, какими способами можно вращать стрелку. Допустим, начальное её положение — у B’. 1. Самое очевидное: Включаем А: стрелка останавливается напротив А. Выключаем А, включаем В: стрелка идёт к В и останавливает напротив. Выключаем В, включаем A’: стрелка останавливает уже у A’. Выключаем A’, включаем B’: стрелка идёт к B’ и останавливает напротив. Выключаем B’, включаем А: стрелка останавливается напротив А. и т.д.


За каждый раз раз совершается вращение в 90 градусов, полный круг, соответственно, за четыре раза. Быстро, но очень резко. Чем плохо: Резко, потому шумно. Сразу большой угол поворота, поэтому в зависимости от груза инерция может быть большой, и разогнавшаяся стрелка не остановится сразу, поэтому нужна бОльшая задержка перед тем, как выключить текущую катушку и включить следующую. Из-за проблемы выше, если скорость сделать слишком большой, можно потерять контроль над вращением, и у вас что-нибудь куда-нибудь улетит или движение станет совсем уж странным. Чем хорошо: относительно просто реализуемо.


2. Чуть-чуть менее очевидное решение: Включаем А и B’: стрелка останавливается между А и B’, ровно посередине. Выключаем B’, включаем В: стрелка фиксируется между А и В. Выключаем А, включаем A’: стрелка между В и A’. Выключаем В, включаем B’: стрелка останавливается между A’ и B’. Выключаем A’, включаем А: стрелка между B’ и А. И т.д. За раз — те же 90 градусов, полный круг тоже за четыре раза. Тоже резко. Что плохо: Все то же, что и в предыдущем методе Плюс чуть-чуть сложнее в реализации, но не слишком. Что хорошо: Одновременно “в силе” сразу две катушки, то есть тяга гораздо лучше, чем у предыдущего метода. Соответственно, порог скорость + инерция, после которого мы теряем управление, становится выше по сравнению с первым методом.


3. Измельчим шаги: Пусть у нас для каждого мотора есть не только состояние вкл/выкл, а некая таблица состояний: a) 0% 50% 100% Здесь 50% означает, что сила тока в катушке 50% от максимальной. Можно ещё мельче: b) 0% 25% 50% 75% 100% Или ещё мельче. Тогда последовательность будет такой: B’ 100%, А 0% B’ 75%, А 25% B’ 50%, А 50% B’ 25%, А 75% B’ 0%, А 100% И то же самое для пар А-В, В-A’, A’-B’, B’-В Что плохо: Сложнее реализовать. Что хорошо: Шаг мельче, следовательно меньше шума и дребезжания, движение более плавное. Меньше проблем с инерцией и потерей управления. Можно сделать ещё мельче, и движение будет ещё плавнее.


4. Будем подавать ток аналоговым способом. Так сказать предельный случай при увеличении частоты разбиения до бесконечности. B’ плавно меняем от 100% до 0%, А от 0% до 100%, и так для всех пар А-В, В-A’, A’-B’, B’-В. Чем хорошо: Очень плавно, хороший контроль, хорошая тяга. И тишинааа. Чем плохо: Аналогово. Запатентовано.


5. Используем следующий вариант: Включаем B’ и А: стрелка между B’ и А. Выключаем B’: стрелка у А. Включаем В: стрелка между А и В. Выключаем А: стрелка у В. Включаем A’: стрелка между A’ и В. Выключаем В: стрелка у A’. Включаем B’: стрелка между B’ и A’. Выключаем A’: стрелка у B’ Включаем А: стрелка между B’ и А. И т.д. Отличается от “0%,50%,100%” шага 3 только тягой. 5 — сильнее.


Методы 1, 2, 3, 5 — стандартные, у них даже есть обозначения. Если считать положение “у катушки” за 1, а положение “между катушками” за 2, следующие обозначения станут понятными: Режим 1 будет называться 1 phase (полношаговый) (стрелка останавливается только на фазе “1”), но он почти не используется — тяга нехороша и вообще. Режим 2: 2 phase (полношаговый) (только на фазе “2”). Режим 5: 1-2 phase (полушаговый) (останавливаемся и на “1” и на “2”). Режим 3: В зависимости от частоты разбиения: 4 (Цикл от положения “перед катушкой” до “перед следующей катушкой” равен четырём шагам): 2W1-2 phase (2*2 = 4) 8: 4W1-2 phase (4*2 = 8) По-русски микрошаговый.

Режим 3-а никак не называется, потому что не используется, а метод 4 — запатентован.

scroll-up