Шаговый Двигатель Схема Подключения

Система управления шаговым двигателем ZETLAB

В современном мире всё большую роль играет автоматизация процессов. Для этого необходимо преобразовывать сигналы управления в механические движения. Одним из способов достижения данной цели является использование шаговых двигателей.

Шаговый двигатель — это электромеханичское устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения.

Преимущества применения шаговых двигателей

  • угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель;
  • если обмотки запитаны, то двигатель в режиме остановки обеспечивает полный момент;
  • хорошие шаговые двигатели обеспечивают точность 3-5% от величины шага, при этом 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 обратной связи;
  • возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора;
  • может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Недостатки применения шаговых двигателей

  • шаговым двигателем присуще явление резонанса;
  • из-за работы без обратной связи возможна потеря контроля положения, поэтому рекомендуется дополнять системы управления шаговым двигателем энкодером;
  • потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки;
  • затруднена работа на высоких скоростях;
  • невысокая удельная мощность;
  • относительно сложная схема управления.

Применение шаговых двигателей:

  • приводы осей координатных столов и манипуляторов;
  • системы линейного перемещения;
  • упаковочные и конвейерное оборудование;
  • оборудование для текстильного и пищевого производств;
  • полиграфическое оборудование;
  • устройство подачи, дозирования;
  • сварочные автоматы.

Принцип работы шагового двигателя

Основной принцип работы шагового двигателя заключается в следующем — двухполюсный ротор электродвигателя, сделанный из специальной магнитомягкой стали, располагается в четырехполюсном статоре. Первая полюсная пара сделана из магнитов (постоянных), на второй паре имеется обмотка управления шаговым электродвигателем. В то время, когда ток в обмотках управления отсутствует, ротор двигателя располагается вдоль магнитов и стабильно удерживается с некоторым усилием (зависящее от силы магнитного потока).

Как только осуществляется подача напряжения (постоянного) на обмотку управления шаговым электродвигателем, появляется магнитный поток, что больший магнитного потока имеющихся постоянных магнитов. Под воздействием усилия (электромагнитного) ротор начинает менять угол, стараясь войти в положение соосное с полюсами обмотки управления. Последующий импульс управления полностью отключает электрическое напряжение с обмотки управления. Вследствие этого ротор движка движется под воздействием магнитного потока магнитов.

В данной работе описывается алгоритм управления шаговыми двигателями двухфазного (биполярного) и четырёхфазного (униполярного) типа с помощью модуля управления шаговым двигателем с интерфейсом CAN ZET 7160-S StepMotor-CAN или интерфейсом RS-485 ZET 7060-S StepMotor-485.

Биполярный (двухфазный) шаговый двигатель

Двухфазный шаговый двигатель (биполярный шаговый двигатель) имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода.


Рис. 1 Внутренняя схема биполярного Ш.Д.

Рис. 2 Схема выводов биполярного Ш.Д.

Рис. 3 Схема подключения биполярного Ш.Д. к ZET7X60-S

Униполярный (четырёхфазный) шаговый двигатель

Четырёхфазный шаговый двигатель (униполярный шаговый 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. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. 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.


Рис. 4 Внутренняя схема униполярного Ш.Д.

Рис. 5 Схема выводов униполярного Ш.Д.

Рис. 6 Схема подключения униполярного Ш.Д. к ZET7X60-S

Режимы работы шагового двигателя

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя. Наиболее распространёнными из них являются полношаговый и полушаговый режим. Существуют также режимы управления с 1/4, 1/8, 1/16 шага. Но эти режимы нужны только для узкого круга задач, и они требуют значительного усложнения схемы микроконтроллера и алгоритма управления. Ниже приводится последовательность генерируемых импульсов для различных режимов работы шагового двигателя, на примере униполярного двигателя.


Рис. 7 Полношаговый режим, с 1-ой активной обмоткой на каждом шаге


Рис. 8 Полношаговый режим, с 2-мя активными обмотками на каждом шаге


Рис. 9 Полушаговый режим

Разгон и торможение шагового двигателя

Такой параметр шагового двигателя, как зависимость момента от скорости является важнейшим при выборе типа двигателя, выборе метода управления фазами и выборе схемы драйвера. При конструировании высокоскоростных драйверов шаговых двигателей нужно учитывать, что обмотки двигателя представляют собой индуктивность. Эта индуктивность определяет время нарастания и спада тока. Поэтому если к обмотке приложено напряжение прямоугольной формы, форма тока не будет прямоугольной. При низких скоростях (рис. 10а) время нарастания и спада тока не способно сильно повлиять на момент, однако на высоких скоростях момент падает. Связано это с тем, что на высоких скоростях ток в обмотках двигателя не успевает достигнуть номинального значения (рис. 10б).


Рис. 10 Зависимость тока в обмотках Ш.Д. от частоты

Таким образом, для работы с шаговым двигателем на большой скорости необходимо выполнять его разгон и замедление, в противном случае произойдёт потеря синхронности между шаговым двигателем и контроллером, и положение ротора шагового двигателя будет утеряно.

Управление шаговым двигателем с помощью модуля ZET7X60-S StepMotor

Перед началом работы с шаговым двигателем необходимо выставить необходимые параметеры на вкладке «Настройки»:

  • Частота опроса — частота, с которой будет обновляться информация в канале о количестве проделанных шагов;
  • Тип двигателя — тип двигателя, подключенного к модулю ZET 7X60-S StepMotor.

После этого с помощью вкладки «Управление» можно начинать управление шаговым двигателем.

  • Старт/Стоп — начать /остановить движение шагового двигателя;
  • Направление вращения — задаём направление вращения шагового двигателя, по или против часовой стрелки;
  • Кол-во шагов до остановки — количество шагов, которое проделает шаговый двигатель после запуска;
  • Время одного шага — скорость вращения шагового двигателя.

Рис. 11 Вкладка «Настройки» в программе MODBUS-ZETLAB

Рис. 12 Вкладка «Управление» в программе MODBUS-ZETLAB

Во время выполнения команды, контроллер сообщает о количестве проделанных шагов на данный момент с частотой заданной в настройках (Настройки —> Частота опроса).


Рис. 13 Отображение количества проделанных шагов в программе ZETLAB «Многоканальный осциллограф»

Система управления шаговым двигателем с обратной связью

Система управления шаговым двигателем с обратной связью строится на базе модуля управления шаговым двигателем ZET 7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN) и интеллектуального энкодера ZET 7060-E Encoder-485 (ZET 7160-E Encoder-CAN). Для подключения к системе ZETLAB используется преобразователь интерфейса ZET 7070. Управление шаговым двигателем осуществляется подачей сигналов с модуля ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN). Контроль состоянием шагового двигателя осуществляется энкодером, сигнал с которого обрабатывается модулем ZET 7060-E Encoder-485 (ZET 7160-E Encoder-CAN). Обработка сигналов с интеллектуального энкодера и программное управление модулем ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN) осуществляется с помощью программного обеспечения ZETLAB.


Схема системы управления шаговым двигателем с обратной связью

Состав системы управления шаговым двигателем с обратной связью

Шаговый двигатель: особенности и принцип работы

Чтобы тот или иной электрический прибор работал, ему требуется специальный приводной механизм. Одним из таких механизмов является шаговый двигатель. В данном материале вы узнаете, что он собой представляет, какой принцип его работы и на какие категории подразделяется.

Что представляет собой шаговый двигатель?

Шаговый двигатель может быть униполярным или биполярным. Он является электрическим и бесщеточным двигателем постоянно тока, способным делить полный оборот на несколько одинаковых шагов. В него входят такие детали:

Читайте также:  Локальная покраска автомобиля основные этапы ремонта без снятия деталей

  • специальный контроллер для шагового привода;
  • магнитные части;
  • обмотки;
  • приборная панель (она же выступает в роли блока управления);
  • передатчики;
  • сигнализаторы.

Шаговый двигатель используется преимущественно для следующих целей:

  • работы фрезерного станка;
  • работы шлифовального станка;
  • обеспечивает работу разных бытовых приборов;
  • работы производственных механических средств;
  • обеспечивает работу транспорта.

Принцип работы привода

Принцип работы данного привода выглядит следующим образом. При приложении напряжении к клеммам, щетки на самом шаговом двигателе начинают постоянно двигаться. Движок холостого хода имеет при этом уникальное свойство: он преобразовывает входящие импульсы, имеющие преимущественно прямоугольную направленность, в заранее обозначенное положение приложенного ведущего вала.

Каждый из входящих импульсом способен переместить вал под определенным углом. Приборы, которые оснащены подобным редуктором, имеют максимальную эффективность при условии наличия нескольких зубчатых электромагнитов, которые находятся вокруг центрального железного куска, имеющего зубчатую форму. Внешняя цепь управления возбуждает электромагнит. При необходимости повернуть вал двигателя, тот электромагнит, к которому приложена энергия, притягивает к себе зубья колеса. Когда они выравниваются по отношению к электромагниту, они смещены по отношению к последующей магнитной части двигателя.

Первый электромагнит выключается, а затем включается второй, после чего начинает вращаться шестеренка, выравниваясь при этом с предыдущим колесом. Затем такое действие повторяется необходимое количество раз. Каждое из таких вращений называют постоянным шагом, при этом скорость вращения шагового двигателя можно вычислить при подсчете количества шагов, нужных для полного его оборота.

Чтобы контролировать работу шагового двигателя применяется специальный драйвер. Это необходимо в тех случаях, если вы настраиваете привод для работы станка или применяете его для запуска в работу ветрогенератора.

Типы шаговых двигателей

Шаговые двигатели подразделяются на такие типы:

  • с наличием постоянного магнита;
  • синхронный гибридный привод;
  • переменный двигатель.

Все они несколько отличаются друг от друга, в том числе и по принципам своей работы.

Так, например, приводы с постоянными магнитами оснащены специальной магнитной деталью в роторе. Такие двигатели работают по принципу притяжения либо отталкивания статором и ротором мотора на основе электромагнита.

Переменный двигатель имеет обычный железный ротор и работа его построена по принципу фундаментальности. Когда допускается минимальный уровень отталкивания с самым малым зазором, при этом точки ротора имеют притяжение к полюсам статора.

А вот гибридный привод может сочетать в себе оба принципа работы, он считается наиболее дорогой моделью шаговых двигателей.

Двухфазные шаговые двигатели

Двухфазный мотор очень прост, его можно установить человеку без специального опыта. Независимо от того, собрали ли вы его самостоятельно или приобрели в готовом виде, он имеет два типа обмотки для катушек:

  • униполярную;
  • биполярную.

Если шаговый двигатель имеет одну обмотку с центральным магнитным краном, влияющим на каждую фазу, то это униполярный привод. Каждую обмоточную секцию следует включить с целью обеспечения нужного направления магнитного поля. В данном приводе магнитный полюс способен функционировать без необходимости дополнительного переключения, поэтому направления тока и цепная коммутация делаются очень просто, при помощи одного транзистора на каждую обмотку. При этом учитываются переключения фазы:

  • три провода на фазу;
  • шесть на выходной сигнал.

Микроконтроллер двигателя привода можно применять с целью активизации транзистора в той или иной последовательности.

А обмотки можно также подключать при помощи прикосновения проводов соединения вместе с постоянными магнитами привода. При соединении катушечных клемм, повернуть вал будет затруднительно. Сопротивление между катушечным торцом и общим проводом равно половине сопротивления катушечных и проводных торцов. Это выглядит так, поскольку общий провод имеет большую длину, нежели половинная часть, используемая для соединения катушек.

Биполярные шаговые двигатели имеют одну фазовую обмотку, в которую ток поступает переломным способом с применением магнитного полюса. Управляющая система в данном случае будет сложной с использованием соединяющего моста. На фазу имеется в наличии два провода, но они не общие. При смешении сигнала шагового двигателя на высоких частотах, эффект трения системы может быть снижен.

Кроме того, еще одним типом шагового двигателя является трехфазный, но сфера его применения слишком узкая:

  • при работе фрезерных станков с ЧПУ;
  • на некоторых автомобилях, где применяется дроссельная заслонка;
  • на дисководе и принтерах некоторых марок.

Реактивные шаговые двигатели: особенности и принцип работы

Стоит отметить, что активные шаговые приводы имеют большой недостаток: это крупный шаг, достигающий нескольких десятков градусов. В отличие от них, реактивные шаговые двигатели способны редуцировать роторную частоту, благодаря чему шаг становится угловым менее градуса.

Главной особенностью реактивного привода является то, что зубцы размещены на статорных полюсах. Синхронизирующий момент в нем обеспечивается разницей магнитных сопротивлений по поперечной и продольной оси привода.

Реактивный шаговый двигатель имеет один ключевой недостаток: в нем отсутствует синхронизирующий момент, если обмотки статора обесточены.

Повысить степень редукции двигателя, причем независимо какого, активного или реактивного, можно при использовании многопакетных конструкций, когда зубцы статора сдвигаются друг на друга на часть деления, а ротора каждого пакета не сдвигаются и оси их полюсов одинаковые. Подобная конструкция очень сложная в плане создания и стоит в готовом виде недешево, также к ней потребуется сложный коммутатор.

На сегодняшний день в продаже можно отыскать огромное количество всевозможных конструкций двигателей, которые отличаются по таким параметрам, как:

  • количество фаз;
  • тип размещения обмотки;
  • способы фиксации ротора и т.д.

В индукторных шаговых двигателях момент вращения создается при взаимодействии магнитного поля, которое создается статорными обмотками и постоянного магнита, располагаемого в зубчатой части зазора.

Синхронизирующий момент в индукторном двигателе сам по себе реактивный, благодаря чему получается статорная обмотка, а постоянный магнит способен создавать момент фиксации, благодаря чему ротор удерживается в нужном положении при отсутствующем токе.

В отличие от реактивного шагового двигателя, индукторный, при аналогичном шаге, имеет больший синхронизирующий момент, а также более улучшенные технические характеристики.

Синхронные линейные шаговые двигатели

С целью автоматизации некоторых производственных процессов на предприятии, иногда возникает необходимость перемещения объектов в плоскости. Чтобы это сделать, потребуется использовать специальный преобразователь вращательного движения в поступательное, что достигается путем применения кинематики.

При помощи линейных шаговых двигателей можно преобразовать импульсную команду прямо в линейное перемещение, что значительно упростит кинематическую схему всевозможных электрических приводов.

Статор в данном приводе представлен в виде магнитомягкой плиты, а провода подмагничиваются путем работы постоянного магнита.

Зубцовые деления в статоре и подвижной части одинаковые, при этом они могут быть сдвинуты на половину деления в пределах одного провода ротора. Поток подмагничивания и его магнитное сопротивление, в данном случае, не зависят от того, где находится подвижная часть двигателя.

Чтобы переместить объект в плоскости согласно двум координатам, применяют двигатели двухкоординатного типа.

Также в линейных двигателях используется магнитно-воздушная подвеска. Благодаря силе магнитного притяжения ротор притягивается к статору. Далее под ротор сквозь форсунки нагнетают воздух в сжатом виде, вследствие чего появляется сила, отталкивающая ротор от статора. Так между ними возникает воздушная подушка и ротор висит над статором с наличием минимально зазора. Это и обеспечивает минимум сопротивления движения ротора и высокоточное позиционирование.

В каких режимах способен работать синхронный шаговый двигатель?

Привод способен работать устойчиво при условии отсутствия потерь шагов во время отработки угла при подаче на обмотки управления импульсных серий. При отработке каждого шага ротор имеет уверенное равновесие по отношению к вектору магнитной индукции, относящейся к магнитному полю статора.

Режим отработки каждого шага должен соответствовать количеству импульсов управления, которые подаются на обмотки привода, а он при этом, до момента прихода следующего импульса, должен отработать заданный ему угол вращения. В начале каждого из шагов угловая двигательная скорость должна быть нулевой.

Допускаются колебания углового приводного вала по отношению к установившемуся значению. Они обуславливаются наличием кинетической энергии, которая накапливается двигательным валом во время отработки угла. При этом энергия способная преобразовываться в потери:

  • магнитные;
  • механические;
  • электрические.

Чем больше их величина, тем быстрее кончается процесс перехода отработки одного шага приводом.

При запуске ротор может иметь отставание от статорного потока на шаг и даже больше, вследствие чего получается расхождение между количеством роторных шагов и статорным потоком.

Ключевые характеристики шагового двигателя – это:

  • шаг;
  • предельная механическая характеристика;
  • приемистость.

Предельная характеристика представляет собой зависимость максимально возможного синхронизирующего момента от частот управляющих импульсов.

Читайте также:  Приспособления для болгарки станина, стойка, отрезной станок своими руками, чертежи

А приемистостью называется частота этих импульсов, которая исключает возможность потерь или добавлений шага во время обработки. Приемистость считается ключевым показателем режима перехода в двигателе. Она способна расти вместе с синхронизирующим моментом, снижением шага, инерционным моментом линейно перемещаемых или вращаемых частиц, а также статического момента сопротивления.

Особенности подключения шагового двигателя

Подключить двигатель шагового типа можно по той или иной схеме, которая зависит от количества проводов и способов запуска.

Двигатели могут иметь от четырех до восьми проводов. Если их всего четыре, то применение двигателя возможно только с биполярным устройством. Каждая фазная обмотка, которых всего две, оснащена двумя проводами. Определять проводные пары следует с использованием метра, затем подключается драйвер пошаговым методом.

Мотор, оснащенный шестью проводами, включает в себя два провода для каждой обмотки и центральный кран, тоже для каждой из них. Его можно подключать и к однополярному, и к биполярному устройству. Для разделения привода следует применять специальный прибор для измерения. К однополярному устройству привод можно подключать с использованием всех шести проводов, а к однополярному будет достаточного одного конца и одного центрального крана от каждой обмотки.

Пятипроводной мотор практически не отличается от предыдущего, однако, его центральные клеммы изнутри соединены как один сплошной кабель и имеют один выход к одному из проводов. Не следует отделять обмотки друг от друга, иначе можно их разорвать. Вместо этого лучше определить центр провода и соединить его с другими проводниками, это будет максимально эффективное решение подключения. После этого можете подключать само устройство и проверять его на работоспособность.

Ключевые технические характеристики двигателей

Первичная обмотка при постоянном токе создает номинальное напряжение. А первоначальная скорость крутящего момента привода меняется вместе с током. От того, какова схема двигателя и от индуктивности его обмоток зависит время снижения линейного момента на более высоких скоростях. Некоторые марки двигателей, имеющие степень защиты IP65, способны работать в самых трудных условиях.

Если вы желаете выбрать готовую модель шагового двигателя отечественного производства, обратите внимание на основные технические характеристики наиболее известных моделей:

  • ШД-1 – градус шага равен 15, 4 фазы, крутящий момент составляет 40 Нт;
  • ДШ-0,04А – градус шага 22,5, 4 фазы, крутящий момент 100 Нт;
  • ДШИ 200 – градус шага 1,8, 4 фазы, крутящий момент 0,25 Нт;
  • ДШ-6 – градус шага – 18, 4 фазы, крутящий момент 2300 Нт.

Также среди покупателей спросом пользуются такие модели, как:

  • четырехфазный ДШР-40;
  • SM-200-0.22;
  • Purelogic R&D с энкодером;
  • NEMA 23;
  • STH-39D1112;
  • SP-57;
  • SanyoDenkiSM28.

При подборе нужного двигателя, необходимо произвести расчет параметров мощности, напряжения и крутящего момента.

Одной из проблем работы шагового двигателя является управление приборов при отсутствии контроллера. Чтобы с этим справиться, следует взять специальный блок логической связи, помогающий управлять двигателем при отсутствии соответствующей микросхемы. Однако, лучше всего контролировать работу шаговых двигателей при помощи специального контроллера.

Средняя стоимость шагового привода в крупных городах России и Украины

Стоимость данного прибора зависит непосредственно от таких показателей, как:

  • тип двигателя;
  • мощность конструкции;
  • назначение.

Средняя стоимость однополярного шагового двигателя составляет:

  • Москва – 3000 у.е.;
  • Санкт-Петербург – 3500 у.е.;
  • Киев – 3500 у.е.;
  • Харьков – 4000 у.е.

Итак, мы рассказали, что такое шаговый двигатель, по какому принципу он работает, на какие категории подразделяется и какими свойствами отличается. Надеемся, что это облегчит ваш выбор при необходимости приобретения данного устройства.

Как работает шаговый электродвигатель?

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

  • В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
  • Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
  • Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
  • Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
  • Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
  • Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
  • Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
  • Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

  • Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
  • Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
  • Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
  • Сложности управления из-за особенности схемы

Устройство и принцип работы

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора. Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от 5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом

Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси. Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Читайте также:  Трактор МТЗ-82 описание, расход топлива и технические характеристики, конструкция трактора, отзывы в

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс или серию импульсов в определенной последовательности. В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата. При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

  • Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
  • Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
  • При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
  • При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
  • Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
  • Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Популярные схемы управления ШД

Является одним из наиболее помехозащищенных способов работы. При этом прямой и инверсный сигнал напрямую подключается к соответствующим полюсам. В такой схемы должно применяться экранирование сигнального проводника. Прекрасно подходит для нагрузки с низкой мощностью.

Схема управления от контроллера с выходом типа «открытый коллектор»

В данной схеме происходит объединение положительных вводов контроллера, которые подключаются к положительному полюсу. В случае питания выше 9В требуется включение в схему специального резистора для ограничения тока. Позволяет задавать необходимое количество шагов со строго установленной скоростью, определить ускорение и т.д.

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль) происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному USB порту.

Полезное видео



Ссылка на основную публикацию
Что такое электроподжиг для газовой плиты как работает, схема, поломки
Не работает электроподжиг на газовой плите ремонт своими руками На сегодняшний день многие плиты выпускаются с приятным бонусом: на них...
Что такое радиус разворота, каким он бывает, и почему он важен – автомобильный журнал
Что такое радиус разворота, каким он бывает, и почему он важен – автомобильный журнал При выборе автомобиля обычно смотрят на...
Что такое райдшеринг, карпулинг, каршеринг
Слова, не каждому знакомые что такое райдшеринг, каршеринг и карпулинг С развитием информационных технологий появляются и новые слова в повседневном...
Что это такое топливный адсорбер и зачем он нужен автомобилю
Адсорбер что это такое, для чего нужен, как работает, признаки неисправности 1 Практически в каждом современном автомобиле, отвечающем жестким требованиям...

Шаговый Двигатель Схема Подключения

Система управления шаговым двигателем ZETLAB

В современном мире всё большую роль играет автоматизация процессов. Для этого необходимо преобразовывать сигналы управления в механические движения. Одним из способов достижения данной цели является использование шаговых двигателей.

Шаговый двигатель — это электромеханичское устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения.

Преимущества применения шаговых двигателей

  • угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель;
  • если обмотки запитаны, то двигатель в режиме остановки обеспечивает полный момент;
  • хорошие шаговые двигатели обеспечивают точность 3-5% от величины шага, при этом 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 обратной связи;
  • возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора;
  • может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Недостатки применения шаговых двигателей

  • шаговым двигателем присуще явление резонанса;
  • из-за работы без обратной связи возможна потеря контроля положения, поэтому рекомендуется дополнять системы управления шаговым двигателем энкодером;
  • потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки;
  • затруднена работа на высоких скоростях;
  • невысокая удельная мощность;
  • относительно сложная схема управления.

Применение шаговых двигателей:

  • приводы осей координатных столов и манипуляторов;
  • системы линейного перемещения;
  • упаковочные и конвейерное оборудование;
  • оборудование для текстильного и пищевого производств;
  • полиграфическое оборудование;
  • устройство подачи, дозирования;
  • сварочные автоматы.

Принцип работы шагового двигателя

Основной принцип работы шагового двигателя заключается в следующем — двухполюсный ротор электродвигателя, сделанный из специальной магнитомягкой стали, располагается в четырехполюсном статоре. Первая полюсная пара сделана из магнитов (постоянных), на второй паре имеется обмотка управления шаговым электродвигателем. В то время, когда ток в обмотках управления отсутствует, ротор двигателя располагается вдоль магнитов и стабильно удерживается с некоторым усилием (зависящее от силы магнитного потока).

Как только осуществляется подача напряжения (постоянного) на обмотку управления шаговым электродвигателем, появляется магнитный поток, что больший магнитного потока имеющихся постоянных магнитов. Под воздействием усилия (электромагнитного) ротор начинает менять угол, стараясь войти в положение соосное с полюсами обмотки управления. Последующий импульс управления полностью отключает электрическое напряжение с обмотки управления. Вследствие этого ротор движка движется под воздействием магнитного потока магнитов.

В данной работе описывается алгоритм управления шаговыми двигателями двухфазного (биполярного) и четырёхфазного (униполярного) типа с помощью модуля управления шаговым двигателем с интерфейсом CAN ZET 7160-S StepMotor-CAN или интерфейсом RS-485 ZET 7060-S StepMotor-485.

Биполярный (двухфазный) шаговый двигатель

Двухфазный шаговый двигатель (биполярный шаговый двигатель) имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер, или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода.


Рис. 1 Внутренняя схема биполярного Ш.Д.

Рис. 2 Схема выводов биполярного Ш.Д.

Рис. 3 Схема подключения биполярного Ш.Д. к ZET7X60-S

Униполярный (четырёхфазный) шаговый двигатель

Четырёхфазный шаговый двигатель (униполярный шаговый 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. При этом существенно упрощается схема драйвера. Драйвер должен иметь только 4 простых ключа. 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.


Рис. 4 Внутренняя схема униполярного Ш.Д.

Рис. 5 Схема выводов униполярного Ш.Д.

Рис. 6 Схема подключения униполярного Ш.Д. к ZET7X60-S

Режимы работы шагового двигателя

Существует несколько способов управления фазами шагового двигателя. Наиболее распространёнными из них являются полношаговый и полушаговый режим. Существуют также режимы управления с 1/4, 1/8, 1/16 шага. Но эти режимы нужны только для узкого круга задач, и они требуют значительного усложнения схемы микроконтроллера и алгоритма управления. Ниже приводится последовательность генерируемых импульсов для различных режимов работы шагового двигателя, на примере униполярного двигателя.


Рис. 7 Полношаговый режим, с 1-ой активной обмоткой на каждом шаге


Рис. 8 Полношаговый режим, с 2-мя активными обмотками на каждом шаге


Рис. 9 Полушаговый режим

Разгон и торможение шагового двигателя

Такой параметр шагового двигателя, как зависимость момента от скорости является важнейшим при выборе типа двигателя, выборе метода управления фазами и выборе схемы драйвера. При конструировании высокоскоростных драйверов шаговых двигателей нужно учитывать, что обмотки двигателя представляют собой индуктивность. Эта индуктивность определяет время нарастания и спада тока. Поэтому если к обмотке приложено напряжение прямоугольной формы, форма тока не будет прямоугольной. При низких скоростях (рис. 10а) время нарастания и спада тока не способно сильно повлиять на момент, однако на высоких скоростях момент падает. Связано это с тем, что на высоких скоростях ток в обмотках двигателя не успевает достигнуть номинального значения (рис. 10б).


Рис. 10 Зависимость тока в обмотках Ш.Д. от частоты

Таким образом, для работы с шаговым двигателем на большой скорости необходимо выполнять его разгон и замедление, в противном случае произойдёт потеря синхронности между шаговым двигателем и контроллером, и положение ротора шагового двигателя будет утеряно.

Управление шаговым двигателем с помощью модуля ZET7X60-S StepMotor

Перед началом работы с шаговым двигателем необходимо выставить необходимые параметеры на вкладке «Настройки»:

  • Частота опроса — частота, с которой будет обновляться информация в канале о количестве проделанных шагов;
  • Тип двигателя — тип двигателя, подключенного к модулю ZET 7X60-S StepMotor.

После этого с помощью вкладки «Управление» можно начинать управление шаговым двигателем.

  • Старт/Стоп — начать /остановить движение шагового двигателя;
  • Направление вращения — задаём направление вращения шагового двигателя, по или против часовой стрелки;
  • Кол-во шагов до остановки — количество шагов, которое проделает шаговый двигатель после запуска;
  • Время одного шага — скорость вращения шагового двигателя.

Рис. 11 Вкладка «Настройки» в программе MODBUS-ZETLAB

Рис. 12 Вкладка «Управление» в программе MODBUS-ZETLAB

Во время выполнения команды, контроллер сообщает о количестве проделанных шагов на данный момент с частотой заданной в настройках (Настройки —> Частота опроса).


Рис. 13 Отображение количества проделанных шагов в программе ZETLAB «Многоканальный осциллограф»

Система управления шаговым двигателем с обратной связью

Система управления шаговым двигателем с обратной связью строится на базе модуля управления шаговым двигателем ZET 7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN) и интеллектуального энкодера ZET 7060-E Encoder-485 (ZET 7160-E Encoder-CAN). Для подключения к системе ZETLAB используется преобразователь интерфейса ZET 7070. Управление шаговым двигателем осуществляется подачей сигналов с модуля ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN). Контроль состоянием шагового двигателя осуществляется энкодером, сигнал с которого обрабатывается модулем ZET 7060-E Encoder-485 (ZET 7160-E Encoder-CAN). Обработка сигналов с интеллектуального энкодера и программное управление модулем ZET7060-S StepMotor-485 (ZET 7160-S StepMotor-CAN) осуществляется с помощью программного обеспечения ZETLAB.


Схема системы управления шаговым двигателем с обратной связью

Состав системы управления шаговым двигателем с обратной связью

Шаговый двигатель: особенности и принцип работы

Чтобы тот или иной электрический прибор работал, ему требуется специальный приводной механизм. Одним из таких механизмов является шаговый двигатель. В данном материале вы узнаете, что он собой представляет, какой принцип его работы и на какие категории подразделяется.

Что представляет собой шаговый двигатель?

Шаговый двигатель может быть униполярным или биполярным. Он является электрическим и бесщеточным двигателем постоянно тока, способным делить полный оборот на несколько одинаковых шагов. В него входят такие детали:

Читайте также:  Трактор МТЗ-82 описание, расход топлива и технические характеристики, конструкция трактора, отзывы в

  • специальный контроллер для шагового привода;
  • магнитные части;
  • обмотки;
  • приборная панель (она же выступает в роли блока управления);
  • передатчики;
  • сигнализаторы.

Шаговый двигатель используется преимущественно для следующих целей:

  • работы фрезерного станка;
  • работы шлифовального станка;
  • обеспечивает работу разных бытовых приборов;
  • работы производственных механических средств;
  • обеспечивает работу транспорта.

Принцип работы привода

Принцип работы данного привода выглядит следующим образом. При приложении напряжении к клеммам, щетки на самом шаговом двигателе начинают постоянно двигаться. Движок холостого хода имеет при этом уникальное свойство: он преобразовывает входящие импульсы, имеющие преимущественно прямоугольную направленность, в заранее обозначенное положение приложенного ведущего вала.

Каждый из входящих импульсом способен переместить вал под определенным углом. Приборы, которые оснащены подобным редуктором, имеют максимальную эффективность при условии наличия нескольких зубчатых электромагнитов, которые находятся вокруг центрального железного куска, имеющего зубчатую форму. Внешняя цепь управления возбуждает электромагнит. При необходимости повернуть вал двигателя, тот электромагнит, к которому приложена энергия, притягивает к себе зубья колеса. Когда они выравниваются по отношению к электромагниту, они смещены по отношению к последующей магнитной части двигателя.

Первый электромагнит выключается, а затем включается второй, после чего начинает вращаться шестеренка, выравниваясь при этом с предыдущим колесом. Затем такое действие повторяется необходимое количество раз. Каждое из таких вращений называют постоянным шагом, при этом скорость вращения шагового двигателя можно вычислить при подсчете количества шагов, нужных для полного его оборота.

Чтобы контролировать работу шагового двигателя применяется специальный драйвер. Это необходимо в тех случаях, если вы настраиваете привод для работы станка или применяете его для запуска в работу ветрогенератора.

Типы шаговых двигателей

Шаговые двигатели подразделяются на такие типы:

  • с наличием постоянного магнита;
  • синхронный гибридный привод;
  • переменный двигатель.

Все они несколько отличаются друг от друга, в том числе и по принципам своей работы.

Так, например, приводы с постоянными магнитами оснащены специальной магнитной деталью в роторе. Такие двигатели работают по принципу притяжения либо отталкивания статором и ротором мотора на основе электромагнита.

Переменный двигатель имеет обычный железный ротор и работа его построена по принципу фундаментальности. Когда допускается минимальный уровень отталкивания с самым малым зазором, при этом точки ротора имеют притяжение к полюсам статора.

А вот гибридный привод может сочетать в себе оба принципа работы, он считается наиболее дорогой моделью шаговых двигателей.

Двухфазные шаговые двигатели

Двухфазный мотор очень прост, его можно установить человеку без специального опыта. Независимо от того, собрали ли вы его самостоятельно или приобрели в готовом виде, он имеет два типа обмотки для катушек:

  • униполярную;
  • биполярную.

Если шаговый двигатель имеет одну обмотку с центральным магнитным краном, влияющим на каждую фазу, то это униполярный привод. Каждую обмоточную секцию следует включить с целью обеспечения нужного направления магнитного поля. В данном приводе магнитный полюс способен функционировать без необходимости дополнительного переключения, поэтому направления тока и цепная коммутация делаются очень просто, при помощи одного транзистора на каждую обмотку. При этом учитываются переключения фазы:

  • три провода на фазу;
  • шесть на выходной сигнал.

Микроконтроллер двигателя привода можно применять с целью активизации транзистора в той или иной последовательности.

А обмотки можно также подключать при помощи прикосновения проводов соединения вместе с постоянными магнитами привода. При соединении катушечных клемм, повернуть вал будет затруднительно. Сопротивление между катушечным торцом и общим проводом равно половине сопротивления катушечных и проводных торцов. Это выглядит так, поскольку общий провод имеет большую длину, нежели половинная часть, используемая для соединения катушек.

Биполярные шаговые двигатели имеют одну фазовую обмотку, в которую ток поступает переломным способом с применением магнитного полюса. Управляющая система в данном случае будет сложной с использованием соединяющего моста. На фазу имеется в наличии два провода, но они не общие. При смешении сигнала шагового двигателя на высоких частотах, эффект трения системы может быть снижен.

Кроме того, еще одним типом шагового двигателя является трехфазный, но сфера его применения слишком узкая:

  • при работе фрезерных станков с ЧПУ;
  • на некоторых автомобилях, где применяется дроссельная заслонка;
  • на дисководе и принтерах некоторых марок.

Реактивные шаговые двигатели: особенности и принцип работы

Стоит отметить, что активные шаговые приводы имеют большой недостаток: это крупный шаг, достигающий нескольких десятков градусов. В отличие от них, реактивные шаговые двигатели способны редуцировать роторную частоту, благодаря чему шаг становится угловым менее градуса.

Главной особенностью реактивного привода является то, что зубцы размещены на статорных полюсах. Синхронизирующий момент в нем обеспечивается разницей магнитных сопротивлений по поперечной и продольной оси привода.

Реактивный шаговый двигатель имеет один ключевой недостаток: в нем отсутствует синхронизирующий момент, если обмотки статора обесточены.

Повысить степень редукции двигателя, причем независимо какого, активного или реактивного, можно при использовании многопакетных конструкций, когда зубцы статора сдвигаются друг на друга на часть деления, а ротора каждого пакета не сдвигаются и оси их полюсов одинаковые. Подобная конструкция очень сложная в плане создания и стоит в готовом виде недешево, также к ней потребуется сложный коммутатор.

На сегодняшний день в продаже можно отыскать огромное количество всевозможных конструкций двигателей, которые отличаются по таким параметрам, как:

  • количество фаз;
  • тип размещения обмотки;
  • способы фиксации ротора и т.д.

В индукторных шаговых двигателях момент вращения создается при взаимодействии магнитного поля, которое создается статорными обмотками и постоянного магнита, располагаемого в зубчатой части зазора.

Синхронизирующий момент в индукторном двигателе сам по себе реактивный, благодаря чему получается статорная обмотка, а постоянный магнит способен создавать момент фиксации, благодаря чему ротор удерживается в нужном положении при отсутствующем токе.

В отличие от реактивного шагового двигателя, индукторный, при аналогичном шаге, имеет больший синхронизирующий момент, а также более улучшенные технические характеристики.

Синхронные линейные шаговые двигатели

С целью автоматизации некоторых производственных процессов на предприятии, иногда возникает необходимость перемещения объектов в плоскости. Чтобы это сделать, потребуется использовать специальный преобразователь вращательного движения в поступательное, что достигается путем применения кинематики.

При помощи линейных шаговых двигателей можно преобразовать импульсную команду прямо в линейное перемещение, что значительно упростит кинематическую схему всевозможных электрических приводов.

Статор в данном приводе представлен в виде магнитомягкой плиты, а провода подмагничиваются путем работы постоянного магнита.

Зубцовые деления в статоре и подвижной части одинаковые, при этом они могут быть сдвинуты на половину деления в пределах одного провода ротора. Поток подмагничивания и его магнитное сопротивление, в данном случае, не зависят от того, где находится подвижная часть двигателя.

Чтобы переместить объект в плоскости согласно двум координатам, применяют двигатели двухкоординатного типа.

Также в линейных двигателях используется магнитно-воздушная подвеска. Благодаря силе магнитного притяжения ротор притягивается к статору. Далее под ротор сквозь форсунки нагнетают воздух в сжатом виде, вследствие чего появляется сила, отталкивающая ротор от статора. Так между ними возникает воздушная подушка и ротор висит над статором с наличием минимально зазора. Это и обеспечивает минимум сопротивления движения ротора и высокоточное позиционирование.

В каких режимах способен работать синхронный шаговый двигатель?

Привод способен работать устойчиво при условии отсутствия потерь шагов во время отработки угла при подаче на обмотки управления импульсных серий. При отработке каждого шага ротор имеет уверенное равновесие по отношению к вектору магнитной индукции, относящейся к магнитному полю статора.

Режим отработки каждого шага должен соответствовать количеству импульсов управления, которые подаются на обмотки привода, а он при этом, до момента прихода следующего импульса, должен отработать заданный ему угол вращения. В начале каждого из шагов угловая двигательная скорость должна быть нулевой.

Допускаются колебания углового приводного вала по отношению к установившемуся значению. Они обуславливаются наличием кинетической энергии, которая накапливается двигательным валом во время отработки угла. При этом энергия способная преобразовываться в потери:

  • магнитные;
  • механические;
  • электрические.

Чем больше их величина, тем быстрее кончается процесс перехода отработки одного шага приводом.

При запуске ротор может иметь отставание от статорного потока на шаг и даже больше, вследствие чего получается расхождение между количеством роторных шагов и статорным потоком.

Ключевые характеристики шагового двигателя – это:

  • шаг;
  • предельная механическая характеристика;
  • приемистость.

Предельная характеристика представляет собой зависимость максимально возможного синхронизирующего момента от частот управляющих импульсов.

Читайте также:  Инструкция по выбору и изготовлению проводов для прикуривания авто своими руками

А приемистостью называется частота этих импульсов, которая исключает возможность потерь или добавлений шага во время обработки. Приемистость считается ключевым показателем режима перехода в двигателе. Она способна расти вместе с синхронизирующим моментом, снижением шага, инерционным моментом линейно перемещаемых или вращаемых частиц, а также статического момента сопротивления.

Особенности подключения шагового двигателя

Подключить двигатель шагового типа можно по той или иной схеме, которая зависит от количества проводов и способов запуска.

Двигатели могут иметь от четырех до восьми проводов. Если их всего четыре, то применение двигателя возможно только с биполярным устройством. Каждая фазная обмотка, которых всего две, оснащена двумя проводами. Определять проводные пары следует с использованием метра, затем подключается драйвер пошаговым методом.

Мотор, оснащенный шестью проводами, включает в себя два провода для каждой обмотки и центральный кран, тоже для каждой из них. Его можно подключать и к однополярному, и к биполярному устройству. Для разделения привода следует применять специальный прибор для измерения. К однополярному устройству привод можно подключать с использованием всех шести проводов, а к однополярному будет достаточного одного конца и одного центрального крана от каждой обмотки.

Пятипроводной мотор практически не отличается от предыдущего, однако, его центральные клеммы изнутри соединены как один сплошной кабель и имеют один выход к одному из проводов. Не следует отделять обмотки друг от друга, иначе можно их разорвать. Вместо этого лучше определить центр провода и соединить его с другими проводниками, это будет максимально эффективное решение подключения. После этого можете подключать само устройство и проверять его на работоспособность.

Ключевые технические характеристики двигателей

Первичная обмотка при постоянном токе создает номинальное напряжение. А первоначальная скорость крутящего момента привода меняется вместе с током. От того, какова схема двигателя и от индуктивности его обмоток зависит время снижения линейного момента на более высоких скоростях. Некоторые марки двигателей, имеющие степень защиты IP65, способны работать в самых трудных условиях.

Если вы желаете выбрать готовую модель шагового двигателя отечественного производства, обратите внимание на основные технические характеристики наиболее известных моделей:

  • ШД-1 – градус шага равен 15, 4 фазы, крутящий момент составляет 40 Нт;
  • ДШ-0,04А – градус шага 22,5, 4 фазы, крутящий момент 100 Нт;
  • ДШИ 200 – градус шага 1,8, 4 фазы, крутящий момент 0,25 Нт;
  • ДШ-6 – градус шага – 18, 4 фазы, крутящий момент 2300 Нт.

Также среди покупателей спросом пользуются такие модели, как:

  • четырехфазный ДШР-40;
  • SM-200-0.22;
  • Purelogic R&D с энкодером;
  • NEMA 23;
  • STH-39D1112;
  • SP-57;
  • SanyoDenkiSM28.

При подборе нужного двигателя, необходимо произвести расчет параметров мощности, напряжения и крутящего момента.

Одной из проблем работы шагового двигателя является управление приборов при отсутствии контроллера. Чтобы с этим справиться, следует взять специальный блок логической связи, помогающий управлять двигателем при отсутствии соответствующей микросхемы. Однако, лучше всего контролировать работу шаговых двигателей при помощи специального контроллера.

Средняя стоимость шагового привода в крупных городах России и Украины

Стоимость данного прибора зависит непосредственно от таких показателей, как:

  • тип двигателя;
  • мощность конструкции;
  • назначение.

Средняя стоимость однополярного шагового двигателя составляет:

  • Москва – 3000 у.е.;
  • Санкт-Петербург – 3500 у.е.;
  • Киев – 3500 у.е.;
  • Харьков – 4000 у.е.

Итак, мы рассказали, что такое шаговый двигатель, по какому принципу он работает, на какие категории подразделяется и какими свойствами отличается. Надеемся, что это облегчит ваш выбор при необходимости приобретения данного устройства.

Как работает шаговый электродвигатель?

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

  • В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
  • Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
  • Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
  • Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
  • Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
  • Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
  • Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
  • Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

  • Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
  • Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
  • Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
  • Сложности управления из-за особенности схемы

Устройство и принцип работы

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора. Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от 5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом

Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси. Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Читайте также:  Снегоход BRP Lynx 69 Yeti Army 600 E-TEC – купить, цены – FORMULA 7

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс или серию импульсов в определенной последовательности. В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата. При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

  • Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
  • Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
  • При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
  • При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
  • Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
  • Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Популярные схемы управления ШД

Является одним из наиболее помехозащищенных способов работы. При этом прямой и инверсный сигнал напрямую подключается к соответствующим полюсам. В такой схемы должно применяться экранирование сигнального проводника. Прекрасно подходит для нагрузки с низкой мощностью.

Схема управления от контроллера с выходом типа «открытый коллектор»

В данной схеме происходит объединение положительных вводов контроллера, которые подключаются к положительному полюсу. В случае питания выше 9В требуется включение в схему специального резистора для ограничения тока. Позволяет задавать необходимое количество шагов со строго установленной скоростью, определить ускорение и т.д.

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль) происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному USB порту.

Полезное видео



Ссылка на основную публикацию
Что такое электроподжиг для газовой плиты как работает, схема, поломки
Не работает электроподжиг на газовой плите ремонт своими руками На сегодняшний день многие плиты выпускаются с приятным бонусом: на них...
Что такое радиус разворота, каким он бывает, и почему он важен – автомобильный журнал
Что такое радиус разворота, каким он бывает, и почему он важен – автомобильный журнал При выборе автомобиля обычно смотрят на...
Что такое райдшеринг, карпулинг, каршеринг
Слова, не каждому знакомые что такое райдшеринг, каршеринг и карпулинг С развитием информационных технологий появляются и новые слова в повседневном...
Что это такое топливный адсорбер и зачем он нужен автомобилю
Адсорбер что это такое, для чего нужен, как работает, признаки неисправности 1 Практически в каждом современном автомобиле, отвечающем жестким требованиям...
Adblock detector