Шаговый двигатель: что это такое и как он работает - принцип работы и устройство

1. Что такое шаговый двигатель
2. Принцип работы шагового электродвигателя
3. Какие бывают шаговые двигатели: рассмотрим их разновидности
4. Принцип управления шаговым двигателем
5. Достоинства и недостатки
6. Важные характеристики
7. Подключение
8. Виды управления
9. Полезные ролики по теме

Рассмотрим «сердце» фрезеровочных, шлифовальных, универсальных и многих других станков. Под прицелом внимания – шаговый двигатель: устройство и принцип работы, схема и сферы применения, типы конструкции и варианты программирования. Расскажем все эти и другие важные моменты, чтобы вы понимали, что он из себя представляет и какую его модель выбрать в соответствии со спецификой решаемых задач.

Сразу отметим, что предмет нашего интереса сегодня используется не только в сложном оборудовании, решающем ответственные задачи, но и в сравнительно простых производственных механизмах и даже в бытовых приборах. Он востребован во всех тех случаях, когда необходимо поддерживать достаточно скоростное вращение вала, одновременно сочетая его с точным позиционированием, и поэтому будет оставаться актуальным еще долгие годы.

Что такое шаговый двигатель

Согласно наиболее популярному определению, это машина, которая преобразует электрическую энергию (ее она получает из сети) в механическую осуществляя дискретные (внимание, не непрерывные, это важно) перемещения ротора. Причем после каждого такого действия положение динамической части фиксируется.

Все отдельные передвижения одинаковой величины, и вместе они формируют полный оборот (цикл). Поэтому, подсчитав их количество, можно без труда и с высокой точностью вычислить абсолютную позицию инструмента. Общее их число, кстати, зависит от ряда моментов: характер подключения, вид устройства, способ задания команд и другие факторы.

Принцип работы шагового электродвигателя

1. На клеммы подается напряжение, благодаря которому специальные щетки начинают вращаться.
2. Под воздействием входящих импульсов ротор устанавливается в начальное положение, а затем перемещается под одним и тем же углом.
3. Микроконтроллер (в большинстве случаев, хотя возможна и другая внешняя цепь управления) приводит в действие зубчатые электромагниты. Тот из них, к которому прикладывают энергию, притягивает шестерню, обеспечивая тем самым поворот вала.
4. Остальные магниты по умолчанию выровнены относительно ведущего, поэтому они сдвигаются вместе с ним по направлению к очередной детали.
5. Шестеренка вращается за счет переключения электромагнитов по порядку – от главного к следующему и так далее. При этом она выравнивается относительно предыдущего колеса, что завершает цикл.

Шаг шагового двигателя – это описанный выше алгоритм, и он повторяется необходимое для выполнения технологической операции количество раз.

Представление о внешнем виде и характере функционирования дополнит следующий рисунок:

Из него ясно, что к статору относятся четыре обмотки, расположенные крестообразно, то есть под углом в 90 0 друг к другу. Отсюда понятно, что и дискретное движение будет осуществляться на такую же величину градусов. Если напряжение подавать поочередно – U1, U2, U3 и так далее – ротор сделает полный оборот, а затем пойдет на второй круг, то есть начнет вращаться – до тех пор, пока его не потребуется остановить. Ну а, чтобы изменить направление его движения, достаточно задействовать витки в обратном порядке.

Какие бывают шаговые двигатели: рассмотрим их разновидности

Режимы работы мотора определяют 2 характеристики: величина шага и усилие, прикладываемое для перемещения. Варьировать их можно, меняя метод подключения, строение обмоток или вала.

Соответственно, классификация приводов осуществляется по следующим параметрам:

• По конструкции ротора – его строение играет ключевую роль, так как от него зависит специфика взаимодействия с электромагнитным полем статора. Выделяют 3 варианта, причем каждый из них мы рассмотрим ниже, со всеми особенностями, плюсами и минусами.
• По виду (числу обмоток) – с ростом их количества вращение становится более плавным, но одновременно увеличивается и стоимость силового агрегата, хотя крутящий момент остается неизменным. Могут быть уни- и биполярными, в первом случае подключаются с ответвлением от средней точки, во втором – через 4 выхода.

Теперь обратим внимание на строение вала.

Шаговые приводы с переменным магнитным сопротивлением

Как следует хотя бы из названия, собственный источник постоянного поля у него отсутствует; кроме того, его ротор сделан из магнитомягкого материала и отличается зубчатой формой. Через ближайшие к статору участки контакта и осуществляется замыкание – с притяжением к полюсам, обеспечивающее дискретные движения. По своему исполнению он похож на шестерню, в которой сила вращения появляется за счет противоположных пар и попеременного протекания тока.

Ключевое преимущество – нет стопорящего момента, ведь поле, в других случаях способное воздействовать на арматуру, банально отсутствует. Вы получаете синхронный силовой агрегат, в котором ротор и статор поворачиваются одновременно и в унисон.

Обладая теми же размерами, что и другие разновидности, данные модели развивают меньший крутящий момент. Перемещение осуществляется на 5-15 градусов, а это сравнительно грубо и, зачастую, неточно. Так объясняется несколько ограниченная сфера применения реактивного шагового двигателя: где используется мотор данного типа, так в специфических станках, все детали которых производитель изготавливает самостоятельно.

С постоянными магнитами

Опять же, сразу ясно, в чем их особенность – в наличии собственного источника постоянного поля, являющегося основой подвижного элемента и содержащего 2 и более полюсов. Именно последние и обеспечивают вращение ротора за счет подачи напряжения на обмотки и притяжения/отталкивания.

Перемещение может осуществляться либо полностью перпендикулярно предыдущему положению, либо наполовину; увеличивая число магнитных пар, можно регулировать длину, а значит и количество дискретных движений, доводя их общее число до 48 за полный оборот. Это позволяет очень точно устанавливать рабочий инструмент в нужное место и является конкурентным преимуществом силового агрегата.

Гибридные

Конструкция шагового двигателя этого типа была разработана, чтобы объединить достоинства двух предыдущих. Представляет собой цилиндрический источник поля, намагниченный продольно, то есть пару полюсов с особенными поверхностями – с нанесенными зубцами. Последние обеспечивают отличное удерживание, не снижая крутящий момент.

Практические плюсы:

• малый шаг – 0,9-50 – что позволяет прецизионное позиционирование за счет большого количества дискретных перемещений (до 400 за один цикл);
• высокая скорость и плавность работы.

Да, они дороже двух предыдущих видов, так как сложнее в изготовлении, но это относительный минус. Благодаря своим преимуществам это наиболее распространенные сегодня варианты, использующиеся в самых ответственных случаях: устанавливаются в ЧПУ-станках, в приборах современной робототехники, на медицинском и офисном оборудовании.

Принцип управления шаговым двигателем

Выделяют 3 основных режима, задаваемых драйвером, то есть чипом, посылающим сигналы. Вот они:

• полно-,
• полу-,
• и микрошаговый.

Каждый из них обладает своими особенностями. Первый из них мы уже косвенно описывали выше, и он сводится к поочередной коммутации фаз; причем только одна из них в любой из моментов может быть подключена к источнику – они не должны перекрывать друг друга. Этот закон отражен в английском названии метода – one phase – one step. Точки равновесия при этом обязаны совпадать с направлением полюсов статора.

Минус здесь в том, что одновременно задействована лишь половина обмоток (у биполярного агрегата) или даже четверть (у униполярного).

Также можно выбрать принцип работы шагового мотора, при котором питание будет подаваться сразу на все витки. Он известен как способ two-phase-on (full step), и при нем ротор остается в состоянии равновесия между силовыми линиями неподвижной части вала, причем смещенным на половину дискретного движения. Благодаря такому решению крутящий момент может быть повышен до 35-40%.

Полушаговый режим

На каждом втором перемещении задействована одна фаза, в то время как между ними – пара. Это дает возможность вдвое уменьшить величину угла и, следовательно, в 2 раза повысить количество переходов в течение оборота. Удобен именно тем, что сравнительно просто обеспечивает результат, поэтому достаточно распространен.

При таком устройстве и работе шагового электродвигателя важно помнить, что его остановка должна производиться с формированием тока удержания – небольшого, намного меньше номинального, но все равно необходимого и важного. Он нужен, чтобы автоматически фиксировать положение ротора после полного отключения напряжения. Иначе подвижный вал будет в свободном состоянии и при механическом воздействии (которое весьма вероятно) сместится, чего нельзя допустить. Зато при его подаче отпадает потребность в организации тормозной системы, добавлении механического фиксатора или другого элемента, способного стать «слабым звеном», то есть снизить общую надежность силового агрегата.

Микрошаговый режим

Рассмотрим, как в этом случае действует пошаговый двигатель: принцип работы сводится ко включению двух фаз с неравномерным распределением тока обмоток. Благодаря этому смещается магнитное поле статора, а вслед за ним и позиция ротора. Диспропорция между переключениями отличается маленькой дискретностью.

За счет такого подхода осуществляются крайне малые шаги – в 1/3 от полного или еще короче, числом до 1000 за оборот. Это позволяет максимизировать точность установки инструментов, хотя и значительно усложняет систему контроля. На практике данное решение востребовано в особо сложных и ответственных случаях, при создании и использовании сравнительно дорогих, но прецизионных станков.

Достоинства и недостатки

Мы уже рассмотрели, как устроен, работает, и где применяется шаговый двигатель, что это такое, но наше описание было бы неполным без анализа плюсов и минусов его стандартных моделей.

В списке объективных преимуществ:

• Поддержка полного крутящего момента при постепенном уменьшении скорости хода, даже перед остановкой.
• Точное позиционирование в рамках выбранного режима, причем без какой-либо обратной связи; количество дискретных перемещений задается углом поворота.
• Положение силового агрегата фиксируется сразу же в момент прекращения движения – ток удержания обеспечивает отсутствие инерционных сдвигов.
• Быстрый старт и реверс, оперативное переключение.
• Регулировать вращение можно прецизионно, возвратного влияния при этом, опять же, не наблюдается.
• Высокий уровень общей надежности, отчасти объясняется тем, что нет коллекторных щеток и других элементов, которые могли бы стать «слабым звеном».

В числе практических недостатков:

• Принцип действия шагового двигателя может сопровождаться чересчур сложным управлением.
• Скорость не очень-то высока номинально.
• Иногда возникает резонанс, что чревато сбоями в установке инструментов.
• Удельная мощность сравнительно мала.
• Под воздействием механических перегрузок возможна потеря позиционирования.

Очевидно, что плюсы значительнее минусов, к тому же, есть области, в которых без рассматриваемых силовых агрегатов просто не обойтись, когда они в разы превосходят коллекторные. Это те случаи точной механики, в которых нужно перемещать узлы с мгновенными остановками и быстрым изменением вектора движения.

Важные характеристики

• С точки зрения электротехники, пошаговый привод – это достаточно сложное устройство, обладающее целым рядом параметров. Вот основные из них:
• Число полных шагов в течение одного цикла – от него зависит точность, плавность хода, разрешающая способность; у современных моделей должно быть на уровне 200-400.
• Угол дискретного перемещения (поворота вала) – рассчитывается как 360 0/количество отдельных передвижений за оборот; аналогичный предыдущему показатель, просто представленный в другом виде; его актуальные значения – 1,8-0,9 градусов.
• Пробивное напряжение – максимальное, по достижении которого нарушается изоляция, определяет безопасность использования.
• Допустимое постоянное напряжение – измеряется в статическом режиме на витках; в ряде случаев не приводится, но и тогда его можно рассчитать по закону Ома.
• Номинальный ток – наибольший из возможных для безопасного и бесперебойного функционирования силового агрегата.
• Сопротивление обмотки – оно, вместе с предыдущей характеристикой, говорит о том, какое количество Вольт можно подавать на пошаговые электродвигатели.
• Индуктивность фазы – определяет скорость нарастания тока; приобретает особенно важную роль при быстром вращении вала.
• Сопротивление изоляции – между обмотками и корпусом.

Отдельным семейством параметров являются моменты:

• крутящий – зависит от частоты вращения; указывается максимальный для данного силового агрегата;
• инерции – чем он меньше, тем быстрее разгон;
• стопорный – нужен для прокручивания вала в случае отсутствия питания;
• удерживающий – активен при полной остановке и запитывании номинальным током двух фаз.

Подключение

Выбранное устройство и схема работы шагового двигателя зависят от таких факторов:

• общее число проводов;
• характер запуска.

Есть модели с 4, 5, 6, 8 соединителями; «четверка» подходит только для биполярных, так как у них пара фазных обмоток с двумя коннекторами и нужно устанавливать непрерывные связи. «Шестерка» обладает еще и центр-кранами на каждом витке и поэтому универсально применима ко всем силовым агрегатам.

Типичные варианты коммутации выглядят следующим образом:

Для беспроблемной эксплуатации важно помнить правила подачи номинального напряжения, а также изменения скорости крутящего момента и понижения линейного.

Виды управления

Помимо уже рассмотренных режимов – полно-, полу- и микро-, – есть и другие, определяющие, как сигналы подаются на полюса и, соответственно, как работает шаговый мотор. Рассмотрим два принципиально разных их типа.

Без контроллера

Реализуется благодаря Н-мосту (часто именно так и называется), позволяющему практически мгновенно переключать полярность и обеспечивать быстрый реверс. Система выстраивается на транзисторах и/или микросхемах: выбранные ЭРЭ гарантируют логическую цепочку, по которой перемещаются ключи. Подходит для бесколлекторных моделей.

Согласно данной схеме, напряжение идет от источника питания к мосту. Контакты включаются попарно (S1-S4 и S3-S2), благодаря чему ток проходит через обмотки, запуская вращение в нужную сторону.

С контроллером

Взглянем на него подробнее, ведь он определяет, как работает и что такое шаговый электродвигатель: это электронный блок, который формирует последовательность сигналов и посылает их на катушки статора. Чтобы он не вышел из строя при возникновении аварийной ситуации (например, при коротком замыкании), выводы привода снабжают диодами, не пропускающими обратные импульсы. Дает возможность реализовать самые разные режимы.

Популярные схемы управления

Предлагаем вашему вниманию два интересных варианта:

Ключевое преимущество здесь – помехозащищенность. Как прямой, так и инверсный сигнал подключаются к своим полюсам напрямую. При ее воплощении в жизнь необходимо озаботиться экранированием сигнального соединителя. Подходит, когда планируете с низкой мощностью использовать шаговый электродвигатель: принципы работы будут выполняться даже при условии высоких нагрузок.

Еще одно достойное решение:

Ключевая особенность – объединение вводов, подключаемых к положительному полюсу. Если при этом будет подаваться питание, превышающее 9 В, понадобится дополнить схему резистором-ограничителем тока. В общем же она очень удобна тем, что обеспечивает возможность строго и точно задавать скорость и количество перемещений в течение оборота.

Если на один его D-вывод подавать логическую 1, а на остальных оставлять 0, транзистор откроется, что обеспечит прохождение сигнала к катушке. Вот таким нехитрым способом осуществляется дискретное передвижение.

Советуем на практике посмотреть, что собой представляет шаговый двигатель, назначение устройства и принцип действия – попробуйте самостоятельно задать ему некоторые команды. Взяв последнюю разработку за основу, не проблема выполнить печатную плату, под заказ или даже своими силами, впаяв в нее необходимые ЭРЭ (почти все диоды, транзисторы, резисторы можно извлечь из отслужившей свое техники). Управление возможно осуществлять с обычного компьютера.

Полезные ролики по теме

Если на эксперименты нет времени или желания, и срочно нужен станок с надежным силовым агрегатом, вам есть из чего выбрать. Достойных производителей сегодня хватает, например, современное оборудование предлагает ижевский завод «Сармат», все модели которого отличаются эргономикой, эффективностью, высокой степенью безопасности.

Ну а напоследок посмотрите, как работает шаговый двигатель, видео помогут вам окончательно понять принцип действия данных приводов.