Шаговый двигатель постоянного тока принцип работы

Содержание

Ша́говый электродви́гатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

Содержание

Описание [ править | править код ]

Первые шаговые двигатели появились в 30-х годах XIX века и представляли собой электромагнит, приводящий в движение храповое колесо. За одно включение электромагнита храповое колесо перемещается на величину зубцового шага храпового колеса. Храповые шаговые двигатели и в настоящее время находят довольно широкое применение [1] .

Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнито-мягкого или из магнито-твёрдого материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

Таким образом по конструкции ротора выделяют следующие разновидности шагового двигателя [2] :

  • с постоянными магнитами (ротор из магнитотвёрдого материала);
  • реактивный (ротор из магнитомягкого материала);
  • гибридный.

Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.

Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3,6-град. двигателей и 8 основных полюсов для 1,8-..0,9-град. двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определённых положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть — между ними.

Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделён на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повёрнуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.

Использование [ править | править код ]

В машиностроении наибольшее распространение получили высокомоментные двухфазные гибридные шаговые электродвигатели с угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или 0,9°/шаг (400 шаг/об). Точность выставления шага определяется качеством механической обработки ротора и статора электродвигателя. Производители современных шаговых электродвигателей гарантируют точность выставления шага без нагрузки до 5 % от величины шага.

Дискретность шага создаёт существенные вибрации, которые в ряде случаев могут приводить к снижению крутящего момента и возбуждению механических резонансов в системе. Уровень вибраций удаётся снижать при использовании режима дробления шага или при увеличении количества фаз.

Режим дробления шага (микрошаг) реализуется при независимом управлении током обмоток шагового электродвигателя. Управляя соотношением токов в обмотках можно зафиксировать ротор в промежуточном положении между шагами. Таким образом можно повысить плавность вращения ротора и добиться высокой точности позиционирования. Качество изготовления современных шаговых двигателей позволяет повысить точность позиционирования в 10-20 раз.

Шаговые двигатели стандартизованы национальной ассоциацией производителей электрооборудования [en] (NEMA) по посадочным размерам и размеру фланца: NEMA 17, NEMA 23, NEMA 34, … — размер фланца 42 мм, 57 мм, 86 мм, 110 мм соответственно. Шаговые электродвигатели NEMA 23 могут создавать крутящий момент до 30 кгс*см, NEMA 34 до 120 кгс*см и до 210 кгс*см для двигателей с фланцем 110 мм.

Шаговые двигатели создают сравнительно высокий момент при низких скоростях вращения. Момент существенно падает при увеличении скорости вращения. Однако, динамические характеристики двигателя могут быть существенно улучшены при использовании драйверов со стабилизацией тока на основе ШИМ.

Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме, или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задаётся последовательностью электрических импульсов, например, в станках с ЧПУ. В отличие от сервоприводов, шаговые приводы позволяют получать точное позиционирование без использования обратной связи от датчиков углового положения.

Шаговые двигатели применяются в устройствах компьютерной памяти — НГМД, НЖМД, устройствах чтения оптических дисков.

Датчик поворота [ править | править код ]

Шаговые двигатели с постоянными магнитами могут использоваться в качестве датчиков угла поворота благодаря возникновению ЭДС на обмотках при вращении ротора. При этом, несмотря на удобство пользования и хорошую точность и повторяемость, необходимо учитывать, что:

  • Без вращения вала нет ЭДС; определить положение стоящего вала нельзя.
  • Возможна остановка вала в зоне неустойчивого равновесия (промежуточно между полюсами) ШД. Последующий пуск вала приведёт к тому, что, в зависимости от чувствительности компаратора, будет пропуск этого полюса, или два импульса вместо одного. В обоих случаях все дальнейшие отсчёты будут с ошибкой на один шаг. Для практически полного, но не 100 %, устранения такого поведения необходимо применить муфту с соответствующим гистерезисом (угловым люфтом).

Преимущества и недостатки [ править | править код ]

Главное преимущество шаговых приводов — точность. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернётся строго на определённый угол.
К приятным моментам можно отнести стоимость шаговых приводов, в среднем в 1,5-2 раза ниже сервоприводов. Шаговый привод, как недорогая альтернатива сервоприводу, наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика. Можно отметить также длительный срок службы, порой сравнимый со временем морального устаревания или выработки ресурса всего станка; точность работы ШД за это время падает незначительно. Нетребовательны к техобслуживанию.

Возможность «проскальзывания» ротора — наиболее известная проблема этих двигателей. Это может произойти при превышении нагрузки на валу, при неверной настройке управляющей программы (например, ускорение старта или торможения не адекватно перемещаемой массе), при приближении скорости вращения к резонансной. Наличие датчика позволяет обнаружить проблему, но автоматически скомпенсировать её без остановки производственной программы возможно только в очень редких случаях [ источник не указан 2275 дней ] . Чтобы избежать проскальзывания ротора, как один из способов, можно увеличить мощность двигателя.

В современной электротехнике используется множество самых разнообразных устройств, некоторые из них предназначаются для автоматизации технологических операций. Таковым является и шаговый двигатель. Принцип работы и устройство данного прибора описаны в статье.

Что это такое?

Системы управления с разомкнутой цепью (без обратной связи)

Чаще всего это оборудование управляется специальной электронной схемой. Питается оно только от источника переменного тока. Такие двигатели часто используются в схемах, где требуется управление частотой вращения. Это позволяет избежать необходимости использования дорогого и сложного контура обратной связи, да и защита электродвигателя становится проще (требуется только предусмотреть быстрое обесточивание).

Данный принцип работы применяют в схемах с разомкнутой связью. Следует помнить, что указанная схема (без контура обратной связи) выгодна с экономической точки зрения, но у нее есть ряд существенных ограничений.

Так, поворот ротора является достаточно нестабильным, колебательным, отчего частота вращения и прочие характеристики движения ни в коем случае не могут быть настолько же точными, каковыми они являются в двигателях постоянного тока с контуром обратной связи. Для расширения сферы применения шагового двигателя требуется изыскивать способы снижения вибрации.

Читайте также:  Киа соренто отзывы реальных владельцев

Конфигурация системы

Чтобы лучше понимать устройство шагового двигателя и принцип его работы, можно рассмотреть схему функционирования прибора под его управлением, который лет 20 назад использовался для изготовления перфокарт. Для этой цели повсеместно применяли трех- и четырехфазные ШД. Сейчас мы рассмотрим схему работы первого.

Фазы обозначают порядковыми номерами 1, 2, 3 и т.д. либо буквами А, В, С и т.д. Последний вариант используется только в случае некоторых двухфазных двигателей. Таким образом, в каждый конкретный момент времени возбуждена только одна фаза из двух, трех или четырех имеющихся (в зависимости от типа двигателя). При объяснении принципов работы такого устройства это обстоятельство упоминается постоянно, но необходимо понимать, что указанная схема вовсе не является идеальным способом управления.

Шаг и инкремент

Наиболее простым вариантом является подача одиночных импульсов от управляющей схемы. В этом случае, к примеру, двигатель за один раз поворачивает ведущую звездочку конвейера на какое-то расстояние вперед. Следует заметить, что при подаче массивного механизма вперед только на один шаг еще более усугубляется проблема вибрации, да и значительная инерция дает о себе знать.

В таких случаях куда более оправданно использовать шаговый двигатель, который может за один управляющий импульс делать несколько движений. Также не помешает использовать звездочку с более мелкими зубьями. К слову, каждое такое движение называется инкрементом.

В описываемых нами случаях инкремент равен одному и нескольким шагам соответственно. После каждого цикла двигатель на какое-то время останавливается, после чего все повторяется сначала. Это называется инкрементным движением и инкрементным управлением соответственно.

Общий принцип управления

На один инкремент количество шагов больше четырех приходится в каких-то производственных линиях, конвейерах. Когда данные с запоминающего устройства (внутренняя флеш-память, жесткий диск компьютера) отправляются к контроллеру, выполняются они блок за блоком. Каждый из них содержит строго определенное количество символов (32, 48 или 64), причем в разных системах и при различных назначениях устройства эта цифра может серьезно варьироваться.

Неудивительно, что в последние годы стали распространены самоделки на основе микрокомпьютера Arduino. Шаговый двигатель в такой конструкции идеален, так как в такой связке его можно приспособить как в качестве силовой установки для игрушки, так и для довольно сложного промышленного оборудования.

Блок данных перед его использованием переносится в полупроводниковую память на контроллере, после чего движение начнется в соответствии с инструкциями, которые были записаны в первом блоке информации (перед тем как подключить электродвигатель, обязательно нужно выяснить эти характеристики).

После выполнения инструкций система начинает считывать второй массив информации. Если каждое движение состоит из множества мелких шагов, то перед основным контроллером необходимо монтировать дополнительный каскад. Чаще всего его функции выполняются входным контроллером. Он отправляет данные на второй управляющий контур с каким-то интервалом, заданным системой (Arduino). Шаговый двигатель в этом случае защищен от перегрузки запросами.

Некоторая специфика использования ШД

Мы расскажем вам о некоторых нюансах использования шаговых двигателей, а также дадим определение часто используемым в этой области терминам:

— Маленький угол шага. Как вы уже знаете, после каждого управляющего импульса ротор двигателя поворачивается на какой-то определенный градус. Чем шаг меньше, тем более высокой может быть непосредственная частота вращения. Важно знать, что шаговые двигатели вполне могут обеспечивать очень маленький шаг. Шаговым числом в этом случае называется количество оборотов за один шаг, причем это значение очень важно для инженеров. Высчитывается оно по следующей формуле:

S = 360/θS, где S – шаговое число, θ – угол шага (угол поворота).

В большинстве случаев привод шагового двигателя может выполнять 96, 128 или 132 шага за один оборот. Четырехфазные модели иногда имеют значение в 200. Редкие виды прецизионных двигателей за один только оборот могут сделать сразу 500 или 1000 шагов. Впрочем, для простых разновидностей это недостижимо, так как у них угол поворота равен 90, 45 или 15°.

Борьба с нежелательными явлениями

Зазор между роторными и статорными зубцами всегда делается минимальным для увеличения жесткости фиксации. Сама точность позиционирования зависит от характеристик только лишь инвертора, так как прочие факторы на нее влияют в гораздо меньшей степени.

А сейчас необходимо рассмотреть ряд важных характеристик и понятий, таких, как максимальный статический момент, положения «мертвого» ротора, а также точность позиционирования всех этих положений. Для определения вышеперечисленных терминов существует сразу две общепринятых распространенных концепции.

Максимальный статический эффект

Как мы уже и говорили, он имеет сразу два положения:

  • Удерживающий. Это максимально допустимый эффект, который теоретически может быть приложен к валу уже возбужденного шагового двигателя без возникновения движения.
  • Фиксирующий. Соответственно, это также максимальный статический эффект, который теоретически может быть приложен к валу невозбужденного двигателя без возникновения последующего вращения.

Чем удерживающий момент выше, тем ниже вероятность возникновения погрешностей позиционирования, вызываемых непрогнозируемой нагрузкой (отказали конденсаторы для электродвигателей, например). Полный фиксирующий момент возможен только в тех моделях двигателей, в которых используются постоянные магниты.

«Мертвые» положения ротора

Существует сразу три положения, в которых ротор полностью останавливается:

  • Положение равновесия. В нем происходит полная остановка возбужденного шагового двигателя.
  • Фиксация. Также состояние, в котором останавливается ротор. Но используется это понятие только в отношении тех двигателей, у которых в конструкции имеется постоянный магнит.
  • В современных моделях шаговых двигателей, которые соответствуют всем нормам экологической и энергетической безопасности, при остановке ротора полностью обесточивается и обмотка.

О точности позиционирования

  • Ошибка углового положения. Определяется как положительный или отрицательный уход от нормативного углового состояния, что очень часто наблюдается в случаях перехода ротора из одного положения в другое. Как правило, виновата инерция, а также плохая подгонка деталей.
  • Точность позиционирования. Это максимальное значение ошибок углового положения ротора, которые возникают за весь период шагового движения.

Важно! Отыскать нормативные сведения для каждой категории шаговых двигателей можно как на официальной странице их производителей, так и из справочной документации, которая прилагается к такого рода изделиям. Как правило, значение ошибки находится в пределах от +0,08 до -0,03°. Проще говоря, точность позиционирования высчитывается в виде суммы двух этих показателей: 0,08° + 0,03° = 0,11°.

Таким образом, шаговый двигатель, принцип работы которого мы описываем, относится к высокоточному оборудованию.

Высокое отношение электромагнитного момента к моменту инерции

Как вы уже представляете, от шагового двигателя требуется максимально быстро начать движение сразу после поступления на контроллер управляющего импульса. Он должен столь же быстро остановиться, обладая высокой точностью позиционирования. Если во время движения последовательность импульсов управления прервется, двигатель перестанет работать в положении, определяемом последним импульсом.

Также следует иметь в виду, что отношение электромагнитного момента к моменту инерции ротора у ШД должно быть намного выше аналогичного показателя для обычных электромоторов.

Шаговая частота вращения и частота импульсов

Так как частота вращения у ШД фактически представляет собой количество шагов в единицу времени, вместо термина "частота вращения" в специализированной литературе нередко можно встретить определение "шаговая частота вращения". Перед тем как подключить электродвигатель, об этих нюансах нужно обязательно прочесть.

Так как у большинства шаговых двигателей эта частота равна количеству управляющих импульсов, не стоит удивляться необычному ее обозначению в технических справочниках. Точнее, для подобных моторов единицей измерения нередко является герц (Гц).

n = 60f/S, где n – частота вращения, выражается в оборотах в минуту; f – шаговая частота вращения; S – число шагов.

Кстати, а как определить требуемые конденсаторы для электродвигателей? Очень просто! Достаточно только использовать вот эту формулу:

Несложно догадаться, что под Рном понимается номинальная мощность электродвигателя в кВт.

Простейшая схема подключения двигателя EM-178

А сейчас нами будет рассмотрено простейшее подключение шагового двигателя на примере модели ЕМ-178, которая повсеместно используется в промышленных принтерах.

Выполняется подключение шагового двигателя к красному контроллеру

Подключается к синему разъему

Читайте также:  Штраф за превышение длины автопоезда

Расписать работу более масштабно попросту не получится, так как существуют миллионы самых разнообразных моделей, характеристики которых имеют существенные различия.

В настоящее время используются различные типы электродвигателей этой конструкции. В статье мы обсудим самые распространенные.

Реактивные двигатели

Именно эта разновидность приборов повсеместно используется по сей день. По сути, это почти стандартный трехфазный двигатель, на статоре которого имеется шесть зубцов. Проще говоря, каждые два зубца, противостоящие друг другу, принадлежат к одной и той же фазе. Используется последовательное или параллельное соединение их катушек.

Что касается ротора, то на нем располагается только четыре зубца. Чаще всего статор и ротор производители изготовляют из магнитомягкого материала, но нередко можно встретить просто массивные роторы из обычных металлов. Все дело в том, что к веществам, которые идут на их производство, имеется только одно важное требование: они должны обеспечивать как можно лучшую проводимость магнитного поля. Это чрезвычайно важно, если обсуждать шаговый двигатель: принцип работы напрямую связан с напряженностью магнитного поля.

Устройства с постоянными магнитами

В качестве ротора используется магнит цилиндрической формы, на статоре же есть четыре зубца с индивидуальной обмоткой. Чтобы сильнее уменьшить угол шага, в этих моделях шаговых двигателей приходится увеличивать как количество полюсов ротора, так и число зубцов на статоре. Впрочем, следует помнить о том, что оба этих параметра имеют достаточно строгие физические ограничения. В последнем абзаце нашей статьи есть информация об альтернативной их конструкции (биполярный шаговый двигатель), но такие модели можно встретить не так часто.

Как мы уже говорили, шаговые устройства с постоянными магнитами останавливаются в строго фиксированном положении даже в тех случаях, когда убрано напряжение с обмоток. В этом случае срабатывает тот самый механизм фиксации, который мы обсудили выше, – положение фиксации.

Использование постоянных магнитов оправдано с многих точек зрения, но в то же время их применение может приводить сразу к нескольким проблемам. Во-первых, их цена далека от доступной. Кстати, сколько стоит такой шаговый двигатель? Цена моделей с постоянными магнитами превышает 100 тысяч рублей.

Во-вторых, максимальная плотность магнитного поля может быть не слишком высока, так как это значение ограничено намагниченностью самого носителя. Так, сравнительно дешевые постоянные ферритовые магниты не позволяют получить более-менее достаточной напряженности поля. А какие есть еще типы электродвигателей, работающих по этому принципу?

Гибридные установки

Ротор имеет практически ту же конструкцию, что и у реактивного ШД, но вот обмотки производятся по несколько иной схеме. Дело в том, что на каждом полюсе обмотка есть только у одной катушки (трехфазные ШД). Нетрудно догадаться, что в четырехфазных моделях намотано уже две катушки. Намотка ведется по бифилярной схеме. Особенность в том, что при возбуждении на катушках создается магнитное поле разных полярностей (биполярный шаговый двигатель).

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.

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.

«>