Шаговые двигатели

Шаговые  двигатели относятся  к  классу  бесколлекторных  двигателей  постоянного  тока.  Как  и любые бесколлекторные двигатели, они имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в критичных, например, индустриальных применениях.

 По сравнению с обычными  двигателями  постоянного  тока,  шаговые  двигатели  требуют  значительно  более сложных  схем  управления,  которые  должны  выполнять  все  коммутации  обмоток  при  работе двигателя. Выбор контроллера для управления шаговым двигателем описан в статье Контроллеры ШД.  Кроме  того,  сам  шаговый  двигатель – дорогостоящее  устройство,  поэтому  там,  где точное  позиционирование  не  требуется,  обычные  коллекторные  двигатели  имеют  заметное преимущество. Справедливости ради следует отметить, что в последнее время для управления коллекторными  двигателями  все  чаще  применяют  контроллеры,  которые  по  сложности практически не уступают контроллерам шаговых двигателей. 

Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, так как такие датчики могут стоить намного больше самого двигателя. Однако это подходит только для систем, которые работают при малом ускорении и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время  системы  с  обратной  связью  способны  работать  с  большими  ускорениями  и  даже  при переменном  характере  нагрузки.  Если  нагрузка  шагового  двигателя  превысит  его  момент,  то информация о положении ротора теряется и система требует базирования с помощью, например, концевого  выключателя  или  другого  датчика.  Системы  с  обратной  связью  не  имеют  подобного недостатка.

При  проектировании  конкретных  систем  приходится  делать  выбор  между  сервомотором  и шаговым  двигателем.  Когда  требуется  прецизионное  позиционирование  и  точное  управление скоростью,  а  требуемый  момент  и  скорость  не  выходят  за  допустимые  пределы,  то  шаговый двигатель  является  наиболее  экономичным  решением.  Как  и  для  обычных  двигателей,  для повышения  момента  может  быть  использован  понижающий  редуктор.  Однако  для  шаговых двигателей редуктор не всегда подходит.

В отличие от коллекторных двигателей, у которых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигатель имеет больший момент на низких скоростях. К тому  же,  шаговые  двигатели  имеют  гораздо  меньшую  максимальную  скорость  по  сравнению  с коллекторными  двигателями,  что  ограничивает  максимальное  передаточное  число  и, соответственно,  увеличение  момента  с  помощью  редуктора.  Готовые  шаговые  двигатели  с редукторами хотя и существуют, однако являются экзотикой. Еще одним фактом, ограничивающим применение редуктора, является присущий ему люфт.  Возможность  получения  низкой  частоты  вращения  часто  является  причиной  того,  что разработчики,  будучи  не  в  состоянии  спроектировать  редуктор,  применяют  шаговые  двигатели неоправданно  часто.  В  то  же  время  коллекторный  двигатель  имеет  более  высокую  удельную мощность, низкую стоимость, простую схему управления, и вместе с одноступенчатым червячным редуктором он способен обеспечить тот же диапазон скоростей, что и шаговый двигатель. К тому же,  при  этом  обеспечивается  значительно  больший  момент.  Приводы  на  основе  коллекторных двигателей  очень  часто  применяются  в  технике  военного  назначения,  а  это  косвенно  говорит  о хороших параметрах и высокой надежности таких приводов. Да и в современной бытовой технике, автомобилях, промышленном оборудовании коллекторные двигатели распространены достаточно сильно.  Тем  не  менее,  для  шаговых  двигателей  имеется  своя,  хотя  и  довольно  узкая,  сфера применения, где они незаменимы. 

 

Виды шаговых двигателей: 

·  двигатели с переменным магнитным сопротивлением

·  двигатели с постоянными магнитами

·  гибридные двигатели

Определить тип двигателя можно даже на ощупь: при вращении вала обесточенного двигателя с постоянными  магнитами (или  гибридного)  чувствуется  переменное  сопротивление  вращению, двигатель вращается как бы щелчками. В то же время вал обесточенного двигателя с переменным магнитным  сопротивлением  вращается  свободно.  Гибридные  двигатели  являются  дальнейшим усовершенствованием двигателей с постоянными магнитами и по способу управления ничем от них не отличаются.

Определить тип двигателя можно также по конфигурации обмоток. Двигатели с переменным  магнитным  сопротивлением  обычно  имеют  три (реже  четыре)  обмотки  с  одним общим  выводом.  Двигатели  с  постоянными  магнитами  чаще  всего  имеют  две  независимые обмотки.  Эти  обмотки  могут  иметь  отводы  от  середины.  Иногда  двигатели  с  постоянными магнитами имеют 4 раздельных обмотки.  В  шаговом  двигателе  вращающий  момент  создается  магнитными  потоками  статора  и  ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга.

Статор изготовлен из материала  с  высокой  магнитной  проницаемостью  и  имеет  несколько  полюсов.  Полюс  можно определить как некоторую область намагниченного тела, где магнитное поле сконцентрировано. Полюса имеют как статор, так и ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны  из  отдельных  пластин,  подобно  сердечнику  трансформатора.  Вращающий  момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков.  Таким  образом,  момент  зависит  от  параметров  обмоток.  Если  хотя  бы  одна  обмотка шагового двигателя запитана, ротор принимает определенное положение. Он будет находится в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.

Биполярные и униполярные шаговые двигатели
В  зависимости  от  конфигурации  обмоток  двигатели  делятся  на  биполярные  и  униполярные. Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля  должна  переполюсовывается драйвером. Для  такого  типа  двигателя  требуется мостовой  драйвер,  или  полумостовой  с  двухполярным  питанием.  Всего  биполярный  двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода.Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. 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 Иногда  униполярные  двигатели  имеют  раздельные 4 обмотки,  по  этой  причине  их  ошибочно называют 4-х  фазными  двигателями.  Каждая  обмотка  имеет  отдельные  выводы,  поэтому  всего выводов 8.  При  соответствующем  соединении  обмоток  такой  двигатель  можно использовать как униполярный или как биполярный. Униполярный двигатель с двумя обмоткими и отводами  тоже  можно  использовать  в  биполярном  режиме,  если  отводы  оставить неподключенными.  В  любом  случае  ток  обмоток  следует  выбирать  так,  чтобы  не  превысить максимальной рассеиваемой мощности.  Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность. При одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент.

 

6-ти выводные шаговые двигатели

Для подключения 6-ти выводного шагового двигателя к классическому биполярному драйверу может быть выбран один из двух способов - униполярное либо биполярное подключение обмоток двигателя.

 

Униполярное подключение

Если требуется вращать двигатель на средних и высоких скоростях (из диапазона рабочих скоростей), лучший тип подключения - использовать центральный отвод. Электрические характеристики двигателя - ток обмотки, сопротивление обмотки, статический крутящий момент, индуктивность обмоток и др. - в этом случае равны данным, приведенным в каталоге.

 

Биполярное подключение

Если требуется вращать двигатель на низких скоростях (из диапазона рабочих скоростей), лучший тип подключения - биполярное. Электрические характеристики двигателя - ток обмотки, сопротивление обмотки, статический крутящий момент, индуктивность обмоток и др. - в этом случае равны данным, приведенным в каталоге. При таком типе подключения нужно уменьшить ток, подаваемый на обмотки двигателя в  √2 раз. Например, если номинальный рабочий ток двигателя составляет 2 А, то при последовательном включении обмоток требуемый ток - 1.4 А, то есть в 1.4 раза меньше. Это можно легко понять из следующих рассуждений. Номинальный рабочий ток, указанный в каталоге, рассчитан на сопротивление одной обмотки (R - именно оно приведено в каталоге). При последовательном включении обмоток сопротивление объединенной обмотки возрастает в два раза (2R).

Потребляемая мощность при униполярном включении - Iуниполяр.2 * R

При последовательном включении обмоток потребляемая мощность становится Iбиполяр.2 * 2 * R

Потребляемая мощность не зависит от типа подключения, поэтому Iуниполяр.2 * R = Iбиполяр.2 * 2* R, откуда

Iбиполяр.=  Iуниполяр. / √2, т.е.

Iбиполяр.= 0.707 * Iуниполяр.

Так как крутящий момент двигателя прямо пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора, то он возрастает с увеличением числа витков обмотки и убывает с уменьшением ток, пропускаемого через обмотки. Но так как ток уменьшился в √2 раз, а число витков обмотки увеличилось в 2 раза, то крутящий момент возрастет в √2 раз.

Tбиполяр. = 1.4 * Tуниполяр.

 

8-ми выводные шаговые двигатели

Для подключения 8-ми выводного шагового двигателя (то есть двигателя с четырьмя обмотками) к классическому биполярному драйверу может быть выбран один из трех способов - униполярное, последовательное либо параллельное подключение обмоток двигателя.

Если требуется вращать двигатель на средних скоростях (из диапазона рабочих скоростей), лучший тип подключения - использовать лишь две из четырех обмоток.

Наиболее эффективно для низкоскоростного диапазона рабочих скоростей двигателя.

При таком типе подключения нужно уменьшить ток, подаваемый на обмотки двигателя в  √2 раз. Например, если номинальный рабочий ток двигателя составляет 2 А, то при последовательном включении обмоток требуемый ток - 1.4 А, то есть в 1.4 раза меньше.

Это можно легко понять из следующих рассуждений.

Номинальный рабочий ток, указанный в каталоге, рассчитан на сопротивление одной обмотки (R - именно оно приведено в каталоге). При последовательном включении обмоток сопротивление объединенной обмотки возрастает в два раза (2R).

Потребляемая мощность при униполярном включении - Iуниполяр.2 * R

При последовательном включении обмоток потребляемая мощность становится Iпослед.2 * 2 * R

Потребляемая мощность не зависит от типа подключения, поэтому Iуниполяр.2 * R = Iпослед.2 * 2* R, откуда

Iпослед.=  Iуниполяр. / √2, т.е.

Iпослед.= 0.707 * Iуниполяр.

Так как крутящий момент двигателя прямо пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора, то он возрастает с увеличением числа витков обмотки и убывает с уменьшением ток, пропускаемого через обмотки. Но так как ток уменьшился в √2 раз, а число витков обмотки увеличилось в 2 раза, то крутящий момент возрастет в √2 раз.

Tпослед. = 1.4 * Tуниполяр.

Наиболее эффективно использование параллельного включения обмоток для высоких скоростей.

При таком типе подключения нужно увеличить ток, подаваемый на обмотки двигателя в  √2 раз. Например, если номинальный рабочий ток двигателя составляет 2 А, то при параллельном включении обмоток требуемый ток - 2.8 А, то есть в 1.4 раза больше.

Это можно легко понять из следующих рассуждений.

Номинальный рабочий ток, указанный в каталоге, рассчитан на сопротивление одной обмотки (R - именно оно приведено в каталоге). При параллельном включении обмоток сопротивление объединенной обмотки уменьшаетсяв два раза (0.5 R).

Потребляемая мощность при униполярном включении - Iуниполяр.2 * R

При параллельнном включении обмоток потребляемая мощность становится 0.5 * Iбиполяр.2 * R

Потребляемая мощность не зависит от типа подключения, поэтому Iуниполяр.2 * R = 0.5 * Iбиполяр. 2 * R, откуда Iбиполяр..=  Iуниполяр. /√2, т.е.

Iбиполяр.= 1.4 * Iуниполяр.

Так как крутящий момент двигателя прямо пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора, то он возрастает с увеличением числа витков обмотки и убывает с уменьшением величины тока, пропускаемого через обмотки. Но так как ток увеличился в √2 раз, а число витков обмотки увеличилось в 2 раза, то крутящий момент возрастет в √2 раз.

Tбиполяр. = 1.4 * Tуниполяр.

 

При выборе шагового двигателя одной из важнейших характеристик является его скоростные качества, то есть зависимость момента на валу от скорости вращения. Сравнить и оценить эту характеристику можно зная значения сопротивления и индуктивности обмоток выбираемого двигателя. Чем больше соотношение R/L тем быстрее нарастает ток в обмотках и тем большую скорость вращения можно достичь без существенного падения момента. Объясняется это тем, что эквивалентная схема представляет собой последовательно соединенные индуктивность и омическое сопротивление, возникающая в цепи ЭДС самоиндукции препятствует изменению тока в цепи, замедляя его возрастание, а также спад тока при размыкании цепи. Ток не может вырасти мгновенно до номинального значения, а следовательно, крутящий момент двигателя тоже нарастает не мгновенно, а по экспоненте. При увеличении скорости вращения не только увеличивается скорость коммутации обмоток, но также уменьшается время, на которое подается напряжение на обмотку. При критической скорости ток в обмотке двигателя еще не успевает вырасти до номинального значения, а напряжение с обмотки уже снимается. Происходит снижение крутящего момента, двигатель начинает пропускать шаги.

Интернет магазин чпу станков хобби класса и комплектации