Шаговый двигатель устройство, принцип работы, типы, схемы подключения

Шаговые электроприводы НПФ Электропривод — Силовая электроника

Сергей Сергеев

В настоящее время хорошей альтернативой микроприводам, состоящим из быстроходного двигателя с обратной связью и механического редуктора, является шаговый электропривод, ставший уже традиционным исполнительным устройством многих электронных приборов и систем.

Шаговый двигатель — это синхронная электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в угловое или линейное перемещение ротора с возможностью его остановки в некоторых фиксированных положениях с сохранением стабилизирующего момента. Принцип действия всех существующих шаговых двигателей основан на дискретном изменении состояния электромагнитного поля в рабочем зазоре электрической машины.

При проектировании электромеханических систем часто приходится делать выбор между шаговым электроприводом и сервоприводом.

Сервопривод состоит из контроллера, драйвера, двигателя постоянного тока или синхронного двигателя и датчика обратной связи. Контроллер сервопривода обрабатывает сигналы датчика. Крутящий момент обеспечивается регулировкой питающего тока.

Шаговый электропривод состоит только из контроллера, драйвера и шагового двигателя. Сведений о положении ротора контроллер не имеет, но оно с большой долей вероятности предсказуемо, поэтому датчик обратной связи не используется.

Достоинства шагового электропривод:

  • максимальный крутящий момент на низких скоростях;
  • высокая точность позиционирования;
  • простая схема управления;
  • низкая стоимость.
  • высокие динамические характеристики;
  • плавность движения.

Недостатки шагового электропривод:

  • потеря крутящего момента на высоких скоростях;
  • резонанс шагового двигателя;
  • возможна потеря контроля над положением ротора ввиду отсутствия обратной связи.
  • колебательные процессы в контуре обратной связи;
  • сложная схема управления.

Современные системы управления шаговыми электроприводом обычно имеют отделенные друг от друга контроллер (рис. 1) и драйвер (рис. 2). Связано это с тем, что у правильно спроектированного драйвера довольно сложный алгоритм дробления шага, позволяющий уменьшить величину минимального перемещения и избежать резонансных явлений. Такое разделение позволяет легко использовать для управления шаговыми электроприводом как специализированные контроллеры, сделанные под узкий спектр задач, так и LPT-порт персонального компьютера. Драйвер шагового двигателя для пользователя является универсальным устройством, на вход которого подается лишь силовое питание для двигателя и стандартные сигналы «направление» и «шаг». На драйвере выставляются только величина тока в фазах двигателя и коэффициент дробления шага.

Использование в качестве контроллера шаговых двигателей персонального компьютера получило широкое распространение в малых токарных и фрезерных станках как вариант замены промышленной стройки ЧПУ. Современное программное обеспечение позволяет контур или трехмерную модель, сделанную, например, в AutoCAD, сразу выводить как на принтер, так и на станок с ЧПУ.

Специализированные контроллеры шаговых электроприводов, такие как трехканальный контроллер SMC-3, выпускаемый НПФ Электропривод, предназначены в основном для задач автоматизации технологических процессов. Каждый из каналов контроллера SMC-3 выполнен на микроконтроллере ATMega8 и работает по исполнительной программе, содержащейся в энергонезависимой памяти микроконтроллера. Исполнительная программа записывается с помощью ПК через интерфейс RS-232. Все три канала подключены к одному порту RS-232 и «слушают» шину одновременно. Обмен устройства с ПК осуществляется по принципу «команда — ответ». Ответ содержит параметр, сообщающий ПК об успешном или неуспешном выполнении команды с указанием номера ошибки. Ответ приходит от того контроллера, который распознал свой номер, содержащийся в управляющей команде. Если команда ошибочна и не распознана ни одним из микроконтроллеров, все каналы находятся в дежурном режиме, ответ (сообщение об ошибке команды) приходит от контроллера № 1. Выполнение исполнительной программы контроллером заключается в чтении очередной команды из энергонезависимой памяти и в выдаче соответствующих команд управляющих сигналов на драйвер ШД. Одновременно осуществляется анализ сигналов от выключателей реверса и аварийных концевых выключателей. Перечень команд охватывает все возможные варианты работы шагового двигателя — работа в статическом режиме, движение с постоянной скоростью, движение с ускорением, изменение направления движения, переключение величины дробления шага, синхронизация шаговых двигателей соседних каналов. Контроллер SMC-3 не позволяет в полной мере поддерживать графические интерфейсы ПК, однако ориентированная на неподготовленного пользователя программа верхнего уровня обеспечивает интуитивно понятный доступ к полному набору команд контроллера. Раздельное исполнение контроллера SMC-3 и драйверов позволяет одинаково просто управлять шаговыми электроприводами в диапазоне мощностей 0,005–1,5 кВт.

Читайте также:  Ремонт акпп Хендай Гетц цена, ремонт коробок автомат Hyundai Getz переборка г

Шаговый двигатель — компактное исполнительное устройство с большим крутящим моментом, составляющее конкуренцию сервоприводам во многих приложениях, в которых требуются низкая скорость и высокая точность позиционирования. Примеры использования шаговых электроприводов — станки с ЧПУ, намоточное оборудование, механизмы протяжки проволоки, фольги, контрольно-сортировочные автоматы, сварочные роботы, этикетировщики.

Шаговый двигатель: принцип работы и характеристики

Шаговые электродвигатели способны делать один полный оборот за несколько шагов и активно применяются в машиностроении и в печатающих устройствах. Основным преимуществом прибора является его точность.

Бесщеточный электродвигатель, в котором подача тока на обмотку статора приводит к фиксации ротора, называется шаговым. В нем происходит поочередная активация обмоток статора, вызывающая перемещения ротора (шаг) под определенным углом. Они применяются в машиностроении, при изготовлении факсимиле-машин и в космических аппаратах. Такие приборы реализуются в некоторых специализированных интернет-магазинах, например, в http://makerplus.ru/, где можно выбрать агрегат из нескольких вариантов.

Устройство шагового электродвигателя

Шаговый двигатель, работающий от постоянного тока, умеет делить один полный оборот на большое количество шагов. Устройство состоит из следующих деталей:

  • Контроллер специального назначения для шагового привода.
  • Клеммы.
  • Обмотки.
  • Блок управления или приборная модель.
  • Магнитная часть.
  • Сигнализаторы.
  • Передатчики.

Принцип работы шагового электродвигателя

Принцип работы электродвигателя состоит в следующем. На клеммы прибора подается напряжение, после чего щетки двигателя приводятся в постоянное движение. Двигатель на холостом ходу начинает преобразование входящих импульсов прямоугольного направления в положение приложенного вала, имеющего определенную направленность, и перемещает его под некоторым углом.

Максимальная эффективность такого электродвигателя достигается наличием нескольких зубчатых магнитов, сосредоточенных вокруг железного колеса зубчатой формы. Когда к определенному электромагниту прилагается энергия, он начинает притягивать зубья колеса. После их выравнивания по отношению к этому электромагниту, они становятся смещены относительно следующей магнитной части электродвигателя.

Первый магнит отключается, включается второй электромагнит, происходит вращение шестеренки, которая выравнивается с предыдущим колесом. Это циклическое действие происходит необходимое количество раз. Одно выполненное вращение называют шагом электродвигателя.

Преимущества и недостатки

К основным преимуществам шаговых электродвигателей относят их точность. То есть, при попадании напряжения на обмотку, прибор поворачивается на строго определенную величину угла. Еще одним несомненным достоинством можно назвать стоимость агрегата. Ведь если сравнивать их цену с, например, сервоприводами, то они стоят в 2 раза дешевле.

Читайте также:  Как снять задний бампер на Рено Логан видео и фото, крепление

Основной недостаток шагового электропривода — возможное проскальзывание ротора. Причин может быть несколько:

  • Слишком высокая нагрузка на валу.
  • Неправильные настройки программы управления.
  • Скорость вращения приближается к резонансным показателям.

Решение этих проблем возможно, если использовать датчики поворота. Но автоматически эта проблема решается не всегда. В некоторых случаях задача выполнима только после остановки производственной программы. Проблема проскальзывания электродвигателя решается также путем увеличения его мощности.

Область применения шагового электродвигателя

Самыми популярными моделями шаговых электродвигателей являются те, которые имеют угловое перемещение 1,8° и 200 шагов за один оборот, а также 0,9° с 400 шагами за один оборот, которые можно приобрести, например, на страничке интернет-магазина http://makerplus.ru/category/electrical-components-cnc.

Область применения шагового электродвигателя достаточно обширна. Например, гибридные шаговые электродвигатели активно используют при создании станков с числовым программным управлением, которые работают по дереву, выполняют плазменную резку металлов или фрезерные операции. Шаговые приборы отлично подходят для управления чертежной головкой в копировальных станках с цифровым программным управлением.

Передача факсов на расстояние при помощи телефонной связи также не обходится без использования таких приборов. В космических летательных аппаратах для изучения космоса шаговые двигатели использовались, например, в ЛА Mariner как устройство для наведения телевизионных камер и спектрометров на нужные цели.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Принцип работы шагового двигателя

Каким образом роботизированный манипулятор на предприятии повторяет одни и те же движения снова и снова? Как автоматический фрезерный станок может двигаться с такой точностью? Это возможно благодаря шаговому двигателю. Особенность шагового двигателя заключается в том, что он может контролировать угловое положение ротора без замкнутого контура обратной связи, это простая и точная разомкнутая система.

p, blockquote 1,0,0,0,0 —>

p, blockquote 2,0,0,0,0 —>

Как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Для начала давайте разберемся, как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением, который является самым простым. Позднее мы рассмотрим устройство высокоточного и широко используемого типа двигателя. У этого двигателя 6 зубьев на статоре, которые могут быть запитаны от трех отдельных источников постоянного тока.

p, blockquote 3,0,0,0,0 —>

p, blockquote 4,0,0,0,0 —>

Ротор состоит из ряда стальных пластин. У него отличное от статора количество зубьев в данном случае их 4 это сделано намеренно, для того чтобы только одна пара зубьев ротора могла одновременно находиться напротив зубьев статора.

p, blockquote 5,0,0,0,0 —>

p, blockquote 6,0,0,0,0 —>

Вы и сами можете объяснить, как работает этот шаговый двигатель. Если обесточить обмотку A и запитать обмотку B станет ясно, что ротор будет двигаться, как показано на модели.

p, blockquote 7,0,0,0,0 —>

p, blockquote 8,0,1,0,0 —>

Из уроков геометрии понятно, что один шаг соответствует 30 градусам. Чтобы перейти к следующему шагу обесточим обмотку B и запитаем обмотку C.

p, blockquote 9,0,0,0,0 —>

p, blockquote 10,0,0,0,0 —>

После этого вновь запитаем обмотку A. То есть ротор занимает позицию с наименьшим сопротивлением.

p, blockquote 11,0,0,0,0 —>

p, blockquote 12,0,0,0,0 —>

Размер шага двигателя составляет 30 градусов, точность может быть доведена до 15 градусов при помощи одного простого приема, когда запитана обмотка A, ротор находится в таком положении мы знаем, что если запитать обмотку B он повернется на 30 градусов. Но что произойдет если обмотки A и B будут запитаны одновременно? Ротор займет положение между двумя этими обмотками, то есть повернется на 15 градусов.

Читайте также:  Стук в двигателе при запуске на холодную - популярные причины и решение

p, blockquote 13,0,0,0,0 —>

p, blockquote 14,0,0,0,0 —>

После этого обесточим А. Когда ротор установится напротив обмотки B, запитаем обмотку С, такой тип работы называется режимом дробления шага.

p, blockquote 15,0,0,0,0 —>

p, blockquote 16,1,0,0,0 —>

Как работает гибридный шаговый двигатель

Двигатель который мы рассматривали, называется двигателем с переменным магнитным сопротивлением. Наиболее универсальными и широко распространенными являются гибридные шаговые двигатели. Рассмотрим работу стандартного гибридного двигателя с величиной шага в 1.8 градуса.

p, blockquote 17,0,0,0,0 —>

p, blockquote 18,0,0,0,0 —>

Гибридный двигатель имеет намагниченный по оси ротор со стальными зубчатыми наконечниками. Таким образом, одна сторона ротора является северным магнитным полюсом, а другая южным.

p, blockquote 19,0,0,0,0 —>

p, blockquote 20,0,0,0,0 —>

Точность данного двигателя заключается в продуманном расположении зубьев ротора и статора. Разберемся, как это работает. Ротор имеет 50 зубьев, чтобы понять, как расположены зубья статора для начала, предположим, что у статора тоже 50 зубьев. Однако на самом деле их на 2 меньше, чем у ротора. Таким образом у статор остается 48 зубьев.

p, blockquote 21,0,0,0,0 —>

p, blockquote 22,0,0,0,0 —>

Давайте разделим их на 4 группы попарно, как показано на модели (подробнее смотри на видео).

p, blockquote 23,0,0,0,0 —>

p, blockquote 24,0,0,1,0 —>

Теперь давайте выровняем эти группы, зеленая группа сдвигается так что она оказывается наполовину выровнены с зубьями ротора. Зубья желтой группы полностью смещены относительно зубьев ротора. Синяя группа наполовину выровнена относительно зубьев ротора. Красная группа остается на своем месте, то есть красная группа зубьев полностью выровнена с ротором, а желтая группа смещена. Две другие группы смещены лишь наполовину.

p, blockquote 25,0,0,0,0 —>

p, blockquote 26,0,0,0,0 —>

Следует помнить, что сторона ротора направленная к нам является южным магнитным полюсом. Обмотки статора соединяются следующим образом, они представляют собой две независимые группы обмоток. При подаче питания на обмотку A, статор образует следующую картину намагниченности. Одна пара полюсов статора действует как северный полюс, а другая как южный. Так как противоположные полюса притягиваются, они будут совмещены, полюса с одинаковой полярностью будут смещены.

p, blockquote 27,0,0,0,0 —>

p, blockquote 28,0,0,0,0 —>

Смотрите, что произойдет с ротором при подаче питания на обмотку B, он совершит вращение на небольшой угол чтобы вы равняться с новым северным полюсом. Очевидно, что этот угол составляет одну четвертую часть углового шага. Другими словами, ротор поворачивается на 1,8 градуса, затем задействуется обмотка A с противоположной полярностью и вновь ротор поворачивается на одну целую восемь десятых градуса.

p, blockquote 29,0,0,0,0 —>

p, blockquote 30,0,0,0,0 —>

Данный процесс повторяется и двигатель совершает высокоточные движения. Разрешение угла шага может быть улучшено при помощи дробления шага. Интересно отметить, что северные зубчатые наконечники находятся между южными зубчатыми наконечниками, таким образом гарантируется выравнивание полюсов с противоположными полярностями.

p, blockquote 31,0,0,0,0 —> p, blockquote 32,0,0,0,1 —>

Вот так работает гибридный шаговый двигатель, такие двигатели идеально подходят для применения в областях, где необходимы четкие движения и простое управление.

Ссылка на основную публикацию
Что такое шина LIN — CAN Hacker
LIN шина Автомобильный справочник для настоящих любителей техники LIN протокол разработан для создания дешевых локальных сетей обмена данными на коротких...
Что такое жидкое стекло для автомобиля, как полировать жидким стеклом, отзывы
Нано- керамика или жидкое стекло - Автомойка РЕВОЛЮЦИЯ В последнее время все популярнее становится услуга защиты автомобиля от царапин и...
Что такое и для чего нужны депрессорные и диспергирующие присадки 1
Лучшие присадки для дизельного топлива в 2020 году Ситуация, когда в бак попадает некачественное топливо, встречается часто. Исправить ситуацию можно...
Что такое ЭКТО бензин и какие у него преимущества
Решил заправить 100-ый бензин вместо 92-ого Споры об октановом числе бензина, среди автомобилистов, все также не утихают и продолжают активно...
Adblock detector