Шаговый двигатель введение

18.07.2018 18:35

Шаговые двигатели - широко доступные двигатели, обычно используемые для позиционирования.

Ротор шагового двигателя движется в серии дискретных шагов. Путем поочередного включения катушек двигателя через многие из этих шагов можно легко контролировать направление вращения, количество оборотов и точное положение вала шагового двигателя. Контролируя время между шагами, регулируется скорость и ускорение шагового мотора. Напротив, двигатель постоянного тока будет слепо вращаться с максимальной скоростью, доступной при питании, если только он не управляется энкодером и программой системы управления. Нет необходимости использовать контроллер на шаговом двигателе, если вы не обеспокоены тем, что двигатель теряет количество шагов в течение длительного периода времени или в ситуациях с высоким крутящим моментом.

Каждый шаговый двигатель предназначен для перемещения на определенный угол с каждым отдельным шагом. Простейшие шаговые двигатели будут вращаться на 90 ° за шаг. Стандартные промышленные шаговые моторы будут вращаться на 1,8 ° за шаг. Угол поворота может быть дополнительно уменьшен за счет использования редуктора.


В дополнение к простоте точно контролировать положение и скорость, шаговые двигатели имеют другие преимущества:

Большинство шаговых двигателей имеют очень малый крутящий момент, когда они работают на низкой скорости или в состоянии покоя.

Поскольку ротор шагового двигателя удерживается на месте магнитным полем на каждом шаге, шаговые электродвигатели имеют полный крутящий момент при низкой скорости или остановке, что делает их очень полезными для низкоскоростного вращения и приведения в действие. Кроме того, шаговый двигатель может оставаться в фиксированном положении в течение длительного времени с номинальным током в обмотках, в то время как с двигателями постоянного тока, остановка и оставление в фиксированном положении в течение длительного времени приведет к выгоранию шагового двигателя.
Двигатели постоянного тока имеют циклы с конечным временем жизни. Шаговые моторы не имеют щеток и ограничены только сроком службы подшипников.
Шаговые моторы не имеют щеток и ограничены только сроком службы подшипников.
По сравнению с двигателями постоянного тока существуют недостатки шаговых двигателей:

Каждый шаг будет приводить к вибрации в двигателе. Если эти вибрации находятся на механической резонансной частоте двигателя, они могут привести к перерегулированию ротора и возврату назад и вперед, что приведет к сильной потере крутящего момента. Это явление называется «звонком» и часто сопровождается громким жужжанием или шумом. Чтобы предотвратить работу шагового двигателя таким образом, вы должны протестировать двигатель на разных скоростях в физическом приложении, для которого он предназначен, и стараться избегать запуска двигателя со скоростью, которая проявляет поведение звонка.
Если шаговый двигатель встречает кратковременную перегрузку, фиксированные катушки на статоре и свободно вращающийся ротор могут потерять след друг друга. Если это происходит на более высоких скоростях, шаговый двигатель часто останавливается. Даже при более низких скоростях ваша система будет терять информацию о том, где именно находится двигатель - если только не имеется независимая система (например, оптический кодер), отслеживающий положение.
Шаговый двигатель нельзя загружать с максимальным крутящим моментом, так как он почти наверняка будет перегружен во время работы. Двигатель постоянного тока, естественно, будет регулировать свою скорость в зависимости от того, сколько энергии предусмотрено, и крутящего момента, необходимого для поворота его вала.

Типы шаговых двигателей

Мы считаем целесообразным классифицировать двигатели в соответствии с тем, как наматываются катушки (биполярные / однополярные), внутренняя магнитная конструкция (постоянный магнит / гибрид) и как регулируется ток в катушках (Chopper Drive / Resistive Limited).

Биполярный шаговый двигатель

Эти двигатели изготавливаются с двумя катушками из проволоки, что приводит к одной обмотке на фазу. Изменяя мощность между катушками, а также направление тока, двигатель вращается. Эта конфигурация создает магнитные поля внутри катушек в любом направлении, поэтому термин «биполярный». Контроллер более дорогой, поскольку он должен иметь возможность производить как положительные, так и отрицательные электрические токи, но преимущество заключается в том, что используется вся катушка, тем самым увеличивая крутящие моменты на всех скоростях. Мы не рекомендуем использовать биполярный контроллер для запуска однополярного двигателя, хотя это теоретически возможно.

Униполярный шаговый двигатель

В однополюсном двигателе обмотки двигателя состоят из двух одинаковых катушек на фазу, намотанных в противоположных направлениях (каждая из которых занимает половину пространства, как правило, катушка должна быть в биполярном шагере). В результате контроллеру необходимо только выбрать, какая из двух катушек должна проходить через ток, чтобы изменить магнитную полярность, и должен генерироваться только положительный ток. Благодаря этому упрощенному механизму управления, который использует только половину каждой катушки, крутящий момент однополюсных двигателей обычно намного ниже, но общая стоимость системы намного дешевле. Простота однополярного контроллера также означает, что вы не можете использовать его для запуска биполярного шагового двигателя.

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Шаговые двигатели с постоянными магнитами небольшие, с низким крутящим моментом и недорогие. Они используют постоянный магнит в роторе, который притягивается или отталкивается магнитным полем, генерируемым катушками статора. Шаг углов часто составляет 7,5 ° или 15 °, а двигатели обычно однополярные.

Переменное сопротивление шагового двигателя

Ротор шагового двигателя с переменным сопротивлением выполнен из железа, и поэтому он согласуется с магнитным полем, генерируемым катушками статора. Поскольку он не использует постоянный магнит, не имеет значения, в каком направлении течет ток, пока каждая катушка намотана в противоположном направлении, как катушка поперек от нее. Следовательно, шаговые двигатели с переменной степенью нежелательности однополярны и, как правило, имеют увеличенные углы поворота на 15 ° или более градусов.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридные двигатели доминируют в мире шагового двигателя - они используют комбинацию характеристик от постоянного магнита и степпинга переменного сопротивления и имеют лучший крутящий момент и скорость, но более дороги для производства. Степные углы обычно составляют от 0,9 до 3,75 °, что дает намного лучшее разрешение шага.

Управление шаговым двигателем

Chopper Drive - это электронный метод управления, который позволяет конкретным двигателям производить больше мощности, крутящего момента, скорости и быть более эффективным. Вместо того, чтобы полагаться на сопротивление катушки, индуктивность проводки используется сложной электроникой управления как краткосрочное ограничение тока двигателя. Производители двигателей не очень хорошо разбираются в двигателях, подходящих для использования с электроникой Chopper Drive. Двигатели часто будут большими, квадратными, с очень низким сопротивлением.

Resistive Limited
Маленькие недорогие шаговые двигатели предназначены для строительства и управления как можно дешевле. Для упрощения электроники управления длина и толщина провода в катушках выбираются для определенного управляющего напряжения. Это позволяет самой катушке регулировать мощность, доступную двигателю, - при условии, что соответствующее напряжение используется, конечно. Мы называем этот тип двигателя Resistive Limited.

Гибридный биполярный шаговый двигатель

Этот раздел будет охватывать общий принцип работы шаговых двигателей. Хотя эта информация ни в коем случае не нужна для использования шагового двигателя, читатели, интересующиеся их внутренней работой, могут читать.
Гибридный биполярный шаговый двигатель
Изображение представляет собой поперечное сечение внутри гибридного биполярного шагового двигателя. Как вы можете видеть, у этого есть восемь полюсов с шестью зубами. Этот двигатель содержит две катушки - одну, обертывающую полюсы с нечетным номером, а другую обертывание четных полюсов. Стальная торцевая крышка в центре изображения покрывает цилиндрический постоянный магнит, который окружает вал.

Если на катушку с нечетным номером подается положительный ток, полюса 1 и 5 намагничиваются на юг, а полюсы 3 и 7 намагничиваются как север. Предполагая, что постоянный магнит в центре двигателя имеет свой северный полюс, обращенный к нам, это приведет к повороту ротора так, чтобы зубцы выстроились со статорными полюсами 1 и 5, как они находятся на изображении. В то же время полюса 3 и 7 будут выровнены на противоположном конце двигателя, где шестерня на роторе будет постоянно смещена на ширину одного зуба, а постоянный магнит намагнитил ротор на юг. Вращение двигателя продолжается путем подачи отрицательного тока через четную фазу, затем отрицательного тока через фазу с нечетным номером, затем положительного тока через четную фазу и т. Д.

Когда шаговый двигатель включается в программное обеспечение, и ток подается на катушки, он может резко «защелкнуться» в положении, в котором удерживается ротор. 

Гибридные Однополярные шаговые двигатели

Работа гибридного униполярного шагового двигателя очень похожа на описанный выше биполярный шаговый двигатель, за исключением того, что каждый полюс имеет две отдельные катушки, намотанные в противоположных направлениях. Это приводит к четырем фазам, для которых требуется только положительный ток. Вместо того, чтобы чередовать направление тока, контроллер двигателя просто посылает положительный ток в соответствующую половину катушки.
Вернуться к списку