Шаговые двигатели использовались в широком спектре применений в течение многих лет.


С тенденциями к миниатюризации, компьютерному управлению и сокращению затрат, степпинг стиля «can-stack» используется во все большем числе приложений. В частности, использование линейных приводов в последние годы быстро расширилось. Эти точные, надежные двигатели можно найти во многих приложениях, включая анализаторы крови и другие медицинские приборы, автоматическое освещение сцены, оборудование для обработки изображений, оборудование для ОВК, управление клапанами, печатное оборудование, столы X-Y, производство интегральных чипов, контрольно-измерительное оборудование. Это привлекательное техническое решение устраняет необходимость использования многочисленных компонентов и связанных с ними затрат, связанных с сборкой, покупкой, инвентаризацией и т. д. Приложения для этих двигателей ограничены воображением дизайнера.
В этой статье я имею дело с шаговыми двигателями с точки зрения продвинутого хобби. Предполагается, что читатель уже имеет некоторое представление о том, что такое шаговые двигатели. Шаговые двигатели использовались в широком спектре применений в течение многих лет.

Шаговые двигатели популярны среди любителей как дешевый способ создания систем позиционирования.


Положение шагового двигателя (то есть угол его вращения) может контролироваться дешево и точно. Другие недорогие типы электродвигателей, такие как двигатели постоянного тока или асинхронные двигатели переменного тока, могут работать для контроля скорости или контроля крутящего момента, если вы попытаетесь использовать их для управления положением. С другой стороны, сервомоторы могут позиционировать еще быстрее и точнее шаговых двигателей, но они немного дороже. Сравнение основных типов двигателей. Прежде чем сосредоточиться на шаговых двигателях, позвольте мне сделать небольшое сравнение между наиболее распространенными типами электродвигателей, чтобы помочь нам лучше понять, что такое шаговый двигатель: двигатели постоянного тока и универсальные двигатели. Это «мягкое напряжение в скорости», двигатели - в зависимости от напряжения, которое вы им подаете, эти двигатели достигнут конечной скорости при отсутствии нагрузки. Чем выше напряжение, тем выше конечная незагруженная скорость - зависимость линейна. На своей незагруженной конечной скорости, двигатель потребляет очень мало энергии и не потребляет много тока. Если вы затем подадите некоторую нагрузку на двигатель, скорость будет немного уменьшаться, ток будет увеличиваться и мощность будет потребляться. Крутящий момент, создаваемый двигателем (т. е. Нагрузка, которую вы подали на него), пропорционален уменьшению скорости. Поскольку скорость уменьшается с увеличением нагрузки, я называю эти двигатели - двигатель с постоянным током. Конечно, двигатели постоянного тока могут действовать как генераторы - если вы повернете свой вал быстрее, чем его скорость без нагрузки, двигатель начнет генерировать энергию, и вы почувствуете это, потому что быстрее вы поворачиваете вал, больше крутящего момента, который потребуется. Электродвигатели постоянного тока также являются двигателями с током и крутящим моментом - если вы подаете им постоянный ток, эти двигатели обеспечат постоянный крутящий момент. Если вы нагружаете шаговый двигатель постоянным током, двигатель постоянного тока ускорится до «бесконечной» скорости (конечно, есть потери, которые ограничивают эту «бесконечную» скорость). Шаговые двигатели постоянного тока могут обеспечивать плавное регулирование скорости (путем подачи на них напряжения питания) и контроль крутящего момента (путем подачи на них тока). Они не могут обеспечить контроль положения, если вы не использовали некоторые внешние датчики положения и какой-либо метод обратной связи.

Асинхронные шаговые двигатели переменного тока.


Эти двигатели с необыкновенной простотой и надежностью. Вы должны подать на них переменное напряжение. Не загруженный двигатель достигнет скорости, которая напрямую зависит от частоты переменного напряжения. Когда вы установите груз на двигатель, его скорость будет несколько уменьшаться. Эта разница между скоростью без нагрузки (синхронной скоростью) и загруженной скоростью называется «скольжением». Насколько скорость будет уменьшаться с увеличением нагрузки, зависит от амплитуды тока, потребляемой двигателем (и амплитуда тока, в свою очередь, зависит от амплитуды переменного напряжения, которую вы подаете двигателю) - выше ток, двигатель будет сопротивляться к снижению скорости. Обратите внимание, что по мере увеличения частоты переменного тока вам также необходимо увеличить амплитуду напряжения, чтобы соотношение нагрузки и скольжения было примерно одинаковым. Сохранение постоянной частоты и амплитуды напряжения на самом деле является способом поддержания постоянной амплитуды тока двигателя. К сожалению, отношение нагрузки к скольжению (то есть отношение момента к скольжению) асинхронного шагового двигателя не представлено простой пропорциональностью.Закон - если проскальзывание повышается выше некоторого уровня, крутящий момент больше не повысится, а начнет уменьшаться, и двигатель быстро остановится. Асинхронные шаговые двигатели переменного тока будут действовать как генераторы, если вы поворачиваете свой вал быстрее, чем их синхронная скорость. Асинхронные электродвигатели переменного тока могут обеспечивать плавное регулирование скорости при подаче напряжения переменного тока с регулируемой частотой и амплитудой. Для этого требуется инверторная схема и довольно интеллектуальное управление инвертором. Если инвертор достаточно умен, он может даже обеспечить бессенсорный контроль крутящего момента. Однако для управления позицией вам понадобятся некоторые внешние датчики положения.

Синхронные шаговые двигатели переменного тока.


Их скорость зависит только от частоты переменного напряжения (или тока), которое вы подаете на них. Когда вы накладываете на них некоторую нагрузку, их скорость не будет уменьшаться, но их фаза немного отступит. Когда вы наберете слишком много нагрузки, шаговый двигатель выйдет из синхронности и внезапно остановится (или станет неустойчивым). Сколько нагрузки вы можете положить до того, как это произойдет, как правило, зависит от амплитуды переменного напряжения, которую вы подаете к двигателю (и от характеристик двигателя, конечно). Синхронные шаговые двигатели переменного тока представляют собой класс двигателей, который сейчас наиболее интересен для нас, поскольку шаговые двигатели (и большинство серводвигателей, кстати) также являются членами этого класса. Синхронные двигатели переменного тока могут быть малыми двигателями, используемыми в часах, или большими гигаватами, используемыми в качестве генераторов на электростанциях. У некоторых есть только два полюса, в то время как другие, такие как шаговые двигатели, могут иметь сто полюсов. То, что делает синхронные двигатели переменного тока уникальными, заключается в том, что этот двигатель не будет ползать, если вы нанесете на него некоторую нагрузку - он будет сопротивляться любому непрерывному сопротивлению и всегда будет оставаться на более-менее той же фазе, что и напряжение, которое подается на него. Благодаря этому можно знать положение своего ротора без какого-либо датчика положения (если вы знаете его начальное положение, и вы уверены, что нагрузка на двигатель никогда не станет слишком большой, чтобы заставить двигатель не синхронизироваться). Поэтому синхронные двигатели переменного тока могут обеспечивать управление положением без внешнего датчика положения.

Сравнение сервомоторов и шаговых двигателей.


 Сервомоторы (здесь мы говорим о серводвигателях переменного тока с постоянным магнитом) и шаговых двигателях (здесь мы говорим о шаговых двигателях с постоянным магнитом) являются одним и тем же классом двигателей и, таким образом, очень похожи. С точки зрения конструкции основное отличие состоит в том, что типичный серводвигатель имеет небольшое количество полюсов (от P = 2 до P = 8), в то время как типичный шаговый двигатель имеет большое количество полюсов (например, от P = 25 до P = 100 ). Дополнительная разница, но не очень важная, заключается в том, что сервомоторы чаще всего строятся как трехфазные двигатели (имеют три набора обмоток), в то время как шаговые двигатели обычно строятся с двумя наборами обмоток. Эти две отдельные обмотки в типичном шаговом двигателе обеспечивают более простое управление двигателем, чем в случае трех взаимосвязанных (звездных или треугольных) обмоток в типичном серводвигателе. Когда крутящий момент подается на серводвигатель или шаговый двигатель, его вал поворачивается на некоторый угол (но не будет продолжать двигаться дальше). При максимальном крутящем моменте двигатель может двигаться, его вал будет двигаться примерно на 180 / P градусов в одном направлении. Любой более высокий крутящий момент вывел бы двигатель из синхронизации. Для системы позиционирования нежелательно иметь большие движения вала при приложении крутящего момента, поскольку это делает неправильное положение. Как вы можете подозревать, поскольку серводвигатели имеют меньшее количество полюсов «P», сервомотор будет сохранять свое положение менее точным, чем шаговый двигатель с таким же номинальным крутящим моментом. В результате серводвигатели всегда имеют внешний датчик положения (поворотный датчик или резольвер) и используют замкнутое управление для достижения отличной позиционной точности. Это делает системы сервомоторов более сложными и более дорогими. С другой стороны, шаговые двигатели специально построены с большим количеством полюсов, чтобы они могли достичь приемлемой позиционной точности даже без управления с замкнутым контуром и внешних датчиков положения. К сожалению, большое количество полюсов делает их низкоскоростными и маломощными (для равных размеров) решениями по сравнению с сервомоторами. Как правило, в тяжелых приложениях используются сервомоторы, в то время как шаговые двигатели зарезервированы для дешевых, нетребовательных (низкоскоростных, маломощных, средних) применений и, конечно же, для использования любителями. Обычно вы покупаете драйвер сервомотора, а драйверы шаговых двигателей чаще всего строятся с нуля. Хотя шаговые двигатели могут использоваться для управления положением в режиме разомкнутого контура, любитель быстро узнает, что развертывание драйверов шагового двигателя простейшей конструкции сильно ограничит скорость двигателя и может вызвать неприятные вибрации. Для более полного использования шагового двигателя необходимы более сложные драйверы шаговых двигателей. К сожалению, сомнительно, если сложный драйвер шагового двигателя имеет смысл, потому что во многих случаях вместо этого может возникнуть больше смысла покупать сервомоторную систему. Создание развитого драйвера шагового двигателя дома - это весело, но экономическая ценность таких усилий сомнительна.
Шаговый двигатель что это такое
Этот двигатель имеет: статор (заштрихованная внешняя часть), ротор (серая центральная часть) и две обмотки (красный и зеленый). Обратите внимание, что ротор на самом деле является постоянным магнитом и имеет свой южный и северный полюса. Также обратите внимание, что для создания симметричного двигателя зеленая обмотка и красные обмотки разделяются на две равные части (с ротором между ними). Обмотки, красные и зеленые, вместе с железом статора создают электромагниты. Красная обмотка создает вертикальный электромагнит, а зеленая обмотка создает горизонтальный электромагнит. Как вы можете видеть на рисунке ниже, линии магнитного потока (тонкие синие линии) от этих двух электромагнитов проходят через ротор и закрываются над статором.
линии магнитного потока (тонкие синие линии) от этих двух электромагнитов проходят через ротор и закрываются над статором.
В этом примере мы использовали некоторое напряжение постоянного тока на зеленой обмотке, в то время как мы держим зеленую обмотку не связанной. Это создает горизонтальное электромагнитное поле поперек ротора, и поскольку ротор также является постоянным магнитом, ротор будет вращаться и выравниваться с горизонтальным магнитным полем. В зависимости от того, как мы подключаем напряжение постоянного тока к обмоткам, мы можем контролировать положение ротора, как показано на следующих рисунках.

Далее в этой статье мы не будем много обсуждать число полюсов (или количество шагов на оборот), которые имеет шаговый двигатель.


Вместо этого мы будем делать математику, как если бы мы имеем дело с 2-полюсным шаговым двигателем (то есть 4-ступенчатым шаговым двигателем). В этой статье, когда мы говорим, что ротор вращается для 2 * pi радианов, это фактически означает, что ротор вращается для одного полного шага (4 шага) - сколько шагов требуется для того, чтобы ротор фактически завершил полный поворот, мы не волнует. В последующем теоретическом обсуждении результаты актуальны, даже если мы рассматриваем двухполюсный шаговый двигатель - все, о чем мы должны заботиться, - это достаточно уменьшить момент инерции ротора. (Один полный шаг цикла на 200-шаговом шаговом двигателе будет производить только 1/50-й ротор по сравнению с 4-ступенчатым шаговым двигателем. С математической точки зрения, 200-шаговый шаговый двигатель такой же, как 4-х ступенчатый шаговый двигатель с ротором, который в 50 раз меньше момента инерции - по крайней мере, в первом приближении). Еще один момент перед тем, как закончить эту главу - если вы медленно вращаете ротор несвязанного шагового двигателя рукой, вы почувствуете «вмятины». Это нормально и характерно для шаговых двигателей с постоянными магнитами. Эти вмятины ощущаются, потому что постоянный магнит ротора выравнивается с вставками статора. В некоторых случаях это желательные характеристики шагового двигателя, так как он позволяет двигателю сохранять свое положение даже при отсутствии подключения к источнику питания (при условии, что требуемый удерживающий момент очень мал). В других случаях это нежелательно, потому что, как говорят другие люди, эти вмятины создают дополнительное сопротивление при высоких скоростях вращения (это требование заслуживает некоторой математической проверки фона, но в этой статье я этого не делаю). Модель шагового двигателя В этой главе я представлю упрощенную модель шагового двигателя. Надеюсь, мы сможем лучше понять, что происходит внутри шагового двигателя, когда у нас есть модель у нас. Большинство значений, представленных в моей модели шагового двигателя (напряжения, токи, магнитные поля, положение ротора ...), представлены двумерными векторами. В действительности, например, существуют x и y токовые компоненты, но в представленной модели ток представляет собой единственный вектор, который имеет свой угол и его длину (и вы всегда можете разобрать его на компоненты x и y). В реале вы будете подавать напряжение x и y на двигатель, но в модели вы подаете вектор напряжения «u» на двигатель.

Теперь будем вращать ротор шагового двигателя вручную.

Сначала мы будем вращать его медленно, а затем быстрее и быстрее. Сразу же мы увидим, что вольтметры показывают некоторое напряжение. Чем быстрее мы вращаемся, тем больше напряжение генерируется двигателем - генерируемое напряжение прямо пропорционально скорости вращения. Это напряжение, генерируемое вращением ротора, называется обратной ЭДС (обратная генерируемая электродвижущая сила). Это напряжение обратной ЭДС является причиной того, что двигатель может использоваться как генератор. Обратная э.д.с. генерируется, потому что постоянный магнит ротора перемещается (вращается), и это создает переменный магнитный поток через обмотки двигателя. Созданное напряжение в обмотке указано как где «» - это магнитный поток через обмотку, а «N» - количество витков провода в обмотке. Здесь важно понять, что обратная э.д.с. генерируется всегда, когда ротор вращается. Он генерируется также при повороте ротора вручную, так как при вращении ротора подается напряжение. Конечно, когда мы подаем напряжение на двигатель, мы не сможем точно измерять заднюю ЭДС так же, как в приведенном выше эксперименте, потому что поданное напряжение и ток, протекающий через обмотки, будут мешать нашим измерениям, emf все еще присутствует. Для упражнений рассмотрим наш эксперимент, используя нашу модель шагового двигателя. Когда я говорю «оставьте провода несвязанными», это означает, что мы должны поместить некоторое бесконечное сопротивление в последовательный к обмоткам - в нашей модели это то же самое, что если мы увеличим «Rtot» до бесконечности. Нет тока через обмотки, никакого магнитного поля, генерируемого обмотками, и никакого вращающего момента, создаваемого магнитным полем. Кроме того, мы обеспечиваем скорость вращения непосредственно нашей рукой ... таким образом, наша модель вырождается в:
Если вы поместите некоторый крутящий момент между рукой и валом двигателя, вы сможете измерить крутящий момент, необходимый для вращения ротора при различных скоростях вращения.
Первое, что вы заметите, это то, что поворот ротора гораздо сложнее. Некоторый момент (перетаскивание) генерируется двигателем, который пытается противостоять вам, когда вы вращаете ротор. Причина в том, что напряжение обратной ЭДС теперь генерирует токи в обмотках. Бывает, что эти токи расположены таким образом, что создает противоположный крутящий момент в двигателе, так что вы чувствуете его как сопротивление. Фактически, если вы поместите амперметры (заданные в диапазон переменного тока) в схему, вы можете измерить эти токи, генерируемые обратной ЭДС. Поскольку, как мы сказали, амплитуда обратной ЭДС растет линейно с частотой вращения (частотой), мы можем ожидать, что генерируемый ток также будет возрастать с увеличением скорости вращения. Однако из-за того, что обмотки имеют как сопротивление, так и индуктивность, мы можем ожидать, что ток достигнет некоторого уровня, а затем останется постоянным, несмотря на дальнейшее увеличение скорости вращения. Вы видите, что на очень высоких частотах индуктивность обмотки ограничивает ток, а индуктивность не любит пропускать высокочастотные токи, поэтому амплитуда тока остается постоянной. Это и есть то, что происходит. Если вы поместите некоторый крутящий момент между рукой и валом двигателя, вы сможете измерить крутящий момент, необходимый для вращения ротора при различных скоростях вращения. Поэтому вы сможете измерить крутящий момент (перетаскивание), создаваемый обратной ЭДС. По мере увеличения скорости вращения крутящий момент также увеличится ... но только до некоторой точки. После этого, неожиданно, любое дальнейшее увеличение скорости уменьшает необходимый крутящий момент.
Чтобы понять, почему крутящий момент начинает уменьшаться до нуля при высоких скоростях вращения, мы будем использовать нашу модель шагового двигателя
Грубый эскиз выше показывает, как обратно-emf, ток и крутящий момент изменяются с увеличением скорости вращения ротора в нашем эксперименте. Чтобы понять, почему крутящий момент начинает уменьшаться до нуля при высоких скоростях вращения, мы будем использовать нашу модель шагового двигателя. В нашем конкретном эксперименте я сказал «провода обмотки короткого замыкания», и это на самом деле означает «соединить идеальный источник напряжения 0 В постоянного тока с обмотками» - модель, которая имитирует наш эксперимент, показана ниже (вектор входного напряжения удаляется, так как он равен 0 В постоянного тока, генерируемый крутящий момент не влияет на скорость вращения ротора, потому что скорость ротора является входным значением, поэтому мы можем разбить соединение torqe-to-speed и тем самым открыть один цикл.)

Работа шагового двигателя.

Вы можете подавать ток или напряжение на шаговый двигатель. Вы также можете выбрать, будете ли вы подавать синусоидальную волну, квадратную волну или какую-либо другую форму сигнала на шаговый двигатель. Ток питания проще с теоретической точки зрения, так как вам не нужно заботиться о обратной ЭДС, генерируемой двигателем. Вы напрямую подаете ток на обмотки двигателя, и любая обратная эмиссия, которая может исходить от двигателя, не может изменить этот ток. К сожалению, на практике подача тока не так легко реализуется, особенно если вы хотите, чтобы ваш двигатель работал на высоких скоростях. Чтобы подавать ток, вам нужно использовать некоторый источник тока, и создание источника тока не может быть тривиальной задачей (если вы создадите простой источник тока без обратной связи, он будет выделять много тепла и тратить много энергии. Или вы можете создать более сложный источник тока в режиме переключения, который использует цикл обратной связи, чтобы поддерживать ток на уровне команд, но это довольно сложно (хотя сегодня есть чипы, которые делают это без проблем), и вам может потребоваться высокое напряжение после запуска вашего двигатель в высокие обороты). Подающий ток на двигатель будет устранять неустойчивость шагового двигателя на высоких скоростях. На высоких скоростях вам понадобится высокопроизводительный источник тока для поддержания желаемого тока на этих высоких оборотах, где присутствует высокий уровень обратной ЭДС. Ток подачи, как я его определяю, означает не только то, что вы должны поддерживать амплитуду тока через обмотки двигателя на желаемом уровне. Это означает, что вам также необходимо сохранить текущую фазу с требуемым значением. В результате ваш текущий источник должен будет обеспечивать все больше и больше напряжения на обмотках двигателя, когда скорость повышается, чтобы противодействовать обратной ЭДС. Когда вы подаете ток, вы обычно выбираете постоянную амплитуду тока во всем диапазоне скоростей. Таким образом, доступный крутящий момент от двигателя будет приблизительно постоянным во всем диапазоне скоростей. Это также означает, что доступная механическая мощность будет линейно повышаться со скоростью (мощность = крутящий момент x). На практике при высоких оборотах ожидается большее количество потерь от вихревых токов и гистерезиса намагниченности. Также помните, что изоляция обмотки двигателя может выдерживать столько напряжения и при высоких оборотах ваш текущий источник будет обеспечивать его много. Но на практике создание источника напряжения проще, чем создание источника тока. Когда вы подаете напряжение на двигатель, вы должны знать, что при низких скоростях двигателя (включая случай, когда двигатель остается неподвижным) вам необходимо уменьшить напряжение, иначе ток может быстро подняться до уровня разрушения. По мере увеличения скорости вращения вы будете увеличивать напряжение -  предположим, что мы запускаем двигатель по-прежнему в относительно низком диапазоне скоростей, поддерживаем постоянный ток и тем самым поддерживаем крутящий момент. Как только вы достигнете некоторых средних оборотов, вы перестанете увеличивать амплитуду напряжения, когда будете продолжать увеличивать частоту, потому что вы достигнете максимального уровня напряжения (он либо ограничен вашими возможностями источника напряжения, либо ограничен вашими способностями к изоляции двигателя). Где-то здесь ваш мотор столкнется с неустойчивым регионом.
Применение шаговых двигателей