Устройство шагового двигателя и его управление

Типы шаговых двигателей

Конфигурация обмоток определяет деление ШД на биполярные и униполярные.

У биполярного двигателя одна обмотка на каждую фазу. Всего их в биполярном двигателе две. Выводов, соответственно, четыре. Для изменения направления силовых линий магнитного поля драйвер переполюсовывает обмотку.

Аналогично описанному устройству на каждую фазу униполярного двигателя также приходится одна обмотка. Отличием является отвод из середины обмотки. Это решение позволяет изменять направление силовых линий магнитного поля, просто переключая части обмотки. Выводы из срединной части обмоток иногда объединяются внутри корпуса мотора, поэтому выводов может насчитываться и пять, и шесть.

В ряде случаев униполярные двигатели оснащаются четырьмя раздельными обмотками. Из-за этого неопытные пользователи часто неправильно называют эти моторы 4-х фазными. От каждой обмотки идут свои выводы, и поэтому общее их количество равняется восьми. Такой ШД при соответствующей схеме соединения обмоток может стать как биполярным, так и униполярным. Нижеприведённые иллюстрации наглядно демонстрируют этот момент. На рис. а) изображена схема биполярного ШД, на рис. б) – схема униполярного, на рис. в) четырёхобмоточного.

Эксплуатационные свойства ШД

Шаговые двигатели как компоненты, используемые в автоматизации станков, обладают рядом важных эксплуатационных свойств, к которым относятся следующие.

1. Дискретность перемещений.
Это главное свойство, определяющее все остальные параметры шагового двигателя. Львиная доля шаговых двигателей выполняет 200 или 400 шагов за один оборот ротора. Однако благодаря возможности промежуточной фиксации ротора можно добиваться увеличенного количества шагов до 800 и более. В сверхточных моделях число дискретных перемещений может достигать 10 тысяч шагов за оборот.

2. Ограничения в точности установки ротора.
Погрешность установки ротора в большинстве выпускаемых сегодня ШД составляет 5% от размера шага. Таким образом, при шаге в 1.8° неточность установки будет равняться примерно 5.4´. На практике, при дроблении шага, например, 1 к 10, шаг будет равен погрешности установки, причём, увеличение количества делений не приведёт к повышению точности перемещения. Единственное, в чём это может оказаться эффективным, – в обеспечении плавности перемещения ротора.

3. Соотношение крутящего момента и скорости вращения ротора.
С большой степенью приближения можно говорить о том, что значение произведения момента и скорости вращения вала шагового двигателя является постоянным. При возрастании скорости вращения ротора величина крутящего момента уменьшается пропорционально.

Достоинства шаговых электродвигателей

В число основных достоинств, определяющих широкое применение этого типа электрических двигателей, входят следующие.

1. Зависимость угла поворота ротора от количества импульсов, поданных на обмотку двигателя.

2. Обеспечение полного момента при остановке двигателя (при подаче питания на обмотки).

3. Повторяемость. Точность шаговых двигателей составляет от 3 до 5% величины шага, причём, ошибка от шага к шагу не накапливается.

4. Быстрый старт, мгновенная остановка, минимальное время переключения на реверс.

5. Надёжность, обусловленная отсутствием щёток. В общем случае длительность срока исправной службы двигателя зависит только от надёжности подшипников.

6. Жёсткая зависимость положения ротора от входного сигнала позволяет позиционировать ротор, не прибегая к использованию обратной связи.

7. Возможность вращения полезной нагрузки, присоединенной напрямую к валу электромотора без редуктора, с предельно малой скоростью.

8. Широкий интервал скоростей.

9. Более доступная цена в сравнении с сервоприводами.

Недостатки шаговых электродвигателей

Однако при всех положительных моментах существует и ряд недостатков, присущих шаговым электрическим моторам. Их краткий перечень:

• возникновение резонансных явлений при функционировании;
• вероятность пропуска шагов, что из-за отсутствия обратной связи приводит к невозможности контроля положения ротора;
• снижение момента и потеря стабильности при высокой скорости;
• малое значение удельной мощности.

Организация управления шаговым двигателем

Наиболее простым вариантом является следующий.

В составе двигателя 4 электромагнитные катушки A, B, C и D. Если подавать на них напряжение, то они превращаются в магниты. При этом катушки А и В активны при протекании тока в прямом направлении, а C и D — в обратном. Предположим, что полезной нагрузкой для данного двигателя является зубчатое колесо, зубчики которого притягиваются к катушкам при подаче на них напряжения.

Таким образом, при последовательном включении тока в катушках колесо начнёт вращаться. Для обеспечения плавности движения в общем случае можно увеличить либо число зубчиков, либо количество катушек. Принцип управления мотором при этом останется неизменным. Изменяться будут лишь усилие и угол поворота за один цикл включения-отключения питания. В обычных условиях применяется такая конфигурация, когда располагают по четыре катушки вдоль траектории вращения, и на каждую группу катушек приходится по зубчику. Система выглядит как шестерня, окружённая катушками.

Для простоты понимания принципа управления рассмотрим упрощённую модель – 4 катушки и 1 зубчик (стрелка на колесе). Предположим, что перед включением двигателя зубчик находился возле катушки D.

1. Самое очевидное решение для запуска вращения – подать питание на катушку А. Колесо провернётся, и стрелка замрёт возле этой катушки. Отключаем А и подаём питание на В. Стрелка движется к В и встаёт рядом с этой катушкой. Отключаем В, и подключаем C. Стрелка останавливается около неё. Отключаем C, включаем D – стрелка останавливается на D. Отключаем D, включаем A, и процесс повторяется.

За каждый цикл включения-отключения питания колесо поворачивается на угол в 90°. Следовательно, на полный круг потребуется четыре цикла, что обуславливает довольно высокую угловую скорость. Если масса колеса будет высокой, то скоростной поворот вызовет возникновение значительной инерции. Инерционное ускорение может снизить точность поворота колеса, так как разогнавшееся колесо не сможет остановиться мгновенно. Всё это может привести к потере контроля вращения, а при самом неблагоприятном сценарии к отрыву колеса и разрушению системы.

Достоинством данного принципа управления является сравнительная простота реализации.

2. Не таким очевидным, но достаточно эффективным является следующее решение. Подаём питание на катушки А и D. Колесо проворачивается, и стрелка фиксируется между А и D. Отключаем D, подключаем В. Стрелка замирает между катушками А и В. Отключаем А, подключаем C. Стрелка встаёт между В и C. Отключаем В, подключаем D. Стрелка между C и D. Отключаем C, подключаем А. Стрелка фиксируется между D и А. Далее процесс повторяется. За один цикл включения-отключения те же 90°, полный круг за те же четыре цикла. Кажется, что всё то же самое? Однако отличием является увеличенный крутящий момент, поскольку «в силе» оказывается одновременно две катушки. Следовательно, пороговое значение скорости, при которой инерция становится неуправляемой, повышается, что выгодно отличает этот принцип от первого.

3. Дробление шага. Допустим, что реализована схема не только включения и отключения катушек, а и подачи на них промежуточных значений напряжения питания – 0, 25, 50, 75, 100%. При этом схема подаёт питание в такой последовательности (для пары A и C):

C100%, А 0% – C 75%, А 25% – C 50%, А 50% – C 25%, А 75% – C 0% и А 100%.

По тому же правилу напряжение питания подаётся на пары катушек А-В, В-D, D-Cи C-В.

Дробление шага позволяет снизить уровень шума и избавиться от дребезжания. Кроме того, обеспечивается плавность движения. Инерция пренебрежимо мала, и управление не теряется. Недостатком является сложность реализации.

4. Подача напряжения аналоговым способом. Концептуально принцип напоминает дробление шага на бесконечное количество положений. Напряжение, подаваемое на катушку C, плавно снижаем со 100% до 0. Для катушки А напряжение, напротив, плавно увеличиваем с 0% до 100. Точно так же поступаем с парами А-В, В-C, C-Dи D-В. Обеспечивается плавное вращение, надёжный контроль, отличный крутящий момент. Главный недостаток – отсутствие точности, присущее аналоговым схемам.

5. Этот принцип обеспечивает более высокий крутящий момент. Реализуется он следующим образом. Подключается D и А: стрелка между D и А. Выключаем D: стрелка у А. Включаем В: стрелка между А и В. Выключаем А: стрелка у В. Включаем: стрелка между C и В. Выключаем В: стрелка у C. Включаем D: стрелка между D и C. Отключаем C – стрелка находится у D. Подключаем А – стрелка перемещается в точку между D и А. Процесс повторяется. Отличается от вышеописанного способа дробления шага (п.3) более высоким крутящим моментом.

Принципы 1, 2, 3 и 5 являются типовыми и применяются очень часто. Для них разработаны даже свои обозначения. Если принять положение «рядом с катушкой» за 1, а положение «между катушками» за 2, то обозначения будут следующими.

1 – «1 phase» (полношаговый). Стрелка фиксируется лишь на фазе «1». Данный метод используется редко, поскольку при нём обеспечивается недостаточный крутящий момент.

2 – «2 phase» (полношаговый). Стрелка фиксируется лишь на фазе «2».

3 – так как число фаз зависит от частоты дробления шага, то обозначений существует несколько. Например, «4: 2W1-2 phase» (2×2=4) обозначает, что переход из положения «перед катушкой» в «перед следующей катушкой» выполняется за 4 шага. А обозначение «8: 4W1-2 phase» (4×2=8) расшифровывается так же, только количество шагов равняется 8. Иначе такой механизм называется микрошаговым.

5 – «1-2 phase» (полушаговый). Стрелка фиксируется на обеих фазах – на «1» и «2».