Шаговый двигатель

Шаговый двигатель

Шаговые электродвигатели можно встретить в устройстве автомобильных приборных панелей, принтеров, приводов CD-дисков, электрических инструментов, в общем – везде, где необходима повышенная точность позиционирования. Но наибольшую известность ШД получил в станках с ЧПУ.

Но почему этот механизм именуется именно так – «шаговый двигатель»? Если описывать его в двух словах, то он представляет собой бесщеточный синхронный мотор с несколькими проволочными обмотками. Электрический ток подается в одну из обмоток статора (неподвижного элемента) и таким образом фиксирует ротор (подвижную часть) в определенной позиции. Затем ток поступает в другую обмотку и ротор совершает новое движение. Такая последовательная смена позиции именуется «шаг». И именно благодаря этому принципу работы Шаговый Электродвигатель получил свое название.

Устройство и виды ШД

На сегодняшний день различают три основных типа шаговых двигателей:

  1. шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлениемС переменным магнитным сопротивлением. Устройство таких моторов предполагает наличие нескольких полюсов на статичном элементе. Ротор в данном виде ШД обладает зубчатой формой и создается он из не жесткого материала, к тому же при этом сам не является намагниченным. Если мы в качестве примера рассмотрим мотор с переме
    нным сопротивлением, в котором статор будет шести-полюсным, а конструкция ротора состоит из четырех зубцов, то количество независимых обмоток в таком двигателе составит 3 штуки. Каждая из них наматывается на два противоположных статорных полюса. Размер одного шага такого мотора составит 30 градусов.
  2. шаговый двигатель на постоянных магнитахШД с постоянными магнитами. Как мы можем заключить из названия, в роторе такого двигателя обязательно применяются постоянные магниты. Полюсы располагаются параллельно моторной оси и обладают прямолинейной формой. Намагниченность ротора позволяет обеспечить более мощный магнитный поток. По этой причине, крутящий момент будет на порядок выше, чем в ШД с переменным сопротивлением. Обычно величина шага двигателя с постоянными магнитами варьируется в диапазоне 7,5-15 градусов. А количество шагов на один оборот, в зависимости от модели, может составлять 24-48.
  3. Гибридныей шаговый двигательШаговые двигатели гибридного типа. При изобретении таких моторов делался упор на то, чтобы максимально эффективно сочетать в одном устройстве достоинства двух описанных выше видов ШД. Зубцы в роторе гибридного двигателя установлены в осевом направлении. Это позволяет обеспечить более высокую скорость, сократить величину шага и увеличить крутящий момент. В большинстве гибридных ШД число шагов за один оборот составляет от 100 до 400. При этом, угол одного шага – всего 0,9-3,6 градусов. Для снижения скачкообразности движения ротора используется особый режим микрошагов. Самый распространенный представитель данного вида — это биполярный шаговый двигатель nema.

Следует отметить, что микрошаг возможен только в гибридных ШД. Каждый микрошаг осуществляется посредством независимого управления обмотками. При помощи управления соотношением токов ротор может фиксироваться даже на промежуточном участке между двумя соседствующими шагами. Это повышает плавность вращения подвижного элемента и позволяет добиться оптимальной точности позиционирования. Количество шагов в этом режиме может достигать даже 51 200 за один оборот.

Устройство шагового двигателяМногие любители задаются вопросом: почему выбрана именно зубчатая форма ротора? Ответ прост: в целях получения периодической зависимости обмотки статора от углового положения ротора. Зазор между пазами делается намного большим, чем между зубцами. Это позволяет обеспечить более низкую магнитную проводимость зазоров относительно удельной проводимости зубцов. В противном случае, шаговый двигатель просто не смог бы функционировать. Очевидно, что именно совокупность всех его конструктивных особенностей, а также форм и состава элементов позволяют ШД быть полноценным механизмом, а не просто куском металла.

Кроме того, в зависимости от типа обмоток, ШД подразделяют на:

  • биполярные. Они обладают по одной обмотке для каждой фазы. Изменение направления магнитного поля в них обеспечивается посредством переплюсовки драйвером – двухполярным полумостовым или мостовым;
  • униполярные. Такой шаговый двигатель также обладает по одной обмотке в каждой из фаз, но при этом от середины любой отдельной обмотки делается отвод. Таким образом направление поля можно менять посредством переключения используемой половинки обмотки. Драйвер должен содержать лишь четыре ключа, так что он проще, чем в биполярном моторе.

Характеристики ШД

В технической документации к шаговым двигателям вы можете встретить такой перечень характеристик:

  1. Крутящий момент или момент вращения. Измеряется в килограмм-сила-сантиметрах. Часто к этому пункту прилагается график, в котором выражается зависимость вращательного момента от частоты вращения. Чем выше этот показатель, тем быстрее мотор набирает обороты при включении.
  2. Удерживающий момент. Он показывает, с какой силой статор может блокировать ротор, когда двигатель включен, но не запущен. То есть это параметр крутящего момента при нулевой скорости. По графику он снижается прямо пропорционально повышению скорости вращения. Измеряется данный показатель в унциях-на-дюйм. Удерживающий момент в мере, указанной производителем, мотор может продемонстрировать лишь в статическом режиме, при условии, что полный ток подается сразу в две фазы.
  3. Тормозящий момент. Это величина силы, удерживающей ротор от вращения в условиях отсутствия подачи тока. То есть, сила фиксации ротора при выключении. Также его именуют стопорный момент. В гибридных ШД он составляет не более десятой части от величины силы, удерживающей ротор от проворачивания при полной подаче тока. Данная характеристика измеряется в тех же единицах, что и удерживающий момент.
  4. Номинальное напряжение. Этот показатель напрямую зависит от индуктивности обмоток и позволяет определить оптимальное напряжение, которое следует подавать в двигатель. Лучшее напряжение, подходящее для вашего ШД находится в диапазоне от 4 до 25 значений от номинального. Если вы превысите силу подаваемого тока, то мотор будет перегреваться, что приведет к его поломке. А если напряжения будет недостаточно, то он просто не запустится. Эта характеристика указывается в Вольтах. Для вычисления оптимальной силы тока используется специальная формула U = 32 x√ L, где L– это индуктивность обмотки, а U – искомое значение.
  5. Отдельно указывается результат проведения диэлектрических испытаний, в ходе которых было определено максимальное напряжение, которое способна выдержать обмотка в течение определенного отрезка времени. Этим показателем определяется прочность двигателя, то, насколько успешно он может сопротивляться перегрузкам.
  6. Момент инерции подвижной части мотора. Определяет скорость разгона ШД. Данная величина измеряется в грамм-квадратных сантиметрах.
  7. Количество шагов за один оборот (учитываются только полные шаги, половинчатые значения не берутся во внимание). Чем больше шагов, тем мощнее и быстрее двигатель.
  8. Длина и масса. Имеется в виду именно длина корпуса, без учета вала. А вот в параметре «вес» указывается общая масса изделия. От габаритов и массы зависит, в каких условиях может использоваться двигатель. В одних случаях нужен компактный мотор, а в других подойдет только более крупный и мощный.

Схема шагового двигателяРассмотрим на примере шаговый двигатель nema. Двигатель PL57H41, что обозначает ширину-высоту (диаметр) по квадратному фланцу 57мм — PL57. Длина двигателя, без вала 41мм — H41. Крутящий, удерживающий и другие моменты двигателя больше зависят от диаметра, чем от длины двигателя.

Характеристики PL57H110

PL57H110 L, мм 131 Индуктивность фазы, мГн 6.0±20%
Угловой шаг, ° 1.8±5% Сопротивление фазы, Ом 1.0±10%
Число фаз 2 Момент удержания,кгхсм 28
Сопротивление изоляции, МОм 100 Момент инерции,г х см 2 405
Температура окруж. среды, °С -20~40 Масса, кг 1.7
Рабочая температура, °С 110 max Количество валов 1
Ток фазы,А 4 Тип
Радиальное биение вала двигателя (нагрузка 450г.) Размер шпоночного паза, мм

Характеристики PL86H113

PL86H113 L1 ±1, мм 113 Сопротивление фазы, Ом 1.0±10%
L2±1, мм 35 Момент удержания, кг х см 1″
L3 , мм 148 2 2700
Угловой шаг, ° 1.8±5% Количество валов 1
Число фаз 2 Масса, кг 3.5
Сопротивление изоляции, МОм 100 Радиальное биение вала двигателя (нагрузка 450г.)
Температура окруж. среды, °С -20-40
Рабочая температура, °С 110 max Индуктивность фазы, мГн 6.3±20%
Ток фазы, А 4.2

Подключение, драйверы и инкодеры

Как правило, управление шаговыми моторами осуществляется посредством специальных драйверов, подключаемых к LTP-порту компьютера. Драйвер принимает генерируемые программой сигналы и трансформируют их в команды двигателю, передаваемые посредством подачи тока на обмотки. Программное обеспечение может регулировать траекторию, величину, скорость и величину движения.

Драйвер является блоком управления шаговым двигателем. В станках ЧПУ управляющие сигналы формируются на ЧПУ контроллерах, поэтому к драйверу подключают 4 вывода шагового двигателя, управляющие провода с контроллера ЧПУ (обычно 4 провода) и питание + и — с блока питания. Сигналы с контроллера поступают в драйвер, где уже они управляют переключением ключей силовой схемы питающего напряжения, идущего с блока питания, через эти ключи на двигатель.Схема подключения драйвера

Подбирать драйвер следует по максимальному выдаваемому току нужного напряжения на выводы, для обмоток двигателя. Ток выдаваемый драйвером должен быть, либо таким же, какой будет потреблять двигатель, либо выше. На драйвере есть переключатели, с помощью которых можно выставить желаемые параметры выходного напряжения и не сжечь двигатель.

Порядок подключения шагового двигателя к общей цепи зависит от того, сколько проводов в вашем приводе и как именно вы хотите использовать ШД. Моделей существует очень много и ля каждой из них существует своя схема подключения. Количество проводов в двигателе может варьироваться в диапазоне от четырех до шести. Четырехпроводные моторы используются исключительно с биполярными механизмами.

Каждым двум обмоткам соответствует два провода. Чтобы определить необходимые пары и связь между ними, вам пригодится метр. Самыми мощными считаются шести-проводные двигатели. В них для каждой отдельной обмотки предусмотрен центр-кран и два провода. Такой ШД можно подключать и к биполярным, и к униполярным аппаратам. Вам понадобится специальный измерительный прибор, чтобы разделить провода. Для однополярных устройств используйте все шесть проводов. Для биполярных достаточно одного центрального крана и провода для одной обмотки.

Центр-кран это обыкновенный провод, который еще называют «средним» или «центральным». Он есть в некоторых видах шаговых двигателей. В униполярных двигателях для каждой обмотки предусмотрено три провода. Два из них предназначены для подключения к транзисторам. А средний, то есть центр-кран, необходимо подключать к источнику напряжения. То есть, если вам не нужно подключать транзисторы, вы можете просто проигнорировать два боковых провода.

Пяти-проводные ШД схожи с шести-проводными, однако в них центральные провода выведены в один общий кабель, вместе с остальными. Без разрывов вам не удастся разделить между собой обмотки. Лучше всего обнаружить средний провод и соединить его с другими проводниками – это будет эффективным и самым не опасным вариантом.

Часто с ШД используются и энкодеры. Они являются просто датчиками, задача которых заключается в подаче сигналов программному обеспечению. Многие специалисты считают, что в большинстве случаев сочетать шаговый двигатель с энкодерами не имеет смысла и является неэффективной тратой денег. Но если имеет место быть нелинейная зависимость движения от количества шагов, когда необходимо построить пятую координату, энкодер будет незаменим. Он поможет с большей легкостью отслеживать углы поворота стола, что сэкономит время, избавив от необходимости применять более сложные методы.

Сферы применения, плюсы и минусы

Особое распространение ШД получили в высокотехнологической и тяжелой промышленности. Благодаря тому, что они являются весьма недорогостоящими, а устроены они довольно просто, спрос на них не угасает даже в 21-м веке. Часто вы можете обнаружить их в станках ЧПУ, роботизированной технике, на устройствах автоматизации (подача, дозировка, механизмы автоматической сварки и сборки и так далее).

шаговый двигатель на станке с ЧПУОсобо популярны шаговые двигатели в конструкциях координаторных столов и станков ЧПУ. Благодаря низкой стоимости программного обеспечения, необходимого для их функционирования, ШД являются незаменимыми в производственном секторе, в панелях управления, программирования и постановки задач и в других элементах механизмов.

Шаговые двигатели часто используются периферийных элементах ЭВМ, печатных станках и приборах, фрезерных станках и чертежных автоматах, системах контроля и управления, перфораторах, считывателях лент.

С ШД по популярности конкурируют серводвигатели, которые могут выполнять аналогичные функции в тех же условиях, что и шаговые моторы.

Достоинства шаговых двигателей в сравнении с серводвигателями:

  1. Исправно функционируют при большом диапазоне нагрузок.
  2. Фиксированный угол поворота, стандартизированные размеры мотора.
  3. Невысокая стоимость.
  4. Простота установки и применения, надежность, долговечность.
  5. При слишком высоких оборотах двигатель не сгорает, а пропускает шаги.

Основные недостатки ШД по сравнению с серводвигателями:

  1. Низкий КПД. Высокое потребление энергии вне зависимости от нагрузки.
  2. Резкое снижение крутящего момента при увеличении частоты оборотов.
  3. При таких размерах и массе мощность ниже ожидаемой.
  4. В процессе работы мотор сильно нагревается.
  5. Высокий уровень шума на высокой и средней частотах.