Алгоритм работы шагового двигателя

Шаговые двигатели

Шаговым двигателем называют электромеханическое устройство, преобразующее электрические сигналы в дискретные угловые перемещения вала. Применение шаговых двигателей позволяет рабочим органам машин совершать строго дозированные перемещения с фиксацией своего положения в конце движения.

Шаговые двигатели являются приводными исполнительными механизмами, обеспечивающими фиксированные угловые перемещения (шаги). Каждое изменение угла поворота ротора — это реакция шагового двигателя на входной импульс.

Дискретный электропривод с шаговым двигателем естественным образом сочетается с цифровыми управляющими устройствами, что позволяет успешно использовать его в станках с числовым программным управлением, в промышленных роботах и манипуляторах, в часовых механизмах.

Дискретный электропривод может быть реализован также с помощью серийных асинхронных электродвигателей, которые за счет специального управления могут работать в шаговом режиме.

Шаговые двигатели применяются в электроприводах мощностью от долей ватта до нескольких киловатт. Расширение шкалы мощности дискретного электропривода может быть достигнуто при использовании серийных асинхронных электродвигателей, которые за счет соответствующего управления могут работать в шаговом режиме.

Принцип действия шаговых двигателей всех типов состоит в следующем. С помощью электронного коммутатора вырабатываются импульсы напряжения, которые подаются на обмотки управления, расположенные на статоре шагового двигателя.

В зависимости от последовательности возбуждения обмоток управления происходит то или иное дискретное изменение магнитного поля в рабочем зазоре двигателя. При угловом перемещении оси магнитного поля обмоток управления шагового двигателя его ротор дискретно поворачивается вслед за магнитным полем. Закон поворота ротора определяется последовательностью, скважностью и частотой управляющих импульсов, а также типом и конструктивными параметрами шагового двигателя.

Принцип действия шагового двигателя (получение дискретного перемещения ротора) рассмотрим на примере простейшей схемы двухфазного шагового двигателя (рис. 1).

Рис. 1. Упрощенная схема шагового двигателя с активным ротором

Шаговый двигатель имеет на статоре две пары явно выраженных полюсов, на которых Находятся обмотки возбуждения (управления): обмотка 3 с выводами 1Н — 1К и обмотка 2 с выводами 2Н — 2К. Каждая обмотка состоит из двух частей, находящихся на противоположных полюсах статора 1 ШД.

Ротор в рассматриваемой схеме представляет собой двухполюсный постоянный магнит. Обмотки питаются импульсами от устройства управления, которое преобразует одноканальную последовательность входных импульсов управления f упр, в многоканальную (по числу фаз шагового двигателя).

Рассмотрим работу шагового двигателя, предположив, что в начальный момент напряжение подано на обмотку 3. Ток в этой обмотке вызовет намагничивание вертикально расположенных полюсов N и 8. В результате взаимодействия магнитного поля с постоянным магнитом ротора последний займет равновесное положение, в котором оси магнитных полей статора и ротора совпадают.

Положение будет устойчивым, поскольку на ротор действует синхронизирующий момент, стремящийся возвратить ротор в положение равновесия: М = М m ах х sin α ,

где М m ах — максимальный момент, α — угол между осями магнитных полей статора и ротора.

При переключении блоком управления напряжения с обмотки 3 на обмотку 2 образуется магнитное поле с горизонтальными полюсами, т.е. магнитное поле статора совершает дискретный поворот на четверть окружности статора. При этом между осями статора и ротора появится угол рассогласования α = 90° и на ротор будет действовать максимальный вращающий момент Мшах. Ротор повернется на угол α = 90° и займет новое устойчивое положение. Таким образом, вслед за шаговым перемещением поля статора совершает шаговое перемещение ротор двигателя.

Основной режим работы шагового двигателя — динамический. Шаговые двигатели в отличие от синхронных рассчитаны на вхождение в синхронизм из состояния покоя и принудительное электрическое торможение. Благодаря этому в шаговом электроприводе обеспечивается пуск, торможение, реверс и переход с одной частоты управляющих импульсов на другую.

Пуск шагового двигателя осуществляется скачкообразным или постепенным увеличением частоты входного сигнала от нуля до рабочей, торможение — снижением ее до нуля, а реверс — изменением последовательности коммутации обмоток шагового двигателя.

Шаговые двигатели характеризуются следующими параметрами: число фаз (обмоток управления) и схема их соединения, тип шагового двигателя (с активным или пассивным ротором), одиночный шаг ротора (угол поворота ротора при единичном импульсе), номинальное напряжение питания, максимальный статический хронизирующий момент, номинальный вращающий момент, момент инерции ротора, частота приемистости.

Шаговые двигатели бывают однофазными, двухфазными и многофазными с активным или пассивным ротором. Управление шаговым двигателем обеспечивается электронным блоком управления. Пример схемы управления шаговым двигателем приведен на рисунке 2.

Рис. 2. Функциональная схема разомкнутого электропривода с шаговым двигателем

Сигнал управления f упр в виде импульсов напряжения поступает на вход блока 1, преобразующего последовательность импульсов, например в четырехфазную систему однополярных импульсов (в соответствии с числом фаз шагового двигателя).

Блок 2 формирует эти импульсы по длительности и амплитуде, необходимым для нормальной работы коммутатора 3, к выходам которого подключены обмотки шагового двигателя 4. Коммутатор и остальные блоки питаются от источника постоянного тока 5.

При повышенных требованиях к качеству дискретного привода применяют замкнутую схему шагового электропривода (рис. 3), которая кроме шагового двигателя включает преобразователь П, коммутатор К и датчик шага ДШ. В таком дискретном приводе информация о действительном положении вала рабочего механизма РМ и скорости шагового двигателя поступает на вход автоматического регулятора, который обеспечивает заданный характер движения привода.

Читать еще:  Что означает двигатели гбц

Рис. 3. Функциональная схема замкнутого дискретного привода

В современных системах дискретного привода применяются микропроцессорные средства управления. Область применения приводов с шаговыми двигателями постоянно расширяется. Их использование перспективно в сварочных автоматах, приборах времени, лентопротяжных и регистрирующих механизмах, системах управления топливоподачей двигателей внутреннего сгорания.

Преимущества шаговых двигателей:

высокая точность, даже в разомкнутой структуре управления, т. е. без датчика угла поворота;

естественная интеграция с приложениями цифрового управления;

отсутствие механических коммутаторов, которые часто создают проблемы в двигателях других типов.

Недостатки шаговых двигателей:

малый вращающий момент но сравнению с двигателями приводов непрерывного типа;

высокий уровень вибрации из-за скачкообразного движения;

большие ошибки и колебания при потере импульсов в системах с разомкнутым контуром управления.

Преимущества шаговых двигателей намного превосходят их недостатки, поэтому они часто применяются в тех случаях, когда достаточно небольшой мощности приводных устройств.

В статье использованы материалы книги Дайнеко В.А., Ковалинский А.И. Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Устройство, принцип работы и применение шаговых электродвигателей

Подписка на рассылку

  • ВКонтакте
  • Facebook
  • ok
  • Twitter
  • YouTube
  • Instagram
  • Яндекс.Дзен
  • TikTok

Шаговый тип электродвигателей представляет собой синхронное бесщеточное устройство с парой обмоток, через которые, собственно, и подается ток. Принцип действия электродвигателя подобного типа заключается в том, что ток, передаваемый на одну из обмоток статора, провоцирует фиксацию ротора. Как следствие, попеременная активация обмоток устройства вызывает шаги ротора, иначе говоря, его дискретные угловые перемещения.

Устройство шагового электродвигателя состоит из основы: статора, на котором размещены обмотки, и ротора. Для создания ротора в большинстве случаев используются твердые или мягкие магнитные материалы. При производстве ротора выгоднее использовать магнитный материал, потому как именно шаговый электродвигатель, принцип работы которого основан на магнитном роторе, способен обеспечить больший крутящий момент. К тому же устройство из магнитного материала позволяет добиваться наилучшей фиксации ротора даже при обесточенных обмотках.

Особого внимания заслуживает гибридный вариант шаговых двигателей, который вобрал в себя все лучшие качества электродвигателей с постоянным и переменным магнитным сопротивлением. Ниже мы рассмотрим устройство, принцип работы и применение шаговых электродвигателей-гибридов.

Принцип действия электродвигателя-гибрида основан на использовании основных полюсов, на которых закреплены обмотки. Кстати, благодаря тому что роторные зубцы у смешанной модели расположены в осевом направлении, они способны обеспечивать не только большее количество эквивалентных полюсов, но и оказывают заметно меньшее сопротивление магнитной цепи, что, в свою очередь, улучшает динамический и статический момент. К тому же ротор гибридного электродвигателя имеет постоянный магнит, расположенный между двумя его частями. Таким образом, зубцы верхней роторной части исполняют роль северных полюсов, а зубцы нижней части, соответственно, южных. Количество роторных полюсных пар всегда соответствует количеству зубцов на одной из его частей. Кроме того, зубчатые полюсные наконечники ротора, также как и статора, набираются только из отдельных пластин. Подобное устройство шагового электродвигателя помогает снизить потери, возникающие из-за вихревых токов.

Шаговый электродвигатель, принцип работы которого основан на гибридном использовании постоянного и переменного тока, широко применяется в машиностроении.

Точность определения шага зависит от качества механической обработки ротора и статора электродвигателя. Большинство производителей современных шаговых двигателей готовы гарантировать точность выставления шага до 5 процентов от величины шага.

Однако в приводах большинства механизмов, работающих в старт-стопном режиме, чаще применяется другой тип — шаговый электродвигатель, управление которого связано с интегрированным контроллером. Они способны создавать высокий крутящий момент даже при весьма низких скоростях вращения. Этот тип широко используется в устройствах компьютерной памяти (НГМД, НЖМД и прочие).

Основным преимуществом всех современных шаговых электродвигателей является их точность. Более того, подобные устройства располагают к себе отличным соотношением цены и качества. В частности, шаговые приводы практически в два раза дешевле аналогичных сервоприводов. Шаговые электродвигатели также прекрасно справляются с автоматизацией отдельных систем и узлов, которые не нуждаются в высокой динамике.

Тем не менее у данного типа двигателей имеются и определенные недостатки. В частности, в шаговом двигателе существует довольно высокая вероятность так называемого проскальзывания ротора. Обычно этот недостаток проявляется при чрезмерной нагрузке на вал или при неверной настройке управляющей программы. Поскольку электрически это никоим образом не может быть зафиксировано, то во избежание ошибок при ответственных применениях обычно устанавливают специальные датчики для обратной связи, задачей которых является тщательный контроль над перемещениями и вращениями. К сожалению, подобные датчики имеют достаточно высокую стоимость.

Драйвер шагового двигателя — устройство, виды и возможности

Шаговые двигатели применяются сегодня во многих промышленных сферах. Двигатели данного типа отличаются тем, что позволяют добиться высокой точности позиционирования рабочего органа, по сравнению с другими типами двигателей. Очевидно, что для работы шагового двигателя требуется точное автоматическое управление. Именно этой для этой цели и служат контроллеры шаговых двигателей , обеспечивающие бесперебойную и точную работу электроприводов различного назначения.

Читать еще:  Автобусы паз технические характеристики двигателей

Грубо принцип работы шагового двигателя можно описать так. Каждый полный оборот ротора шагового двигателя состоит из нескольких шагов. Подавляющее большинство шаговых двигателей рассчитаны на шаг в 1,8 градуса, и на полный оборот приходится 200 шагов. Привод меняет положение на шаг при подаче на определенную обмотку статора напряжения питания. Направление вращения зависит от направления тока в обмотке.

Следующий шаг — выключается первая обмотка, питание подается на вторую и так далее, в итоге после отработки каждой обмотки ротор совершит полный оборот. Но это грубое описание, на деле алгоритмы несколько сложнее, и об этом будет рассказано далее.

Алгоритмы управления шаговым двигателем

Управление шаговым двигателем может быть реализовано по одному из четырех основных алгоритмов: попеременное включение фаз, управление с перекрытием фаз, полушаговое управление или микрошаговое управление.

В первом случае в каждый момент времени питание получает только одна из фаз, и точки равновесия ротора двигателя на каждом шагу совпадают с ключевыми точками равновесия — полюса отчетливо выражены.

Управление с перекрытием фаз позволяет ротору получить шаги к позициям между полюсными выступами статора, что увеличивает вращающий момент на 40% по сравнению с управлением без перекрытия фаз. Угол шага сохраняется, однако положение фиксации смещено — оно находится между полюсными выступами статора. Эти первые два алгоритма применяются в электротехническом оборудовании, где очень высокая точность не требуется.

Полушаговое управление — комбинация первых двух алгоритмов: через шаг питание получают то одна фаза (обмотка), то две. Размер шага уменьшается вдвое, точность позиционирования получается более высокой, снижается вероятность наступления механического резонанса в двигателе.

Наконец, микрошаговый режим. Здесь ток в фазах меняется по величине так, чтобы положение фиксации ротора на шаг приходилось бы на точку между полюсами, причем, в зависимости от соотношения величин токов в одновременно включенных фазах, таких шагов можно получить несколько. Регулируя соотношение токов, настраивая количество рабочих соотношений, получают микрошаги — наиболее точное позиционирование ротора.

Драйвер шагового двигателя

Чтобы выбранный алгоритм реализовать практически, применяют драйвер шагового двигателя . Драйвер содержит в себе силовую часть и контроллер.

Силовая часть драйвера — это полупроводниковый усилитель мощности, задача которого преобразовать подаваемые на фазы импульсы тока в перемещения ротора: один импульс — один точный шаг или микрошаг.

Направление и величина тока — направление и величина шага. То есть задача силовой части — подать ток определенной величины и направления в соответствующую обмотку статора, удержать этот ток в течение некоторого времени, а также осуществлять быстрое включение и выключение токов, чтобы скоростные и мощностные характеристики привода соответствовали бы поставленной задаче.

Чем более совершенна силовая часть драйвера, тем больший момент можно получить на валу. Вообще, тренд прогресса в совершенствовании шаговых двигателей и их драйверов — получить от двигателей малых габаритов значительный рабочий момент, высокую точность, и сохранить при этом высокий КПД.

Контроллер шагового двигателя

Контроллер шагового двигателя — интеллектуальная часть системы, которая обычно изготовлена на базе микроконтроллера с возможностью перепрограммирования. Именно контроллер отвечает за то, в какой момент, на какую обмотку, на какое время, и какой величины ток будет подан. Контроллер управляет работой силовой части драйвера.

Продвинутые контроллеры подключаются к ПК, и могут регулироваться в режиме реального времени при помощи ПК. Возможность многократного перепрограммирования микроконтроллера избавляет пользователя от необходимости каждый раз при корректировке задачи приобретать новый контроллер — достаточно перенастроить уже имеющийся, в этом гибкость, контроллер можно легко переориентировать программно на выполнение новых функций.

На рынке сегодня представлены широкие модельные ряды контроллеров шаговых двигателей от различных производителей, отличающиеся возможностями расширения функций. Программируемые контроллеры предполагают запись программы, а некоторые включают в себя программируемые логические блоки, при помощи которых возможна гибкая настройка алгоритма управления шаговым двигателем под тот или иной технологический процесс.

Управление шаговым двигателем при помощи контроллера позволяет достичь высокой точности вплоть до 20000 микрошагов на оборот. Причем управление может осуществляться как напрямую с компьютера, так и за счет прошитой в устройство программы или по программе с карты памяти. Если параметры в ходе выполнения задачи меняются, то компьютер может опрашивать датчики, отслеживать меняющиеся параметры и оперативно изменять режим работы шагового двигателя.

Есть в продаже блоки управления шаговым двигателем, к которым подключаются: источник тока, кнопки управления, источник тактового сигнала, потенциометр для настройки шага и т. д. Такие блоки позволяют быстро интегрировать шаговый двигатель в оборудование для выполнения повторяющихся цикличных задач с ручным или автоматическим управлением. Возможность синхронизации с внешними устройствами и поддержка автоматического включения, выключения и управления — несомненное достоинство блока управления шаговым двигателем.

Читать еще:  Freelander 2 какое масло в двигатель дизель

Блок может управляться с компьютера напрямую, если, например, требуется воспроизвести программу для станка с ЧПУ, или в ручном режиме без дополнительного внешнего управления, то есть автономно, когда направление вращения вала шагового двигателя устанавливается датчиком реверса, а скорость регулируется потенциометром. Блок управления подбирается по параметрам к шаговому двигателю, который предполагается использовать.

В зависимости от характера поставленной цели выбирают способ управления шаговым двигателем. Если необходимо настроить простое управление маломощным электроприводом, когда в каждый момент времени один импульс подается на одну катушку статора: на полный оборот нужно, скажем, 48 шагов, и ротор будет перемещаться на 7,5 градусов при каждом шаге. Режим одиночных импульсов в этом случае подойдет.

Для достижения более высокого вращающего момента применяют двойной импульс — в две соседние катушки подается одновременно по импульсу. И если для полного оборота нужно 48 шагов, то опять же нужно 48 таких двойных импульсов, каждый приведет к шагу в 7,5 градусов но с на 40% большим моментом нежели в режиме одиночных импульсов. Скомбинировав оба способа можно получить 96 импульсов разделив шаги — получится 3,75 градуса на шаг — это комбинированный режим управления (полушаговый).

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Ранее на эту тему: Электропривод

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Устройство шагового двигателя

Шаговый электродвигатель относится к виду электрических машин постоянного тока. Принцип действия шагового электродвигателя основан на способе преобразования импульсной электрической энергии в механическое дискретное перемещение.

Шаговые электродвигатели классифицируются как бесколлекторные двигатели с высокой степенью надежности и большим сроком службы. Особенности этого типа электродвигателей делают их пригодными к эксплуатации даже в самых сложных производственных условиях.

Отличительной особенностью шаговых двигателей является большое значение крутящего момента на низких скоростях, в то время как в коллекторных двигателях значение крутящего момента возрастает только при увеличении скорости.

Конструкция шагового электродвигателя предполагает наличие более сложной схемы управления, обеспечивающей коммутацию обмоток, в сравнении с другими электродвигателями постоянного тока.

Шаговые электродвигатели подразделяются на три вида: с постоянными магнитами; с переменным магнитным сопротивлением; гибридные.

Двигатели с постоянными магнитами

Электродвигатели с постоянными магнитами включают в себя статор с обмотками и ротор, в конструкцию которого входят постоянные магниты.

Статор в таком электродвигателе имеет два противоположных полюса, на каждом из которых имеется независимая обмотка. При подаче электропитания в одну из обмоток ротор перемещается в положение, при котором его полюса располагаются напротив разноименных полюсов статора. Непрерывное вращение ротора достигается попеременным включением фаз.

Шаговые электродвигатели с постоянными магнитами, в силу конструктивных особенностей, подвержены влиянию обратной ЭДС, которая наводится в роторе и ограничивает скорость его вращения.

Высокая скорость вращения ротора возможна в электродвигателях, с переменным магнитным сопротивлением.

Двигатели с переменным магнитным сопротивлением

Статор шагового электродвигателя с переменным магнитным сопротивлением содержит несколько пар полюсов. Полюса каждой пары расположены напротив друг друга и имеют независимые одноименные обмотки. Ротор оборудован зубцами, сделанными из мягкого магнитного материала.

При подаче электропитания в одну из пар обмоток ротор перемещается в положение, при котором его зубцы располагаются напротив запитанных обмоток статора. При подаче электропитания на другую пару обмоток ротор перемещается в положение, при котором его зубцы располагаются напротив запитанной пары, и вновь замыкают магнитный поток. Непрерывное вращение ротора достигается попеременным включением фаз.

Гибридные шаговые двигатели

Гибридные шаговые электродвигатели имеют конструкцию, сочетающую в себе преимущества двух предыдущих типов электродвигателей. Гибридные электродвигатели являются более скоростными и обеспечивают шаг малой величины. Однако стоимость этих электродвигателей выше.

Ротор гибридного электродвигателя состоит из двух частей зубчатой формы, разделенных между собой цилиндрическим постоянным магнитом. Зубцы каждой составной части ротора являются одноименными полюсами: северными или южными. Угол поворота составных частей ротора относительно друг друга равен половине шагового угла зубцов.

Все зубчатые полюса ротора выполнены в виде пакетов пластин. Такая конструкция способствует снижению потерь, связанных с вихревыми токами.

Конструкция статора также содержит зубчатые полюсные наконечники для обеспечения нужного количества полюсов, эквивалентных роторным, при этом обмотками оборудованы только основные полюса.

Биполярные и униполярные шаговые двигатели

В зависимости от конфигурации обмоток шаговые электродвигатели могут быть биполярными и униполярными.

Биполярным называется электродвигатель, у которого каждая фаза оборудована только одной обмоткой, а переключение обмоток изменяет направление магнитного поля.

Униполярным называется электродвигатель, у которого каждая фаза также оборудована только одной обмоткой, но выводы сделаны от середины каждой обмотки. Переключение половинок обмотки изменяет направление магнитного поля.

Шаговыми электродвигатели оборудуются многие устройства: офисная техника (принтеры, факсы, сканеры и т.д), специальное промышленное оборудование, различные периферийные технические устройства.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector