Шаговые двигатели устройство принцип работы

Шаговые двигатели устройство принцип работы

В современных системах управления широко используются устройства, оперирующие с цифровой формой сигнала. Цифровая форма представления сигнала привела к созданию нового типа двигателей – шаговых двигателей (ШД).

Шаговые двигатели – это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи.

Современные ШД являются по сути синхронными двигателями без пусковой обмотки на роторе, что объясняется не асинхронным а частотным пуском ШД. Роторы могут быть возбужденными (активными) и невозбужденными (пассивными).

Рассмотрим принцип действия простейшего однофазного шагового двигателя.

Двухполюсный ротор из магнитомягкой стали с клювообразными выступами помещен в четырехполюсный статор (рис.3.1). Одна пара полюсов выполнена из постоянных магнитов, на другой – находится обмотка управления.

Пока тока в обмотках управления нет, ротор ориентируется вдоль постоянных магнитов и удерживается около них с определенным усилием, которое определяется магнитным потоком полюсов Ф_пм.

При подаче постоянного напряжения на обмотку управления возникает магнитный поток Ф_у примерно вдвое больший, чем поток постоянных магнитов. Под действием электромагнитного усилия, создаваемого этим потоком, ротор поворачивается, преодолевая нагрузочный момент и момент, развиваемый постоянными магнитами, стремясь занять положение соосное с полюсами управляющей обмотки. Поворот происходит в сторону клювообразных выступов, т.к. магнитное сопротивление между статором и ротором в этом направлении меньше, чем в обратном.

Рис. 3.1. Схема простейшего однофазного ШД

Следующий управляющий импульс отключает напряжение с обмотки управления и ротор поворачивается под действием потока постоянных магнитов в сторону клювообразных выступов.

Достоинством однофазных ШД с постоянными магнитами является простота конструкции и схемы управления. Для фиксации ротора при обесточенной обмотке управления не требуется потребление энергии, угол поворота сохраняет свое значение и при перерывах в питании. Двигатели этого типа отрабатывают импульсы с частотой до 200-300 Гц. Их недостатки – низкий КПД и невозможность реверса.

§ 3.2. Реверсивные шаговые двигатели

Для осуществления реверса зубцы статора и ротора ШД должны быть симметричными (без клювообразных выступов). Рассмотрим работу двухфазного двухполюсного ШД с активным ротором в виде постоянного магнита. Будем считать, что намагничивающие силы фаз (НС) распределены по синусоидальному закону.

При включении фазы под постоянное напряжение (условно положительной полярности) вектор НС статора совпадет с осью фазы А. В результате взаимодействия НС статора с полем постоянного магнита ротора возникнет синхронизирующий момент М_с = M_maxsinq, где q — угол между осью ротора и вектором НС.

При отсутствии тормозного момента ротор займет положение, при котором его ось совпадет с осью фазы А (рис. 3.2, первый такт). Если теперь отключить фазу А и включить фазу В, вектор НС и ротор повернуться на 90 о (второй такт на рис. 3.2). При включении фазы А на напряжение обратной полярности (третий такт на рис. 3.2) НС и ротор повернутся еще на 90 о и т.д.

Если к ротору ШД приложен момент нагрузки, то при переключении фаз ротор будет отставать от вектора НС на некоторый угол q_н= arcsin(M_н/M_max).

Рис. 3.2. Устойчивые положения ротора при включении фаз

Рассмотренный способ переключения обмоток можно представить в виде табл.1

Такой же шаг двигателя, но в раз большое значение намагничивающей силы (и соответственно синхронизирующего момента) можно получить при одновременном переключении двух обмоток по алгоритму, показанному в табл.2

Шаг двигателя можно уменьшить в 2 раза, если обмотки переключать в соответствии с табл.3

В зависимости от типа электронного коммутатора управление ШД может быть:

·одноплярным или разнополярным;

·симметричным или несимметричным;

·потенциальным или импульсным.

При однополярном управлении напряжение каждой фазе изменяется от 0 до +U, а при разнополярном – от -U до +U.

Управление называется симметричным, если в каждом такте коммутации задействуется одинаковое число обмоток, и несимметричным – если разное. Способы переключения обмоток, соответствующие тал. 1 и 2 будут симметричными, а по табл.3 – несимметричным.

При потенциальном управлении напряжение на обмотках изменяется только в моменты поступления управляющих импульсов. При отсутствии управляющего сигнала обмотка или группа обмоток находятся под напряжением, а положение ротора фиксируется полем обмоток. При импульсном управлении напряжение на обмотки подается только на время отработки шаг, после чего оно снимается и ротор удерживается в заданном положении либо реактивным моментом, либо внешним фиксирующим устройством.

В двухполюсной машине число устойчивых положений в пределах одного оборота ротора n следующее (m — число фаз):

1.при однополярной коммутации и симметричном управлении n = m;

2.при разнополярной коммутации с симметричным управлением n = 2m;

3.при несимметричной разнополярной коммутации n = 4m.

Очевидно, что несимметричная коммутация возможно только при m ³ 2.

В многополюсных ШД число устойчивых положений возрастает пропорционально числу пар полюсов р.

Одним из определяющих параметров ШД является шаг ротора, т.е. угол поворота ротора, соответствующий одному управляющему импульсу (угол между двумя соседними устойчивыми состояниями)

Для рассмотренных двигателей р = 1, m = 2 (в первом двигателе одному такту соответствует действие возбужденных полюсов, а другому, при отключении обмотки, – действие полюсов с постоянными магнитами). Следовательно, при разнополярной симметричной коммутации шаг двигателейa = 90 o . При несимметричной разнополярной коммутации a = 45 o .

Если в двухфазном двигателе выполнить выводы средних точек, он фактически превращается в четырехфазный ШД (рис.3.3). В отличие от двигателей с обычной двухфазной обмоткой, питаемой разнополярными импульсами, данный двигатель можно питать однополярными импульсами, что значительно упрощает коммутатор, хотя и приводит к несколько худшему использованию материалов.

Рис.3.3. Схема обмоток и порядок коммутации 4-х фазного ШД

Магнитоэлектрические ШД удается выполнить с шагом до 15 о . Дальнейшее уменьшение шага ограничено технологическими трудностями создания ротора в виде постоянного магнита с числом пар полюсов больше шести.

Гораздо более мелкий шаг (до долей градуса) можно получить в редукторных (индукторных) ШД. Индукторные ШД выполняются с числом фаз m = 2¸4. Они имеют зубчатый ротор с равномерно расположенными z_p зубцами и гребенчатые зоны статора, смещенные относительно друг друга на угол 2p/(mz_p) (например, рис.3.4). Число пазов статора и ротора, их геометрические размеры выбираются такими, чтобы обеспечить необходимую величину шага и синхронизирующего момента при заданном виде коммутации токов.

Рис. 3.4. Геометрия магнитной системы индукторного ШД

Основной особенностью индукторных двигателей является то, что магнитное поле в зазоре содержит постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая поля возбуждается либо постоянной составляющей тока обмоток управления – у двигателей с самовозбуждением, либо специальной обмоткой возбуждения – у двигателей с независимым возбуждением, либо постоянными магнитами – у магнитоэлектрических двигателей. Переменная составляющая магнитного поля создается импульсами тока обмоток управления, поступающими от электронного коммутатора.

Все о шаговых двигателях: принцип работы, виды, достоинства и недостатки от интернет-магазина Антриб

В компании Антриб Вы всегда найдете и сможете купить шаговые двигатели для бытовых устройств и промышленных приборов. Разобраться в многообразии механизмов можно с помощью наших консультантов, которые готовы ответить на все вопросы. Основные принципы и виды ШД с плюсами и минусами освещены в нашей специальной статье.

Принцип работы ШД

Шаговый двигатель представляет собой устройство с синхронным принципом работы и несколькими обмотками. Работа самого двигателя происходит за счет последовательной активации всех обмоток ротора, что обеспечивает его движение либо остановку. Вращению и статора, и ротора способствуют магнитные потоки. Из школьной программы известно, что сила вращения ШД пропорциональна силе магнитного поля, а она, в свою очередь, соответствует числу витков в обмотке, а также показателю тока в ней. Другими словами, шаговый двигатель – это устройство, которое преобразует электроимпульсы в простое механическое движение. Сама конструкция ШД состоит лишь из выводов, вала и округлого корпуса.

Виды ШД

В каталоге компании Антриб представлены самые распространенные виды шаговых двигателей. Как в них разобраться? ШД может быть с переменным магнитным сопротивлением либо с постоянным. Кроме того, существуют гибридные двигатели.

• Шаговый двигатель переменного сопротивления имеет 3-4 обмотки. Он вращается свободно.
• Шаговый двигатель постоянного сопротивления имеет 2 обмотки. При вращении он испытывает сопротивление.
• Гибридный двигатель, по сути, является усовершенствованной моделью ШД с постоянным сопротивлением.

Сферы применения ШД

Шаговый двигатель используется во многих сферах. Их применяют в приводах устройств непрерывного движения или механизмов со стартово-стопном работой, в станках с ЧПУ. Управление в них происходит с помощью последовательности электроимпульсов. ШД часто встречаются в компьютерной памяти и устройствах для чтения оптических дисков. Они распространены и в военной промышленности. Также эти устройства нашли применение в автомобилях, различном производственном оборудовании, в бытовой технике.

Плюсы ШД

Среди самых главных достоинств шаговых двигателей можно назвать следующие параметры:

• Точность вращения — когда на обмотку попадает заряд, ротор поворачивается на нужный уровень.
• ШД могут работать в режиме быстрого старта, моментальной остановки и мгновенного перезапуска.
• Данный вид двигателей характеризуется высокоточной величиной повторяющегося шага без нарастания процента погрешности с каждым последующим оборотом.
• Возможна и работа на пониженных скоростях.
• Конструкция без щеток обеспечивает длительный срок эксплуатации и повышенную надёжность.
• Доступная цена.

Минусы ШД

У шаговых двигателей есть и недостаток – периодическое проскальзывание ШД, которое происходит при неправильной установке программного обеспечения. Для предотвращения этого, на двигатель монтируют датчики контроля за перемещением и вращательной скоростью. Он обеспечивает обратную связь и сигнализирует о возникшей проблеме, необходима перезагрузка производственного процесса. Кроме того, для избежания проскальзывания рекомендуется выбирать шаговый двигателей для ЧПУ с наибольшей мощностью.

Также в нашем магазине вы можете купить направляющие роликовой цепи. Мы уверены, что в каталоге компании Антриб Вы сможете выбрать подходящий ШД для числового программного обеспечения. Будут вопросы, звоните нашим консультантам по телефону +7 (495) 514-03-33 или воспользуйтесь возможностью заказа обратного звонка на нашем сайте.

Шаговые электродвигатели

Шаговые двигатели – это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи.
В настоящее время промышленностью выпускается множество различных типов шаговых двигателей.
Актуальность темы реферата заключается в том, что в современных системах управления широко используются устройства, с цифровой обработкой сигналов. Цифровые системы управления привели к созданию нового типа исполнительных механизмов – шаговых двигателей.
Цель работы – более полное изучение шаговых электродвигателей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть устройство и принцип работы шаговых электродвигателей, их характеритсики, типы шаговых двигателей, их применение, а также достоинства, недостатки и другие моменты.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (три главы), заключение и библиографический список, состоящий из пяти источников литературы.

1. Устройство и работа шаговых двигателей
1.1 Устройство и принцип работы
Шаговые электрические двигатели нашли довольно широкое применение в шлифовальных и фрезерных станках, транспортных средствах, бытовой технике, приборах и других механизмах и машинах.
Устройство (Рисунок 1.1) представляет собой движок постоянного тока, один оборот которого разделен на несколько одинаковых шагов (это обеспечивается благодаря контроллеру). Главное его отличие от моторов других типов – отсутствие щеточного механизма.1
Шаговый электрический двигатель оснащен сигнализаторами, передатчиками и приборной панелью.

Рисунок 1.1 — Состав шагового двигателя

1.2 Работа шагового электродвигателя
Зная принцип работы шагового двигателя, вы сможете самостоятельно установить его или произвести ремонт. Он функционирует следующим образом:
1. На клеммы подается напряжение и специальные щетки начинают непрерывно вращаться. Входные импульсы устанавливают ведущий вал в положение, которое заранее определено.
2. Под воздействием импульсов вал перемещается под фиксированным углом.
3. Электромагниты зубчатого типа возбуждаются внешней цепью управления, обычно это микроконтроллер. Один из них (тот, к которому приложена энергия) притягивает к себе зубья шестерни, вследствие чего вал движка делает поворот.
4. Будучи выровнены по отношению к ведущему электромагниту, остальные магниты смещаются по направлению к следующей магнитной детали.
5. Отключением первого электромагнита и включением следующего обеспечивается вращение шестеренки.
6. Шестеренка выравнивается по отношению к предыдущему колесу, после чего весь процесс повторяется столько раз, сколько необходимо. Данные вращения являются постоянным шагом. Чтобы определить скорость мотора, необходимо посчитать число шагов, которое нужно для полного оборота мотора. Точность работы обеспечивается благодаря микропроцессорным системам управления шаговых двигателей.
1.3 Характеритсики
Шаговый двигатель с точки зрения механики и электротехники очень сложное устройство, имеющее много механических и электрических параметров. Ниже приведена расшифровка главных технических параметров шагового электродвигателя, используемых на практике:
• Количество полных шагов за один оборот. Основной параметр двигателя, определяющий его точность, разрешающую способность, плавность движения

Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы

. На двигателях серии FL57 этот параметр составляет 200 и 400 шагов на оборот.
• Номинальное напряжение. Допустимое постоянное напряжение на обмотке двигателя в статическом режиме. Часто этот параметр не приводится. Вычисляется по закону Ома через номинальный ток и сопротивление обмотки.
• Сопротивление обмотки фазы. На постоянном токе сопротивление обмотки электродвигателя. Параметр вместе с номинальным током, показывает какое напряжение можно подавать на обмотку двигателя.
• Угол полного шага. Количество полных шагов за один оборот представляется в другом виде. Показывает на какой угол повернется вал при одном полном шаге. Может быть подсчитан как 360° / количество полных шагов за оборот. Составляет 1,8 ° и 0,9° для шаговых электродвигателей FL57.
• Индуктивность фазы. Параметр становится важным на значительных скоростях вращения. Скорость нарастания тока в обмотке находится в зависимости от индуктивности фазы. При высоких частотах переключения фаз приходится увеличивать напряжение, чтобы ток нарастал быстрее.2
• Номинальный ток. Основной электрический параметр. Наибольший допустимый ток, при котором электродвигатель может работать сколь угодно длительное время. Для номинального тока указаны механические параметры электрического двигателя.
• Крутящий момент. Основной механический параметр. Данный параметр показывает, какой способен создать электрический двигатель максимальный крутящий момент. Иногда приводится механическая характеристика в виде зависимости крутящего момента от частоты вращения.
• Стопорный момент. Данный параметр необходим при отсутствии напряжения питания электродвигателя для того, чтобы провернуть вал.
• Момент инерции ротора. Характеризует механическую инерционность ротора двигателя. Электродвигатель разгоняется быстрее, чем меньше момент инерции ротора.
• Сопротивление изоляции. Как у всех электрических приборов – сопротивление между корпусом и обмотками.
• Удерживающий момент. Это крутящий момент при остановленном двигателе. При этом у двигателя должны быть запитаны две фазы номинальным током.
• Пробивное напряжение. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой изоляции между обмотками и корпусом. Пробивное напряжение относится к разделу электрической безопасности.

2. Типы шаговых двигателей
2.1 Двигатели с переменным магнитным сопротивлением
Шаговые электрические двигатели с переменным магнитным сопротивлением включают в себя из магнитомягкого материала ротор зубчатой формы и на статоре несколько полюсов. Намагниченность ротора отсутствует. Для простоты изложения на Рисунке 2.1 ротор имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Шаговый электрический двигатель с переменным магнитным сопротивлением имеет три независимые обмотки. Каждая из указанных обмоток намотана на противоположных полюсах статора электродвигателя. Такой двигатель имеет шаг 30°.

Рисунок 2.1 — Двигатель с переменным магнитным сопротивлением

При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которых находится запитанная обмотка. Ротор двигателя поменяет свое положение, если выключить данную обмотку и включить следующую, здесь ротор замыкает магнитный поток своими зубцами.3
Двигатели с переменным магнитным сопротивлением довольно редко используют в индустриальных применениях.
2.2 Двигатели с постоянными магнитами
У шаговых двигателей этого вида ротор содержит постоянные магниты

Шаговый двигатель, виды, принцип работы, плюсы и минусы

Шаговый двигатель, принцип работы

Шаговый двигатель – это бесщёточное устройство с синхронным принципом функционирования и несколькими обмотками. Работа двигателя основывается на поэтапной активации обмоток ротора, которые обеспечивают перемещения, то есть шаги ротора или его фиксацию. Вращение статора и ротора возникает засчёт магнитных потоков. Сила вращения шагового двигателя пропорциональна силе магнитного поля, которая соответствует числу витков в обмотке и показателю тока в ней. Итак, шаговый двигатель — устройство, преобразующее электроимпульсы в механическое движение. Конструкция двигателя состоит из выводов, вала и круглого корпуса.

Виды шаговых двигателей

Шаговый двигатель купить можно, выбирая из различных видов этих устройств. На современном рынке реализуются следующие виды шаговых агрегатов:

• Гибридные двигатели
• Двигатели с переменным магнитным сопротивлением
• Двигатель с постоянным магнитным сопротивлением

Двигатель переменного сопротивления вращается свободно, имеет три или четыре обмотки. Двигатель с постоянным магнитом испытывает сопротивление вращению, имеет две обмотки. Гибридный двигатель – это усовершенствованная модель двигателя постоянного сопротивления.

Сферы применения

Шаговый двигатель купить уместно для использования во многих технических сферах. Шаговые двигатели применяют в приводах непрерывного движения или в приводах механизмов со стартово-стопным режимом. Купить шаговый двигатель уместно для станков с чпу, поскольку управление в них осуществляется последовательностью электроимпульсов. Благодаря возможности точного позиционирования шаговые двигатели применяют в работе устройств компьютерной памяти и чтения оптических дисков. Высокая надёжность и хорошие технические показатели валовых двигателей объясняют их распространённое использование в военной промышленности. Также эти устройства нашли применение в автомобилях, различном производственном оборудовании, в бытовой технике.

Плюсы и минусы использования

Прежде чем шаговый двигатель купить следует учесть преимущества и недостатки его использования. Несомненным достоинством шаговых двигателей является точность вращения, при попадании заряда на обмотку ротор поворачивается на конкретный уровень. Плюсом является возможность купить шаговый двигатель для чпу по относительно невысокой стоимости. Шаговые двигатели отлично подойдут для оборудования систем автоматизации технических процессов. Шаговые двигатели способны работать в режиме быстрого старта или остановки, а также перезапуска. Этим устройствам присуща высокоточная величина шага, высокая степень повторяемости без нарастания процента погрешности с каждым оборотом. Возможность работы на пониженных скоростях вращения. Ещё одно преимущество шаговых двигателей обусловлено отсутствием в их конструкции щёток, что продлевает срок эксплуатации и повышает надёжность.

К недостаткам относится свойство шагового двигателя проскальзывать. Эта проблема происходит при неправильной установке программного обеспечения, при вхождении вращательной скорости в резонансное состояние, при превышении уровня валовой нагрузки. Чтобы предотвратить возможность проскальзывания на двигатель монтируют датчики для обратной связи для контроля за перемещением и скоростью вращения. В то же время датчик лишь сигнализирует о появлении проблемы, для её устранения потребуется остановка производственного процесса. Для предотвращения проскальзывания рекомендуется купить шаговый двигатель для чпу с увеличенной мощностью. Это позволит избежать проблем с проскальзыванием шагового двигателя и воспользоваться всеми его преимуществами.