Как работает шаговый двигатель

Шаговые двигатели (подробный разбор 4 типов)

Шаговый двигатель — это бесколлекторный двигатель, ротор которого вращается не плавно, а шагами (дискретно). Полный оборот ротора состоит из нескольких шагов. Меняя форму сигнала, количество импульсов, их длительность и фазовый сдвиг, можно задавать скорость вращения, направление вращения и количество оборотов ротора двигателя.

Шаговые двигатели состоят из ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть). На статоре устанавливают электромагниты, а части ротора взаимодействующие с электромагнитами выполняются из магнитотвердого (двигатель с постоянными магнитами) или магнитомягкого (реактивный двигатель) материала.

Виды шаговых двигателей по типу ротора:

По типу ротора, шаговые двигатели делятся на: двигатели с постоянными магнитами, реактивные двигатели и гибридные двигатели.

• Двигатель с постоянными магнитами (ротор из магнитотвердого материала). На роторе установлен один, или несколько, постоянных магнитов. Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества постоянных магнитов на роторе, и количества электромагнитов на статоре. Обычно в одном обороте от 4 до 48 шагов (один шаг от 7,5° до 90° ).
• Реактивный двигатель (ротор из магнитомягкого материала). Еще такие двигатели называют двигателями с переменным магнитным сопротивлением. Ротор не имеет постоянных магнитов, он выполнен из магнитомягкого материала в виде многоконечной звезды. Данные двигатели встречаются редко, так как у них наименьший крутящий момент, по сравнению с остальными, при тех же размерах. Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества зубцов на звезде ротора, и количества электромагнитов на статоре. Обычно в одном обороте от 24 до 72 шагов (один шаг от 5° до 15°.)
• Гибридный двигатель (совмещает технологии двух предыдущих двигателей). Ротор выполнен из магнитотвердого материала (как у двигателя с постоянными магнитами), но имеет форму многоконечной звезды (как у реактивного двигателя). Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества постоянных магнитов на звезде ротора, и количества электромагнитов на статоре. Количество шагов в одном обороте таких двигателей может доходить до 400 (один шаг от 0,9°).

Какой тип шагового двигателя у меня?

Если вручную покрутить ротор отключённого двигателя, то можно заметить, что он движется не плавно, а шагами. После того, как Вы покрутили ротор, замкните все провода двигателя и покрутите ротор повторно. Если ротор крутится также, значит у Вас реактивный двигатель. Если для вращения ротора требуется прикладывать больше усилий, значит у вас двигатель с постоянными магнитами или гибридный. Отличить двигатель с постоянными магнитами от гибридного можно подсчитав количество шагов в одном обороте. Для этого не обязательно считать все шаги, достаточно примерно понять, их меньше 50 или больше. Если меньше, значит у Вас двигатель с постоянными магнитами, а если больше, значит у Вас гибридный двигатель.

Виды шаговых двигателей по типу соединения электромагнитов статора:

По типу соединения электромагнитов, шаговые двигатели делятся на: униполярные и биполярные.

На рисунке представлено упрощённое, схематическое, представление обмоток.
На самом деле, каждая обмотка состоит из нескольких обмоток электромагнитов, соединённых последовательно или параллельно

• Биполярный двигатель имеет 4 вывода. Выводы A и A питают обмотку AA, выводы B и B питают обмотку BB. Для включения электромагнита, на выводы обмотки необходимо подать разность потенциалов (два разных уровня), поэтому двигатель называется биполярным. Направление магнитного поля зависит от полярности потенциалов на выводах.
• Униполярный двигатель имеет 5 выводов. Центральные точки его обмоток соединены между собой и являются общим (пятым) выводом, который, обычно, подключают к GND. Для включения электромагнита, достаточно подать положительный потенциал на один из выводов обмотки, поэтому двигатель называется униполярным. Направление магнитного поля зависит от того, на какой именно вывод обмотки подан положительный потенциал.
• 6-выводной двигатель имеет ответвление от центральных точек обмоток, но обмотка AA не соединена с обмоткой BB. Если не использовать выводы центральных точек обмоток, то двигатель будет биполярным, а если эти выводы соединить и подключить к GND, то двигатель будет униполярным.
• 8-выводной двигатель является наиболее гибким в плане подключения электромагнитов. Данный двигатель можно не только использовать как биполярный или униполярный, но и самим определять, как соединить электромагниты обмоток, последовательно или параллельно.

Какой тип шагового двигателя у меня?

Если у Вашего двигателя 4 вывода, значит он биполярный. Если у Вашего двигателя 5 выводов, значит он униполярный. Но если у Вашего двигателя 6 и более выводов, то это не значит что некоторые из них являются центральными выводами катушек электромагнитов. Дело в том, что есть двигатели, некоторые выводы которых (обычно крайние), электрически замкнуты, так биполярный двигатель может иметь 6 выводов. Точно определить тип соединений, для двигателей с 6 и более выводами, можно только измеряя сопротивление между выводами.

Режимы работы шаговых двигателей:

Для работы шагового двигателя (вне зависимости от его вида) можно выбрать один из трех режимов работы:
• Полношаговый режим — ротор поворачивается на 1 шаг за 1 такт.
• Полушаговый режим — ротор поворачивается на ½ шага за 1 такт.
• Микрошаговый режим — ротор поворачивается на ¼, ⅛ и т.д. шагов за 1 такт.

Ниже рассмотрены режимы работы, на примере биполярного двигателя с постоянным магнитом и полным шагом 90°.

Полношаговый режим (одна фаза на полный шаг). Номинальные значения шагового двигателя указываются именно для этого режима.

Полношаговый режим (две фазы на полный шаг). Этот режим позволяет увеличить крутящий момент почти в половину от номинального.

Полушаговый режим. Этот режим позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в два раза, при незначительном уменьшении крутящего момента.

Микрошаговый режим. Этот режим является наиболее распространённым, он позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в четыре раза, благодаря неравномерному распределению токов в обмотках. Снижение токов можно достичь снижением напряжения (как показано на картинке) или подавать полное напряжение через подключаемую внешнюю нагрузку.

Если подавать уровни не «0» — «½» — «1» (как на картинке), а «0» — «¼» — «½» — «¾» — «1», то количество шагов в полном обороте увеличится не в 4 раза, а в 8 раз. Можно увеличить количество шагов в 16, 32, 64 раза и т.д., а если заменить дискретные уровни сигналов на синусоиды, то мотор будет вращаться плавно (без шагов).

Режимы пониженного энергопотребления — доступны только для 8-выводных двигателей. Эти режимы отличаются от обычных тем, что используют только половину фазы (половину электромагнитов). Данные режимы используются редко, так как они значительно снижают крутящий момент двигателя.

Пример работы шаговых двигателей с разными видами роторов:

Подключение шаговых двигателей к Arduino:

Электромоторы нельзя подключать к выводам Arduino напрямую, так как они потребляют значительные токи, шаговые двигатели не являются исключением, поэтому их подключают через драйверы.

Большинство драйверов работают либо с биполярными двигателями, либо с униполярными.

Как работает шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это бесщеточный двигатель постоянного тока, который преобразует электрические импульсы в механическое движение. Каждый импульс — это поворот Ротора (подвижной части двигателя) на небольшой угол (шаг). Например, если шаговый двигатель имеет 200 шагов на оборот, то после подачи 50 импульсов он сделает четверть оборота. Частота и последовательность влияют на направление вращения и его скорость.

Вступление

Шаговые двигатели часто используются в устройствах, требующих высокой точности. Вы можете найти их в фрезерных станках с ЧПУ, 3D принтерах, роботах на заводах, сканерах или приводах CD/DVD. Шаговики — действительно хорошие и удобные устройства, которые обязательно найдут место во многих ваших проектах.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это бесщеточный двигатель постоянного тока. Как уже упоминалось выше, он приводится в действие электрическими импульсами, которые преобразуются во вращательное движение. Вращение не такое плавное, как у классических двигателей постоянного тока. Полный поворот на 360 градусов состоит из определенного (в зависимости от конструкции) количества шагов. Это позволяет валу вращаться точно без какой-либо обратной связи. Так что специальная плата управления ему не нужна.

В мире хобби наиболее популярны шаговые двигатели с 200 шагами на 360°. Это означает, что вал (ротор) будет поворачиваться на 1,8° каждый раз, когда мы даем импульс (360° / 200 = 1,8°).
Направление вращения и его скорость зависят от последовательности и частоты импульсов.

Как устроен шаговый двигатель?

Шаговый двигатель, как классический двигатель постоянного тока, состоит из Ротора и Статора . Статор — неподвижная часть, а ротор, установленный на двух подшипниках, вращается с помощью магнитного поля. Статор — изготовленный из стали или другого металла, выступает в виде рамы для поддержки электромагнитов, которые представляют собой катушки, установленные в определенных местах вокруг ротора. Когда через катушки протекает ток, вокруг них создается магнитное поле. Отдельные магнитные поля имеют направление и интенсивность в зависимости от силы и направления тока, протекающего через данную катушку.

Типы шаговых двигателей

Шаговые двигатели можно разделить по типу конструкции статора и ротора, которая влияет на то, как импульсы преобразуются в движение и по типу способа подключения катушек.

По конструкции:

• Шаговый двигатель с переменным сопротивлением
• Шаговый двигатель с постоянным магнитом
• Гибридный шаговый двигатель

По способу подключения обмоток:

• Униполярный шаговый
• Биполярный шаговый

Как работает шаговый двигатель?

Каждый тип работает по-своему, поэтому описать работу таких двигателей стоит отдельно.

Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением

Двигатели этого типа не имеют хороших параметров и были вытеснены из промышленности шаговыми двигателями других типов, но опишем его для понимания общего принципа работы.

Полный шаг

Сопротивление в шаговом двигателе понимается как магнитное сопротивление. Если мы поместим проводник в магнитное поле электромагнита, он будет притягиваться. Чем ближе он подойдет, тем меньше будет сопротивление.
На рисунке показан пример шагового двигателя с переменным сопротивлением с четырьмя катушками. Они намотаны попарно и на противоположных сторонах статора. Это дает нам восемь полюсов. Ротор сделан из проводника, а количество выступов (плечей) зависит от количества катушек.
Когда соответствующая пара катушек запитана, самые близкие плечи ротора притягиваются к ним больше всего. Таким образом, будет сделан один шаг. В этом случае расчет угла поворота для одного шага будет следующим:

6 плеч ротора × 4 катушки статора = 24 шага

полный оборот 360° / 24 шага = 15° — за шаг для данного шагового двигателя

Половина шага

Чтобы удвоить количество шагов, мы будем использовать Половину шага вместо Полного шага.
Для этого нужно изменить последовательность включения катушек. В предыдущем случае использовалась только одна пара катушек за раз. На этот раз мы используется две соседние дополнительные пары, чтобы сделать промежуточный шаг. Теперь у нас есть 8 комбинаций (а не 4) катушек с питанием. Это означает, что мы удвоили разрешение до 48 шагов и 7.5° для одного шага.

6 плеч ротора × 8 катушек статора = 48 шагов

полный оборот 360° / 48 шагов = 7.5° — за шаг для данного шагового двигателя

Микро шаг

Возможно еще больше увеличить разрешение. Для этого нам нужно иметь возможность регулировать ток таким образом, чтобы протекающий через катушки был вдвое меньше. Благодаря этому мы удваиваем количество возможных состояний по сравнению с методом Половины шага. Теперь мы имеем 96 шагов и 3,25° на один шаг.

6 плеч ротора × 8 катушки статора × 2 состояния силы тока = 96 шагов

полный оборот 360° / 96 шагов = 3.25° — за шаг для данного шагового двигателя

Таким образом, мы можем все больше и больше увеличивать разрешение. К сожалению, помимо очевидных преимуществ такого метода, у него есть и большие недостатки. Чем больше количество микрошагов, тем чаще переключаются катушки и, следовательно, меньше крутящий момент.
Упомянутые методы управления (Полный, Половина и Микро), применяются для шагового двигателя с переменным сопротивлением. Однако они могут также применяться для любого последующего типа двигателей.

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Шаговый двигатель с постоянным магнитом работает за счет взаимодействия полюсов магнитов. Разные полюса ( S — юг — N — север ) притягиваются друг к другу, а одинаковые ( S — S и N — N ) отталкиваются. В результате шаговые двигатели этого типа имеют гораздо больший крутящий момент. В отличие от шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением, двигатель с постоянным магнитом не имеет плеч на роторе. Он построен как бы из нескольких магнитов, попеременно и радиально намагниченных. Разрешение двигателя зависит от количества таких магнитов. Однако чем больше этих магнитов, тем они меньше по размеру и поэтому они меньше взаимодействуют с электромагнитами в статоре. В результате двигатель имеет меньший крутящий момент.
В следующем простом примере показан ротор с шестью магнитными полюсами. С двумя полюсами электромагнитов это дает 12 полных шагов на оборот. Чаще всего встречаются двигатели имеющие 24 или даже 48 шагов.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридные шаговые двигатели в настоящее время являются наиболее популярным типом, особенно в промышленности. Они сочетают в себе преимущества двигателей с постоянным магнитом и двигателей с переменным сопротивлением. Благодаря этому у них лучшие параметры, такие как крутящий момент и разрешение. Разрешение типичного гибридного шагового двигателя составляет от 0.9° до 3.6°, что дает от 100 до 400 полных шагов на оборот, а помимо этого к ним также можно применять Микро шаг.

Ротор выполнен из постоянных магнитов, однако, в отличие от двигателя, описанного выше, магниты расположены аксиально, а не радиально. Кроме того, как вы можете видеть на картинке, ротор разделен на два (иногда четыре) кольца. У каждого из них маленькие зубцы. Чем их больше, тем выше разрешение. Зубья на обоих концах (кольцах) ротора смещены на ползуба. У статора тоже есть зубцы, но они на одной прямой. Благодаря этому, когда зубцы одного кольца имеют разные полюса и притягиваются друг к другу, зубцы второго кольца (имеющего тот же полюс, что и катушка) будут точно посередине. Это улучшает характеристики двигателя и увеличивает его крутящий момент.

Принцип работы шагового двигателя

Каким образом роботизированный манипулятор на предприятии повторяет одни и те же движения снова и снова? Как автоматический фрезерный станок может двигаться с такой точностью? Это возможно благодаря шаговому двигателю. Особенность шагового двигателя заключается в том, что он может контролировать угловое положение ротора без замкнутого контура обратной связи, это простая и точная разомкнутая система.

p, blockquote 1,0,0,0,0 —>

p, blockquote 2,0,0,0,0 —>

Как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Для начала давайте разберемся, как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением, который является самым простым. Позднее мы рассмотрим устройство высокоточного и широко используемого типа двигателя. У этого двигателя 6 зубьев на статоре, которые могут быть запитаны от трех отдельных источников постоянного тока.

p, blockquote 3,0,0,0,0 —>

p, blockquote 4,0,0,0,0 —>

Ротор состоит из ряда стальных пластин. У него отличное от статора количество зубьев в данном случае их 4 это сделано намеренно, для того чтобы только одна пара зубьев ротора могла одновременно находиться напротив зубьев статора.

p, blockquote 5,0,0,0,0 —>

p, blockquote 6,0,0,0,0 —>

Вы и сами можете объяснить, как работает этот шаговый двигатель. Если обесточить обмотку A и запитать обмотку B станет ясно, что ротор будет двигаться, как показано на модели.

p, blockquote 7,0,0,0,0 —>

p, blockquote 8,0,1,0,0 —>

Из уроков геометрии понятно, что один шаг соответствует 30 градусам. Чтобы перейти к следующему шагу обесточим обмотку B и запитаем обмотку C.

p, blockquote 9,0,0,0,0 —>

p, blockquote 10,0,0,0,0 —>

После этого вновь запитаем обмотку A. То есть ротор занимает позицию с наименьшим сопротивлением.

p, blockquote 11,0,0,0,0 —>

p, blockquote 12,0,0,0,0 —>

Размер шага двигателя составляет 30 градусов, точность может быть доведена до 15 градусов при помощи одного простого приема, когда запитана обмотка A, ротор находится в таком положении мы знаем, что если запитать обмотку B он повернется на 30 градусов. Но что произойдет если обмотки A и B будут запитаны одновременно? Ротор займет положение между двумя этими обмотками, то есть повернется на 15 градусов.

p, blockquote 13,0,0,0,0 —>

p, blockquote 14,0,0,0,0 —>

После этого обесточим А. Когда ротор установится напротив обмотки B, запитаем обмотку С, такой тип работы называется режимом дробления шага.

p, blockquote 15,0,0,0,0 —>

p, blockquote 16,1,0,0,0 —>

Как работает гибридный шаговый двигатель

Двигатель который мы рассматривали, называется двигателем с переменным магнитным сопротивлением. Наиболее универсальными и широко распространенными являются гибридные шаговые двигатели. Рассмотрим работу стандартного гибридного двигателя с величиной шага в 1.8 градуса.

p, blockquote 17,0,0,0,0 —>

p, blockquote 18,0,0,0,0 —>

Гибридный двигатель имеет намагниченный по оси ротор со стальными зубчатыми наконечниками. Таким образом, одна сторона ротора является северным магнитным полюсом, а другая южным.

p, blockquote 19,0,0,0,0 —>

p, blockquote 20,0,0,0,0 —>

Точность данного двигателя заключается в продуманном расположении зубьев ротора и статора. Разберемся, как это работает. Ротор имеет 50 зубьев, чтобы понять, как расположены зубья статора для начала, предположим, что у статора тоже 50 зубьев. Однако на самом деле их на 2 меньше, чем у ротора. Таким образом у статор остается 48 зубьев.

p, blockquote 21,0,0,0,0 —>

p, blockquote 22,0,0,0,0 —>

Давайте разделим их на 4 группы попарно, как показано на модели (подробнее смотри на видео).

p, blockquote 23,0,0,0,0 —>

p, blockquote 24,0,0,1,0 —>

Теперь давайте выровняем эти группы, зеленая группа сдвигается так что она оказывается наполовину выровнены с зубьями ротора. Зубья желтой группы полностью смещены относительно зубьев ротора. Синяя группа наполовину выровнена относительно зубьев ротора. Красная группа остается на своем месте, то есть красная группа зубьев полностью выровнена с ротором, а желтая группа смещена. Две другие группы смещены лишь наполовину.

p, blockquote 25,0,0,0,0 —>

p, blockquote 26,0,0,0,0 —>

Следует помнить, что сторона ротора направленная к нам является южным магнитным полюсом. Обмотки статора соединяются следующим образом, они представляют собой две независимые группы обмоток. При подаче питания на обмотку A, статор образует следующую картину намагниченности. Одна пара полюсов статора действует как северный полюс, а другая как южный. Так как противоположные полюса притягиваются, они будут совмещены, полюса с одинаковой полярностью будут смещены.

p, blockquote 27,0,0,0,0 —>

p, blockquote 28,0,0,0,0 —>

Смотрите, что произойдет с ротором при подаче питания на обмотку B, он совершит вращение на небольшой угол чтобы вы равняться с новым северным полюсом. Очевидно, что этот угол составляет одну четвертую часть углового шага. Другими словами, ротор поворачивается на 1,8 градуса, затем задействуется обмотка A с противоположной полярностью и вновь ротор поворачивается на одну целую восемь десятых градуса.

p, blockquote 29,0,0,0,0 —>

p, blockquote 30,0,0,0,0 —>

Данный процесс повторяется и двигатель совершает высокоточные движения. Разрешение угла шага может быть улучшено при помощи дробления шага. Интересно отметить, что северные зубчатые наконечники находятся между южными зубчатыми наконечниками, таким образом гарантируется выравнивание полюсов с противоположными полярностями.

p, blockquote 31,0,0,0,0 —> p, blockquote 32,0,0,0,1 —>

Вот так работает гибридный шаговый двигатель, такие двигатели идеально подходят для применения в областях, где необходимы четкие движения и простое управление.

Как работает шаговый электродвигатель?

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

• В шаговых электродвигателях угол поворота соответствует числу поданных электрических сигналов, при этом, после остановки вращения сохраняется полный момент и фиксация;
• Точное позиционирование – обеспечивает 3 – 5% от установленного шага, которая не накапливается от шага к шагу;
• Обеспечивает высокую скорость старта, реверса, остановки;
• Отличается высокой надежностью за счет отсутствия трущихся компонентов для токосъема, в отличии от коллекторных двигателей;
• Для позиционирования шаговому двигателю не требуется обратной связи;
• Может выдавать низкие обороты для непосредственно подведенной нагрузки без каких-либо редукторов;
• Сравнительно меньшая стоимость относительно тех же сервоприводов;
• Обеспечивается широкий диапазон управления скоростью оборотов вала за счет изменения частоты электрических импульсов.

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

• Может возникать резонансный эффект и проскальзывание шагового агрегата;
• Существует вероятность утраты контроля из-за отсутствия обратной связи;
• Количество расходуемой электроэнергии не зависит от наличия или отсутствия нагрузки;
• Сложности управления из-за особенности схемы

Устройство и принцип работы

Рис. 1. Принцип действия шагового двигателя

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора. Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от 5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом

Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси. Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс или серию импульсов в определенной последовательности. В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата. При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

• Выводы однозначно подводятся к соответствующим клеммам устройства. При последовательном соединении обмоток увеличивает индуктивность обмоток, но понижает ток.
• Обеспечивает паспортное значение электрических характеристик. При параллельной схеме увеличивается ток и снижается индуктивность.
• При подключении по одной фазе на обмотку снижется момент на низких оборотах и уменьшает величину токов.
• При подключении осуществляет все электрические и динамические характеристики согласно паспорта, номинальный токи. Значительно упрощается схема управления.
• Выдает куда больший момент и применяется для больших частот вращения;
• Как и предыдущая предназначена для увеличения момента, но применяется для низких частот вращения.

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Популярные схемы управления ШД

Схема управления от контроллера с дифференциальным выходом

Является одним из наиболее помехозащищенных способов работы. При этом прямой и инверсный сигнал напрямую подключается к соответствующим полюсам. В такой схемы должно применяться экранирование сигнального проводника. Прекрасно подходит для нагрузки с низкой мощностью.

Схема управления от контроллера с выходом типа «открытый коллектор»

В данной схеме происходит объединение положительных вводов контроллера, которые подключаются к положительному полюсу. В случае питания выше 9В требуется включение в схему специального резистора для ограничения тока. Позволяет задавать необходимое количество шагов со строго установленной скоростью, определить ускорение и т.д.

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль) происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному USB порту.