Шаговый двигатель – это электродвигатель, особенность, которого заключается в подачи питания не стандартно, а прерывисто, импульсами. Вот здесь более пространственно описан сам процесс управления.
Каждый импульс, подаваемый системой управления, соответствующим образом вызывает резкий поворот вала двигателя на строго определенный угол, называемый шагом. Что такое шаговый двигатель — из чего он состоит? Внутри этого механизма вы найдете ось и обмотки. В середине обмоток находится металлический сердечник. Все это заключено в компактный корпус с выведенными наружу проводами.
Для чего нужен шаговый двигатель?
На ось помещается цилиндр, который может быть постоянным магнитом или деталью из ферромагнитного материала с со специальными зубьями.
Внутри шагового двигателя вы не найдете коммутатора, который является неотъемлемой частью оборудования каждого двигателя постоянного тока. Коммутация в них происходит благодаря внешней электронной системе. Без этой дополнительной электроники шаговый двигатель был бы бесполезен.
Принцип работы шаговых двигателей
Эти устройства, несмотря на свою простоту, имеют довольно умный принцип работы. Промышленность выпускает три типа шаговых двигателей — они отличаются принципом работы, который будет объяснен ниже.
Двигатель с постоянными магнитами (PM)
Этот тип двигателей имеет постоянный магнит, установленный на оси, отсюда и их английское название — Permanent Magnet (PM). Принцип их работы заключается в том, что магниты отталкиваются и притягиваются друг к другу.
Если они расположены относительно друг друга одинаковыми полюсами (южным или северным), то действующая на них сила заставляет магниты отталкиваться. Если расположение полюсов неодинаково, тогда они будут притягиваются друг к другу.
Здесь нужно отметить, что в электромагните, который в этом отношении ведет себя идентично обычному магниту, мы можем очень легко менять полюса местами. Достаточно изменить направление тока, протекающего через его катушку, что чрезвычайно просто для электронной системы, контролирующей его работу.
В простейшем варианте достаточно двух С-образных электромагнитов, повернутых на 90°, которые своим магнитным полем воздействуют на магнит, закрепленный на оси. Магнитные полюса этого магнита должны быть разнесены параллельно валу.
Обмотки включаются поочередно, и каждый раз ток по ним течет в разном направлении. Электромагнит также имеет два полюса, как и магнит. Сила магнитного взаимодействия здесь двойная: с одной стороны, постоянный магнит отталкивается от одного полюса, а с другой стороны, притягивается к другому. Четыре таких переключения дают полный оборот вала.
Вышеупомянутый выше шаговый двигатель имеет очень большой шаг, который составляет целых 90°. Наиболее распространенные шаговые двигатели с постоянными магнитами имеют шаг 15° или 7,5°. Они изготавливаются путем размещения на валу магнита с несколькими чередующимися полюсами.
У шагового двигателя есть очень характерная особенность — если попытаться повернуть его вал пальцами, то проворачиваться он будет рывками, то есть на один шаг, который соответствует углу поворота.
Шаговый двигатель с переменным сопротивлением (VR)
В этих моторах на оси нет постоянного магнита, а вместо него используется стальная деталь. Но не просто любая сталь — это должен быть ферромагнитный сплав с соответствующими характеристиками намагничивания. Их работа заключается в циклической установке ротора в положение, обеспечивающее наименьшее сопротивление, отсюда и название — переменное сопротивление.
Что такое сопротивление? Его можно понимать как сопротивление магнитному полю. Если в магнитопроводе имеется зазор (большое сопротивление), система создает силу, стремящуюся уменьшить его. Таким образом, он может вращать подвижную часть магнитопровода (ротор двигателя) на рисунке ниже, так, чтобы он был вертикальным и обеспечивал низкое сопротивление.
Простейший шаговый двигатель с переменным сопротивлением имеет три обмотки, каждая из которых разделена на две половины, и ротор с четырьмя шлицами.
Когда катушка 1 находится под напряжением (подача питания между СОМ и 1), противоположные катушки 1 будут притягивать шлицы А. Они обеспечивают низкое сопротивление магнитному полю между ними.
Если в этом положении на обмотку 2 подается напряжение, ротор немного повернется вправо, а шлицы B будут в вертикальном положении. Следующим шагом будет подача напряжения на катушку 3, при этом ось двигателя снова сделает небольшой поворот по часовой стрелке и совместит шлицы А с катушками обмотки 3.
Интересным свойством шаговых двигателей с переменным сопротивлением является отсутствие значительного сопротивления вращению при отключении питания. В отличие от двигателей с постоянными магнитами, здесь нет характерного «перескакивания».
Однако у этого есть и свой недостаток: вал двигателя не удерживается на месте при отключении питания — нет останавливающего момента — поэтому он может двигаться сам по себе. Следовательно, при каждом включении может потребоваться калибровка машины.
Гибридный двигатель (HB)
Гибридные двигатели (HB от HyBrid) сочетают в себе характеристики обоих двигателей, показанных выше. Ротор у них выполнен из постоянного магнита, как и в двигателях с таким магнитом, но с канавками, характерными для двигателя с переменным сопротивлением. Отличается и способ намагничивания: одна половина ротора является южным полюсом, а другая — северным полюсом.
Примечание: если бы перерисовать, было бы лучше, чтобы бы часть N была синей, а S красной
Канавки и зубцы имеют одинаковую ширину, следовательно, на обеих частях — абсолютно одинаковые размеры. Но при этом они смещены друг относительно друга: там где на одной части находятся зубцы, на другой — канавки. Это смещение позволяет двигателю вращаться.
На статоре тоже есть зубья, но они одинаковые по всей длине, без смещения. Работа этого двигателя представляет собой комбинацию двух вышеописанных процессов. Ротор пытается выровняться так, чтобы обеспечить минимально возможное сопротивление. Но в то же время он притягивается и отталкивается парами обмоток, расположенных друг напротив друга.
Сравнение
Двигатели с переменным реактивным сопротивлением являются самыми дешевыми в производстве. Но зато они имеют небольшой динамический крутящий момент — создаваемое ими усилие для вращения вала, невелико. В них также отсутствует момент покоя, который удерживает вал на месте при отключении питания. По этой причине они редко встречаются, так как их производство постепенно прекращается.
Двигатели с постоянными магнитами имеют момент покоя (их вал не может вращаться без сопротивления) и гораздо более высокий крутящий момент, чем двигатели с переменным сопротивлением. Однако их недостатком, является низкая разрешающая способность, то есть достаточно большая величина одного шага — 15° или 7,5°. Точное позиционирование вала невозможно без дополнительных ухищрений со стороны системы управления.
Гибридные двигатели сочетают в себе преимущества обоих двигателей: им может потребоваться до 400 шагов на оборот, поэтому разрешение позиционирования такого привода очень высокое. К сожалению, развиваемые ими скорости вращения не высоки (выполнение такого количества шагов должно занимать некоторое время), а их цена тоже не самая низкая. Тем не менее их охотно используют в промышленности, где разрешение и динамический крутящий момент являются преимуществами, перевешивающими цену.
Контроль управления
Шаговые двигатели могут быть биполярными, униполярными и универсальными. Это видно по количеству проводов, выходящих из корпуса.
Если они биполярные, то у них четыре провода. Управление осуществляется путем поочередной подачи на катушки переменного напряжения, протекающего в противоположных направлениях, как в приведенном выше примере с двигателем с постоянными магнитами.
Униполярными двигателями проще управлять, поскольку они не требуют изменения направления тока. Достаточно включить последовательно все четыре обмотки. У них более низкий динамический крутящий момент, чем у биполярных двигателей.
Поэтому они менее распространены, особенно в профессиональных механизмах. Изменение направления магнитного поля осуществляется включением половинок обмотки, намотанных в противоположных направлениях.
Униполярным двигателям для работы требуется всего пять проводов: один общий и четыре фазы.
Универсальные шаговые двигатели имеют 6 и 8 проводов. Если их восемь, то обмотки можно соединять как для однополярного, так и для двухполярного режима — последовательно и параллельно, в зависимости от того, чего вы хотите получить. В двигателях с шестью проводами у вас тоже есть некоторая свобода: их можно переключать как на биполярный так и униполярный режим работы.
Преимущества и недостатки шаговых двигателей.
Шаговые двигатели, в отличие от обычных двигателей постоянного или переменного тока, могут свободно вращаться. Делать один шаг в секунду, час или даже год для них не проблема. Однако максимальная скорость вращения ограничена. Если вы заставите двигатель вращаться быстрее, чем он может, то вероятнее всего, мотор будет беспомощно стоять на месте.
Определенным недостатком является необходимость подключать дополнительную электронную схему, которая отвечала бы за переключение обмоток. Без нее шаговый двигатель не выполнит ни одного шага правильно. Однако в настоящее время этот недостаток незначителен, поскольку электроника стала относительно дешевой.
Другим недостатком является относительно низкий КПД этого типа привода при низких нагрузках и малой мощности по сравнению с весом и ценой. Классические двигатели постоянного или переменного тока в этом отношении намного лучше. Поэтому шаговые двигатели используются только там, где это абсолютно необходимо.
Назначение — шаговый двигатель
Шаговые двигатели используются везде, где требуется точное позиционирование. Наиболее распространенное применение — всевозможные принтеры (включая 3D-принтеры), станки с ЧПУ и фрезерные станки. Это в особенности популярные области, где вы можете найти различные шаговые двигатели.
Шаговый двигатель может вращаться произвольно медленно, а его вал останавливается в определенном положении, поэтому он также подходит для позиционирования головки в оптических приводах. Эта технология постепенно устаревает в пользу электронных носителей информации, но все еще широко распространена.
