Что такое шаговый двигатель, зачем он нужен и как работает

Шаговые двигатели постоянного тока широко используются в станках с числовым программным управлением и робототехнике. Основное отличие этого электродвигателя — принцип работы. Вал шагового двигателя долго не вращается, а только вращается на определенный угол. Это обеспечивает точное позиционирование рабочего элемента в пространстве. Питание такого двигателя дискретное, т.е. импульсное. Эти импульсы вращают вал на угол, каждое такое вращение называется шагом, отсюда и название. Часто эти двигатели работают в тандеме с коробкой передач для повышения точности центровки и крутящего момента на валу, а также с энкодером для отслеживания положения вала в любой момент времени. Эти элементы нужны для передачи и преобразования угла поворота. В этой статье мы расскажем читателям сайта Sam Electric о конструкции, принципе работы и назначении шаговых двигателей.

  • Как устроен шаговый двигатель
  • Принцип действия
  • Типы и типы в зависимости от полярности или типа обмотки
  • Типы двигателей по конструкции ротора
  • Управление шаговым двигателем
  • Преимущества и недостатки шаговых двигателей

Как устроен шаговый двигатель

Это безкоммутаторный синхронный электродвигатель этого типа. Он состоит из статора и ротора. Ротор обычно имеет секции из стального листа (на фото «зубчатая» часть), которые в свою очередь разделены постоянными магнитами. На статоре имеются обмотки в виде одиночных катушек.

Принцип действия

Как работает шаговый двигатель, можно увидеть на условной модели. В положении 1 на обмотки А и В прикладываются напряжения определенной полярности. В результате в статоре создается электромагнитное поле. Когда разные магнитные полюса притягиваются, ротор займет положение вдоль оси магнитного поля. Более того, магнитное поле мотора предотвратит попытки изменить положение ротора извне. Проще говоря, магнитное поле статора будет действовать таким образом, что ротор не изменит своего положения (например, когда на вал приложены механические нагрузки).

Если на обмотки D и C приложить напряжение одинаковой полярности, электромагнитное поле сместится. Это повернет ротор с постоянным магнитом в положение 2. В этом случае угол поворота составляет 90 °. Этот угол — шаг ротора.

Положение 3 получается путем подачи обратного напряжения на обмотки A и B. В этом случае электромагнитное поле будет противоположным положению 1, ротор двигателя сместится и общий угол составит 180 °.

При подаче напряжения обратной полярности на обмотки D и C ротор поворачивается на угол до 270 ° от исходного положения. При подаче положительного напряжения на обмотки A и B ротор примет исходное положение — он завершит свое вращение на 360 °. Обратите внимание, что ротор будет следовать по кратчайшему пути, то есть из положения 1 в положение 4, ротор будет вращаться по часовой стрелке только после прохождения промежуточных положений 2 и 3. Если обмотки соединены после положения 1 непосредственно в положение 4, рабочее колесо будет вращаться против часовой стрелки.

Виды и типы по полярности или типу обмоток

В шаговых двигателях используются биполярные и униполярные обмотки. Принцип работы рассматривался на основе биполярного аппарата. В этой конструкции для питания обмоток используются разные фазы. Схема очень сложная и требует дорогих и эффективных плат управления.

Более простая схема управления в униполярных машинах. В такой системе начала обмоток соединены общим «плюсом». Вторые выводы обмоток поочередно подключаются к «минусу». Это позволяет ротору вращаться.

Биполярные шаговые двигатели более эффективны и имеют на 40% больший крутящий момент, чем униполярные двигатели. Управлять униполярными моторами намного удобнее.

Типы двигателей по конструкции ротора

По типу роторной конструкции шаговые двигатели делятся на машины:

  • с постоянным магнитом;
  • с переменным магнитным сопротивлением;
  • гибридный.

Двигатель с постоянными магнитами на роторе расположен так же, как в рассмотренных выше примерах. Единственная разницачто в реальных машинах количество магнитов намного больше. Обычно они находятся на общем диске. Число полюсов в современных двигателях достигает 48. Один градус у этих двигателей равен 7,5 °.

Электродвигатели с переменным магнитным сопротивлением. Ротор этих машин выполнен из магнитомягких сплавов, их еще называют «реактивными шаговыми двигателями». Ротор собран из отдельных пластин и в поперечном сечении напоминает шестерню. Такая конструкция необходима для закрытия зубцов магнитным потоком. Главное преимущество такой конструкции — отсутствие удерживающего момента. Дело в том, что ротор постоянного магнита притягивается к металлическим частям электродвигателя. А проворачивать вал при отсутствии напряжения на статоре довольно сложно. В шаговом двигателе с переменным магнитным сопротивлением такой проблемы нет. Однако существенный недостаток — низкий крутящий момент. Обычно такие машины имеют наклон от 5 ° до 15 °.

Гибридные шаговые двигатели были разработаны, чтобы объединить лучшие черты двух предыдущих типов. Такие моторы имеют малый ход от 0,9 до 5 °, обладают высоким крутящим моментом и удерживающей силой. Самым главным преимуществом является высокая точность прибора. Такие электродвигатели используются в самых современных высокоточных устройствах. К недостаткам можно отнести только их дороговизну. Конструктивно ротор этого устройства представляет собой намагниченный цилиндр с магнитомягкими зубьями.

Например, две шестерни с 50 зубьями каждая используются в 200-градусном EP. Диски смещены примерно на половину зуба, так что желоб на положительном полюсе совпадает с выступом на отрицательном полюсе и наоборот. Это позволяет ротору иметь 100 полюсов с обратной полярностью.

Таким образом, и южный, и северный полюса могут быть смещены на 50 различных положений относительно статора, всего на 100. А смещение на четверть дает еще 100 положений, это осуществляется последовательным возбуждением.

Управление ШД

Это контролируется следующими методами:

  1. Волна. В этом методе только одна катушка находится под напряжением, и ротор притягивается к ней. Поскольку задействована только одна обмотка, крутящий момент ротора низкий и не подходит для передачи высокой мощности.
  2. Полный шаг. В этой версии две обмотки запитываются одновременно, обеспечивая максимальный крутящий момент.
  3. Полушаг. Он сочетает в себе первые два метода. В этой конструкции сначала возбуждается одна из обмоток, а затем две другие. Таким образом выполняется больше шагов и достигается максимальная удерживающая сила, которая останавливает ротор на более высоких скоростях.
  4. Управление микрошагом осуществляется путем подачи микрошаговых импульсов. Этот метод обеспечивает плавное вращение крыльчатки и снижает рывки во время работы.

Достоинства и недостатки шаговых электродвигателей

К преимуществам этого типа электрических машин можно отнести:

  • высокие скорости пуска, остановки и реверса;
  • Вал вращается по команде устройства управления на заданный угол;
  • точное позиционирование после остановки;
  • высокая точность позиционирования, без жестких требований к обратной связи;
  • высокая надежность за счет отсутствия делителя;
  • максимальный крутящий момент при низких оборотах двигателя.
  • Несоосность может возникнуть, когда механические нагрузки на вал превышают допустимые нагрузки для данной модели двигателя;
  • риск резонанса;
  • сложная схема управления;
  • низкая скорость вращения, но ее нельзя отнести к существенному недостатку, поскольку шаговые двигатели используются не для простого вращения чего-либо, например коллекторных двигателей, а для механизмов позиционирования.

Шаговый двигатель также называют «электродвигателем с конечным числом положений ротора». Это наиболее полное и в то же время самое короткое определение этого типа электрических машин. Их активно используют в станках с ЧПУ, 3D-принтерах и роботах. Главный конкурент шагового двигателя — сервопривод, однако у каждого из них есть свои достоинства и недостатки,которые определяют законность использования того или другого в конкретном случае.