Теория управления шаговыми двигателями

Теория управления шаговыми двигателями

Система отработки угла выходного вала двигателя с использованием датчика обратной связи.

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.
Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.
Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.
Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота.
Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.
Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.
Шаговые синхронные двигатели активного типа. В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.
Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.

Принципиальная схема управления шаговым двигателем

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.
При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления

Симметричная система коммутации

При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления

Несимметричная система коммутации

Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки» .

Число тактов КТ системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления КТ =4, а для несимметричной КТ =8.

В общем случае число тактов КТ зависит от числа обмоток управления (фаз статора) mу и может быть посчитано по формуле:

K_T=m_yn₁n₁,
где n₁=1 при симметричной системе коммутации;
n₁=2 при несимметричной системе коммутации;
n₂=1 при однополярной коммутации;
n₂=2 при двуполярной коммутации.

Схемы, иллюстрирующие положения ротора шагового двигателя с постоянными магнитами при подключении к источнику питания одной (а) и двух обмоток (б)

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении; при двуполярной — в обеих.
Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают.
Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1).
Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.

Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:

Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р= 4. 6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.

Реактивные шаговые двигатели. У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.
Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.
Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора

Принцип действия реактивного редукторного шагового двигателя: (а) — исходное положение устойчивого равновесия; (б) — положение устойчивого равновесия. cдвинутое на один шаг

Если зубцы ротора соосны с одной диаметрально расположенной парой полюсов статора, то они сдвинуты относительно каждой из оставшихся трех пар полюсов статора соответственно на ј, Ѕ и ѕ зубцового деления.
При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.
Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:

В выражении для КТ величину n2 следует брать равной 1, т. к. изменение направления поля не влияет на положение ротора.
Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.
Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.
Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, можно достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, т.е. оси их полюсов полностью совпадают.
Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.
Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.
В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.
По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики.
Линейные шаговые синхронные двигатели. При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.
Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов

Схема, иллюстрирующая работу линейного шагового двигателя

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.
Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнитопровода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.
Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя. Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.

где
KТ — число тактов схемы управления.
Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.
В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.
Режимы работы синхронного шагового двигателя. Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.
Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0

Процесс отработки шагов шаговым двигателем

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.
В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.
Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.
Предельная механическая характеристика- это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов

Предельная механическая характеристика шагового двигателя

Приемистость- это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления

Управление Ардуино шаговым двигателем от принтера

В этом уроке вы узнаете, как управлять с помощью Ардуино шаговым двигателем, который был взят от старого принтера.

Шаг 1. Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель состоит из двух основных частей: ротора и статора.

Ротор является частью двигателя, который фактически вращается и обеспечивает работу. Статор представляет собой неподвижную часть двигателя, в котором размещается ротор. В шаговом двигателе ротор представляет собой постоянный магнит. Статор состоит из нескольких катушек, которые действуют как электромагниты, когда через них проходит электрический ток. Электромагнитная катушка заставит ротор выровняться вместе с ним при зарядке. Ротор приводится в движение путем чередования тока на катушках, протекающий через них.

Шаговые двигатели имеют ряд преимуществ. Они дешевы и просты в использовании. Когда ток не поступает в двигатель, ничего не происходит. Шаговые двигатели также могут вращаться без ограничений и изменять направление в зависимости от установленной полярности.

Шаг 2: Список деталей

Необходимые детали для проекта Ардуино шагового двигателя:

• Шаговый двигатель (этот двигатель был взят от старого принтера)
• Arduino
• Изолированный медный провод
• Проволочные резаки / стрипперы
• Регулятор тока
• транзистор
• драйвер двигателя H-Bridge 1A
• моторный шилд

• паяльник
• припой
• инструменты
• безопасные очки

Шаг 3: Присоединяем провода

Большинство шаговых двигателей имеют четыре провода, поэтому вам нужно будет обрезать четыре медных провода (обратите внимание, что цвет не коррелирует с чем-либо конкретным (обычно есть правило, что черный — это земля, но не сейчас). Различные цвета были использованы только для облегчения понимания. Эти выводы будут использоваться для управления, какая катушка в настоящее время активна в двигателе. Для этого проекта Ардуино шаговый двигатель был взят от старого принтера, поэтому пайка проводов была самым простым вариантом для этого проекта. В любом случае, вы можете безопасно установить соединение (пайка, штекер, клипы).

Шаг 4: Эскиз/скетч Arduino

Arduino уже имеет встроенную библиотеку для шаговых двигателей. Просто перейдите в меню:

Файл → Примеры → Шаговые → stepper_oneRevolution
File → Examples → Stepper → stepper_oneRevolution

Затем вам нужно изменить переменную stepsPerRevolution, чтобы она соответствовала вашему конкретному двигателю. После просмотра номера деталей двигателей в Интернете наш конкретный двигатель был рассчитан на 48 шагов для завершения одного оборота.

То, что на самом деле делает библиотека Stepper — чередует сигналы HIGH и LOW для каждой катушки, как показано в анимации выше.

Шаг 5: Что такое мост H-bridge?

H-Bridge — схема, состоящая из 4 переключателей, которые могут безопасно управлять двигателем постоянного тока или шаговым двигателем. Эти переключатели могут быть реле или (чаще всего) транзисторами. Транзистор представляет собой твердотельный переключатель, который можно закрыть, посылая небольшой ток (сигнал) на один из его контактов.

В отличие от одного транзистора, который позволяет вам контролировать скорость двигателя, H-мосты позволяют вам также контролировать направление вращения двигателя. Он делает это, открывая различные переключатели (транзисторы), чтобы ток тек в разных направлениях и, таким образом, изменяя полярность на двигателе.

H-Bridges может помочь вам предотвратить перегорания вашего Arduino моторами, которыми вы пользуетесь. Двигатели являются индукторами, а это означает, что они хранят электрическую энергию в магнитных полях. Когда ток больше не посылается двигателям, магнитная энергия возвращается в электрическую энергию и может повредить компоненты. H-Bridge помогает изолировать ваш Arduino лучше всего. Вы не должны подключать двигатель непосредственно к Arduino.

Хотя H-Bridges можно легко сделать самому многие предпочитают покупать H-Bridge (например, чип L293NE / SN754410) из-за удобства. Это чип, который мы будем использовать в этом уроке. Физические номера контактов и их назначение ниже:

• Пин 1 (1, 2EN) → Мотор 1 Включен/Выключен (HIGH/LOW)
• Пин 2 (1A) → Мотор 1 логический выход 1
• Пин 3 (1Y) → Мотор 1 терминал 1
• Пин 4 → Земля
• Пин 5 → Земля
• Пин 6 (2Y) → Мотор 1 терминал 2
• Пин 7 (2A) → Мотор 1 логический выход 2
• Пин 8 (VCC2) → Питание для двигателей
• Пин 9 → Мотор 2 Включен/Выключен (HIGH/LOW)
• Пин 10 → Мотор 2 логический выход 1
• Пин 11 → Мотор 2 терминал 1
• Пин 12 → Земля
• Пин 13 → Земля
• Пин 14 → Мотор 2 терминал 2
• Пин 15 → Мотор 2 логический выход 2
• Пин 16 (VCC1) → Питание для H Bridge (5В)

Шаг 6: Схема соединения

Схема соединения нашего проекта Ардуино шагового двигателя ниже.

Для шагового двигателя Ардуино 4 вывода на H-Bridge должны подключаться к 4 выводам двигателя. Затем 4 логических вывода подключаются к Arduino (8, 9, 10 и 11). Как показано на диаграмме выше, для питания двигателей можно подключить внешний источник питания. Чип может обрабатывать внешний источник питания от 4,5 до 36 В (мы выбрали батарею 9В).

Шаг 7: Загрузка кода и тестирование

Загрузите свой код в Ардуино. Если вы запустите свой код и все сработает так, как ожидалось, это потрясающе! Если провода вставлены в неправильные контакты, двигатель просто вибрирует, а не полностью вращается. Играйте со скоростью и направлением двигателя, как сочтете нужным.

На этом всё, теперь у вас должен быть рабочий шаговый двигатель Arduino. То, что вы сделаете дальше, зависит только от вас.

Управление шаговым двигателем с помощью микроконтроллера.

После первого запуска стало понятно, что хотели получить одно, а получили другое, после того как транзистор закрывался, двигатель продолжал вращаться ещё не один оборот, оно и понятно, для того чтобы вал остановился, энергия, которую он накопил пока вращался, должна быть израсходована.

Вот мы и подошли к одному из основных преимуществ шагового двигателя — возможность точного позиционирования.

• двигатели с переменным магнитным сопротивлением
• двигатели с постоянными магнитами
• гибридные двигатели

Гибридные двигатели обладают преимуществами вышеописанных двигателей и лучшими характеристиками: меньшей величиной шага, большим моментом, большей скоростью и как следствие стоят дороже.

Перейдём к практике, для эксперимента возьмём шаговый двигатель MITSUMI M42SP-5 с шагом 7.5°, изображённый на картинке.

• 12 вольтовые с сопротивлением обмотки 50 Ом
• 24 вольтовые с сопротивлением обмотки 120 Ом

Схема двигателя изображена на картинке ниже.

Из двигателя выходит 5 проводов: 4 фазы и один общий. Общий провод можно найти с помощью мультиметра, сопротивление между ним и оставшимися 4 проводами равно сопротивлению фазы, в нашем случае 50 Ом.

Как писалось выше, необходим посредник, который примет от микроконтроллера 20mA и отдаст двигателю 259mA. Можно как раньше взять полевой транзистор, но есть одно, но фаз здесь целых четыре штуки и для этого случая есть более простое решение — это использовать микросхему ULN2003.

Транзистор Дарлингтона или пара Дарлингтона, представляет собой два соединённых транзистора, его отличительной особенностью является высокий коэффициент усиления, который равен произведению коэффициентов усиления каждого из транзисторов(βс = β1 ∙ β2).

Вращать двигатель можно, подавая питание по очереди на обмотки, при этом в любой момент времени включена лишь одна обмотка, в этом случае двигатель будет работать в режиме шага, то есть при одном переключении обмоток будет поворачиваться на 7.5°.

Для удобства управления можно создать массив в котором номер элемента массива будет обозначать номер шага, а значение элемента массива — какие обмотки должны быть включены.

Если передавать последовательно элементы этого массива в порт микроконтроллера, двигатель будет работать в режиме полушага, если через один — в режиме полного шага. Для передачи значений в порт удобно использовать прерывание от таймера по переполнению, таким образом, изменяя время между прерываниями, мы можем регулировать скорость вращения двигателя.

Схема управления шаговым двигателем на транзисторах

августа 24, 2015 Электроника Андрей Антонов Печать

Использование шаговых двигателей является одним из самых простых, дешевых и легких решений для реализации систем точного позиционирования. Эти двигатели очень часто используются в различных станках ЧПУ и роботах. Сегодня я расскажу о том, как устроены шаговые двигатели и как они работают.

Что такое шаговый двигатель?

Прежде всего, шаговый двигатель — это двигатель. Это означает, что он преобразует электрическую энергию в механическую. Основное отличие между ним и всеми остальными типами двигателей состоит в способе, благодаря которому происходит вращение. В отличие от других моторов, шаговые двигатели вращаются НЕ непрерывно! Вместо этого, они вращаются шагами (отсюда и их название). Каждый шаг представляет собой часть полного оборота. Эта часть зависит, в основном, от механического устройства мотора и от выбранного способа управления им. Шаговые двигатели также различаются способами питания. В отличие от двигателей переменного или постоянного тока, обычно они управляются импульсами. Каждый импульс преобразуется в градус, на который происходит вращение. Например, 1.8º шаговый двигатель, поворачивает свой вал на 1.8° при каждом поступающем импульсе. Часто, из-за этой характеристики, шаговые двигатели еще называют цифровыми.

Основы работы шагового двигателя

Как и все моторы, шаговые двигатели состоят из статора и ротора. На роторе установлены постоянные магниты, а в состав статора входят катушки (обмотки). Шаговый двигатель, в общем случае, выглядит следующим образом:

Здесь мы видим 4 обмотки, расположенные под углом 90° по-отношению друг к другу, размещенные на статоре. Различия в способах подключения обмоток в конечном счете определяют тип подключения шагового двигателя. На рисунке выше, обмотки не соединяются вместе. Мотор по такой схеме имеет шаг поворота равный 90°. Обмотки задействуются по кругу — одна за другой. Направление вращения вала определяется порядком, в котором задействуются обмотки. Ниже показана работа такого мотора. Ток через обмотки протекает с интервалом в 1 секунду. Вал двигателя поворачивается на 90° каждый раз, когда через катушку протекает ток.

Режимы управления

Теперь рассмотрим различные способы подачи тока на обмотки и увидим, как в результате вращается вал мотора.

Волновое управление или полношаговое управление одной обмоткой

Этот способ описан выше и называется волновым управлением одной обмоткой. Это означает, что только через одну обмотку протекает электрический ток. Этот способ используется редко. В основном, к нему прибегают в целях снижения энергопотребления. Такой метод позволяет получить менее половины вращающего момента мотора, следовательно, нагрузка мотора не может быть значительной.

У такого мотора будет 4 шага на оборот, что является номинальным числом шагов.

Полношаговый режим управления

Вторым, и наиболее часто используемым методом, является полношаговый метод. Для реализации этого способа, напряжение на обмотки подается попарно. В зависимости от способа подключения обмоток (последовательно или параллельно), мотору потребуется двойное напряжение или двойной ток для работы по отношению к необходимым при возбуждении одной обмотки. В этом случае мотор будет выдавать 100% номинального вращающего момента.

Такой мотор имеет 4 шага на полный оборот, что и является номинальным числом шагов для него.

Полушаговый режим

Это очень интересный способ получить удвоенную точность системы позиционирования, не меняя при этом ничего в «железе»! Для реализации этого метода, все пары обмоток могут запитываться одновременно, в результате чего, ротор повернется на половину своего нормального шага. Этот метод может быть также реализован с использованием одной или двух обмоток. Ниже показано, как это работает.

Используя этот метод, тот же самый мотор сможет дать удвоенное число шагов на оборот, что означает двойную точность для системы позиционирования. Например, этот мотор даст 8 шагов на оборот!

Режим микрошага

Микрошаговый режим наиболее часто применяемый способ управления шаговыми двигателями на сегодняшний день. Идея микрошага состоит в подаче на обмотки мотора питания не импульсами, а сигнала, по своей форме, напоминающего синусоиду. Такой способ изменения положения при переходе от одного шага к другому позволяет получить более гладкое перемещение, делая шаговые моторы широко используемыми в таких приложениях как системы позиционирования в станках с ЧПУ. Кроме этого, рывки различных деталей, подключенных к мотору, также как и толчки самого мотора значительно снижаются. В режиме микрошага, шаговый мотор может вращаться также плавно как и обычные двигатели постоянного тока.

Форма тока, протекающего через обмотку похожа на синусоиду. Также могут использоваться формы цифровых сигналов. Вот некоторые примеры:

Метод микрошага является в действительности способом питания мотора, а не методом управления обмотками. Следовательно, микрошаг можно использовать и при волновом управлении и в полношаговом режиме управления. Ниже продемонстрирована работа этого метода:

Хотя кажется, что в режиме микрошага шаги становятся больше, но, на самом деле, этого не происходит. Для повышения точности часто используются трапецевидные шестерни. Этот метод используется для обеспечения плавного движения.

Типы шаговых двигателей

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Ротор такого мотора несет постоянный магнит в форме диска с двумя или большим количеством полюсов. Работает точно также как описано выше. Обмотки статора будут притягивать или отталкивать постоянный магнит на роторе и создавать тем самым крутящий момент. Ниже представлена схема шагового двигателя с постоянным магнитом.

Обычно, величина шага таких двигателей лежит в диапазоне 45-90°.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

У двигателей этого типа на роторе нет постоянного магнита. Вместо этого, ротор изготавливается из магнитомягкого металла в виде зубчатого диска, типа шестеренки. Статор имеет более четырех обмоток. Обмотки запитываются в противоположных парах и притягивают ротор. Отсутствие постоянного магнита отрицательно влияет на величину крутящего момента, он значительно снижается. Но есть и большой плюс. У этих двигателей нет стопорящего момента. Стопорящий момент — это вращающий момент, создаваемый постоянными магнитами ротора, которые притягиваются к арматуре статора при отсутствии тока в обмотках. Можно легко понять, что это за момент, если попытаться повернуть рукой отключенный шаговый двигатель с постоянным магнитом. Вы почувствуете различимые щелчки на каждом шаге двигателя. В действительности то, что вы ощутите и будет фиксирующим моментом, который притягивает магниты к арматуре статора. Ниже показана работа шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением.

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением обычно имеют шаг, лежащий в диапазоне 5-15°.

Гибридный шаговый двигатель

Данный тип шаговых моторов получил название «гибридный» из-за того, что сочетает в себе характеристики шаговых двигателей и с постоянными магнитами и с переменным магнитным сопротивлением. Они обладают отличными удерживающим и динамическим крутящим моментами, а также очень маленькую величину шага, лежащую в пределах 0.9-5°, обеспечивая великолепную точность. Их механические части могут вращаться с большими скоростями, чем другие типы шаговых моторов. Этот тип двигателей используется в станках ЧПУ high-end класса и в роботах. Главный их недостаток — высокая стоимость.

Обычный мотор с 200 шагами на оборот будет иметь 50 положительных и 50 отрицательных полюсов с 8-ю обмотками (4-мя парами). Из-за того, что такой магнит нельзя произвести, было найдено элегантное решение. Берется два отдельных 50-зубых диска. Также используется цилиндрический постоянный магнит. Диски привариваются один с положительному, другой к отрицательному полюсам постоянного магнита. Таким образом, один диск имеет положительный полюс на своих зубьях, другой — отрицательный.

Два 50-зубых диска помещены сверху и снизу постоянного магнита

Фокус в том, что диски размещаются таким образом, что если посмотреть на них сверху, то они выглядят как один 100-зубый диск! Возвышения на одном диске совмещаются со впадинами на другом.

Впадины на одном диске выровнены с возвышениями на другом

Ниже показана работа гибридного шагового двигателя, имеющего 75 шагов на оборот (1.5° на шаг). Стоит заметить, что 6 обмоток спарены, каждая имеет обмотку с противоположной стороны. Вы наверняка ожидали, что катушки расположены под углом в 60° следом друг за другом, но, на самом деле, это не так. Если предположить, что первая пара — это самая верхняя и самая нижняя катушки, тогда вторая пара смещена под углом 60+5° по отношению к первой, и третья смещена на 60+5° по отношению ко второй. Угловая разница и является причиной вращения мотора. Режимы управления с полным и половинным шагом могут использоваться, впрочем как и волновое управление для снижения энергопотребления. Ниже продемонстрировано полношаговое управление. В полушаговом режиме, число шагов увеличится до 150!

Не пытайтесь следовать за обмотками, чтобы понаблюдать, как это работает. Просто сфокусируйтесь на одной обмотке и ждите. Вы заметите, что всякий раз, когда обмотка задействована, есть 3 положительных полюса (красный) в 5° позади, которые притягиваются по направлению вращения и другие 3 отрицательных полюса (синий) в 5° впереди, которые толкаются в направлении вращения. Задействованная обмотка всегда находится между положительным и отрицательным полюсами.

Подключение обмоток

Шаговые двигатели относятся к многофазным моторам. Больше обмоток, значит, больше фаз. Больше фаз, более гладкая работа мотора и более выокая стоимость. Крутящий момент не связан с числом фаз. Наибольшее распространение получили двухфазные двигатели. Это минимальное количество необходимых для того, чтобы шаговый мотор функционировал. Здесь необходимо понять, что число фаз не обязательно определяет число обмоток. Например, если каждая фаза имеет 2 пары обмоток и мотор является двухфазным, то количество обмоток будет равно 8. Это определяет только механические характеристики мотора. Для упрощения, я рассмотрю простейший двухфазный двигатель с одной парой обмоток на фазу.

Существует три различных типа подключения для двухфазных шаговых двигателей. Обмотки соединяются между собой, и, в зависимости от подключения, используется различное число проводов для подключения мотора к контроллеру.

Биполярный двигатель

Это наиболее простая конфигурация. Используются 4 провода для подключения мотора к контроллеру. Обмотки соединяются внутри последовательно или параллельно. Пример биполярного двигателя:

Мотор имеет 4 клеммы. Два желтых терминала (цвета не соответствуют стандартным!) питают вертикальную обмотку, два розовых — горизонтальную обмотку. Проблема такой конфигурации состоит в том, что если кто-то захочет изменить магнитную полярность, то единственным способом будет изменение направления электрического тока. Это означает, что схема драйвера усложнится, например это будет H-мост.

Униполярный двигатель

В униполярном двигателе общий провод подключен к точке, где две обмотки соединены вместе:

Используя этот общий провод, можно легко изменить магнитные полюса. Предположим, например, что мы подключили общий провод к земле. Запитав сначала один вывод обмотки, а затем другой — мы изменяем магнитные полюса. Это означает, что схема для использования биполярного двигателя очень простая, как правило, состоит только из двух транзисторов на фазу. Основным недостатком является то, что каждый раз, используется только половина доступных катушечных обмоток. Это как при волновом управлении двигателем с возбуждением одной обмотки. Таким образом, крутящий момент всегда составляет около половины крутящего момента, который мог быть получен, если бы обе катушки были задействованы. Другими словами, униполярные электродвигатели должны быть в два раза более габаритными, по сравнению с биполярным двигателем, чтобы обеспечить такой же крутящий момент. Однополярный двигатель может использоваться как биполярный двигатель. Для этого нужно оставить общий провод неподключенным.

Униполярные двигатели могут иметь 5 или 6 выводов для подключения. На рисунке выше продемонстрирован униполярный мотор с 6 выводами. Существуют двигатели, в которых два общих провода соединены внутри. В этом случае, мотор имеет 5 клемм для подключения.

8-выводной шаговый двигатель

Это наиболее гибкий шаговый мотор в плане подключения. Все обмотки имеют выводы с двух сторон:

Этот двигатель может быть подключен любым из возможных способов. Он может быть подключен как: