Шаговый двигатель постоянного тока принцип работы

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ЛЮБЫХ МОДЕЛЕЙ ______________ _____________ СО СКЛАДА И ПОД ЗАКАЗ

Самое популярное

Календарь

Анонсы новостей

Стоматологические услуги и процедуры

Современные люди, что сталкиваются с болями или заболеваниями зубов, предпочитают обращаться в проверенные центры и клиники, в которых работают опытные, квалифицированные врачи. Например, такая стоматология в санкт петербурге, как «Хорошая стоматолог.

Архив новостей

• Май, 2011
• Апрель, 2011
• Март, 2011
• Февраль, 2011
• Январь, 2011

Шаговые двигатели: принцип действия и отличия от двигателей постоянного тока

Шаговые двигатели: принцип действия и отличия от двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами Lenze начинают работать сразу, как только к якорной обмотке будет приложено постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором — коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре.

Шаговый двигатель (ШД) может быть рассмотрен как ДПТ без коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.

Принято различать шаговые двигатели (Autonics, Motionking, Fulling motor) и серводвигатели (Lenze). Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом (дискретном) режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора) и плавности вращения синхронного двигателя. Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению, в качестве которого обычно используется резольвер или sin/cos энкодер. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении. В то время как синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.

Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод

Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода.

а это упрощение приходится платить более сложным реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.

Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ-модуляции.

Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.

Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.

Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных применений.

Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.

Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.

В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя.

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.

Русские Блоги

Двигатели постоянного тока и шаговые двигатели

1 двигатель постоянного тока

1.1 Что такое мотор

1.2 Общие двигатели

(1) Двигатель переменного тока: двухфазный, трехфазный.

(2) Двигатель постоянного тока: постоянный магнит, возбуждение.

(3) Шаговый двигатель, серводвигатель.

1.3 Подробное описание двигателя постоянного тока

(2) Электромонтаж и принцип работы.

(3) Проблема с приводом двигателя постоянного тока: он не может напрямую управляться портом ввода-вывода.

1.4 Эксперимент с двигателем постоянного тока

(1) Непосредственно подключите двигатель постоянного тока к выводным портам VCC и GND на основной плате макетной платы, чтобы проверить, вращается ли двигатель. Вы также можете поменять местами VCC и GND, чтобы проверить, реверсирует ли двигатель.

(2) Порт ввода-вывода однокристального микрокомпьютера является цифровым портом, и его мощность привода очень мала (до уровня 20 мА), и эта способность привода не может управлять двигателем.

(3) Как правило, однокристальный микрокомпьютер должен использовать специальный чип для привода двигателя. Функция микросхемы привода состоит в преобразовании слаботочного управляющего сигнала однокристального микрокомпьютера в логически идентичный сильноточный источник возбуждения. Это так называемый слабый ток управления сильным током. Микросхема привода двигателя используется для управления двигателем постоянного тока, и анализ конкретной схемы будет подробно описан позже, когда мы будем говорить о шаговых двигателях.

2 Теория шагового двигателя

2.1 Что такое шаговый двигатель

(2) Функциональные характеристики.

(3) Рабочий интерфейс.

2.2 Размер шага

(1) Шаговый двигатель имеет собственный угол шага, и этот параметр связан с самим шаговым двигателем.

(2) В общем, шаговые двигатели могут двигаться только с целым кратным внутреннему углу шага. Перемещение этого внутреннего угла шага называется биением.

(2) Двигатель также имеет метод перемещения, который может быть меньше собственного угла шага. Этот метод называется разделением и поддерживается драйвером двигателя.

2.3 Количество фаз

Вывод: мы используем 2-х фазный шаговый двигатель.

2.4 Сегментация

2.5 Полярность

2.6 ударов

(1) Однофазные четыре удара:
A / B A B / вперед
B / A B A / реверс

Время: A / B A B /
Четыре уровня линий
A A/ B B/
0 1 0 0 Первая доля
0 0 1 0 бит 2
1 0 0 0 Бит 3
0 0 0 1 четвертая доля
В сумме 4 удара составляют полный цикл. В соответствии с этим циклом, когда шаговый двигатель запитан, шаговый двигатель будет вращаться на угол 1 шага.

(2) Двухфазные четыре удара:
A / B AB AB / A / B / Вперед
A / B / AB / AB A / B в обратном направлении

Время: A / B AB AB / A / B /
Четыре уровня линий
A A/ B B/
0 1 1 0 Первая доля
1 0 1 0 бит 2
1 0 0 1 бит 3
0 1 0 1 бит 4

(3) Восемь ударов на полшага:
A / A / B B AB A AB / B / A / B / вперед
A / B / B / AB / A AB B A / B A / реверс

2.7 Контроллер и драйвер

(1) Для набора системы шагового двигателя требуются три части: контроллер + драйвер + шаговый двигатель.

(2) При нормальных обстоятельствах: контроллер представляет собой однокристальный микрокомпьютер, а драйвер, как правило, представляет собой выделенную микросхему привода двигателя, подключенную к порту ввода-вывода однокристального микрокомпьютера (например, TC1508S на нашей плате разработки).

(3) Контроллер отвечает за генерацию сигнала синхронизации, а драйвер отвечает за преобразование сигнала синхронизации в сигнал управления частотой успеха для шагового двигателя.

3 Схематический анализ макетной платы

3.1 Схематический анализ

(1) На схематической диаграмме INA, INB, INC и IND будут подключены к порту ввода-вывода однокристального микрокомпьютера в будущем. Однокристальный микрокомпьютер используется в качестве контроллера. Управляющий сигнал 1 или 0 вводится в микросхему драйвера через порт ввода-вывода однокристального микрокомпьютера. Управляющий сигнал преобразуется TC1117. С четырех выводов OUTA, OUTB, OUTC и OUTD выводятся управляющие сигналы с возможностью управления шаговыми двигателями. .

(2) Подключение: например, 4 контакта порта P0 (на самом деле я использую P0.0-P0.3) могут быть подключены к INA, INB, INC и IND.

(3) Исходные символы выходного терминала — OUTA, OUTB, OUTC, OUTD, но фактические символы с шелкографией на макетной плате: A-, A +, B-, B +. Таким образом, существует соответствующая связь: OUTA соответствует A-, OUTB соответствует A +, OUTC соответствует B-, а OUTD соответствует B +.

(4) Смена символа шелкографии в основном соответствует символу на шаговом двигателе, чтобы мы могли легко подключить проводку без неправильного подключения.

(5) Комбинируя принцип работы шагового двигателя, упомянутого ранее, можно увидеть, что A- и A + являются двумя концами фазовой катушки, а B- и B + — другими катушками.

3.2 Руководство по данным микросхемы драйвера двигателя

4 Практика программирования шагового двигателя

4.1 Подключение

(1) P0.0-P0.3 порта P0 подключены к 4 входным клеммам микросхемы привода двигателя TC1508S.

(2) 4 выходных клеммы TC1508S подключены к шаговым двигателям (соответствуют символам шелкографии).

(3) Согласно приведенной выше схеме подключения, фактическая логика подключения следующая: P0.0 и P0.1 соответствуют одному набору катушек, а P0.2 и P0.3 соответствуют другому набору катушек.

4.2 Однофазный четырехтактный привод

(1) Программирование времени: A / B A B /.

(2) Управление скоростью: скорость регулируется частотой импульсного сигнала, которая фактически является временем задержки.

Шаговые электродвигатели

Сравнительно недавно термин «шаговый двигатель» был известен только узкому кругу инженеров-электриков. Теперь же шаговые двигатели получили почетное право называться лишь своими «инициалами» — ШД свидетельство широкого распространения электрических машин такого типа.

Воображение невольно подсказывает образ ступающей электрической машины с конечностями. Нет, это не робот, хотя шаговый двигатель может управлять одним из его суставов. Сама машина очень проста. Шаговый двигатель можно представить в виде нескольких электромагнитов с импульсными обмотками на неподвижной части (статоре) и якорем, который при переключении обмоток поворачивается или движется поступательно. Чтобы понять, как работает шаговый двигатель, вспомним принцип действия других электрических машин, например синхронных.

На статоре две или три обмотки. Они обтекаются плавно изменяющимися синусоидальными токами. Вместе с током пульсирует электромагнитное поле, создаваемое каждой обмоткой. Токи в обмотках нарастают и спадают не одновременно, а со строго определенным запаздыванием по времени; сами обмотки сдвинуты относительно друг друга и занимают равномерно чередующиеся участки цилиндрической поверхности.

В силу этого две или три пульсирующие волны поля (по числу обмоток) образуют одну бегущую волну. За каждый цикл полного изменения тока в обмотках результирующая волна обегает всю цилиндрическую поверхность расточки статора или ее часть. Поле равномерно вращается, увлекая за собой ротор. Токи в обмотках изменяются непрерывно, поэтому поле в рабочем зазоре и ротор непрерывно вращаются. Движение складывается из множества бесконечно малых перемещений.

А если в какой-то момент остановить изменение токов, заморозить их на достигнутом уровне, все равно каком, как в кинематографе, показывать какое-то время один и тот же кадр? Вместе с токами в обмотках застынет в каком-то положении волна бегущего поля, а вместе с ней остановится и ротор. Дадим смениться группе кадров и снова остановим последний из них, ротор повернется на определенный угол и снова замрет.

Повторим это еще и еще. Машина послушно пошла шагами. Изменять токи в обмотках большими или малыми скачками, замораживая процесс на любом кадре, оказалось очень просто. Достаточно подавать на обмотки вместо непрерывно изменяющихся напряжений ступеньки прямоугольных импульсов. Каждый импульс — шаг, и его можно затянуть при желании до бесконечности, то есть остановить процесс и зафиксировать ротор. Пока импульсы чередуются медленно, двигатель отчетливо шагает.

Наш глаз способен различать несколько десятков шагов в секунду. Но вот кадры замелькали: сто, двести, тысяча, несколько десятков тысяч шагов в секунду. Не только наш глаз, но и чувствительные приборы уже не различают шагов, а видят просто вращение.

Шаговый двигатель бегает, как и раньше, правда, чуть покачиваясь, потому что каждый следующий шаг он делает строго в момент прихода очередной команды, а этот момент может быть не самым удобным. Внутренний автоматизм движений разрушен и заменен слепым повиновением команде. Зато в любой момент, на любом шаге мы можем приказать: «Замри!». Ротор качнется и замрет точно в указанном положении.

Попробуйте сдвинуть его насильственно с места, когда нет команды. Он будет решительно сопротивляться, и, если двигатель приличной комплекции, голыми руками вам его не взять. Электромагнитное поле не хочет расставаться с ротором ни в движении, ни в покое. Это оно держит его в своих цепких объятиях и заставляет повторять за собою все свои шаговые перемещения.

Между прочим, «сшивание» отдельных шагов, а если угодно, элементарных циклов или тактов движения в бесконечную последовательность, воспринимаемое нами как непрерывное вращение с чуть заметными пульсациями скорости, происходит в машине постоянного тока точно так же, как в двигателе внутреннего сгорания. Только там в роли неутомимых операторов выступают не щетки, а электрические свечи.

Поле шагает, потому что электронные ключи по командам извне то открывают, то запрещают доступ тока в обмотки. Шаговый двигатель снабжается электронным мозгом, и его возможности становятся исключительными, иногда необозримыми.

Принципиальная электрическая схема однофазного шагового двигателя с симметричной магнитной системой для часов, счетчиков и приборов промышленной автоматики.

Шаговый двигатель на станке с ЧПУ

Современная техника немыслима без фрезерных, токарных, электроэрозионных и многих других станков с цифровым управлением. Большая часть из них действует благодаря шаговым двигателям.

Шаговые двигатели обосновались в механизмах управления прокатных станов, прессов и других металлургических машин, стали одним из самых распространенных элементов автоматики, работают в электрических часах, таймерах и счетчиках, на кораблях, самолетах и искусственных спутниках Земли — везде, где требуется быстрое, точное и надежное исполнение воли человека.

С расширением рабочих профессий шагового двигателя возникло самостоятельное развитое направление — дискретный электропривод с шаговыми двигателями. У его истоков стояли ученые и инженеры проблемной лаборатории электромеханики МЭИ.

Первую победу шаговый двигатель одержал в 1957 году, когда на Всемирной выставке в Брюсселе, где были представлены различные интересные выставочные стенды, экспонировался первый в мире советский фрезерный станок с цифровым программным управлением. Этот экспонат был удостоен Большой золотой медали и открыл новую страницу в станкостроении.

Устройство, принцип работы и применение шаговых электродвигателей

Подписка на рассылку

• ВКонтакте
• Facebook
• ok
• Twitter
• YouTube
• Instagram
• Яндекс.Дзен
• TikTok

Шаговый тип электродвигателей представляет собой синхронное бесщеточное устройство с парой обмоток, через которые, собственно, и подается ток. Принцип действия электродвигателя подобного типа заключается в том, что ток, передаваемый на одну из обмоток статора, провоцирует фиксацию ротора. Как следствие, попеременная активация обмоток устройства вызывает шаги ротора, иначе говоря, его дискретные угловые перемещения.

Устройство шагового электродвигателя состоит из основы: статора, на котором размещены обмотки, и ротора. Для создания ротора в большинстве случаев используются твердые или мягкие магнитные материалы. При производстве ротора выгоднее использовать магнитный материал, потому как именно шаговый электродвигатель, принцип работы которого основан на магнитном роторе, способен обеспечить больший крутящий момент. К тому же устройство из магнитного материала позволяет добиваться наилучшей фиксации ротора даже при обесточенных обмотках.

Особого внимания заслуживает гибридный вариант шаговых двигателей, который вобрал в себя все лучшие качества электродвигателей с постоянным и переменным магнитным сопротивлением. Ниже мы рассмотрим устройство, принцип работы и применение шаговых электродвигателей-гибридов.

Принцип действия электродвигателя-гибрида основан на использовании основных полюсов, на которых закреплены обмотки. Кстати, благодаря тому что роторные зубцы у смешанной модели расположены в осевом направлении, они способны обеспечивать не только большее количество эквивалентных полюсов, но и оказывают заметно меньшее сопротивление магнитной цепи, что, в свою очередь, улучшает динамический и статический момент. К тому же ротор гибридного электродвигателя имеет постоянный магнит, расположенный между двумя его частями. Таким образом, зубцы верхней роторной части исполняют роль северных полюсов, а зубцы нижней части, соответственно, южных. Количество роторных полюсных пар всегда соответствует количеству зубцов на одной из его частей. Кроме того, зубчатые полюсные наконечники ротора, также как и статора, набираются только из отдельных пластин. Подобное устройство шагового электродвигателя помогает снизить потери, возникающие из-за вихревых токов.

Шаговый электродвигатель, принцип работы которого основан на гибридном использовании постоянного и переменного тока, широко применяется в машиностроении.

Точность определения шага зависит от качества механической обработки ротора и статора электродвигателя. Большинство производителей современных шаговых двигателей готовы гарантировать точность выставления шага до 5 процентов от величины шага.

Однако в приводах большинства механизмов, работающих в старт-стопном режиме, чаще применяется другой тип — шаговый электродвигатель, управление которого связано с интегрированным контроллером. Они способны создавать высокий крутящий момент даже при весьма низких скоростях вращения. Этот тип широко используется в устройствах компьютерной памяти (НГМД, НЖМД и прочие).

Основным преимуществом всех современных шаговых электродвигателей является их точность. Более того, подобные устройства располагают к себе отличным соотношением цены и качества. В частности, шаговые приводы практически в два раза дешевле аналогичных сервоприводов. Шаговые электродвигатели также прекрасно справляются с автоматизацией отдельных систем и узлов, которые не нуждаются в высокой динамике.

Тем не менее у данного типа двигателей имеются и определенные недостатки. В частности, в шаговом двигателе существует довольно высокая вероятность так называемого проскальзывания ротора. Обычно этот недостаток проявляется при чрезмерной нагрузке на вал или при неверной настройке управляющей программы. Поскольку электрически это никоим образом не может быть зафиксировано, то во избежание ошибок при ответственных применениях обычно устанавливают специальные датчики для обратной связи, задачей которых является тщательный контроль над перемещениями и вращениями. К сожалению, подобные датчики имеют достаточно высокую стоимость.