Шаговые двигатели

Шаговый электродвигатель это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками. Ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения ротора, они же шаги. Именно поэтому двигатель называется шаговым. Для управления шаговым двигателем используется специальный контроллер, который называют драйвером шагового двигателя.

Шаговые двигатели стандартизованы национальной ассоциацией производителей электрооборудования NEMA по посадочным размерам и размеру фланца. Самые ходовые типоразмеры это NEMA 17 с фланцем 42*42мм, NEMA 23 с фланцем 57*57мм и NEMA 34 размером 86*86мм соответственно. Шаговые электродвигатели NEMA 17 могут создавать крутящий момент приблизительно до 6 кг*см, NEMA 23 до 30 кг*см и NEMA 34 до 120 кг*см.

Как устроен шаговый двигатель

Конструктивно шаговые двигатели можно поделить на три больших класса – это двигатели с переменным магнитным сопротивлением, двигатели с постоянными магнитами и гибридный класс, сочетающий характеристики первых двух. 

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют несколько полюсов на статоре и ротор из магнитомягкого материала, который не сохраняет остаточную намагниченность. Для простоты ротор на рисунке имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Двигатель на рисунке имеет шаг 30 град.

При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которых находится запитанная обмотка. Если затем выключить эту обмотку и включить следующую, то ротор поменяет положение, снова замкнув своими зубцами магнитный поток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение, нужно включать фазы попеременно. Такой двигатель не чувствителен к направлению тока в обмотках, а из-за того, что ротор не имеет магнитных свойств, данный тип двигателя может работать на высоких оборотах. Так же данный тип двигателя легко отличить от других шаговиков, просто повращав его за вал, когда он отключен. Вал будет крутиться свободно, тогда как у остальных типов явно будут ощущаться шаги. Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой, что вместе с соответствующими зубцами ротора обеспечивает уменьшение значения угла шага до нескольких градусов. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением сейчас почти не используют.

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора с обмотками и ротора, содержащего постоянные магниты. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.

Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Статор имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах. Двигатель на рисунке имеет величину шага 30 град, так же, как и предыдущий. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга и для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют от 48 до 24 шагов на оборот, что соответствует углам шага 7.5 – 15 град).

На практике двигатель с постоянными магнитами выглядит, например, вот так. Увидеть такой двигатель можно в лазерном принтере.
Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, которая ограничивает максимальную скорость. Это значит, что при свободном выбеге на больших оборотах двигатель сработает как генератор и может сжечь драйвер током, который сам и сгенерирует. Это же относится и к гибридным двигателям.

Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты шаговых двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Гибридные шаговые двигатели обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость, чем двигатели с переменным магнитным сопротивлением и двигатели с постоянными магнитами.

Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400, что соответсвует углам шага 3.6 – 0.9 градусов. Ротор показанного на рисунке двигателя имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель имеет 2 фазы, поэтому полное количество полюсов – 200, а шаг, соответственно, 1.8 град.

Выглядит гибридный двигатель, например, вот так.

Большинство современных шаговых двигателей являются именно гибридными, поэтому давайте подробней рассмотрим устройство шаговых двигателей этого типа.

Ротор двигателя разделен поперек на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Благодаря этому зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для двигателей с шагов в 3,6 градуса и 8 основных полюсов в случае шагов в 1.8 и 0.9 градусов. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.

Посмотрим на продольное сечение гибридного шагового двигателя. Стрелками показано направление магнитного потока постоянного магнита ротора. Часть потока (на рисунке показана черной линией) проходит через полюсные наконечники ротора, воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании момента.

Как видно на рисунке, воздушные зазоры у верхнего и нижнего полюсного наконечника ротора разные. Это достигается благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубьев, что очень хорошо было видно на предыдущем фото. Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальные воздушные зазоры и, как следствие, обладает минимальным магнитным сопротивлением. По этой цепи замыкается другая часть потока (на рисунке показана штриховой белой линией), которая и создает момент. Часть цепи лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку, поэтому она не показана. В этой же плоскости создают магнитный поток катушки статора. В гибридном двигателе этот поток частично замыкается полюсными наконечниками ротора и слабо влияет на постоянный магнит. Поэтому в отличие от двигателей постоянного тока, магнит гибридного шагового двигателя невозможно размагнитить ни при какой величине тока обмоток.

Величина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая, около 0.1 мм. Это требует высокой точности при сборке, поэтому шаговый двигатель не стоит разбирать ради удовлетворения любопытства, иначе на этом его служба может закончиться.

Чтобы магнитный поток не замыкался через вал, который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных марок стали.
Для получения больших моментов необходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и поле постоянного магнита . При этом требуется больший диаметр ротора, что ухудшает отношение крутящего момента к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногда конструктивно выполняют из нескольких секций в виде этажерки. Крутящий момент и момент инерции увеличиваются пропорционально количеству секций, а их отношение не ухудшается.

Мы рассмотрели устройство самого «железа» шаговых двигателей, но помимо этого двигатели можно еще поделить по количеству и способу коммутации их обмоток.

Тут всего два основных вида – биполярный и униполярный

Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой или полумостовой драйвер. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода. Примером распространенного биполярного двигателя может быть шаговый двигатель марки 17HS4401

Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера, который в случае униполярного двигателя должен иметь только 4 простых ключа. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 выводов, как на рисунке, или 6 выводов в случае если выводы AB и CD разъединены. Униполярный двигатель с двумя обмотками и отводами можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными.

Примером распространенного униполярного двигателя с пятью выводами может быть шаговый двигатель марки 28BYJ-48. Данный двигатель можно переделать в биполярный, разделив выводы AB и CD, для чего достаточно перерезать одну из перемычек на плате под синей крышкой.

Иногда двигатели имеют 4 раздельные обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными или четырехобмоточными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8. При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать и как униполярный, и как биполярный.

Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность, а значит при одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент. Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путей для повышения магнитного поля два – это увеличение тока или числа витков обмоток. Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника, однако на практике гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя в следствии потерь из-за омического сопротивления обмоток. Тут и проявляется преимущество конструкции биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток, а другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра или увеличивать габариты двигателя. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки. Иными словами, на биполярный двигатель той же мощности надо намотать в два раза меньше медного обмоточного провода, чем на униполярный, а случае, если обмотки равны по массе, то биполярный двигатель будет мощнее примерно на 40%.

На практике можно встретить оба типа двигателей, так как биполярные дешевле из-за меньшей материалоемкости, а униполярные требуют значительно более простых драйверов. В настоящее время наиболее широко распространены гибридные биполярные двигатели.

Где приобрести ШД? Вы можете купить шаговые двигатели в нашем магазине 3DIY с доставкой по всей России!

Управление шаговым двигателем

Независимо от того, какой драйвер или двигатель использован, управление шаговым двигателем может осуществляться в одном из трёх режимов:

• полношаговое

• полушаговое

• микрошаговое

Полношаговый режим управления ШД подразумевает попеременную коммутацию фаз без перекрытия, при этом единовременно к источнику напряжения подключена только одна из фаз. При таком способе управления на каждый полный шаг электродвигателя приходится одна фаза и точки равновесия ротора идентичны полюсам статора. Данный режим имеет и недостаток: в случае с биполярным двигателем в полношаговом режиме в один и тот же момент задействуется только половина обмоток, с униполярным – четверть. Существует и другой вариант полношагового управления, подразумевающий единовременное включение двух фаз. Такой способ управления ШД основан на фиксации ротора между полюсами статора благодаря подаче питания на обмотки, при этом на полный шаг приходится две фазы. При этом способе управления точка равновесия ротора смещается на половину шага относительно способа с одной фазой, а момент возрастает примерно на 40 процентов.

Применение полушагового режима управления шаговым двигателем позволяет увеличить количество шагов, приходящихся на один оборот ротора, в два раза. При работе ШД в таком режиме на каждый второй шаг приходится включение одной из фаз, а между шагами включаются сразу обе. Фактически это комбинация переменного включения однофазного и двухфазного полношаговых режимов.

Микрошаговый режим управления ШД применяется тогда, когда необходимо получение максимально большого количества шагов, приходящихся на оборот ротора. При работе в таком режиме так же работают две фазы, однако токи обмоток в данном случае распределяются неравномерно, а не 50/50, как в полушаговом. Величина микрошага зависит от конкретного устройства и настроек драйвера. При работе в микрошаговом режиме точность позиционирования ШД значительно повышается, однако требуется более сложный драйвер двигателя.

Где приобрести драйвера ШД?Купить драйвера шаговых двигателей можно у нас в онлайн магазине с доставкой!

 Конструктивные исполнения ШД

Обычный шаговый двигатель 

Двигатель с полым валом

Шаговые двигатели с полым валом применяются когда существует необходимость передачи крутящего момента без применения соединительных муфт, например для использования в ограниченном пространстве. Так же сквозь него можно продеть длинный вал, который будет торчать с двух сторон и синхронно крутить что-то с одной и с другой стороны.

Двигатель со встроенной в вал приводной гайкой 

Такой вид двигателя может найти применение в том случае, если требуется быстрое перемещение на большое расстояние. Длинный винт на высоких оборотах ведет себя подобно скакалке, а при использовании такого мотора винт можно неподвижно натянуть между опорами, а сам мотор закрепить на подвижной части оборудования. Тогда длина и нежесткость винта не будет влиять на максимальную скорость.

Двигатель с двойным валом

В этом исполнении двигатель имеет удлиненный вал, длинный конец которого выступает со стороны задней крышки. На этот удлиненный вал можно повесить барашек, чтоб можно было выставить положение вала вручную, повесить энкодер и получить сервошаговый двигатель, а можно повесить дополнительный шкив или винт, которые будут работать абсолютно синхронно с передним валом.

Двигатель с винтом вместо вала

Находят себе применение например в 3д принтерах или в любом другом месте, где хочется сэкономить место не только на муфте между валом и винтом, но и на подшипниковой опоре винта, роль которой в данном случае выполняют подшипники двигателя.

Двигатель со встроенным тормозом

Позволяет зафиксировать вал в нужной позиции дополнительно к удержанию самим шаговиком. Так же позволяет удерживать вал в случае отключения питания двигателя.

Двигатель с редуктором

Редуктор позволяет понизить обороты двигателя и поднять его крутящий момент. Данное исполнение редко встречается в связи с тем, что шаговые двигатели и так имеют значительный момент на низких оборотах и сами по себе могут достигать весьма низких скоростей вращения.

Двигатель с энкодером

Он же сервошаговый двигатель. Фактически это сервопривод на шаговом двигателе. На удлиненный вал со стороны задней крышки монтируется энкодер в корпусе и благодаря этому мы получаем обратную связь о положении вала двигателя. В случае пропуска шагов двигателем контроллер узнает об этом и ориентируясь на показания энкодера будет подавать дополнительные импульсы до тех пор, пока вал не займет нужное положение. Сервошаговый двигатель используется со своим специальным драйвером, который имеет вход для подключения энкодера.

Преимущества шагового двигателя

• угол поворота ротора определяется числом поданных импульсов. Шаговый двигатель крутится не плавно, а шагами, шаг имеет определенную величину. Поэтому чтобы повернуть вал в нужное положение мы просто подаем известное нам количество импульсов.
• зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи. Один шаг – один импульс. Какое количество импульсов подали, в то положение двигатель и шагнул.
• двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки. Это хорошо тем, что для фиксации положения вала запитанному двигателю не нужен тормоз, можно тормозить его при помощи драйвера.
• прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность от 3 до 5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу, так как на один оборот двигателя приходится неизменное количество шагов, совершив которые мы всегда получим поворот на 360 градусов.
• высокая надежность. Высокая надежность двигателя связанна с отсутствием щеток. Срок службы фактически определяется сроком службы подшипников
• возможность получения низких скоростей вращения. Для получения низкой скорости вращения двигателя достаточно замедлить скорость подачи импульсов, тогда двигатель будет медленнее шагать и скорость его вращения будет небольшой.
• большой крутящий момент на низких скоростях. Большой крутящий момент на низких оборотах позволяет отказаться от применения редуктора, что упрощает конструкцию оборудования
• может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей. Скорость вращения двигателя пропорциональна частоте входных импульсов, подавая их быстрее или медленнее мы так же влияем и на скорость вращения.

Недостатки шагового двигателя:

• шаговым двигателем присуще явление резонанса. Шаговые двигатели обладают собственной резонансной частотой. Это связано с тем, что ротор после подачи тока в обмотку некоторое время колеблется, прежде чем зафиксироваться в конечном положении, и колебания тем сильней, чем больше инерция ротора. Резонанс приводит к повышенному шуму, вибрациям и падению крутящего момента двигателя. Один из способов победить резонанс – увеличить деление шага. Мелкие перемещения в микрошаге не требуют длительных разгона и фиксации ротора, быстро останавливают его между шагами и увеличивают частоту шагания выше резонансной.

• возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи. При превышении усилия на валу выше того, который может создать двигатель, он начнет пропускать шаги. Так как у двигателя нет обратной связи, то контроллер не может узнать об этом и даже если двигатель начнет вращаться снова, стартует он уже из неправильного рабочего положения. Для устранения этого недостатка можно использовать сервошаговый двигатель или увеличить момент на валу, повысив напряжение, настроив драйвер на больший ток или заменив двигатель на более мощный.
• потребляет энергию независимо от нагрузки. Шаговый двигатель в промежуточном положении фиксируется с полным моментом. Шагает он тоже с полным моментом. Поэтому он продолжает потреблять электричество без особой зависимости от нагрузки на валу. Снизить общее потребление энергии двигателем мы можем применив драйвера, которые уменьшают подаваемый в режиме удержания ток.
• затруднена работа на высоких скоростях. На высоких скоростях вращения шаговый двигатель значительно теряет момент и при достижении определенной частоты оборотов момент становится настолько мал, что вал не может дальше крутиться. В этом момент двигатель останавливается и гудит с частотой подаваемых импульсов. Этот недостаток можно устранить, повысив питающее напряжение, что увеличит крутящий момент как на повышенных, так и на пониженных оборотах, использовать более продвинутый драйвер, который на высоких скоростях вращения переходит на полношаговый режим управления двигателем или попросту заменив шаговик на сервопривод, который рассчитан на высокие скорости.
• невысокая удельная мощность.Шаговый двигатель по удельной мощности на грамм веса не самый энергонасыщенный электропривод. Сделать с этим мы ничего не можем.
• относительно сложная схема управления.Драйвера шаговых двигателей насыщены электроникой. Тут мы тоже не можем что-то изменить.

Как выбрать шаговый двигатель? На какие параметры обратить внимание.

1. вида двигателя (его размеры)
2. тока фазы
3. индуктивность

Что касается вида двигателя, то при отсутствии каких-то определенных предпочтений мы бы рекомендовали использовать биполярные шаговые двигатели с 4 выводами, так как они наиболее распространены и, что не менее важно, не менее распространены драйвера для них. То есть случае какой-либо поломки вы легко найдете замену и отремонтируете станок.
Размер двигателя и его ток проще всего подобрать, ориентируясь на готовые станки от известных производителей, которые близки к конструируемому по размерам и характеристикам - проверенная конструкция означает, что двигатели уже подобраны оптимальным образом и можно взять их характеристики за основу. Производитель двигателя в данном случае не особо важен, так как ввиду отработанной технологии производства их характеристики у разных производителей примерно одинаковые.
Остается одна характеристика – индуктивность.

При одинаковом напряжении питания двигатели с большей индуктивностью имеют больший момент на низких оборотах, и меньший – на высоких, как видно из графика. Но большая индуктивность потенциально дает вам возможность получить больший крутящий момент, повысив напряжение питания, тогда как при использовании двигателей с небольшой индуктивностью повышение напряжения может привести к тому, что двигатель будет перегреваться без заметной прибавки в характеристиках. Это связано с тем, что нарастание тока в обмотках с низкой индуктивностью идет быстрее и мы легко можем получить среднее значение тока выше номинального, а как следствие этого – перегрев. Таким образом при прочих равных лучше выбрать двигатель с большим значением индуктивности.