Введение

Электродвигатель для дискретных частичных вращений

Шаговый двигатель, также известный как пошаговый двигатель или двигатель с шаговым перемещением, — это электродвигатель, который вращается серией небольших угловых шагов, а не непрерывно. Шаговые двигатели являются типом цифрового исполнительного механизма. Как и другие электромагнитные исполнительные механизмы, они преобразуют электрическую энергию в механическое положение, которым можно управлять и которое можно удерживать на одном из этих шагов без каких-либо датчиков положения для обратной связи (система управления с разомкнутым контуром), при условии, что двигатель правильно подобран для конкретного применения с точки зрения крутящего момента и скорости. Двигатели с переключением неохоты — это очень большие шаговые двигатели с уменьшенным числом полюсов, которые, как правило, коммутируются в замкнутом контуре.

Механизм

Двигатели постоянного тока с щетками вращаются непрерывно при подаче напряжения постоянного тока на их выводы. Шаговый двигатель известен своей способностью преобразовывать последовательность входных импульсов (обычно прямоугольных) в точно определенное приращение угла поворота вала. Каждый импульс поворачивает вал на фиксированный угол. Шаговые двигатели по сути состоят из нескольких "зубчатых" электромагнитов, расположенных в виде статора вокруг центрального ротора – куска железа в форме зубчатого колеса. Электромагниты питаются от внешней схемы управления или микроконтроллера. Чтобы вращать вал двигателя, сначала подается питание на один электромагнит, который магнитным образом притягивает зубья колеса. Когда зубья колеса выравниваются с первым электромагнитом, они слегка смещены относительно следующего. Это означает, что при включении следующего электромагнита и выключении первого, колесо немного поворачивается, чтобы выровняться со следующим. Затем процесс повторяется. Каждое из этих частичных вращений называется "шагом", а целое число шагов составляет полный оборот. Таким образом, двигатель можно повернуть на точный угол. Круговая компоновка электромагнитов разделена на группы, каждая из которых называется фазой, и в каждой группе содержится одинаковое количество электромагнитов. Количество групп выбирается конструктором шагового двигателя. Электромагниты каждой группы чередуются с электромагнитами других групп, образуя равномерный рисунок расположения. Например, если шаговый двигатель имеет две группы, обозначенные как A или B, и в общей сложности десять электромагнитов, то схема группировки будет ABABABABAB. Электромагниты в пределах одной группы включаются одновременно. Поэтому шаговые двигатели с большим количеством фаз обычно имеют больше проводов (или выводов) для управления двигателем.

Двухфазная

Существует два основных способа обмотки электромагнитных катушек в двухфазном шаговом двигателе: биполярный и униполярный.

Моторы однополярные

У однополярного шагового двигателя имеется одна обмотка с центральным отводом на фазу. Каждая секция обмотки включается для каждого направления магнитного поля. Поскольку в такой конфигурации магнитный полюс можно изменить без переключения полярности общего провода, коммутационная схема может быть реализована всего одним переключающим транзистором на каждую половину обмотки. Как правило, для каждой фазы центральные отводы всех обмоток объединяются: три провода на фазу и шесть проводов для типичного двухфазного двигателя. Часто эти два общих провода фаз соединены внутри двигателя, поэтому у него всего пять проводов. Микроконтроллер или контроллер шагового двигателя может использоваться для активации управляющих транзисторов в правильной последовательности, и эта простота управления делает однополярные двигатели популярными среди любителей; они, вероятно, являются самым дешевым способом получения точных угловых перемещений. Для исследователя обмотки можно идентифицировать, касаясь концов проводов в двигателях постоянного тока. Если концы катушки соединены, вращать вал становится сложнее. Один из способов отличить центральный отвод (общий провод) от конца катушки – измерить сопротивление. Сопротивление между общим проводом и концом катушки всегда вдвое меньше сопротивления между двумя концами катушки. Это связано с тем, что длина катушки между концами вдвое больше, чем от центра (общего провода) до конца. Быстрый способ проверить работоспособность шагового двигателя – замкнуть попарно его выводы и попытаться повернуть вал. Если при этом ощущается повышенное сопротивление, это указывает на то, что цепь конкретной обмотки замкнута и фаза работает.

Биполярные двигатели

Биполярные двигатели имеют по два вывода обмотки на фазу. Для изменения магнитного полюса необходимо изменить направление тока в обмотке, поэтому схема управления более сложная, обычно с использованием H-моста (однако существует множество готовых драйверных микросхем, упрощающих эту задачу). На фазу приходится два провода, без общего провода. Типичная последовательность управления для двухкатушечного биполярного шагового двигателя: A+ B+ A− B−. То есть, подать положительный ток на катушку A, затем снять ток с катушки A; затем подать положительный ток на катушку B, затем снять ток с катушки B; затем подать отрицательный ток на катушку A (изменяя полярность, например, с помощью H-моста), затем снять ток с катушки A; затем подать отрицательный ток на катушку B (снова изменяя полярность, как и в катушке A); цикл завершен и начинается заново. При использовании H-моста наблюдались эффекты статического трения в зависимости от топологии драйвера. Диспергирование шагового сигнала на частоте, превышающей частоту отклика двигателя, уменьшит этот эффект "статического трения". Благодаря более эффективному использованию обмоток, биполярные двигатели мощнее однополярных двигателей того же веса. Это связано с физическим объемом, занимаемым обмотками. Однополярный двигатель имеет в два раза больше провода на том же пространстве, но только половина используется в любой момент времени, что дает эффективность 50% (или примерно 70% доступного крутящего момента). Хотя биполярный шаговый двигатель сложнее в управлении, большое количество доступных драйверных микросхем значительно упрощает эту задачу. 8-проводный шаговый двигатель аналогичен однополярному, но выводы внутри двигателя не соединены с общим проводом. Этот тип двигателя можно подключить несколькими способами:
Однополярный. Биполярный с последовательным соединением обмоток. Это обеспечивает более высокую индуктивность, но меньший ток на обмотку. Биполярный с параллельным соединением обмоток. Это требует более высокого тока, но может работать лучше, поскольку снижается индуктивность обмотки. Биполярный с одной обмоткой на фазу. Этот метод будет использовать только половину доступных обмоток, что снизит доступный крутящий момент на низких скоростях, но потребует меньшего тока.

Высшее число фаз

Многофазные шаговые двигатели с большим количеством фаз, как правило, демонстрируют значительно более низкий уровень вибрации. Несмотря на более высокую стоимость, они обладают большей удельной мощностью и, при использовании соответствующей управляющей электроники, часто лучше подходят для конкретной задачи.

Контурные схемы драйверов

Производительность шагового двигателя сильно зависит от схемы управления. Кривые момента могут быть расширены до более высоких скоростей, если полюса статора можно переключать быстрее, при этом ограничивающим фактором является комбинация индуктивности обмоток. Для преодоления индуктивности и быстрого переключения обмоток необходимо повысить напряжение питания. Это, в свою очередь, требует ограничения тока, который эти высокие напряжения могут вызвать. Дополнительным ограничением, часто сопоставимым с влиянием индуктивности, является противоЭДС двигателя. При вращении ротора двигателя генерируется синусоидальное напряжение, пропорциональное скорости (частоте шагов). Это переменное напряжение вычитается из формы сигнала напряжения, доступного для изменения тока.

Схемы драйвера ввода/вывода

Схемы L/R также называются драйверами постоянного напряжения, поскольку на каждую обмотку подается постоянное положительное или отрицательное напряжение для установки позиций шагов. Однако крутящий момент на валу шагового двигателя создается током в обмотках, а не напряжением. Ток I в каждой обмотке связан с приложенным напряжением V, индуктивностью обмотки L и сопротивлением обмотки R. Сопротивление R определяет максимальный ток в соответствии с законом Ома I = V/R. Индуктивность L определяет максимальную скорость изменения тока в обмотке согласно формуле для индуктора dI/dt = V/L. В результате, при подаче импульса напряжения, ток быстро нарастает в зависимости от индуктивности, достигает значения V/R и удерживается на этом уровне до конца импульса. Таким образом, при управлении драйвером постоянного напряжения, максимальная скорость шагового двигателя ограничена его индуктивностью, поскольку при определенной скорости напряжение U будет изменяться быстрее, чем ток I успевает за ним. Проще говоря, скорость изменения тока пропорциональна отношению L/R (например, индуктивность 10 мГн при сопротивлении 2 ома потребуется 5 мс для достижения приблизительно 2/3 максимального крутящего момента или около 24 мс для достижения 99% максимального крутящего момента). Для получения высокого крутящего момента на высоких скоростях требуется большое напряжение питания с низким сопротивлением и низкой индуктивностью. В схемах L/R можно управлять низковольтным резистивным двигателем с помощью драйвера более высокого напряжения, просто добавив внешний резистор последовательно с каждой обмоткой. Это приведет к потерям мощности в резисторах и выделению тепла. Поэтому данный вариант считается неэффективным, хотя и простым и недорогим. Современные драйверы напряжения частично решают эти ограничения, аппроксимируя синусоидальную форму напряжения для фаз двигателя. Амплитуда напряжения увеличивается с ростом частоты шагов. При правильной настройке это компенсирует влияние индуктивности и противоЭДС, обеспечивая приемлемую производительность по сравнению с драйверами тока, но за счет более сложной настройки (процедур настройки), которая проще для драйверов тока.

Моторные схемы вертолета

Схемы управления импульсными преобразователями тока называются управляемыми приводами тока, поскольку они генерируют управляемый ток в каждой обмотке, а не подают постоянное напряжение. Схемы управления импульсными преобразователями тока чаще всего используются с двухобмотными биполярными двигателями, при этом обе обмотки управляются независимо для обеспечения определенного крутящего момента двигателя по часовой стрелке (CW) или против часовой стрелки (CCW). На каждую обмотку подается "питающее" напряжение в виде прямоугольной волны, например, 8 кГц. Индуктивность обмотки сглаживает ток, который достигает уровня, соответствующего рабочему циклу прямоугольной волны. Чаще всего на контроллер подаются биполярные напряжения (+ и -) относительно общего провода обмотки. Таким образом, рабочий цикл 50% приводит к нулевому току, 0% – к полному току V/R в одном направлении, а 100% – к полному току в противоположном направлении. Контроллер контролирует этот уровень тока, измеряя напряжение на небольшом измерительном резисторе, включенном последовательно с обмоткой. Это требует дополнительной электроники для измерения токов обмотки и управления переключением, но позволяет управлять шаговыми двигателями с более высоким крутящим моментом на более высоких скоростях, чем при использовании L/R-приводов. Кроме того, это позволяет контроллеру выдавать заранее заданные уровни тока, а не фиксированные. Интегрированная электроника для этих целей широко доступна.

Фазовые формы волн

Шаговый двигатель — это многофазный синхронный двигатель переменного тока (см. Теорию ниже), и для его оптимальной работы требуется синусоидальный ток. Импульсная форма сигнала полного шага является лишь грубым приближением синусоиды и является причиной значительной вибрации двигателя. Для более точного приближения к синусоидальной форме тока были разработаны различные методы управления: полушаговое и микрошаговое режимы.

Волновой привод (одна фаза включена)

При этом методе управления активируется только одна фаза за раз. Он имеет такое же количество шагов, как и привод с полным шагом, но крутящий момент двигателя будет значительно ниже номинального. Он используется редко. Анимированное изображение выше демонстрирует двигатель с волновым приводом. В анимации ротор имеет 25 зубьев, и для поворота на одну позицию требуется 4 шага. Следовательно, на полный оборот приходится 25 * 4 = 100 шагов, а каждый шаг составляет 360/100 = 3,6 градуса.

Полный шаг (две фазы включены)

Это обычный метод управления двигателем в режиме полного шага. Две фазы всегда включены, обеспечивая двигателю максимальный номинальный крутящий момент. Как только одна фаза выключается, сразу включается другая. Волновой режим и однофазный полный шаг – это одно и то же, с одинаковым количеством шагов, но отличающиеся по величине крутящего момента.

Половинчатое движение

При полушаговом режиме работы привод попеременно использует две фазы включения и одну фазу включения. Это повышает угловое разрешение. Мотор также имеет меньший крутящий момент (около 70%) в положении полного шага (когда включена только одна фаза). Это можно компенсировать, увеличив ток в активной обмотке. Преимущество полушагового режима в том, что для его поддержки не требуется изменять схему управления приводом. На анимированном рисунке выше, если переключиться на полушаговый режим, для поворота на один зуб потребуется 8 шагов. Таким образом, на полный оборот приходится 25 × 8 = 200 шагов, и каждый шаг составляет 360/200 = 1,8°. Угол поворота на один шаг вдвое меньше, чем при полном шаге.

Микрошаговка

То, что обычно называют микрошаговым режимом, часто является синусоидально-косинусным микрошагом, при котором ток в обмотках приближается к синусоидальной форме переменного тока. Распространенный способ достижения синусоидально-косинусного тока – использование схем управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Синусоидально-косинусный микрошаг является наиболее распространенной формой, но могут использоваться и другие волновые формы. Независимо от используемой волновой формы, по мере уменьшения размера микрошага работа двигателя становится более плавной, что значительно снижает резонанс в любых частях, к которым подключен двигатель, а также в самом двигателе. Разрешение будет ограничено механическим трением, люфтом и другими источниками погрешностей между двигателем и конечным устройством. Редукторы могут использоваться для повышения разрешения позиционирования. Уменьшение размера шага – важная характеристика шаговых двигателей и фундаментальная причина их использования в системах позиционирования. Например, многие современные гибридные шаговые двигатели рассчитаны таким образом, что перемещение каждого полного шага (например, 1,8 градуса на полный шаг или 200 полных шагов на оборот) будет находиться в пределах 3% или 5% от перемещения любого другого полного шага, при условии, что двигатель работает в пределах указанных рабочих диапазонов. Некоторые производители демонстрируют, что их двигатели могут легко поддерживать равенство размера шага в пределах 3% или 5% при уменьшении размера шага от полного шага до 1/10 шага. Однако, по мере увеличения числа делителей микрошага, повторяемость шага ухудшается. При значительном уменьшении размера шага возможно отправлять множество команд микрошага, прежде чем произойдет какое-либо движение, и тогда это движение может быть "скачком" в новую позицию. Некоторые интегральные схемы управления шаговым двигателем используют повышенный ток для минимизации пропущенных шагов, особенно когда пиковые импульсы тока в одной фазе в противном случае были бы очень короткими.

Теория

Шаговый двигатель можно рассматривать как синхронный двигатель переменного тока с увеличенным числом полюсов (как на роторе, так и на статоре), при этом число полюсов должно быть взаимно простым. Кроме того, использование мягкого магнитного материала с большим количеством зубьев на роторе и статоре позволяет недорого увеличить число полюсов (реактивный двигатель). Современные шаговые двигатели имеют гибридную конструкцию, сочетающую в себе постоянные магниты и мягкие сердечники из железа. Для достижения полного номинального крутящего момента, обмотки шагового двигателя должны достигать полного номинального тока при каждом шаге. Индуктивность обмоток и противо-ЭДС, возникающая при движении ротора, препятствуют изменению тока управления, поэтому с увеличением скорости двигателя время, в течение которого ток достигает номинального значения, уменьшается, что приводит к снижению крутящего момента. При дальнейшем увеличении скорости ток не достигает номинального значения, и в конечном итоге двигатель перестает развивать крутящий момент.

Втяжной момент

Это показатель крутящего момента, развиваемого шаговым двигателем при работе в установившемся режиме, без разгона. На низких скоростях шаговый двигатель способен синхронизироваться с подаваемой частотой шагов, и этот момент удержания должен преодолевать силу трения и инерцию. Важно, чтобы нагрузка на двигатель была преимущественно обусловлена трением, а не инерцией, поскольку трение снижает нежелательные колебания. Кривая момента удержания определяет область, называемую областью запуска/остановки. В пределах этой области двигатель может быть мгновенно запущен или остановлен под нагрузкой без срыва синхронизма.

Вытяжной момент

Вытяжной момент шагового двигателя измеряется путем разгона двигателя до заданной скорости и последующего увеличения крутящего момента нагрузки до момента остановки двигателя или срыва шагов. Это измерение выполняется в широком диапазоне скоростей, а полученные результаты используются для построения кривой динамических характеристик шагового двигателя. Как указано ниже, на эту кривую влияют напряжение питания, ток управления и методы коммутации тока. Разработчик может предусмотреть запас по крутящему моменту между номинальным значением и расчетным крутящим моментом при полной нагрузке, требуемым для конкретного применения.

Двойной момент сдерживания

Синхронные электродвигатели с постоянными магнитами обладают удерживающим моментом, возникающим за счет резонанса (называемым моментом удерживания или коггационным моментом, и иногда указываемым в технических характеристиках), когда они не находятся под электрическим приводом. Сердечники из мягкого железа не демонстрируют подобного поведения.

Звон и резонанс

Когда двигатель перемещается на один шаг, он перескакивает конечную точку останова и совершает колебания вокруг этой точки, пока не остановится. Этот нежелательный эффект "звона" проявляется как вибрация ротора двигателя и особенно заметен в двигателях, работающих без нагрузки. Двигатель, работающий без нагрузки или с недостаточной нагрузкой, может и часто будет останавливаться, если вибрация приведет к потере синхронизации. Шаговые двигатели имеют собственную частоту работы. Когда частота возбуждения совпадает с этой резонансной частотой, "звон" усиливается, шаги могут быть пропущены, и вероятность остановки возрастает. Резонансную частоту двигателя можно рассчитать по формуле:

где – удерживающий момент в Н·м, – количество пар полюсов, а – момент инерции ротора в кг·м². Величина нежелательного "звона" зависит от противо-ЭДС, возникающей из-за скорости вращения ротора. Возникающий ток способствует демпфированию, поэтому характеристики схемы управления имеют важное значение. Колебания ротора можно описать с точки зрения коэффициента демпфирования.

Рейтинги и спецификации

На табличках с указанием характеристик шаговых двигателей обычно приводится только ток обмотки, а иногда и напряжение и сопротивление обмотки. Номинальное напряжение обеспечивает номинальный ток обмотки при постоянном токе, однако эта характеристика в основном не имеет значения, поскольку все современные драйверы имеют ограничение по току, а напряжения драйверов значительно превышают номинальное напряжение двигателя. В документации производителя часто указывается индуктивность. Обратная ЭДС также важна, но редко приводится в спецификациях (ее можно легко измерить с помощью осциллографа). Эти данные могут быть полезны при более глубокой разработке электроники, при отклонении от стандартных напряжений питания, адаптации сторонних драйверов или при выборе между моделями двигателей с аналогичными размерами, напряжением и характеристиками крутящего момента. Крутящий момент шагового двигателя на низких скоростях изменяется пропорционально току. Скорость падения крутящего момента на более высоких скоростях зависит от индуктивности обмотки и схемы управления, к которой она подключена, особенно от напряжения управления. Выбор шагового двигателя должен основываться на опубликованной кривой крутящего момента, указанной производителем для определенных напряжений управления или при использовании их собственной схемы управления. Провалы на кривой крутящего момента указывают на возможные резонансы, влияние которых на применение должно быть учтено разработчиками. Шаговые двигатели, предназначенные для работы в жестких условиях, часто имеют степень защиты IP65.

Шаговые двигатели NEMA

Национальная ассоциация производителей электротехнического оборудования США (NEMA) стандартизирует различные размеры, маркировку и другие характеристики шаговых двигателей в стандарте NEMA (NEMA ICS 16 2001). Шаговые двигатели NEMA классифицируются по размеру монтажного фланца, при этом NEMA 17 обозначает шаговый двигатель с монтажным фланцем и размерами, указанными в дюймах. Стандарт также включает двигатели с размерами монтажного фланца, указанными в метрических единицах. Эти двигатели обычно обозначаются как NEMA DD, где DD – это диаметр монтажного фланца в дюймах, умноженный на 10 (например, у NEMA 17 диаметр составляет 1,7 дюйма). Для более детального описания шаговых двигателей существуют дополнительные спецификации, которые можно найти в стандарте ICS 16 2001.

Приложения

Компьютерные шаговые двигатели — это тип системы управления движением и позиционирования. Как правило, они управляются цифровым способом в составе разомкнутой системы для применений, связанных с удержанием или позиционированием. В лазерной технике и оптике они часто используются в прецизионном позиционирующем оборудовании, таком как линейные актуаторы, линейные столы, поворотные столы, гониометры и держатели зеркал. Другие области применения — упаковочные машины и позиционирование пилотных клапанов в системах управления потоками жидкостей и газов. В коммерческих целях шаговые двигатели применяются в дисководах, планшетных сканерах, компьютерных принтерах, плоттерах, игровых автоматах, сканерах изображений, приводах компакт-дисков, интеллектуальном освещении, объективах камер, станках с ЧПУ и 3D-принтерах. Некоторые энтузиасты программирования использовали массивы шаговых двигателей в качестве электронных музыкальных инструментов, программируя двигатели вращаться с частотами, соответствующими различным музыкальным нотам, в последовательности, имитирующей данные MIDI-файла.

Недостатки

Резонансный эффект часто проявляется на низких скоростях и снижение крутящего момента происходит с увеличением скорости.