Шаговый привод двигателей: разновидности, технические характеристики, особенности и принцип работы

Чтобы тот или иной электрический прибор работал, ему требуется специальный приводной механизм. Одним из таких механизмов является шаговый двигатель. В данном материале вы узнаете, что он собой представляет, какой принцип его работы и на какие категории подразделяется.

Что представляет собой шаговый двигатель?

Шаговый двигатель может быть униполярным или биполярным. Он является электрическим и бесщеточным двигателем постоянно тока, способным делить полный оборот на несколько одинаковых шагов. В него входят такие детали:

• специальный контроллер для шагового привода;
• магнитные части;
• обмотки;
• приборная панель (она же выступает в роли блока управления);
• передатчики;
• сигнализаторы.

Шаговый двигатель используется преимущественно для следующих целей:

• работы фрезерного станка;
• работы шлифовального станка;
• обеспечивает работу разных бытовых приборов;
• работы производственных механических средств;
• обеспечивает работу транспорта.

Принцип работы привода

Принцип работы данного привода выглядит следующим образом. При приложении напряжении к клеммам, щетки на самом шаговом двигателе начинают постоянно двигаться. Движок холостого хода имеет при этом уникальное свойство: он преобразовывает входящие импульсы, имеющие преимущественно прямоугольную направленность, в заранее обозначенное положение приложенного ведущего вала.

Каждый из входящих импульсом способен переместить вал под определенным углом. Приборы, которые оснащены подобным редуктором, имеют максимальную эффективность при условии наличия нескольких зубчатых электромагнитов, которые находятся вокруг центрального железного куска, имеющего зубчатую форму. Внешняя цепь управления возбуждает электромагнит. При необходимости повернуть вал двигателя, тот электромагнит, к которому приложена энергия, притягивает к себе зубья колеса. Когда они выравниваются по отношению к электромагниту, они смещены по отношению к последующей магнитной части двигателя.

Первый электромагнит выключается, а затем включается второй, после чего начинает вращаться шестеренка, выравниваясь при этом с предыдущим колесом. Затем такое действие повторяется необходимое количество раз. Каждое из таких вращений называют постоянным шагом, при этом скорость вращения шагового двигателя можно вычислить при подсчете количества шагов, нужных для полного его оборота.

Чтобы контролировать работу шагового двигателя применяется специальный драйвер. Это необходимо в тех случаях, если вы настраиваете привод для работы станка или применяете его для запуска в работу ветрогенератора.

Типы шаговых двигателей

Шаговые двигатели подразделяются на такие типы:

• с наличием постоянного магнита;
• синхронный гибридный привод;
• переменный двигатель.

Все они несколько отличаются друг от друга, в том числе и по принципам своей работы.

Так, например, приводы с постоянными магнитами оснащены специальной магнитной деталью в роторе. Такие двигатели работают по принципу притяжения либо отталкивания статором и ротором мотора на основе электромагнита.

Переменный двигатель имеет обычный железный ротор и работа его построена по принципу фундаментальности. Когда допускается минимальный уровень отталкивания с самым малым зазором, при этом точки ротора имеют притяжение к полюсам статора.

А вот гибридный привод может сочетать в себе оба принципа работы, он считается наиболее дорогой моделью шаговых двигателей.

Двухфазные шаговые двигатели

Двухфазный мотор очень прост, его можно установить человеку без специального опыта. Независимо от того, собрали ли вы его самостоятельно или приобрели в готовом виде, он имеет два типа обмотки для катушек:

• униполярную;
• биполярную.

Если шаговый двигатель имеет одну обмотку с центральным магнитным краном, влияющим на каждую фазу, то это униполярный привод. Каждую обмоточную секцию следует включить с целью обеспечения нужного направления магнитного поля. В данном приводе магнитный полюс способен функционировать без необходимости дополнительного переключения, поэтому направления тока и цепная коммутация делаются очень просто, при помощи одного транзистора на каждую обмотку. При этом учитываются переключения фазы:

• три провода на фазу;
• шесть на выходной сигнал.

Микроконтроллер двигателя привода можно применять с целью активизации транзистора в той или иной последовательности.

А обмотки можно также подключать при помощи прикосновения проводов соединения вместе с постоянными магнитами привода. При соединении катушечных клемм, повернуть вал будет затруднительно. Сопротивление между катушечным торцом и общим проводом равно половине сопротивления катушечных и проводных торцов. Это выглядит так, поскольку общий провод имеет большую длину, нежели половинная часть, используемая для соединения катушек.

Биполярные шаговые двигатели имеют одну фазовую обмотку, в которую ток поступает переломным способом с применением магнитного полюса. Управляющая система в данном случае будет сложной с использованием соединяющего моста. На фазу имеется в наличии два провода, но они не общие. При смешении сигнала шагового двигателя на высоких частотах, эффект трения системы может быть снижен.

Кроме того, еще одним типом шагового двигателя является трехфазный, но сфера его применения слишком узкая:

• при работе фрезерных станков с ЧПУ;
• на некоторых автомобилях, где применяется дроссельная заслонка;
• на дисководе и принтерах некоторых марок.

Реактивные шаговые двигатели: особенности и принцип работы

Стоит отметить, что активные шаговые приводы имеют большой недостаток: это крупный шаг, достигающий нескольких десятков градусов. В отличие от них, реактивные шаговые двигатели способны редуцировать роторную частоту, благодаря чему шаг становится угловым менее градуса.

Главной особенностью реактивного привода является то, что зубцы размещены на статорных полюсах. Синхронизирующий момент в нем обеспечивается разницей магнитных сопротивлений по поперечной и продольной оси привода.

Реактивный шаговый двигатель имеет один ключевой недостаток: в нем отсутствует синхронизирующий момент, если обмотки статора обесточены.

Повысить степень редукции двигателя, причем независимо какого, активного или реактивного, можно при использовании многопакетных конструкций, когда зубцы статора сдвигаются друг на друга на часть деления, а ротора каждого пакета не сдвигаются и оси их полюсов одинаковые. Подобная конструкция очень сложная в плане создания и стоит в готовом виде недешево, также к ней потребуется сложный коммутатор.

На сегодняшний день в продаже можно отыскать огромное количество всевозможных конструкций двигателей, которые отличаются по таким параметрам, как:

• количество фаз;
• тип размещения обмотки;
• способы фиксации ротора и т.д.

В индукторных шаговых двигателях момент вращения создается при взаимодействии магнитного поля, которое создается статорными обмотками и постоянного магнита, располагаемого в зубчатой части зазора.

Синхронизирующий момент в индукторном двигателе сам по себе реактивный, благодаря чему получается статорная обмотка, а постоянный магнит способен создавать момент фиксации, благодаря чему ротор удерживается в нужном положении при отсутствующем токе.

В отличие от реактивного шагового двигателя, индукторный, при аналогичном шаге, имеет больший синхронизирующий момент, а также более улучшенные технические характеристики.

Синхронные линейные шаговые двигатели

С целью автоматизации некоторых производственных процессов на предприятии, иногда возникает необходимость перемещения объектов в плоскости. Чтобы это сделать, потребуется использовать специальный преобразователь вращательного движения в поступательное, что достигается путем применения кинематики.

При помощи линейных шаговых двигателей можно преобразовать импульсную команду прямо в линейное перемещение, что значительно упростит кинематическую схему всевозможных электрических приводов.

Статор в данном приводе представлен в виде магнитомягкой плиты, а провода подмагничиваются путем работы постоянного магнита.

Зубцовые деления в статоре и подвижной части одинаковые, при этом они могут быть сдвинуты на половину деления в пределах одного провода ротора. Поток подмагничивания и его магнитное сопротивление, в данном случае, не зависят от того, где находится подвижная часть двигателя.

Чтобы переместить объект в плоскости согласно двум координатам, применяют двигатели двухкоординатного типа.

Также в линейных двигателях используется магнитно-воздушная подвеска. Благодаря силе магнитного притяжения ротор притягивается к статору. Далее под ротор сквозь форсунки нагнетают воздух в сжатом виде, вследствие чего появляется сила, отталкивающая ротор от статора. Так между ними возникает воздушная подушка и ротор висит над статором с наличием минимально зазора. Это и обеспечивает минимум сопротивления движения ротора и высокоточное позиционирование.

В каких режимах способен работать синхронный шаговый двигатель?

Привод способен работать устойчиво при условии отсутствия потерь шагов во время отработки угла при подаче на обмотки управления импульсных серий. При отработке каждого шага ротор имеет уверенное равновесие по отношению к вектору магнитной индукции, относящейся к магнитному полю статора.

Режим отработки каждого шага должен соответствовать количеству импульсов управления, которые подаются на обмотки привода, а он при этом, до момента прихода следующего импульса, должен отработать заданный ему угол вращения. В начале каждого из шагов угловая двигательная скорость должна быть нулевой.

Допускаются колебания углового приводного вала по отношению к установившемуся значению. Они обуславливаются наличием кинетической энергии, которая накапливается двигательным валом во время отработки угла. При этом энергия способная преобразовываться в потери:

• магнитные;
• механические;
• электрические.

Чем больше их величина, тем быстрее кончается процесс перехода отработки одного шага приводом.

При запуске ротор может иметь отставание от статорного потока на шаг и даже больше, вследствие чего получается расхождение между количеством роторных шагов и статорным потоком.

Ключевые характеристики шагового двигателя – это:

• шаг;
• предельная механическая характеристика;
• приемистость.

Предельная характеристика представляет собой зависимость максимально возможного синхронизирующего момента от частот управляющих импульсов.

А приемистостью называется частота этих импульсов, которая исключает возможность потерь или добавлений шага во время обработки. Приемистость считается ключевым показателем режима перехода в двигателе. Она способна расти вместе с синхронизирующим моментом, снижением шага, инерционным моментом линейно перемещаемых или вращаемых частиц, а также статического момента сопротивления.

Особенности подключения шагового двигателя

Подключить двигатель шагового типа можно по той или иной схеме, которая зависит от количества проводов и способов запуска.

Двигатели могут иметь от четырех до восьми проводов. Если их всего четыре, то применение двигателя возможно только с биполярным устройством. Каждая фазная обмотка, которых всего две, оснащена двумя проводами. Определять проводные пары следует с использованием метра, затем подключается драйвер пошаговым методом.

Мотор, оснащенный шестью проводами, включает в себя два провода для каждой обмотки и центральный кран, тоже для каждой из них. Его можно подключать и к однополярному, и к биполярному устройству. Для разделения привода следует применять специальный прибор для измерения. К однополярному устройству привод можно подключать с использованием всех шести проводов, а к однополярному будет достаточного одного конца и одного центрального крана от каждой обмотки.

Пятипроводной мотор практически не отличается от предыдущего, однако, его центральные клеммы изнутри соединены как один сплошной кабель и имеют один выход к одному из проводов. Не следует отделять обмотки друг от друга, иначе можно их разорвать. Вместо этого лучше определить центр провода и соединить его с другими проводниками, это будет максимально эффективное решение подключения. После этого можете подключать само устройство и проверять его на работоспособность.

Ключевые технические характеристики двигателей

Первичная обмотка при постоянном токе создает номинальное напряжение. А первоначальная скорость крутящего момента привода меняется вместе с током. От того, какова схема двигателя и от индуктивности его обмоток зависит время снижения линейного момента на более высоких скоростях. Некоторые марки двигателей, имеющие степень защиты IP65, способны работать в самых трудных условиях.

Если вы желаете выбрать готовую модель шагового двигателя отечественного производства, обратите внимание на основные технические характеристики наиболее известных моделей:

• ШД-1 – градус шага равен 15, 4 фазы, крутящий момент составляет 40 Нт;
• ДШ-0,04А – градус шага 22,5, 4 фазы, крутящий момент 100 Нт;
• ДШИ 200 – градус шага 1,8, 4 фазы, крутящий момент 0,25 Нт;
• ДШ-6 – градус шага – 18, 4 фазы, крутящий момент 2300 Нт.

Также среди покупателей спросом пользуются такие модели, как:

• четырехфазный ДШР-40;
• SM-200-0.22;
• Purelogic R&D с энкодером;
• NEMA 23;
• STH-39D1112;
• SP-57;
• SanyoDenkiSM28.

При подборе нужного двигателя, необходимо произвести расчет параметров мощности, напряжения и крутящего момента.

Одной из проблем работы шагового двигателя является управление приборов при отсутствии контроллера. Чтобы с этим справиться, следует взять специальный блок логической связи, помогающий управлять двигателем при отсутствии соответствующей микросхемы. Однако, лучше всего контролировать работу шаговых двигателей при помощи специального контроллера.

Средняя стоимость шагового привода в крупных городах России и Украины

Стоимость данного прибора зависит непосредственно от таких показателей, как:

• тип двигателя;
• мощность конструкции;
• назначение.

Средняя стоимость однополярного шагового двигателя составляет:

• Москва – 3000 у.е.;
• Санкт-Петербург – 3500 у.е.;
• Киев – 3500 у.е.;
• Харьков – 4000 у.е.

Итак, мы рассказали, что такое шаговый двигатель, по какому принципу он работает, на какие категории подразделяется и какими свойствами отличается. Надеемся, что это облегчит ваш выбор при необходимости приобретения данного устройства.