Принцип работы и управления униполярного шагового двигателя

Дмитрий Левкин

Шаговый электродвигатель

— это вращающийся

электродвигатель

с дискретными угловыми перемещениями ротора, осуществляемыми за счет импульсов сигнала управления

[1]

.

Предшественником шагового двигателя является серводвигатель.

Шаговые (импульсные) двигатели непосредственно преобразуют управляющий сигнал в виде последовательности импульсов в пропорциональный числу импульсов и фиксированный угол поворота вала или линейное перемещение механизма без датчика обратной связи. Это обстоятельство упрощает систему привода и заменяет замкнутую систему следящего привода (сервопривода) разомкнутой, обладающей такими преимуществами, как снижение стоимости устройства (меньше элементов) и увеличение точности в связи с фиксацией ротора шагового двигателя при отсутствии импульсов сигнала.

Очевиден и недостаток привода с шаговым двигателем: при сбое импульса дальнейшее слежение происходит с ошибкой в угле, пропорциональной числу пропущенных импульсов [2].

Поэтому в задачах, где требуются высокие характеристики (точность, быстродействие) используются серводвигатели. В остальных же случаях из-за более низкой стоимости, простого управления и неплохой точности обычно используются шаговые двигатели.

Конструкция шагового электродвигателя

Шаговый двигатель, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

Гибридный шаговый электродвигатель

Шаговые двигатели надежны и недороги, так как ротор не имеет контактных колец и коллектора. Ротор имеет либо явно выраженные полюса, либо тонкие зубья. Реактивный шаговый двигатель — имеет ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами. Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах. Гибридный шаговый двигатель имеет составной ротор включающий полюсные наконечники (зубья) из магнитомягкого материала и постоянные магниты. Определить имеет ротор постоянные магниты или нет можно посредством вращения обесточенного двигателя, если при вращении имеется фиксирующий момент и/или пульсации значит ротор выполнен на постоянных магнитах.

Статор шагового двигателя имеет сердечник с явно выраженными полюсами, который обычно делается из ламинированных штампованных листов электротехнической стали для уменьшения вихревых токов и уменьшения нагрева. Статор шагового двигателя обычно имеет от двух до пяти фаз.

Характеристики

Так как шаговый двигатель не предназначен для непрерывного вращения в его параметрах не указывают мощность. Шаговый двигатель — маломощный двигатель по сравнению с другими электродвигателями.

Одним из определяющих параметров шагового двигателя является шаг ротора, то есть угол поворота ротора, соответствующий одному импульсу. Шаговый двигатель делает один шаг в единицу времени в момент изменения импульсов управления. Величина шага зависит от конструкции двигателя: количества обмоток, полюсов и зубьев. В зависимости от конструкции двигателя величина шага может меняться в диапазоне от 90 до 0,75 градусов. С помощью системы управления можно еще добиться уменьшения шага пополам используя соответствующий метод управления.

Типы шаговых двигателей

    По конструкции ротора выделяют три типа шаговых двигателей:

  • реактивный;
  • с постоянными магнитами;
  • гибридный.

Реактивный шаговый двигатель

Реактивный шаговый двигатель — синхронный реактивный двигатель. Статор реактивного шагового двигателя обычно имеет шесть явновыраженных полюсов и три фазы (по два полюса на фазу), ротор — четыре явно выраженных полюса, при такой конструкции двигателя шаг равен 30 градусам. В отличии от других шаговых двигателей выключенный реактивный шаговый двигатель не имеет фиксирующего (тормозящего) момента при вращении вала.

Трехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 30°)

Четырехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 15°)

Ниже представлены осциллограммы управления для трехфазного шагового двигателя.

Униполярное волновое управление

Биполярное полношаговое управление

Биполярное 6-шаговое управление

Осциллограммы управления для четырехфазного шагового двигателя показаны на рисунке ниже. Последовательное включение фаз статора создает вращающееся магнитное поле за которым следует ротор. Однако из-за того, что ротор имеет меньшее количества полюсов, чем статор, ротор поворачивается за один шаг на угол меньше чем угол статора. Для реактивного двигателя угол шага равен:

,

  • где NR — количество полюсов ротора;
  • NS – количество полюсов статора.

Осциллограммы управления 4-х фазным реактивным шаговым двигателем

Чтобы изменить направление вращения ротора (реверс) реактивного шагового двигателя, необходимо поменять схему коммутации обмоток статора, так как изменение полярности импульса не изменяет направления сил, действующих на невозбужденный ротор [2].

Реактивные шаговые двигатели применяются только тогда, когда требуется не очень большой момент и достаточно большого шага угла поворота. Такие двигатели сейчас редко применяются.

    Отличительные черты:

  • ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами;
  • наименее сложный и самый дешевый шаговый двигатель;
  • отсутствует фиксирующий момент в обесточенном состоянии;
  • большой угол шага.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах. Статор обычно имеет две фазы.

По сравнению с реактивными, шаговые двигатели с активным ротором создают большие вращающие моменты, обеспечивают фиксацию ротора при снятии управляющего сигнала. Недостаток двигателей с активным ротором — большой угловой шаг (7,5—90°). Это объясняется технологическими трудностями изготовления ротора с постоянными магнитами при большом числе полюсов. Если угол фиксации находится в диапазоне от 7,5 до 90 градусов скорее всего это шаговый двигатель с постоянными магнитами нежели гибридный шаговый двигатель.

Обмотки могут иметь ответвление в центре для работы с однополярной схемой управления. Двухполярное управление требуется для питания обмоток без центрального ответвления.

    Таким образом по виду обмоток выделяют два типа шаговых двигателей:

  • униполярный (однополярный),
  • биполярный (двухполярный).

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель

Униполярный шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет одну обмотку на фазу с ответвлением в центре. Каждая секция обмотки включается отдельно.

Таким образом расположение магнитных полюсов может быть изменено без изменения направления тока, а схема коммутации может быть выполнена очень просто (например на одном транзисторе) для каждой обмотки. Обычно центральное ответвление каждой фазы делается общим, в результате получается три вывода на фазу и всего шесть для обычного двухфазного двигателя.

Легкое управление однополярными двигателями сделало их популярными для любителей, они возможно являются наиболее дешевым способом чтобы получить точное угловое перемещение.

Схема униполярного двухфазного шагового двигателя

Схема биполярного двухфазного шагового двигателя

Биполярный шаговый двигатель

Двухполярные двигатели имеют одну обмотку на фазу. Для того чтобы изменить магнитную полярность полюсов необходимо изменить направление тока в обмотке, для этого схема управления должна быть более сложной, обычно с H-мостом. Биполярный шаговый двигатель имеет два вывода на фазу и не имеет общего вывода. Так как пространство у биполярного двигателя используется лучше, такие двигатели имеют лучший показатель мощность/объем чем униполярные. Униполярный двигатель имеет двойное количество проводников в том же объеме, но только половина из них используется при работе, тем не менее биполярный двигатель сложнее в управление.

Управление шаговым двигателем с постоянными магнитами

Для управления шаговым двигателем на постоянных магнитах к его обмоткам прикладывается сфазированный переменный ток. На практике это почти всегда прямоугольный сигнал сгенерированный от источника постоянного тока. Биполярная система управления генерирует прямоугольный сигнал изменяющийся от плюса к минусу, например от +2,5 В до -2,5 В. Униполярная система управления меняет направление магнитного потока катушки посредством двух сигналов, которые поочереди подаются на противоположные выводы катушки относительно ее центрального ответвления.

    Существует несколько способов управления:

  • волновое,
  • полношаговое,
  • полушаговое.

Волновое управление

Простейшим способом управления шаговым двигателем является волновое управление. При таком управлении в один момент времени возбуждается только одна обмотка. Но такой способ управления не обеспечивает максимально возможного момента.

Положение ротора шагового двигателя при волновом управлении

Шаговый двигатель с постоянными магнитами может иметь разную схему соединения обмоток статора.

Волновое управление биполярным шаговым двигателем

На рисунке выше представлены схема биполярного шагового двигателя и двухполюсные осциллограммы управления. При таком управлении обе полярности («+» и «-«) подаются на двигатель. Магнитное поле катушки поворачивается за счет того, что полярность токов управления меняется.

Волновое управление униполярным шаговым двигателем

На рисунке выше представлены схема униполярного шагового двигателя и однополюсные осциллограммы управления.Так как для управления униполярным шаговым двигателем требуется только одна полярность это существенно упрощает схему системы управления. При этом требуется генерация четырех сигналов так как необходимо два однополярных сигнала для создания переменного магнитного поля катушки.

Необходимое для работы шагового двигателя переменное магнитное поле может быть создано как униполярным так и биполярным способом. Однако для униполярного управления катушки двигателя должны иметь центральное ответвление.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами может иметь разную схему соединения обмоток статора. Схемы соединения шагового двигателя показаны на рисунке ниже.

Схема 4 выводного биполярного шагового двигателя

Схема 5 выводного униполярного шагового двигателя

Схема 6 выводного униполярного шагового двигателя

Схема 8 выводного шагового двигателя

Шаговый двигатель с 4 выводами может управляться только биполярным способом. 6-выводной двигатель предназначен для управления униполярным способом, несмотря на то, что он также может управляться биполярным способом если игнорировать центральные выводы. 5-выводной двигатель может управляться только униполярным способом, так как общий центральный вывод соединяет обе фазы. 8-выводная конфигурация двигателя встречается редко, но обеспечивает максимальную гибкость. Такой двигатель может быть подключен для управления также как 6- или 5- выводной двигатель. Пара обмоток может быть подключена последовательно для высоковольтного биполярного управления с малыми токами или параллельно для низковольтного управления с большими токами.

    8-выводные двигатели могут быть соединены в нескольких конфигурациях:

  • униполярной;
  • биполярной с последовательным соединением. Больше индуктивность, но ниже ток обмотки;
  • биполярной с параллельным соединением. Больше ток, но ниже индуктивность;
  • биполярной с одной обмоткой на фазу. Метод использует только половину обмоток двигателя при работе, что уменьшает доступный момент на низких оборотах, но требует меньше тока.

Полношаговое управление

Полношаговое управление обеспечивает больший момент, чем волновое управление так как обе обмотки двигателя включены одновременно. Положение ротора при полношаговом управлении показано на рисунке ниже.

Положение ротора шагового двигателя при полношаговом управлении

Полношаговое биполярное управление шаговым двигателем

Полношаговое биполярное управление показанное на рисунке выше имеет такой же шаг как и при волновом управлении. Униполярное управление (не показано) потребует два однополярных управляющих сигнала для каждого биполярного сигнала. Однополярное управление требует менее сложной и дорогой схемы управления. Дополнительная стоимость биполярного управления оправдана когда требуется более высокий момент.

Полушаговое управление

Шаг для данной геометрии шагового двигателя делится пополам. Полушаговое управление обеспечивает большее разрешение при позиционировании вала двигателя.

Положение ротора шагового двигателя при полушаговом управлении

Полушаговое управление — комбинация волнового управления и полношагового управления с питанием по очереди: сначала одной обмотки, затем с питанием обоих обмоток. При таком управлении количество шагов увеличивается в двое по сравнению с другими методами управления.

Полушаговое биполярное управление шаговым двигателем

Гибридный шаговый двигатель

Гибридный шаговый двигатель был создан с целью объединить лучшие свойства обоих шаговых двигателей: реактивного и с постоянными магнитами, что позволило добиться меньшего угла шага. Ротор гибридного шагового двигателя представляет из себя цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль продольной оси с радиальными зубьями из магнитомягкого материала.

Конструкция гибридного шагового двигателя (осевой разрез)

Статор обычно имеет две или четыре фазы распределенные между парами явно выраженных полюсов. Обмотки статора могут иметь центральное ответвление для униполярного управления. Обмотка с центральным ответвлением выполняется с помощью бифилярной намотки.

Гибридный шаговый двигатель (радиальный разрез)

Заметьте что 48 зубьев на одной секции ротора смещены на половину зубцового деления λ относительно другой секции (рисунок ниже). Из-за этого смещения ротор фактически имеет 96 перемежающихся полюсов противоположной полярности.

Ротор гибридного шагового двигателя

Зубья на полюсах статора соответствуют зубьям ротора, исключая отсутствующие зубья в пространстве между полюсами. Таким образом один полюс ротора, скажем южный полюс, можно выровнять со статором в 48 отдельных положениях. Однако зуб южного полюса ротора смещен относительно северного зуба на половину зубцового деления. Поэтому ротор может быть выставлен со статором в 96 отдельных положениях.

Соседние фазы статора гибридного шагового двигателя смещены друг относительно друга на одну четверть зубцового деления λ. В результате ротор перемещается с шагом в четверть зубцового деления во время переменного возбуждения фаз. Другими словами для такого двигателя на один оборот приходится 2×96=192 шага.

    Шаговый гибридный двигатель имеет:

  • шаг меньше, чем у реактивного двигателя и двигателя с постоянными магнитами;
  • ротор — постоянный магнит с тонкими зубьями. Северные и южные зубья ротора смещены на половину зубцового деления для уменьшения шага;
  • полюсы статора имеют такие же зубья как и ротор;
  • статор имеет не менее чем две фазы;
  • зубья соседних полюсов статора смещены на четверть зубцового деления для создания меньшего шага.

Шаговые двигатели широко используются в принтерах, автоматических инструментах, приводах дисководов, автомобильных приборных панелях и других приложениях, требующих высокой точности позиционирования.

ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ: ПРИНЦИП РАБОТЫ
И ОТЛИЧИЯ ОТ ДВИГАТЕЛЕЙ
ПОСТОЯННОГО ТОКА

Двигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами 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 и серводвигатели. 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 используются преимущественно в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении. Синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.

Шаговые двигатели(ШД) делятся на две разновидности: с постоянными магнитами и с переменным магнитным сопротивлением (гибридные). Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис. 1). 

Схема униполярных шаговых двигателей (рис. 1)

Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рис. 2). 

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

Схема биполярных шаговых двигателей (рис. 2)

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 широтно-импульсной 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, остановки, 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 устройств.

Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Она позволяет независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.

На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.

Последовательность управления для режима с единичным шагом. (рис. 3)

На рисунке 4 показана последовательность для режима с половинным шагом.

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.

Последовательность управления для полушагового управления.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от нескольких 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. 

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

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.

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричную и несимметричную.

При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления. 

Принципиальная схема управления шаговым двигателем

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

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

Симметричная схема коммутации

Несимметричная схема коммутации

Число тактов Kt системы управления называют количеством состояний коммутатора за период его работы t. Как видно из рисунков, для симметричной системы управления Kt = 4, а для несимметричной Kt = 8.

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

Kt = mу * n1 * n2,

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 (б) обмоток

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении, а при двуполярной — в обоих. 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 двухполюсный 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:

αш = 360 / Kt * р

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, сдвинутое на один шаг

При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.

Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определяется выражением:

αш = 360 / Kt * Zр

В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, так как 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.

Повышения степени редукции шаговых двигателей как активного, так и реактивного типа, 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, то есть оси их полюсов полностью совпадают. Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной. Кроме того, она 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 — больший синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики.

ЛИНЕЙНЫЕ ШАГОВЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

При автоматизации производственных процессов часто бывает 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.

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом. 

Схема, иллюстрирующая работу линейного шагового двигателя

Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. В пределах одного магнитопровода ротора они сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно соответствующих параметров 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, то есть на четверть зубцового деления t/4.

ΔXш = tz / Кt

где Kt — число тактов схемы управления.

Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.

В линейных шаговых двигателях применяют магнитовоздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под него нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между ними создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечиваются 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 которой шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.

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. 

Процесс отработки шагов шаговым двигателем

В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потоком 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.

Предельная динамическая характеристика шагового двигателя

Приемистость падает с увеличением нагрузки.

В статье рассматриваются практические решения для управления униполярными шаговыми двигателями. Рассматриваемые решения могут быть легко использованы на практике для различных приложений.В настоящей статье даются рекомендации по проектиро­ванию электроприводов униполярными шаговыми двигателя­ми и предлагаются несложные практические решения. По собственному опыту автора статьи, освоение шаговых дви­гателей легче, проще и значительно дешевле начинать имен­но с униполярных шаговых двигателей.

Напомню, что основное свойство шагового двигателя в от­личие от других типов электродвигателей как переменного, так и постоянного тока является то, что сдвиг его ротора осуществляется на заданный его конструкцией шаг (чаще это угол, реже — линейное смещение) при подаче на его обмот­ки импульсов напряжения. В этом он похож на шаговое ре­ле, известное еще с XIX века. Его нельзя путать и с много­фазными двигателями. Формально шаговые двигатели отно­сятся к двигателям постоянного тока, но они не имеют кол­лектора (поэтому надежность их выше и помех от них значи­тельно меньше). Для создания момента вращения в этих двигателях, в отличие от коллекторных двигателей постоян­ного тока, требуется внешнее импульсное управление обмот­ками, которые расположены не на роторе (который пред­ставляет собой постоянный магнит), а на статоре. Другими словами, если вы подадите на обмотку такого двигателя по­стоянное напряжения, то вращения ротора не будет. Нужно специальное устройство управления — коммутатор. В этом они проигрывают традиционным коллекторным двигателям посто­янного тока. Но зато они выигрывают в большем моменте на малых и сверхмалых скоростях вращения, поэтому во многих применениях им не нужен редуктор. Кроме того, они обес­печивают без специальных конструктивных или схемных ухи­щрений точное позиционирование ротора и торможение, так как обладают не только моментом вращения, но и моментом удержания, который по величине выше момента вращения.

Имеются шаговые двигатели не только традиционного исполнения с вращающимся ротором, но и с его линейным перемещением. В последнем случае на один управляющий импульс происходит линейное смещение ротора на строго за­данную конструкцией двигателя величину (подробности см. в [1]). Еще одно важное замечание: шаговый двигатель, в отличие от коллекторного, при стопорении ротора не увели­чивает потребление энергии.

Конструкция двигателя

Шаговые двигатели различаются, как по конструктивно­му исполнению, так и по конфигурации соединения их обмо­ток. Исполнение двигателей в части обмоток может быть би­полярное и униполярное. Основное преимущество униполяр­ных шаговых двигателей заключается в простоте их систем управления, но они имеют меньший момент вращения [1]. На рис.1,а показано «классическое» исполнение включения обмоток, а на рис.1,б — универсальное с расщепленными об­мотками, которое позволяет включать двигатель, как в уни­полярном, так и в биполярном вариантах. Кроме того, в «клас­сическом исполнении» в некоторых типах двигателей сред­ние выводы обмоток (выводы АВ, CD на рис.1,а) могут быть конструктивно объединены внутри самого двигателя (такой вариант как раз показан на фото в начале статьи). Так что если вам попался в руки неизвестный шаговый двигатель, то по количеству выводов вы относительно легко сможете его идентифицировать. Двигатели с шестью и пятью вывода­ми будут гарантировано униполярными. Остается только оп разделить фазировку обмоток. К сожалению, это можно бу­дет сделать только экспериментально. Какой-либо стандарти­зации по цвету проводов пока нет.

Рис. 1

Конфигурация обмоток униполярных шаговых двигателей и двигателей с расщепленными обмотками в униполярном включении позволяет обойтись без сложных драйверов и до­рогостоящих ИМС. Кроме того, классические униполярные дви­гатели дешевле, так как, в основном, этот тип включения об­моток характерен для двигателей на постоянных магнитах с шагом 18° или 7,5°. Дробление такого большого шага осуще­ствляется, как правило, дополнительным редуктором, который может быть конструктивно совмещен с двигателем [2].

Схема управления униполярного шагового двигателя с универсальным коммутатором

Практическое решение для управления униполярным ша­говым двигателем потребовалось автору при использовании двигателя серии P542-M48 [2], а именно униполярного шаго­вого двигателя P542-M482U с встроенным редуктором G23 (125:1). Поскольку двигатель униполярный, то схема его уп­равления, как было указано выше, не содержит ни дорогих ИМС, ни специальных сложных драйверов, достаточно обыч­ных ключей. Коммутатор включения обмоток выполнен на базе технического решения, опубликованного в [3]. Пример практической схемы управления, разработанной автором ста­тьи, которая годится для самых различных применений, по­казан на рис.2.

Рис. 2

Частота вращения двигателя задается внешним тактовым генератором (скважность любая), сигнал с которого подает­ся на вход «STEP» («Шаг»), необходимое направление вра­щения устанавливается через вход «DIRECTION» («Направ­ление вращения»). Оба эти сигнала имеют логические уров­ни, и если для их формирования используются выходы с от­крытым коллектором, то требуются соответствующие резисторы подтяжки (на схеме рис.2 они не показаны). Времен­ная диаграмма работы коммутатора (рис2) показана на рис.3, где верхние две трассы — Q1 D2-2, 02 D2-2; нижние две трассы — Q1 D2-1, Q2 D2-1. Маркеры показывают область изме­нения очередности включения фаз.

Как можно видеть, здесь реализован полношаговый ре­жим управления (подробно см. [1]) с перекрытием фаз, то есть один импульс сдвигает ротор двигателя на один шаг, но в некоторый момент (половина длительности импульса) фа­зы накладываются друг на друга (рис.3).

Рис. 3

Схема управления шаговым двигателем без реверса

Если нет необходимости в реверсе, то схема коммутато­ра может быть значительно упрощена (рис.4), при этом ча­стота вращения остается неизменной, а диаграмма управле­ния остается аналогичной той, которая показана на рис.3 (трассы до переключения очередности фаз), но уже без воз­можности изменения направления вращения двигателя.

Рис. 4

Схема управления с режимами удержания и выключения

Управление моментом вращения устанавливается изме­нением тока в обмотках двигателя от регулируемого источ­ника напряжения положительной полярности (автором исполь­зовался импульсный понижающий стабилизатор, выполненный по типовой схеме на стандартной ИМС с опцией внеш­него включения). Расчет такого DC/DC-преобразователя мож­но легко выполнить в интерактивном режиме [4], хотя за вре­мя, прошедшее со времени публикации, в этот on-line калькулятор высокого уровня и были внесены некоторые из­менения, но основа осталась та же. Полное отключение двигателя без удержания ротора осуществляется снятием пи­тающего напряжения с обмоток. Это легко выполнить через вход выключения преобразователя, задав в [4] при выборе ИМС соответствующую опцию. В авторском варианте исполь­зовалась ИМС LM2675M-ADJ [5]. Остановка с фиксацией ро­тора, режим удержания, осуществляется прекращением по­дачи напряжения с частотой коммутации (вход «STEP»), одновременно желательно уменьшить величину питающего об­мотки напряжения Vdc по крайней мере вдвое. С этой точ­ки зрения выбор преобразователя с возможностью регули­ровки выходного напряжения на ИМС, подобной LM2675M-ADJ, является оптимальным. Пример авторского варианта схемы для формирования напряжения питания обмоток ша­гового двигателя показан на рис.5. Такая схема пригодна для запитки шаговых двигателей любого типа.

Рис. 5

Схема (рис.5) обеспечивает подачу двух стабильных на­пряжений для питания обмоток двигателя: 12 В в рабочем режиме и 6 В в режиме удержания (формулы, необходимые для расчета выходного напряжения, приведены в [5]). Рабо­чий режим включается подачей высокого логического уров­ня на контакт BRAKE (торможение) разъема Х1. Допусти­мость снижения напряжения питания определяется тем, что момент удержания шаговых двигателей превышает момент вращения. Так, для рассматриваемого двигателя момент удер­жания с редуктором (25:6) равен 19,8 Н*см, а момент вра­щения всего 6 Н*см. Но при увеличении отношения эта за­висимость нивелируется и для двигателей с редукторами с от­ношением 80 и выше практически не отличаются. Основное преимущество этого метода в том, что он позволяет умень­шить общее потребление тока. В нашем случае с 460 мА до 230 мА, то есть в 2 раза, а мощность в 4 раза, то есть с 5,52 Вт до 1,38 Вт.

Полное отключение двигателя осуществляется подачей высокого логического уровня на контакт ON/OFF разъема X1. Если схема управления имеет выход на транзисторах с от­крытым коллектором, то в ключах на транзисторах VT1, VT2 нет необходимости, выходы схемы управления можно под­ключить непосредственно вместо упомянутых ключей.

Примечание. В этом варианте использование резисто­ров подтяжки недопустимо!

В качестве дросселя автором использовалась катушка SDR1006-331К (Bourns). Общее питание формирователя на­пряжения для обмоток двигателя в рассмотренных режимах может быть уменьшено до 16…18 В, что не окажет никакого влияния на его функционирование. Еще раз обращаю внимание, что при самостоятельном расчете не забудьте учитывать, что формирователь обеспечивает режим с перекрытием фаз, то есть лучше закладывать номинальный ток схемы питания, равный удвоенному номинальному току обмоток.

Согласно спецификации [2] оптимальным для двигателей серии P542-M48 является шаг с частотой f=(300…500) Гц. Это и будет определять частоту вращения вала, но частота вращения зависит еще и от конструкции самого двигателя. В нашем случае, без учета редуктора, частота вращения составит:

f*7,5°/360°=(6,25-10,5) об/с,

где 7,5° — это угол поворота ротора двигателя на один шаг управления.

Этот угол как раз и задан конструктивно в самом двига­теле. Дальнейшее понижение частоты вращения зависит уже от редуктора.

Изменение частоты вращения двигателя

Частота коммутации обмоток вполне может быть увели­чена до 1,5 кГц. Для этого с целью компенсации уменьше­ния момента вращения неизбежного с ростом частоты при­меняются специальные методы запитки обмоток двигателя. Если внимательно читать спецификацию [2], то можно заме­тить, что момент вращения двигателя (сноска «Standard Versions») задан для двух условий, а именно: для условия обозначенного как L/R и условия, которое обозначено как L/4R. Можно заметить, что во втором случае частота враще­ния ротора шагового двигателя, при котором обеспечивает­ся указанный в спецификации момент, заметно выше, а имен­но 550 Гц вместо 300 Гц. Что это за условия?

Проблема обеспечения момента вращения для шагового двигателя заключается в том, что для них не требуется по­дача напряжения, а требуется обеспечение тока в обмот­ках. Именно этот ток создает магнитное поле статора, вза­имодействующее с постоянным магнитным полем ротора. Мо­мент на роторе двигателя как раз и определяется взаимо­действием этих магнитных полей.

Как известно, ток в индуктивности не может изменяться скачком, а растет по экспоненте до значения

lmax=Vdc/R;

l(t)=lmax*(1-e—t/t).

Требуемое для этого время определяется постоянной вре­мени цепи:

t=L/R,

где:

L — индуктивность обмотки двигателя;

R — общее сопротивление в цепи обмотки.

Это сопротивление может быть как собственным актив­ным сопротивлением обмотки двигателя RL, так и его сум­мой с некоторым добавочным резистором. Как видно из при веденной формулы, скорость изменения тока в обмотке об­ратно пропорциональна ее индуктивности и прямо пропор­ционально сопротивлению. Чем быстрее ток достигнет свое­го максимального уровня

lmax=Vdc/RL,

где Vdc — это номинальное напряжение запитки обмот­ки, a Rl — активное сопротивление в цепи обмотки, тем ско­рее установится заданный момент на роторе. Это и опреде­ляет скорость вращения вала шагового двигателя в зависи­мости от частоты коммутации. Таким образом, наша цель ус­тановить (насколько это возможно быстро) ток в обмотке на уровне Vcd/RL.

Импульсное питание двигателя

Просто увеличить напряжение на двигателе выше номи­нального крайне не желательно, даже если вы уверенны в том, что ток в обмотках при выбранной скорости вращения ротора не превысит допустимый. Остановка двигателя при такой подаче питания может привести к его выходу из строя. Уменьшить время установки номинального тока в обмотке можно, увеличив напряжение Vcd лишь на некоторое вре­мя, которое в несколько раз меньше длительности импульса управления, но это потребует дополнительных ключей, поэто­му этот способ используется крайне редко. Самым простым методом оказывается включение последовательно с обмот­кой двигателя дополнительного сопротивления с одновремен­ным кратным увеличение напряжения питания Vcd. Это и ус­корит накопление тока в индуктивности и не приведет к вы­ходу двигателя из строя, так как требование по максималь­ному току обмотки не будет нарушено. Вот как раз на этот режим и «намекает» спецификация [2].

В классической теории используется режим L/5R, но для рассматриваемого типа двигателя спецификация рекоменду­ет режим L/4R. Обращаю внимание, что здесь имеется в ви­ду общее сопротивление, то есть сумма собственного сопро­тивления обмотки R1 и добавочного резистора номиналом 3RL. Ограничение на использование этого метода наклады­вает высокая рассеиваемая мощность на добавочных рези­сторах. В рассматриваемом случае при повышении напряже­ния питания до 4Vcd на добавочных резисторах при малых скоростях вращения, особенно при остановке двигателя, бу­дет рассеиваться мощность:

PR=(3Vcd)2/3RL=(3*12)2/(3*52,4)=8,24 Вт.

Фактически, с учетом допустимого коэффициента на­грузки придется использовать добавочный резистор номина­лом в 160 Ом с рассеиваемой мощностью 10 Вт. Как видим, эффективность такого решения крайне низкая. Как выход из положения — использование импульсных стабилизаторов с ог­раничением максимального тока.

В данном случае для управления биполярным двигателем был применен драйвер с встроенной функцией нарезки, так называемый, чоппинг (от английского термина «chopping» — нарезка). В чем суть этого метода? На двигатель от импульс­ного преобразователя подается повышенное в несколько раз напряжение, которое формирует ускоренный процесс установления максимального тока обмоток, после достиже­ния заданной величины тока, преобразователь переходит из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации то­ка и удерживает ток обмотки на заданном уровне. Это ре­шение нельзя назвать дешевым, но его КПД несравненно вы­ше. Сравнение методов управления током в обмотках дви­гателя показано на рис.6.

Рис. 6

Еще одним важным моментом является правильный вы­бор диодов, шунтирующих обмотку двигателя (VD1-VD4, рис.2). Назначение этих диодов — гасить э.д.с. самоиндукции, воз­никающую при выключении управляющих ключей. Если дио­ды выбраны неверно, то неизбежен выход из строя транзи­сторных ключей и устройства в целом.

Естественно, что и выбор транзистора для ключей уп­равления обмотками должен осуществляться с учетом мак­симального тока коммутации, а его подключение учитывать необходимость заряда/разряда емкости затвора. В ряде слу­чаев прямое подключение выходных MOSFET-транзисторов к ИМС коммутатора может быть недопустимым. В этом случае необходимо предусмотреть соответствующий драйвер для управления ключами, который обеспечит заряд/разряд их входной емкости. В некоторых решениях предлагается в ка­честве ключей использовать биполярные транзисторы. Это подходит только для очень маломощных двигателей с малым током обмоток. Для рассматриваемого двигателя с рабочим током обмоток I=230 мА ток управления по базе ключа дол­жен составить по крайней мере не менее 15 мА (хотя для нормальной работы ключа нужен ток базы 1/10 рабочего, то есть 23 мА). Но такой ток от микросхем типа 74HC74 недо­стижим, поэтому потребуются дополнительные драйверы для выходных ключей.

Таким образом, самым оптимальным для управления ком­мутацией обмоток является использования подходящих по то­ку и сопротивлению канала в открытом состоянии Rdc(on) полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) с учетом рекомендаций, описанных выше. В авторском варианте использовали транзисторы IRLML2803 с Rdc(on)=0,25 Ом, допустимой мощность рассеивания 540 мВ и постоян­ным током стока 0,93 А при температуре 70°С. Мощность, рассеиваемая на ключах, выполненных на транзисторах IRLML280, при полной остановке ротора не превысит:

PVT<Rdc(on)*I2=0,25*(0,230)2=13,2 мВт.

В большинстве случаев такой оценки вполне достаточно. Поскольку детальное рассмотрение особенностей работы клю­чей не входит в рамки данной статьи, то для их полного расчета можно воспользоваться методикой, приведенной, на­пример, в [6].

В завершение еще раз небольшое напоминание. Когда речь идет о частоте вращения ротора шагового двигателя, то имеется ввиду именно вращение ротора самого двигателя без редуктора. При этом необходимо учитывать угол пово­рота его ротора на один шаг. Для рассматриваемого типа двигателя он составляет 7,5°. Имеются шаговые двигатели с углом поворота на один шаг от 18° до 0,9° (чаше 1,8°). Для получения конечного результата необходимо обязательно учи­тывать этот параметр и коэффициент понижения частоты вра­щения ротора двигателя соответствующим редуктором. Все необходимые параметры для правильного выбора типа дви­гателя серии P542-M48 приведены в спецификации [2].

Литература

  1. Рентюк В. Шаговые двигатели и особенности их приме­нения // Электрик. — 2012. — №11.
  2. Geared stepper motor Р542-М48 series, Mclennan Servo Supplies Ltd.mclennan.co.uk.
  3. Rentyuk V. Control stepper motors in both directions // — 2010. — March 18.
  4. Рентюк В. Проектирование DC/DC-преобразователей в системе WEBENCH Design Center // Электрик. — 2013. — №10.
  5. LM2675 SIMPLE SWITCHER Power Converter High Efficiency 1A Step-Down Voltage Regulator, Texas Instruments Inc., Rev. June 2005.
  6. Дьяконов В.П., Маскимчук A.A., Ремнев A.M., Смердов В.Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. — М.: СОЛОН-Р, 2002.

Автор: Владимир Рентюк, г. Запорожье, Украина

Возможно, вам это будет интересно: