Просмотры:1 Автор:Pедактор сайта Время публикации: 2024-11-05 Происхождение:Работает
Эта статья познакомит вас с основами шаговых двигателей, включая их принцип работы, конструкцию, методы управления, использование, типы, а также их преимущества и недостатки.
Шаговый двигатель — это разновидность двигателя, который вращает вал путем шага (т. е. перемещаясь под фиксированным углом). Его внутренняя структура позволяет узнать точное угловое положение вала без датчика, просто рассчитав количество ступеней. Эта особенность делает его пригодным для широкого спектра применений.
Как и все двигатели, шаговые двигатели состоят из неподвижной части (статора) и подвижной части (ротора). Статор имеет зубчатый выступ, вокруг которого намотана катушка, а ротор представляет собой постоянный магнит или сердечник с переменным сопротивлением. Позже мы рассмотрим различные конфигурации ротора более подробно. На рисунке 1 показано поперечное сечение двигателя с ротором с переменным магнитным сопротивлением. Переведено с помощью DeepL.com (бесплатная версия).
Основной принцип работы шагового двигателя заключается в том, что, подавая питание на одну или несколько фаз статора, ток, проходящий через катушки, создает магнитное поле, с которым выравнивается ротор; последовательно прикладывая напряжение к различным фазам, ротор будет вращаться на определенный угол и в конечном итоге достигнет желаемого положения. На рисунке 2 показано, как это работает.
Сначала на катушку А подается напряжение, и она создает магнитное поле, с которым выравнивается ротор; когда на катушку B подается напряжение, ротор поворачивается по часовой стрелке на 60 °, чтобы выровняться с новым магнитным полем; то же самое происходит, когда на катушку C подается напряжение. Цвет шестерни статора на рисунке ниже указывает направление магнитного поля, создаваемого обмотками статора.
На производительность шагового двигателя (будь то разрешение/шаг, скорость или крутящий момент) влияют детали его конструкции, которые также могут влиять на способ управления двигателем. На практике не все шаговые двигатели имеют одинаковую внутреннюю структуру (или конструкцию), поскольку конфигурации ротора и статора различаются от двигателя к двигателю.
В основном существует три типа роторов для шаговых двигателей: Ротор с постоянным магнитом: ротор представляет собой постоянный магнит, ориентированный на магнитное поле, создаваемое цепью статора. Этот тип ротора обеспечивает хороший крутящий момент и обладает тормозным моментом. Это означает, что двигатель сопротивляется (пусть и не очень сильно) изменению положения независимо от того, под напряжением катушка или нет.
Однако недостатками являются более низкие скорость и разрешение по сравнению с другими типами роторов. На рисунке 3 показано поперечное сечение шагового двигателя с постоянными магнитами.
Ротор изготовлен из железного сердечника, форма которого специально адаптирована к магнитному полю (см. рисунки 1 и 2). Этот тип ротора позволяет легче достичь высоких скоростей и высокого разрешения, но обычно он создает низкий крутящий момент и не имеет тормозного момента.
Этот ротор имеет специальную конструкцию; это гибрид постоянного магнита и ротора с переменным сопротивлением. Его ротор имеет две намагниченные в осевом направлении крышки, причем крышки имеют чередующиеся маленькие зубья. Такая конфигурация дает двигателю преимущества как постоянного магнита, так и ротора с переменным сопротивлением, особенно с высоким разрешением, высокой скоростью и высоким крутящим моментом. Конечно, более высокие требования к производительности означают более сложные конструкции и более высокие затраты.
На рисунке 3 показана упрощенная схема этой двигательной структуры. Когда на катушку А подается напряжение, один из малых зубцов магнитного колпачка ротора N совмещен с зубцом статора, намагниченным как S. Магнитный колпачок ротора S совмещен с зубцом статора, намагниченным как S. В то же время из-за В конструкции ротора магнитная крышка ротора S совмещена с зубцом статора, намагниченным как N. Хотя шаговые двигатели работают по тому же принципу, реальные двигатели более сложны и имеют большее количество зубцов, чем показано на рисунке. Большое количество зубьев позволяет двигателю получать очень малые углы шага, всего 0,9°.
Статор — это часть двигателя, ответственная за создание магнитного поля, с которым совмещен ротор. Основные характеристики цепи статора связаны с числом ее фаз, пар полюсов и конфигурацией проводов.
Количество фаз — это количество независимых катушек, а количество пар полюсов указывает на основные пары зубцов, занимаемые каждой фазой. Чаще всего используются двухфазные шаговые двигатели, реже - трехфазные и пятифазные (см. рисунки 5 и 6).
Из вышеизложенного мы знаем, что на катушки двигателя необходимо подавать питание в определенной последовательности, чтобы создать магнитное поле, с которым будет выравниваться ротор.
Устройствами, которые могут подавать необходимое напряжение на катушки, чтобы обеспечить правильную работу двигателя, являются следующие устройства (начиная с тех, которые расположены ближе к двигателю): Транзисторный мост: устройство, которое физически управляет электрическими соединениями с катушками двигателя. Транзистор можно рассматривать как автоматический выключатель с электрическим управлением; он закрывается, когда катушка подключается к источнику питания, чтобы ток проходил через катушку. Для каждой фазы двигателя необходим транзисторный мост.
Устройство, управляющее активацией транзистора, управляется микроконтроллером для обеспечения необходимого напряжения и тока.
Блок микроконтроллера, обычно программируемый и управляемый пользователем двигателя, который генерирует определенные сигналы для предварительного привода для получения желаемого поведения двигателя.
На рисунке 7 показана простая схема управления шаговым двигателем. Предварительный драйвер и транзисторный мост могут содержаться в одном устройстве — драйвере.
На рынке представлено множество различных драйверов шаговых двигателей, которые имеют разные функции для конкретных приложений. Однако одна из их наиболее важных особенностей связана с интерфейсом ввода, а некоторые из наиболее распространенных интерфейсов ввода включают в себя:
Шаг/Направление. Подавая импульс на вывод «Шаг», драйвер меняет свой выходной сигнал, заставляя двигатель выполнять шаг, а направление вращения определяется уровнем на выводе «Направление». Фаза/Включение — для каждой фазы обмотки статора параметр «Включение» определяет, включена ли фаза, а фаза определяет направление тока фазы. ШИМ – Прямое управление сигналом затвора верхнего и нижнего лампового полевого транзистора.
Еще одна важная особенность драйвера шагового двигателя заключается в том, может ли он, помимо управления напряжением на обоих концах обмотки, также управлять током, протекающим через обмотку:
Благодаря функции контроля напряжения драйвер может регулировать напряжение на обмотках, а результирующий крутящий момент и скорость шага зависят только от характеристик двигателя и нагрузки.
Драйверы управления током более совершенны, поскольку они могут регулировать ток, протекающий через активную катушку, обеспечивая лучший контроль над создаваемым крутящим моментом и, следовательно, лучший контроль над динамическим поведением всей системы.
Еще одним свойством, которое может оказать влияние на управление двигателем, является расположение его катушек статора, определяющее изменение направления тока. Чтобы добиться движения ротора, необходимо не только подать напряжение на катушку, но и управлять направлением тока, который определяет направление магнитного поля, создаваемого самой катушкой (см. рисунок 8).
В однополюсном шаговом двигателе к центральной точке катушки прикреплен вывод (см. рисунок 9), что позволяет управлять направлением тока с помощью относительно простых схем и компонентов. Центральный вывод (AM) подключается к входному напряжению VIN (см. рисунок 8).
Если MOSFET 1 включен, ток течет от AM к A+. Если MOSFET 2 включен, ток течет от AM к A-, создавая магнитное поле в противоположном направлении. Как уже говорилось выше, этот метод упрощает схему управления (нужны всего два полупроводника), но недостатком является то, что одновременно используется только половина медных проводников в двигателе, а это означает, что если через катушку течет одинаковый ток, магнитное поле лишь вдвое слабее, чем если бы использовались все медные проводники. Кроме того, поскольку входные выводы двигателя больше, этот тип двигателя сложнее сконструировать.
Шаговые двигатели могут управлять направлением тока двумя разными способами.
В биполярном шаговом двигателе на катушку приходится всего два вывода, и для управления направлением необходимо использовать Н-мост (см. рисунок 10). Как показано на рисунке 8, если МОП-транзисторы 1 и 4 включены, ток течет от A+ к A-. Если МОП-транзисторы 2 и 3 включены, ток течет от А- к А+, создавая магнитное поле в противоположном направлении. Это решение требует более сложной схемы привода, но позволяет максимально эффективно использовать медь двигателя для достижения максимального крутящего момента.
С непрерывным развитием технологий преимущества униполярных двигателей постепенно ослабли, и в настоящее время наиболее популярным типом двигателей стали биполярные шаговые двигатели.
Существует четыре основные технологии управления шаговыми двигателями: Волновой режим: одновременно включается только одна фаза (см. Рисунок 11). Для простоты, если ток течет от положительного вывода фазы А к отрицательному выводу (например, от А+ к А-), мы называем его положительным потоком; В противном случае его называют отрицательным потоком. С левой стороны изображения ниже ток течет вперед только в фазе А, в то время как ротор, представленный магнитом, ориентирован на создаваемое им магнитное поле. Затем ток течет вперед только в фазе B, при этом ротор поворачивается на 90 ° по часовой стрелке, чтобы выровняться с магнитным полем, создаваемым фазой B. После этого на фазу А снова подается напряжение, но ток течет отрицательно, и ротор снова поворачивается на 90°. Наконец, ток течет отрицательно в фазе B, пока ротор снова вращается на 90 °.
Полношаговый режим: Обе фазы всегда включены одновременно. На рис. 12 показаны пошаговые действия для этого шаблона драйвера. Шаги аналогичны волновому режиму, самая большая разница заключается в том, что в полношаговом режиме, поскольку ток, протекающий в двигателе, больше, генерируемое магнитное поле также сильнее, поэтому крутящий момент также больше.
Полушаговая модель представляет собой комбинацию волновой модели и полношаговой модели (см. рисунок 12). В этом режиме длина шага может быть уменьшена в два раза (поворот на 45° вместо 90°). Единственным недостатком является то, что крутящий момент, создаваемый двигателем, не является постоянным, и крутящий момент выше, когда обе фазы находятся под напряжением, и крутящий момент меньше, когда подключена только одна.
Его можно рассматривать как расширенную версию полушагового режима, поскольку он позволяет еще больше уменьшить расстояние шага и имеет постоянный выходной крутящий момент. Это достигается за счет контроля силы тока, протекающего через каждую фазу. Микрошаговый режим требует более сложного драйвера двигателя, чем другие схемы. На рисунке 14 показано, как работает схема микрошагов. Предполагая, что IMAX — это максимальный ток, который может пройти по фазе, начнем с левой стороны диаграммы, где IA = IMAX и IB = 0 на первой диаграмме. Затем ток контролируется до достижения IA = 0,92 x IMAX, IB = 0,38 x IMAX, что создает магнитное поле, повернутое по часовой стрелке на 22,5 ° по сравнению с предыдущим полем. Контролируйте ток до различных значений тока и повторите этот шаг, поворачивая магнитное поле на 45 °, 67,5 ° и 90 °. По сравнению с режимом полушага длина шага уменьшается вдвое. Но можно сократить и больше. Очень высокое разрешение положения может быть достигнуто с использованием режима микрошага, но за счет необходимости более сложного оборудования для управления двигателем и создания меньшего крутящего момента за шаг. Крутящий момент пропорционален синусу угла между магнитным полем статора и магнитным полем ротора. Следовательно, когда расстояние шага маленькое, крутящий момент также мал. Это может привести к потере шага, то есть даже при изменении тока в обмотке статора положение ротора может не измениться.
Теперь, когда мы поняли принцип работы шагового двигателя, будет очень полезно обобщить преимущества и недостатки различных типов двигателей.
Благодаря своей внутренней структуре шаговые двигатели не требуют датчиков для определения положения двигателя. Шаговые двигатели перемещаются путем выполнения «шага», поэтому, просто подсчитав количество шагов, можно получить положение двигателя в данный момент времени. Кроме того, управление шаговым двигателем очень простое. Он также требует привода, но не требует сложных расчетов или регулировок для правильной работы. По сравнению с другими двигателями, нагрузка на его управление обычно невелика. Кроме того, при использовании микрошагового режима можно достичь точности позиционирования до 0,007°. Шаговые двигатели обеспечивают хороший крутящий момент на низких скоростях, хорошо удерживают положение и имеют длительный срок службы.
Может выйти из строя, если момент нагрузки слишком высок. Поскольку фактическое положение двигателя неизвестно, это отрицательно повлияет на управление. Эта проблема чаще возникает при использовании режима микрошага. Шаговые двигатели всегда потребляют максимальный ток, даже в состоянии покоя, что снижает КПД и может привести к перегреву. Крутящий момент шагового двигателя невелик, на высокой скорости он будет производить много шума. Шаговые двигатели имеют низкую удельную мощность и низкое соотношение крутящего момента и инерции. В целом, шаговые двигатели — лучший выбор, когда вам нужно недорогое и простое в управлении решение, не требующее высокой эффективности и крутящего момента на высоких скоростях.
