Устройство и характеристики шагового двигателя

Шаговый двигатель – это бесколлекторный синхронный электродвигатель с несколькими обмотками. В ходе его работы электрический ток подается на обмотку статора, что влечет за собой фиксацию ротора. Активация обмоток двигателя происходит последовательно, благодаря чему вызываются угловые дискретные перемещения ротора, также называемые шагами. Поэтому шаговые двигатели и получили такое название. Этот двигатель имеет достаточно сложную конструкцию, а также непростую систему управления (по сравнению с обычным коллекторным двигателем). Чтобы управлять данным оборудованием, необходимо переключать уровень напряжения в обмотках и одновременно контролировать ток, причем делать это в определенной последовательности. Для точного и оперативного управления ШД применяются специальные устройства – драйверы шаговых двигателей.

Разновидности шаговых двигателей

На сегодняшний день, существуют биполярные и униполярные шаговые двигатели, которые различаются между собой конфигурациями их обмоток. В частности, у биполярного двигателя в каждой фазе находится одна обмотка. Направление ее магнитного поля меняется (переполюсовывается) драйвером. Всего у биполярного двигателя 2 обмотки и 4 вывода. Что же касается униполярного двигателя, то в фазе у этой модели также находится одна обмотка, однако от ее середины сделан отвод. Это позволяет управлять двигателем несколько по-другому. Благодаря этому свойству можно менять направление магнитного поля обмотки более простым способом – обычным переключением ее частей. Также различным может быть количество выводов – у униполярных шаговых двигателей их может быть 5 или 6, так как средние выводы обмоток иногда объединяются прямо внутри двигателя. В некоторых случаях у этих шаговых двигателей есть раздельные четыре обмотки, из-за чего их по ошибке называют четырехфазными двигателями. Однако каждая обмотка обладает отдельными выходами, общее количество которых, соответственно, 8. Если соединить обмотки соответствующим образом, то их можно использовать как биполярные или же униполярные.

Особенности шаговых двигателей

Данная техника обладает определенными особенностями, самые важные из которых перечислены ниже:

• Ограниченная точность установки ротора
Большинство производимых на сегодняшний день шаговых двигателей обладают определенной погрешностью при установке ротора – в размере 5% (плюс-минус) от величины шага. Например, если шаг двигателя составляет 1.8 градусов, то его погрешность будет равна 5.4 минутам. При практическом применении двигателя, во время дробления шага 1:10, его величина будет полностью равной погрешности в установке, и более точное перемещение не будет обеспечено большими делениями. Единственное, что можно сделать с их помощью – это увеличить плавность работы шагового двигателя.
• Дискретность перемещений
Это главная характеристика ШД, которая является основой для остальных его качеств. Суть ее заключается в том, что для большинства роторов свойственно делать 200-400 шагов на один оборот, однако шаговые двигатели имеют особенную конструкцию, которая делает возможной фиксацию ротора в промежуточных положениях. Таким образом, эти двигатели демонстрируют более высокие показатели – до 800-1000 и даже больше шагов на оборот.
• Обратная зависимость крутящего момента от скорости
Как известно, величина крутящего момента, умноженная на скорость движения вала шагового двигателя – это постоянная величина. Чем больше скорость вращения, тем, соответственно, ниже показатели крутящего момента на валу.
• Резонанс ШД
Явление резонанса появляется в шаговом двигателе, благодаря периодичности и дискретности усилий, которые прикладываются к его ротору. Это явление однозначно является негативным и оно возникает абсолютно во всех ШД, в виде падения крутящего момента, появления гула и вибраций. Причина появления резонанса в данном случае – это совпадения частоты шагов с собственной частотой ротора двигателя. Резонанс может привести к снижению синхронности работы, пропуску шагов или даже полной остановке двигателя. Чтобы устранить эту неприятность, мы рекомендуем использовать современные контроллеры шаговых двигателей с функцией подавления резонанса.

Преимущества шаговых двигателей

• С запитанными обмотками, ШД способен обеспечить полный крутящий момент в режиме остановки.
• Число импульсов, поданных на двигатель, определяют угол поворота ротора.
• Погрешность (3-5% от величины шага) является повторяемой и не накапливается от одного шага к другому.
• В ШД существуют функции быстрого старта/реверсирования/остановки.
• В данной модели двигателя отсутствуют щетки, что обеспечивает ему достаточно высокую надежность. Срок службы этого механизма фактически зависит от срока службы подшипников.
• Зависимость положения двигателя от входных импульсов помогает достигнуть позиционирования без обратной связи.
• Шаговые двигатели позволяют получить крайне низкую скорость вращения для нагрузки, которая присоединена без редуктора напрямую к валу двигателя.
• Широкий скоростной диапазон
• Невысокая стоимость (по сравнению с сервоприводами).

Недостатки шаговых двигателей

• Явление резонанса (его помогают устранить современные драйверы шаговых двигателей).
• Потеря крутящего момента и стабильности работы на высоких скоростях
• Всегда существует вероятность пропуска шагов – и из-за отсутствия обратной связи это часто приводит к потере контроля положения.
• Не очень высокая удельная мощность.

тэги: