Dobri-porady.pp.ua
Поради для маленьких і великих

Кроковий двигунпринцип роботи, схема, опис, характеристики

В сучасній електротехніці використовується безліч найрізноманітніших пристроїв, деякі з них призначені для автоматизації технологічних операцій. Таким є і кроковий двигун. Принцип роботи і пристрій даного приладу описані в статті.

Що це таке?

шаговый двигатель принцип работыТак називається електромеханічний пристрій, що служить для передачі керуючого сигналу в механічне рух ротора. Кожен рух закінчується фіксацією в строго заданому положенні. Прилад буває кутовим або лінійним. Варто пам'ятати, що кроковий двигун, принцип роботи якого буде викладено нижче, є синхронним пристроєм.

Системи управління з розімкнутої ланцюгом (без зворотного зв'язку)

Найчастіше це обладнання управляється спеціальною електронною схемою. Живиться воно тільки від джерела змінного струму. Такі двигуни часто використовуються в схемах, де потрібна управління частотою обертання. Це дозволяє уникнути необхідності використання дорогого і складного контуру зворотного зв'язку, так і захист електродвигуна стає простіше (вимагається тільки передбачити швидке знеструмлення).

Даний принцип роботи застосовують у схемах з розімкнутої зв'язком. Слід пам'ятати, що зазначена схема (без контуру зворотного зв'язку) вигідна з економічної точки зору, але в неї є ряд істотних обмежень.

Так, поворот ротора є досить нестабільним, коливальним, чого частота обертання та інші характеристики руху ні в якому разі не можуть бути настільки ж точними, якими вони є в двигунах постійного струму з контуром зворотного зв'язку. Для розширення сфери застосування крокового двигуна потрібно вишукувати способи зниження вібрації.

Конфігурація системи

Щоб краще розуміти пристрій крокового двигуна і принцип його роботи, можна розглянути схему функціонування приладу під його управлінням, який 20 років тому використовувався для виготовлення перфокарт. Для цієї мети повсюдно застосовували трьох - і четырехфазные КД. Зараз ми розглянемо схему роботи першого.

конденсаторы для электродвигателейМи вже згадували, що ротор двигуна повертається на певну відстань у відповідь на кожен керуючий імпульс. Значення цього повороту виражається в градусах і називається кроком. Логічний ланцюг включається під час отримання сигналу, після чого відразу ж визначає потрібну для задіяння фазу. Після цього вона відправляє свій сигнал на інвертор, який відповідає за значення струму, який використовують крокові двигуни. Характеристики цього обладнання припускають використання різних типів керуючих схем. Як правило, останні монтуються з широко поширених транзисторів, хоча порівняно недавно для цієї мети використовували інтегральні схеми. При високому її вихідному потенціал відбувається автоматичне порушення потрібної фази обмотки (першої, наприклад). Якщо потенціал знижується, відбувається автоматичне відключення даної фази. Так реалізована захист електродвигуна.

Фази позначають порядковими номерами 1, 2, 3 і т. д. або буквами А, В, С і т. д. Останній варіант використовується тільки у випадку деяких двофазних двигунів. Таким чином, в кожний конкретний момент часу порушена тільки одна фаза з двох, трьох або чотирьох наявних (в залежності від типу двигуна). При поясненні принципів роботи такого пристрою ця обставина згадується постійно, але необхідно розуміти, що зазначена схема не є ідеальним способом управління.

Крок і інкремент

Найбільш простим варіантом є подання одиночних імпульсів від керуючої схеми. У цьому випадку, наприклад, двигун за один раз повертає провідну зірочку конвеєра на якусь відстань вперед. Слід зауважити, що при подачі масивного механізму вперед тільки на один крок ще більше посилюється проблема вібрації, так і значна інерція дає про себе знати.

У таких випадках більш виправдано використовувати кроковий двигун, який може за один керуючий імпульс робити кілька рухів. Також не завадить використовувати зірочку з більш дрібними зубами. До слова, кожен такий рух називається інкрементом.

В описуваних нами випадках інкремент дорівнює одному й декількох кроків відповідно. Після кожного циклу двигун на якийсь час зупиняється, після чого все повторюється спочатку. Це називається інкрементною рухом і інкрементною управлінням відповідно.

подключение шагового двигателяЯкщо рух виконується за кілька кроків (про що ми говорили вище), причому коливань ротора може і не бути. Коли рух однокрокове, коливання доводиться гасити за допомогою спеціального електронного пристрою. Взагалі крокові двигуни (характеристики яких ми розглядаємо) належать до наукомістких пристроїв, для їх роботи потрібно багато складної електронної «начинки».

Загальний принцип управління

На один інкремент кількість кроків більше чотирьох доводиться в якихось виробничих лініях, конвеєрах. Коли дані із запам'ятовуючого пристрою (внутрішня флеш-пам'ять, жорсткий диск комп'ютера) відправляються до контролера, виконуються вони блок за блоком. Кожен з них містить строго визначену кількість символів (32, 48 або 64), причому в різних системах при різних призначеннях пристрою ця цифра може серйозно варіюватися.

Не дивно, що в останні роки стали поширені саморобки на основі мікрокомп'ютера Arduino. Кроковий двигун в такій конструкції ідеальний, так як у такій зв'язці його можна пристосувати як в якості силової установки для іграшки, так і для досить складного промислового обладнання.

Блок даних перед його використанням переноситься в напівпровідникову пам'ять на контролері, після чого рух почнеться у відповідності з інструкціями, які були записані в першому блоці інформації (перед тим як підключити електродвигун, обов'язково потрібно з'ясувати ці характеристики).

Після виконання інструкцій система починає зчитувати другий масив інформації. Якщо кожен рух складається з безлічі дрібних кроків, то перед основним контролером необхідно вмонтовувати додатковий каскад. Найчастіше його функції виконуються вхідним контролером. Він відправляє дані на другий керуючий контур з якимось інтервалом, заданим системою (Arduino). Кроковий двигун в цьому випадку захищений від перевантаження запитами.

Деяка специфіка використання КД

Ми розповімо вам про деякі нюанси використання крокових двигунів, а також дамо визначення часто використовуваних в цій області термінам:

- Маленький кут кроку. Як ви вже знаєте, після кожного керуючого імпульсу ротор двигуна повертається на якийсь певний градус. Чим крок меншим, тим вищою може бути безпосередня частота обертання. Важливо знати, що крокові двигуни цілком можуть забезпечувати дуже маленький крок. Кроковим числом в цьому випадку називається кількість оборотів за один крок, причому це значення дуже важливо для інженерів. Розраховується вона за наступною формулою:

S = 360/S, де S - крокове число, - кут кроку (кут повороту).

У більшості випадків привід крокового двигуна може виконувати 96, 128 або 132 кроку за один оборот. Четырехфазные моделі іноді мають значення в 200. Рідкісні види прецизійних двигунів за один оборот можуть зробити відразу 500 або 1000 кроків. Втім, для простих різновидів це недосяжно, так як у них кут повороту дорівнює 90, 45 або 15°.

защита электродвигателя- Висока точність частоти обертання. Саме цей параметр визначає загальну якість приладу. Ви вже знаєте, що робота крокового двигуна передбачає його зупинку та фіксацію в певному положенні після виконання блоку даних. Зрозуміло, звичайна механіка однозначно говорить нам, що із-за інерції, сили тертя і інших факторів можливі всілякі відхилення від заданих параметрів.

Боротьба з небажаними явищами

Зазор між роторними і статорними зубцями завжди робиться мінімальним для збільшення жорсткості фіксації. Сама точність позиціонування залежить від характеристик лише інвертора, так як інші фактори на неї впливають в набагато меншому ступені.

А зараз необхідно розглянути ряд важливих характеристик і понять, таких, як максимальний статичний момент, положення «мертвого» ротора, а також точність позиціонування всіх цих положень. Для визначення перерахованих вище термінів існує одразу дві загальноприйнятих поширених концепції.

Максимальний статичний ефект

Як ми вже говорили, він має відразу два положення:

  • Утримуючий. Це максимально допустимий ефект, який теоретично може бути прикладений до валу вже порушеної крокового двигуна без виникнення руху.
  • Фіксуючий. Відповідно, це також максимальний статичний ефект, який теоретично може бути прикладений до валу незбудженого двигуна без виникнення подальшого обертання.
  • Чим утримуючий момент вище, тим нижче вірогідність виникнення похибок позиціонування, викликані непрогнозованою навантаженням (відмовили конденсатори для електродвигунів, наприклад). Повний фіксує момент можливий тільки в тих моделях двигунів, в яких використовуються постійні магніти.

    «Мертві» положення ротора

    Існує відразу три положення, в яких ротор повністю зупиняється:

  • Положення рівноваги. У ньому відбувається повна зупинка порушеної крокового двигуна.
  • Фіксація. Також стан, в якому ротор зупиняється. Але використовується це поняття тільки щодо тих двигунів, у яких в конструкції є постійний магніт.
  • У сучасних моделях крокових двигунів, які відповідають всім нормам екологічної та енергетичної безпеки, при зупинці ротора повністю знеструмлюється і обмотка.
  • Про точність позиціонування

    как подключить электродвигательНарешті, поговоримо про найважливіше поняття. Мова йде про точність позиціонування. Можна здогадатися, наскільки воно важливе при роботі складного промислового обладнання. Розрізняють два найважливіших терміна:

  • Помилка кутового положення. Визначається як позитивний або негативний відхід від нормативного кутового стану, що дуже часто спостерігається у випадках переходу ротора з одного положення в інше. Як правило, винна інерція, а також погана підгонка деталей.
  • Точність позиціонування. Це максимальне значення помилки кутового положення ротора, які виникають за весь період крокового руху.
  • Важливо! Відшукати нормативні відомості для кожної категорії крокових двигунів можна на офіційній сторінці їх виробників, так і з довідкової документації, яка додається до такого роду виробів. Як правило, значення помилки знаходиться в межах від 0,08 до -0,03°. Простіше кажучи, точність позиціонування вираховується у вигляді суми двох цих показників: 0,08° 0,03° = 0,11°.

    Таким чином, кроковий двигун, принцип роботи якого ми описуємо, відноситься до високоточного обладнання.

    Високе відношення електромагнітного моменту до моменту інерції

    Як ви вже уявляєте, від крокового двигуна потрібно максимально швидко почати рух відразу після вступу на контролер керуючого імпульсу. Він повинен настільки ж швидко зупинитися, володіючи високою точністю позиціонування. Якщо під час руху послідовність імпульсів управління перерветься, двигун перестане працювати у положенні, визначеному останнім імпульсом.

    Також слід мати на увазі, що відношення електромагнітного моменту до моменту інерції ротора у КД повинно бути набагато вище аналогічного показника для звичайних електромоторів.

    Крокова частота обертання і частота імпульсів

    Так як частота обертання у КД фактично являє собою кількість кроків в одиницю часу, замість терміна "частота обертання" в спеціалізованій літературі нерідко можна зустріти визначення "крокова частота обертання". Перед тим як підключити електродвигун, про ці нюанси потрібно обов'язково прочитати.

    Так як у більшості крокових двигунів ця частота дорівнює кількості керуючих імпульсів, не варто дивуватися незвичайного її позначенню в технічних довідниках. Точніше, для подібних моторів одиницею виміру нерідко є герц (Гц).

    типы электродвигателейПри цьому важливо розуміти, що крокова частота обертання реального числа обертів ротора двигуна ні в якому разі не відображає. Фахівці вважають, що немає ніякої причини не використовувати в описі крокових двигунів все те ж кількість оборотів в хвилину, яке застосовується при описі технічних характеристик звичайних електродвигунів. Співвідношення між реальною частотою обертання і її кроковим аналогом обчислюється за наступною формулою:

    n = 60f/S, де n - частота обертання, виражається в оборотах в хвилину; f - крокова частота обертання; S - число кроків.

    До речі, а як визначити необхідні конденсатори для електродвигунів? Дуже просто! Досить лише використовувати цю формулу:

    З = 66·Рном

    Нескладно здогадатися, що під Рном розуміється номінальна потужність електродвигуна в кВт.

    Найпростіша схема підключення двигуна EM-178

    А зараз нами буде розглянуто просте підключення крокового двигуна на прикладі моделі ЕМ-178, яка повсюдно використовується в промислових принтерах.

    Фаза 0

    Білий контролер

    Фаза 1

    Помаранчевий

    Фаза 2

    Виконується підключення крокового двигуна до червоного контролеру

    Фаза 3

    Підключається до синього роз'єму

    Загальний « » живлення

    Коричневий контролер

    Розписати роботу більш масштабно просто не вийде, так як існують мільйони найрізноманітніших моделей, характеристики яких мають суттєві відмінності.

    В даний час використовуються різні типи електродвигунів цієї конструкції. У статті ми обговоримо найбільш поширені.

    Реактивні двигуни

    Саме цей різновид приладів повсюдно використовується донині. По суті, це майже стандартний трифазний двигун, на статорі якого є шість зубців. Простіше кажучи, кожні два зубця, що протистоять один одному, належать до однієї і тієї ж фази. Використовується послідовне або паралельне їх з'єднання котушок.

    Що стосується ротора, то на ньому розташовується тільки чотири зубці. Найчастіше статор і ротор виробники виготовляють з магнітомягкого матеріалу, але нерідко можна зустріти просто масивні ротори із звичайних металів. Вся справа в тому, що до речовин, які йдуть на їх виробництво, є тільки одна важлива вимога: вони повинні забезпечувати якомога кращу провідність магнітного поля. Це надзвичайно важливо, якщо обговорювати кроковий двигун: принцип роботи безпосередньо пов'язаний з напруженістю магнітного поля.

    Пристрої з постійними магнітами

    Як ротора використовується магніт циліндричної форми, на статорі ж є чотири зубця з індивідуальною обмоткою. Щоб сильніше зменшити кут кроку, в цих моделях крокових двигунів доводиться збільшувати як кількість полюсів ротора, так і число зубців на статорі. Втім, слід пам'ятати про те, що обидва цих параметра мають досить суворі фізичні обмеження. В останньому абзаці нашої статті є інформація про альтернативну їх конструкції (біполярний кроковий двигун), але такі моделі можна зустріти не так часто.

    Як ми вже говорили, крокові пристрої з постійними магнітами зупиняються в строго фіксованому положенні навіть у тих випадках, коли прибрано напругу з обмоток. В цьому випадку спрацьовує той самий механізм фіксації, який ми обговорили вище, - положення фіксації.

    Використання постійних магнітів виправдано з багатьох точок зору, але в той же час їх застосування може призводити відразу до декількох проблем. По-перше, їх ціна далека від доступною. До речі, скільки коштує такий кроковий двигун? Ціна моделей з постійними магнітами перевищує 100 тисяч рублів.

    По-друге, максимальна щільність магнітного поля може бути не занадто висока, так як це значення обмежена намагніченістю самого носія. Так, порівняно дешеві постійні феритові магніти не дозволяють отримати більш-менш достатній напруженості поля. А які ще типи електродвигунів, що працюють за цим принципом?

    Гібридні установки

    биполярный шаговый двигательЄ й інший тип крокового двигуна, частково використовує той же принцип. Гібридні моделі працюють з застосуванням як реактивної, так і магнітного двигунів.

    Ротор має практично ту ж конструкцію, що і у реактивного КД, але ось обмотки виробляються за дещо іншою схемою. Справа в тому, що на кожному полюсі обмотка є тільки в однієї котушки (трифазні КД). Неважко здогадатися, що в четырехфазных моделях намотано вже дві котушки. Намотування ведеться за бифилярной схемою. Особливість в тому, що при збудженні на котушках створюється магнітне поле різних полярностей (біполярний кроковий двигун).