Шаговый двигатель как сельсин

ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКИ

Блог технической поддержки моих разработок

Урок 32. Следящий электропривод с шаговым двигателем.

Во всех статьях о шаговых двигателях я не уставал повторять, что шаговый двигатель объединяет в себе электропривод и позиционирующее устройство без обратной связи. В этом уроке я хочу продемонстрировать использование шагового двигателя в следящем электроприводе.

В уроке я разработал две следящие системы с шаговым двигателем в качестве электропривода.

• Одна использует драйвер на базе платы Ардуино из предыдущего урока и управляется от компьютера.
• Второй следящий электропривод представляет собой автономное устройство, в котором положение вала двигателя задается переменным резистором.

Вы увидите, как просто реализуются такие системы на базе шагового двигателя. Но сначала я расскажу о том, что такое следящий электропривод и как он создается по традиционной схеме.

Следящий электропривод.

Это очень сложная тема, включающая несколько технических дисциплин, таких как электрические машины, теория автоматического управления, электроника и многие другие. Я затрону только самые общие понятия.

Следящий электропривод – это электрический привод, реализующий изменение положения исполнительного механизма (нагрузки) в соответствии с задающим сигналом, который может произвольно меняться во времени.

Проще говоря, маломощный входной сигнал на входе следящего электропривода управляет с определенной точностью мощной механической нагрузкой. Мы двигаем на экране компьютера изображение стрелки или крутим ручку переменного резистора, а поворачивается вал мощного двигателя.

В общем случае структурная схема следящей системы электропривода выглядит так.

С валом двигателя механически связан датчик положения ротора. Датчик преобразует угол положения вала в физическую величину, с которой работает регулятор. Это может быть напряжение для аналогового регулятора или цифровой код для вычислительных систем. Далее измеренный угол сравнивается с заданным, вычисляется ошибка рассогласования. Ошибка поступает на регулятор, который вырабатывает сигналы питания двигателя, стремясь скомпенсировать разницу между заданным и реальным углами. В качестве привода могут быть использованы самые разные типы двигателей, от низковольтного коллекторного, до мощного асинхронного.

Схема состоит из трех прямоугольников, но на самом деле следящий электропривод это очень сложная система. Требуется достаточно точный датчик угла. Работа регулятора осложняется инерционностью двигателя и нагрузки. Крайне неприятно работать на нелинейную нагрузку. Такие системы строятся по принципу пропорционально интегрально дифференциальных регуляторов. Часто используются адаптивные регуляторы.

Принцип реализации следящего электропривода на шаговом двигателе.

Намного проще реализовать следящий электропривод на шаговом двигателе. Главная особенность шагового двигателя состоит в том, что положение ротора всегда можно вычислить, подсчитав количество сделанных шагов.

Следящий электропривод считает сделанные шаги и таким образом определяет текущее положение ротора. Когда изменяется заданное значение положения вала, система вычисляет разницу между реальным и заданным углами, и делает необходимое количество шагов, чтобы скомпенсировать ошибку рассогласования. Никаких обратных связей, нет необходимости в датчике положения ротора.

К достоинствам следящего привода на базе шагового двигателя следует отнести:

• простота реализации;
• отсутствие датчика положения ротора;
• не бывает перерегулирования, колебательных процессов.

• необходимость начальной синхронизации реального положения ротора и значения положения ротора в контроллере системы;
• при выходе из синхронизации шагового двигателя система будет работать с ошибкой, которую можно скомпенсировать только повторной синхронизацией.

Следящий электропривод с управлением от компьютера.

Для реализации этого устройства я использовал драйвер шагового двигателя из предыдущего урока. Такая же схема подключения двигателя к плате Ардуино, та же резидентная программа драйвера с управлением от компьютера по протоколу AT команд.

Весь алгоритм управления реализован в программе верхнего уровня на компьютере.

• Программа хранит текущее положение ротора двигателя.
• При изменении заданного значения угла, она вычисляет количество шагов, которое двигатель должен сделать для компенсации ошибки. Затем посылает драйверу AT команду сделать необходимое количество шагов.
• С помощью AT команды чтения оставшихся шагов программа ждет остановки двигателя и, при необходимости, формирует следующую команду вращения ротора.
• Положение вала двигателя отображается на мониторе компьютера.

Программу я назвал Tracker. Загрузить ее можно по этой ссылке:

Зарегистрируйтесь и оплатите. Всего 40 руб. в месяц за доступ ко всем ресурсам сайта!

Варианты подключения, первый запуск, установка номера порта абсолютно такие же, как в программе Thermometer (Урок 24). Для проверки удобнее использовать виртуальный порт, который создает драйвер Ардуино при подключении платы к компьютеру. Запускать программу Arduino IDE для этого не надо.

Еще раз повторю, что схема подключения двигателя и скетч программы для платы Ардуино можно взять из предыдущего урока. Собственно мы используем разработанное в предыдущем уроке устройство – интеллектуальный драйвер шагового двигателя. Следящий электропривод это один из примеров применения драйвера.

У меня собранное устройство выглядит так.

Прищепка выполняет роль стрелки положения вала двигателя.

Окно программы Tracker выглядит так.

Часть графических элементов управления аналогичны компонентам программы StepMotor из предыдущего урока.

• Панель ”Скорость” позволяет задать скорость вращения.
• С помощью панели “Режим” можно задать режим коммутации фаз и остановки двигателя.
• Панель “Шаги” позволяет сделать произвольное количество шагов.

Надо только помнить, что данные с этих трех панелей передается в драйвер нажатием кнопок ”—>” рядом с соответствующими панелями.

• Через панель “Параметры двигателя” можно задать число шагов двигателя на полный оборот и период коммутации фаз в программе драйвера (в моей программе 250 мкс).
• Светодиод ”Обмен” сигнализирует о состоянии связи компьютера с драйвером. В нормальном режиме должен светиться зеленым.
• Кнопки “– 1 шаг” и “+ 1 шаг” позволяют сделать по одному шагу по часовой и против часовой стрелки.

В программе появились новые элементы для управления следящим приводом.

Прежде всего, это шкала угла положения вала двигателя. На ней два указателя:

• Заданного угла – треугольник зеленого цвета;
• Реального угла – треугольник красного цвета.

За указателем реального угла следует паук в центре шкалы. Люблю я насекомых. Этим летом ксилокопу поймал. Хотел ее использовать в программе, но чтобы сэкономить время взял изображение паука из старой программы. Кстати из программы следящей системы на базе мощного индукторного двигателя.

Указатель заданного угла можно двигать мышью, меняя заданный угол. Ниже шкалы есть числовые показатели заданного и реального углов, а также соответствующие им шаги двигателя.

Активная птичка ”Слежение” означает, что при перемещении указателя заданного угла двигатель оперативно (в реальном времени) отрабатывает положение. Т.е. вал реального двигателя следует за зеленым указателем.

Если птички ”Слежение” нет, то заданное значение отслеживается только по нажатию кнопки ”Пуск”.

Кнопка “Синхронизация” устанавливает оба указателя в нулевое положение. Используется для задания начального положения двигателя.

Я снял короткий фильм о работе следящего привода.

Как я не крутил двигатель нулевой угол на шкале программы соответствовал одному и тому же положению вала реального двигателя. Только надо учитывать, что это правило строго выполняется в режиме фиксации ротора при остановке двигателя, особенно в полу шаговом и между шаговом режимах коммутации. В режиме выключения фаз при остановке положение вала двигателя может измениться из-за механической нагрузки или инерции.

Только надо помнить, что в режиме фиксации ротора при остановке через драйверы всегда течет ток. На транзисторы драйвера должны быть установлены радиаторы. Иначе они могут перегреться и сгореть.

Ардуино проект следящего электропривода с управлением от переменного резистора.

Второй вариант следящего электропривода без обратной связи я решил реализовать как автономное устройство, в котором заданный угол устанавливается переменным резистором.

К плате Ардуино подключен драйвер униполярного шагового двигателя по схеме из предыдущего урока. Впрочем, можно использовать любую другую схему для униполярного или биполярного шагового двигателя.

К аналоговому входу A0 платы подключен переменный резистор по этой схеме.

У меня собранное устройство выглядит так.

Следящий привод должен поворачивать вал двигателя вслед за перемещением вала резистора. Управляет следящей системой программа платы Ардуино.

Резидентная программа следящего электропривода на Ардуино.

Скетч программы можно загрузить по этой ссылке:

Зарегистрируйтесь и оплатите. Всего 40 руб. в месяц за доступ ко всем ресурсам сайта!

Надеюсь, у Вас уже установлены библиотеки TimerOne.h и StepMotor.h.

Скетч программы небольшой.

// программа следящего электропривода без обратной связи

#include
#include

#define MEASURE_PERIOD 80 // время периода измерения (* 250 мкс)
#define numStepsMotor 400 // число шагов двигателя на оборот

int timeCount; // счетчик времени
long sumU; // переменные для суммирования кодов АЦП
long averageU; // сумма кодов АЦП (среднее значение * 80)
int currentStep; // текущее положение двигателя
int setStep; // заданное положение двигателя

StepMotor myMotor(10, 11, 12, 13); // создаем объект типа StepMotor, задаем выводы для фаз

void setup() <
Timer1.initialize(250); // инициализация таймера 1, период 250 мкс
Timer1.attachInterrupt(timerInterrupt, 250); // обработчик прерываний
myMotor.setMode(0, false); // шаговый режим, без фиксации при остановке
myMotor.setDivider(15); // делитель частоты 15
>

void loop() <
// проверка остановки двигателя
if( myMotor.readSteps() == 0) <
// двигатель остановился

// вычисление заданного положения
setStep = averageU * (numStepsMotor — 1) / 1023 / MEASURE_PERIOD;

// определение сколько шагов надо сделать
int stepsToDo; // сколько шагов надо сделать

stepsToDo = currentStep — setStep; // ошибка рассогласования

if( abs(stepsToDo) >= (numStepsMotor / 2) ) <

if((stepsToDo) > 0) stepsToDo -= numStepsMotor;
else stepsToDo += numStepsMotor;
>

myMotor.step(stepsToDo); // запуск двигателя
currentStep = setStep; // перегрузка текущего положения
>
>

// ————————————— обработчик прерывания 250 мкс
void timerInterrupt() <
myMotor.control(); // управвление двигателем

sumU += analogRead(A0); // суммирование кодов АЦП
timeCount++; // +1 счетчик выборок усреднения

// проверка числа выборок усреднения
if ( timeCount >= MEASURE_PERIOD ) <
timeCount= 0;
averageU= sumU; // перегрузка среднего значения
sumU= 0;
>
>

В программе измеряется и усредняется значение напряжения на аналоговом входе A0. Этот блок описан в уроке 13.

При остановленном двигателе проверяется, есть ли разница между заданным и реальным углами положения ротора. При необходимости вызывается функция step() для поворота вала двигателя.

Вот короткий фильм о работе устройства.

У моего двигателя 400 шагов на оборот. Если Вы используете другой привод, то надо изменить строку

#define numStepsMotor 400 // число шагов двигателя на оборот

Двигатель работает в шаговом режиме без фиксации ротора при остановке. Режим задан в блоке setup, его легко можно изменить. В полу шаговом режиме число шагов двигателя надо задать в два раза большим. В моем случае:

#define numStepsMotor 800 // число шагов двигателя на оборот

В некоторых положениях переменного резистора значение АЦП дергается на одну единицу. Обычное для преобразования аналогового сигнала явление. Шаговый двигатель отрабатывает это изменение заданного угла, что выражается в подергивании вала. Я не стал компенсировать этот эффект, потому что программа больше демонстрационная.

Неожиданно нашлось первое практическое применение варианта следящей системы с переменным резистором. Антону потребовалось изготовить большой стрелочный регулятор громкости. Очевидно в декоративно-оформительских целях. Вместо переменного резистора — задатчика положения он подал усиленный аналоговый сигнал, добавил второй канал и начальную установку стрелок в крайнее левое положение. Вот, что получилось.

Я так понял, что в окончательном варианте устройство будет оформлено в виде больших стрелочных индикаторов.

В этом уроке я хотел показать главное преимущество шагового двигателя – возможность позиционирования без обратной связи. Надеюсь, Вы оценили простоту создания следящих систем по такому принципу.

Вот ссылка на реальный проект следящей системы, реализованный таким образом.

К плате Arduino Nano подключены два двигателя, которые отслеживают положение по данным, заданным с интерфейса DMX.

В следующем уроке будем подключать к Ардуино биполярный шаговый двигатель. Все программы из предыдущих уроков должны работать без изменений и с биполярным приводом.

Производители

/ Продукция / Интегрированные сервоприводы / Эволюция приводов на базе шаговых двигателей

Эволюция приводов на базе шаговых двигателей

Если заглянуть в историю приводной техники, то можно увидеть, что шаговый двигатель (ШД) появился как дешевая альтернатива позиционному приводу. При этом отличительным и наиболее ценным его качеством являлась крайняя простота управления позицией вала — достаточно лишь в правильной последовательности подавать импульсы в обмотки двигателя и вал шагового двигателя начинает вращаться. Именно это достоинство служило основой массового использования ШД в устройствах автоматизации.

По мере расширения областей применения шагового двигателя улучшались и его технические характеристики. Появились новые конструкции ШД с использованием редкоземельных магнитов, так называемые гибридные ШД, которые по стоимости, на сегодняшний день, приблизились к своим предшественникам, а по развиваемой мощности превосходят последних в несколько раз. В результате у ШД появилось дополнительное конкурентное преимущество — это высокий момент на малых оборотах вращения. Например, момент удержания ШД в 2-3 раза выше, чем у синхронного двигателя эквивалентных массогабаритных показателей. Поэтому использование ШД в ряде случаев позволяет исключить редуктор из механической системы и, следовательно, снизить себестоимость автоматической системы в целом.

Особенности шаговых приводов

Повышенный интерес к гибридным ШД, а так же новые требования, предъявляемые к качеству выполняемого движения, заставили пересмотреть способ его управления. Так как шаговому управлению, наряду с явными достоинствами, присущ ряд недостатков, которые значительно сужают области применения ШД. Наиболее существенными из них являются:

1. Повышенная вибрация.

Повышенная вибрация возникает при шаговом и полушаговом способах управления на постоянной скорости из-за бесконтрольного перехода вала ротора в новую позицию, определяемую состоянием обмоток. В результате вал ротора совершает затухающие колебания относительно новой позиции до момента поступления нового импульса в обмотки.

Частично решить проблему вибрации удалось за счет разработки микрошагового способа управления, который сводится к разбиению полного шага двигателя на несколько более мелких шагов.

2. Наличие резонансных зон в рабочем диапазоне скоростей.

Во время работы двигателя, по мере увеличения скорости вращения, характер колебаний также изменяется и при совпадении частоты поступления импульсов с собственной частотой механической системы возникает резонансное явление. В результате чего момент двигателя практически полностью исчезает, что не редко приводит к пропуску шагов. В свою очередь, пропуск шагов нарушает работу всей системы.

Чтобы исключить влияние пропуска шагов на качество выполняемых операций, специалисты-технологи вводят дополнительный цикл реинициализации по истечении определенного непродолжительного времени, что, безусловно, снижает производительность таких систем.

3. Низкая динамика.

Во время переходного процесса любой привод испытывает повышенные нагрузки, так как помимо статического момента двигатель разгоняет и останавливает инерционную нагрузку, приведенную к валу двигателя. В связи с тем, что шаговый привод без обратной связи не имеет информации о текущей внешней нагрузке и текущей позиции, процесс разгона выполняется «вслепую». Поэтому, чтобы избежать выхода из синхронизма, технолог вводит плавный разгон и торможение с существенным запасом. Данный способ формирования переходного процесса ограничивает потенциальные динамические возможности привода.

4. Наличие ярко выраженного стоп-момента.

При приближении зубьев ротора к полюсу статора происходит резкое притяжение полюса ротора к полюсу статора, что приводит к возникновению рывка, а при удалении зубьев от полюса возникает обратный эффект, приводящий к уменьшению скорости. При вращении вала двигателя эта особенность приводит к появлению высокочастотной вибрации. Данный эффект особенно ярко выражен на малых оборотах у мощных гибридных шаговых двигателей.

5. Высокая рабочая температура привода и низкий КПД.

Чтобы избежать прокручивания вала под воздействием внешних сил, ток в обмотки двигателя подается постоянно, независимо от нагрузки на его валу, поэтому привод потребляет энергию всегда, даже при нулевом противодействующем моменте, что приводит к низкому КПД и высокой рабочей температуре привода.

6. Низкая точность позиционирования.

есмотря на то, что ШД в состоянии выполнять задачу позиционирования без датчика обратной связи, точность отработки задания не высока. Например, при использовании гибридного шагового двигателя с 50 эквивалентными полюсами ошибка позиционирования будет колебаться в диапазоне -0,9…+0,9 градусов, в зависимости от текущей статической нагрузки.

Пути решения проблем

Все описанные недостатки ограничивают области применения ШД. В то время, как потенциальный рынок достаточно велик и, по прогнозам экспертов, ситуация в ближайшие годы не изменится. Поэтому компании — разработчики заняты поиском новых решений существующих проблем. Такие пути уже намечены. Это:

1. Улучшение электромеханических свойств гибридного шагового двигателя.

В последнее время на рынке появились ШД с новыми конструктивными особенностями. К ним относятся двигатели с измененным воздушным зазором, измененной формой зуба и т.д. Одной из наиболее перспективных конструкций является пятифазный ШД, обеспечивающий достаточно высокую плавность хода. Однако привод на базе такого ШД существенно увеличивается в стоимости, как за счет стоимости самого двигателя, так и в связи с усложнением системы управления. При этом изменение механики не решает проблем, связанных с пропуском шагов и невысокой скоростью разгона, так как по-прежнему не контролируется текущая позиция вала двигателя.

2. Применение векторного управления.

Наиболее перспективным решением перечисленных проблем шагового привода является усовершенствование его метода управления.

Проблему пропуска шагов наиболее эффективно можно решить за счет внедрения в привод датчика позиции и использования высокопроизводительного сигнального процессора. Причем, во избежание значительного увеличения стоимости привода, возможным решением является разработка мехатронного привода на базе ШД, представляющего собой интегрированное устройство, в состав которого входит сам двигатель, система управления и датчик позиции вала. В этом случае в качестве датчика можно использовать бескорпусные ОЕМ-датчики.

При наличии двух таких компонент как сигнальный процессор и датчик позиции в одном устройстве можно отказаться от использования шаговых методов управления и построить систему управления на основе алгоритма векторного управления. Данный метод уже давно используется в сервоприводах на базе синхронных и асинхронных двигателей.

Алгоритм векторного управления основан на поддержании угла 90 градусов между текущей позицией ротора в рамках одного полюса и вектором токов в обмотках двигателя.

Как видно из графика зависимости момента от угла между текущей позицией и вектором тока (Рис.1) максимальная эффективность достигается именно при угле 90 градусов.

При этом расчет текущего угла необходимо выполнять в реальном времени с высокой частотой, так как при формировании токов вал ротора всегда стремится в позицию, заданную вектором токов.

Такой способ обеспечивает высокую эффективность управления: исключается колебание момента, развиваемого двигателем и, как следствие — вибрация; обеспечиваются высокие динамические показатели; исключается пропуск шагов.

Однако в реализации векторного управления для сервопривода шагового (СПШ) есть своя специфика. ШД имеет 50 эквивалентных пар полюсов в отличие от синхронного двигателя с 6-ю полюсами. В результате алгоритм векторного управления должен отрабатываться в процессоре с частотой свыше 20 кГц, чтобы обеспечить поддержание угла 90 градусов с приемлемой точностью на высоких скоростях вращения. Соответственно и несущая ШИМ (широтно-импульсная модуляция) сигнала имеет ту же частоту. Как показывают исследования, компромиссной является частота 40 кГц, на которой максимальная скорость вращения, допустимая системой управления, достигает 12000 об/мин. При этом, силовые ключи (MOSFET) не переходят в режим усиления и, соответственно, обеспечивают приемлемый КПД привода.

Эффективное уменьшение влияния стоп-момента на неравномерность вращения в таком приводе достигается за счет использования замкнутого регулирования токами.

При резком увеличении скорости, связанной с наличием стоп-момента, двигатель вырабатывает противо ЭДС. Происходит изменение напряжения питания, что приводит к увеличению тока, протекающего в обмотках двигателя. Контур тока, который выполняет коррекцию задания токов каждые 25 мкс, успевает зафиксировать изменения тока и внести компенсационное воздействие, позволяющее сгладить резкие рывки вала двигателя, что и приводит к улучшению плавности хода. Оставшиеся низкочастотные колебания скорости исключаются замкнутым контуром управления скоростью. В результате неравномерность вращения определяется лишь разрешающей способностью датчика скорости (Рис. 2. ).

Как видно из рисунка, колебания относительно заданной скорости составляют ± дискрету датчика обратной связи во всем диапазоне скоростей. Например, при использовании датчика с разрешением 160000 импульсов на оборот глубина регулирования достигает 15000:1, т.е. разрешение привода по скорости составит 0.1875 об/мин. При этом неравномерность вращения на 100 об/мин не превысит 0.5%.

Наличие такой системы управления позволяет отказаться от дорогих пятифазных ШД. Достаточно использовать обычный гибридный ШД, при этом все его минусы «сглаживает» электроника.

Использование замкнутого регулирования током дает еще одно немаловажное преимущество – увеличение КПД привода.

Увеличение КПД привода происходит за счет того, что задаваемые токи в обмотках двигателя соответствуют нагрузке на валу двигателя. Повышенный ток подается только при появления внешнего противодействия, в отличие от разомкнутого микрошагового способа управления, где ток в обмотки двигателя подается всегда даже при нулевом противодействующем моменте.

Сервопривод шаговый, с использованием векторного управления с замкнутым контуром тока позволяет формировать предельно допустимый электрический момент во время переходного процесса. Это позволяет добиться исключительно высокой динамики без опасения перегорания обмоток и без пропуска шагов.

Например, время выполнения реверса на 500 об/мин выполняется за 18 мс, в то время как эквивалентный по мощности шаговый привод с микрошаговым управлением выполнит данную задачу лишь за 100 мс.

Новые возможности

Помимо основного функционала, наличие на «борту» сервопривода современного сигнального процессора позволяет реализовать в рамках системы управления множество дополнительных функций, таких как:

• Программируемый логический контроллер.
• Интерполятор.
• Электронный редуктор.
• Обработка концевых датчиков.
• Контроль температуры.
• Защита от КЗ.
• Защита от пониженного и повышенного напряжения питания.
• Торможение с регулированием вырабатываемого противо ЭДС.

Наличие перечисленных функций позволяет увеличить надежность системы, снизить износостойкость оборудования, а в ряде случаев исключить внешний контроллер управления движением.

Вывод

Использование передовых методов управления делает возможным применение шаговых двигателей в современных сервосистемах наряду с сервоприводами на базе синхронных и асинхронных двигателей. В свою очередь, использование мехатронного подхода обеспечивает снижение себестоимости такого привода до приемлемых значений, что традиционно свойственно шаговым приводам.

к.т.н. Тихонов А.О.
Руководитель отдела исследований
и разработок компании «Сервотехника»,
Цывинский М.М.
Инженер отдела исследований
и разработок компании «Сервотехника»

Шаговый двигатель

Ша́говый электродви́гатель — синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

Содержание

• 1 Описание
• 2 Использование
  • 2.1 Датчик поворота
• 3 Преимущества и недостатки
• 4 См. также
• 5 Примечания
• 6 Литература
• 7 Ссылки

Описание

Первые шаговые двигатели появились в 1830-х годах и представляли собой электромагнит, приводящий в движение храповое колесо. За одно включение электромагнита храповое колесо перемещается на величину зубцового шага храпового колеса. Храповые шаговые двигатели и в настоящее время находят довольно широкое применение [1] .

Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнито-мягкого или из магнито-твёрдого материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

Таким образом по конструкции ротора выделяют следующие разновидности шагового двигателя [2] :

• с постоянными магнитами (ротор из магнитотвёрдого материала);
• реактивный (ротор из магнитомягкого материала);
• гибридный.

Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.

Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3,6-градусных двигателей и 8 основных полюсов для 1,8—0,9-градусных двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определённых положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть — между ними.

Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделён на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повёрнуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.

Использование

В машиностроении наибольшее распространение получили высокомоментные двухфазные гибридные шаговые электродвигатели с угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или 0,9°/шаг (400 шаг/об). Точность выставления шага определяется качеством механической обработки ротора и статора электродвигателя. Производители современных шаговых электродвигателей гарантируют точность выставления шага без нагрузки до 5 % от величины шага.

Дискретность шага создаёт существенные вибрации, которые в ряде случаев могут приводить к снижению крутящего момента и возбуждению механических резонансов в системе. Уровень вибраций удаётся снижать при использовании режима дробления шага или при увеличении количества фаз.

Режим дробления шага (микрошаг) реализуется при независимом управлении током обмоток шагового электродвигателя. Управляя соотношением токов в обмотках, можно зафиксировать ротор в промежуточном положении между шагами. Таким образом можно повысить плавность вращения ротора и добиться высокой точности позиционирования. Качество изготовления современных шаговых двигателей позволяет повысить точность позиционирования в 10—20 раз.

Шаговые двигатели стандартизованы национальной ассоциацией производителей электрооборудования [en] (NEMA) по посадочным размерам и размеру фланца: NEMA 17, NEMA 23, NEMA 34 и др. — размер фланца 42, 57, 86 и 110 мм соответственно. Шаговые электродвигатели NEMA 23 могут создавать крутящий момент до 30 кгс⋅см, NEMA 34 — до 120 кгс⋅см и до 210 кгс⋅см для двигателей с фланцем 110 мм.

Шаговые двигатели создают сравнительно высокий момент при низких скоростях вращения. Момент существенно падает при увеличении скорости вращения. Однако, динамические характеристики двигателя могут быть существенно улучшены при использовании драйверов со стабилизацией тока на основе ШИМ.

Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме, или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задаётся последовательностью электрических импульсов, например, в станках с ЧПУ. В отличие от сервоприводов, шаговые приводы позволяют получать точное позиционирование без использования обратной связи от датчиков углового положения.

Шаговые двигатели применяются в устройствах компьютерной памяти — НГМД, НЖМД, устройствах чтения оптических дисков.

Датчик поворота

Шаговые двигатели с постоянными магнитами могут использоваться в качестве датчиков угла поворота благодаря возникновению ЭДС на обмотках при вращении ротора. При этом, несмотря на удобство пользования и хорошую точность и повторяемость, необходимо учитывать, что:

• без вращения вала нет ЭДС; определить положение стоящего вала нельзя;
• возможна остановка вала в зоне неустойчивого равновесия (промежуточно между полюсами) ШД. Последующий пуск вала приведёт к тому, что, в зависимости от чувствительности компаратора, будет пропуск этого полюса, или два импульса вместо одного. В обоих случаях все дальнейшие отсчёты будут с ошибкой на один шаг. Для практически полного, но не 100%-го, устранения такого поведения необходимо применить муфту с соответствующим гистерезисом (угловым люфтом).

Преимущества и недостатки

Главное преимущество шаговых приводов — точность. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернётся строго на определённый угол. Стоимость шаговых приводов в среднем в 1,5—2 раза ниже сервоприводов. Шаговый привод, как недорогая альтернатива сервоприводу, наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика. Можно отметить также длительный срок службы, порой сравнимый со временем морального устаревания или выработки ресурса всего станка; точность работы ШД за это время падает незначительно. Нетребовательны к техобслуживанию.

Возможность «проскальзывания» ротора — наиболее известная проблема этих двигателей. Это может произойти при превышении нагрузки на валу, при неверной настройке управляющей программы (например, ускорение старта или торможения не адекватно перемещаемой массе), при приближении скорости вращения к резонансной. Наличие датчика позволяет обнаружить проблему, но автоматически скомпенсировать её без остановки производственной программы возможно только в очень редких случаях [ источник не указан 2982 дня ] . Чтобы избежать проскальзывания ротора, как один из способов, можно увеличить мощность двигателя.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Шаговый двигатель

Коммутатор и шаговый двигатель образуют основную часть шагового привода. Ротор двигателя в рассматриваемой схеме представляет собой двухполюсный постоянный магнит. [47]

В рассматриваемой системе шаговый двигатель представляет собой электрический реактивный импульсный двигатель. Возможно применение двух модификаций: с внешним ротором или с промежуточным полым ротором. При использовании специальной схемы этот шаг может быть уменьшен в два раза. [48]

После поступления на шаговый двигатель числа импульсов , равного исходному, и поворота вала двигателя на заданный угол вентиль запирается, так как все триггеры счетчика устанавливаются в нулевое положение. [49]

Блок сельсин-редуктор — шаговый двигатель типа БСШД предназначен для работы в системах автоматического регулирования и служит для преобразования задаваемого шаговому двигателю угла поворота в электрический сигнал. [50]

Если будет создан простой и надежный гидравлический шаговый двигатель с необходимыми свойствами для работы в следящих приводах, применение импульсных гидравлических следящих приводов станет целесообразным. Привлекающей особенностью этих приводов является, как это ясно из вышеизложенного, возможность отработки точного перемещения исполнительного механизма при отсутствии жесткой обратной связи. [51]

Как указывалось выше, шаговый двигатель выполняет также функции цифро-аналогового преобразователя, в котором число-импульсный код преобразуется в угол поворота. [52]

В середине правой части размещен шаговый двигатель 9 электрические соединения отдельных узлов и блоков производятся монтажными проводами, которые складываются в виде петли 5, позволяющей выдвигать кронштейн из корпуса прибора для регулировки без отключения от клеммных панелей прибора. [54]

Каждому импульсу, поступающему в шаговый двигатель , соответствует перемещение ползуна со шпинделем или стола на 0 01 мм. Скорость подачи изменяется от 20 до 600 мм / мин. [56]

Частота импульсов, подаваемых на шаговый двигатель , определяет скорость ( перемещения шпинделя, а их число — величину перемещения. Диапазон подач — 0 005 — 0 150 мм / мин, максимальное перемещение — 0 005 мм. При чистовом шлифовании можно компенсировать ошибки, связанные с прогибом детали, что повышает точность обработки. [57]

При непрерывной подаче импульсов на шаговый двигатель вал гидромотора будет вращаться со скоростью, пропорциональной частоте импульсов, а запорно-регулирующий элемент будет смещен из среднего положения на величину, обеспечивающую пропуск расхода масла, необходимого для вращения мотора. [58]

Если вследствие непрерывно поступающих импульсов шаговый двигатель будет шаг за шагом поворачивать кран, то вслед за ним будет поворачиваться и ротор гидродвигателя, причем втулка золотника как бы будет следить за поворотом крана. Поскольку выходной конец вала гидравлического двигателя соединен с ходовым винтом станка, то рабочий орган будет перемещаться в соответствии с программой, причем скорость перемещения может быть постоянной или переменной. [60]