Шаговый двигатель - это электродвигатель без скользящих контактов, с несколькими обмотками, в котором при подаче тока в одну из обмоток статора (статор = то что не движется в моторе) произойдёт движение и фиксация ротора (подвижная часть мотора) в определённом положении.
Подавая импульс на одну из обмоток, мы повернём ротор на 1 шаг.
1) Стабильность. Работает при различных нагрузках.
2) Не требует обратной связи. Двигатель имеет фиксированный угол поворота. (Мы всегда знаем на сколько повернулся мотор).
3) Относительно невысокая стоимость.
4) Стандартизированные размеры двигателя и угол поворота.
5) Простота в установке и использовании.
6) Надежность. Если что-либо поломается, двигатель остановится.
7) Долгий срок эксплуатации.
8) Превосходный крутящий момент на низких оборотах.
9) Отличная повторяемость при позиционировании.
10) Шаговый двигатель не может сгореть при нагрузке, превышающей максимальный вращающий момент двигателя. (При такой нагрузке двигатель будет просто пропускать шаги).
Недостатки:
1) Низкая эффективность. Мотор потребляет много энергии независимо от нагрузки.
2) Крутящий момент резко снижается при увеличении частоты вращения (крутящий момент обратно пропорционален скорости.)
3) Низкая точность. 1:200 при полном шаге.1:2000 при микрошаге.
4) Склонен к резонансу. Для устранения резонансных процессов требуется микрошаг.
5) Отсутствует обратная связь для контроля шагов.
6) Не может резко стартовать на высокой скорости (Требуется плавный разгон).
7) Высокий нагрев двигателя в процессе работы.
8) Шаговый мотор не может моментально продолжить работу после перегрузки на валу.
9) Шумный на средних и высоких скоростях.
10) Низкая мощность по сравнению с размером и весом.
Виды ШД
В зависимости от типа обмоток в каждой фазе различают 3 типа шаговых двигателей:
a) биполярный: 1 обмотка в каждой фазе, самая большая мощность, самый большой крутящий момент.
б) униполярный: также 1 обмотка на фазу, но от середины обмотки сделан отвод. средние выводы могут быть соединены внутри, получается или 5 или 6 выводов.
Таким двигателем проще управлять. Средние выводы подключаются к питанию, остальные обмотки по очереди соединяются с землей (проще плата управления).
Его можно использовать и как биполярный, если не использовать средние выводы.
Его можно использовать и как биполярный, если не использовать средние выводы.
в) четырёх обмоточный: иногда у униполярного ШД 4 раздельные обмотки (8 выводов), такой двигатель можно использовать и как би- и как уни- полярный.
В зависимости от строения ШД также делятся на 3 типа:
а) с переменным магнитным сопротивлением (реактивные)
Ротор изготовлен из магнитомягкого материала и не намагничен. Для простоты на рисунке ротор имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. (обмотки обвивают зубцы статора) Такой двигатель имеет шаг 30 град.
При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которых находится запитанная обмотка. (На картинке мы подали ток на 1 обмотку).
Такой двигатель не может держать определённое положение (нет магнитов), практически не используется.
б) с постоянными магнитами
В данном случае ротор состоит из постоянных магнитов, в следствии чего получается больший магнитный поток а значит и больший крутящий момент. При отсутствии питания также не может сохранять определённую позицию.
При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга.
в) Гибридные
Самый дорогой, самый точный (угол меньше 1 градуса), самый распространённый. Нужно приложить довольно большое усилие чтобы его повернуть без источников питания.
Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а нижней – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора сдвинуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов.
 |
| Разобранный ШД |
У меня есть только гибридные ШД, рассмотрим как они выглядят изнутри:
Здесь есть 4 вывода, это значит 2 обмотки (биполярный ШД), ротор намагничен и видно что верхние зубчики сдвинуты от нижних.
Как управлять шаговым двигателем
В зависимости от вида ШД нужно использовать различные способы управления, но в целом они похожи между собой, тем не менее есть несколько основных методов которые отличаются точностью, шумом и крутящим моментом.
а) wave drive mode - В каждый момент времени включена только 1 фаза. Ротор после каждого шага находится в "естественном положении" (магниты находятся в равновесии и не выталкивают друг друга, если отключить питание он не сдвинется).
Недостаток данного способа в том, что в каждый момент времени используется только 2 обмотки (~50%, а у униполярного ~25%), на 1 мы подаём + на противоположной -, в итоге крутящий момент у нас в половину меньше от возможного.
б) full step mode - используются все обмотки, ротор находится в "неестественном" положении, ШД сдвинут на пол шага и при отключении питания он не сможет сохранить данное положение. Крутящий момент больше чем в предыдущем случае (~90%).
в) half set mode - это комбинация двух предыдущих методов, т.к мы вращаем ротор по пол шага, то количество шагов ШД увеличивается в 2 раза. (больше точность). Т.к постоянно меняется количество используемых обмоток, то вместе с ним меняется и крутящий момент, что в свою очередь может быть причиной колебаний и шума.
Чтобы решить эту проблему нужно сделать так чтобы сила магнитного поля была одинаковой вне зависимости от числа включённых обмоток. Значит следует либо увеличить ток в 1.41 раз во время работы 1 фазы, либо уменьшить ток в 0.707 раза во время работы 2 обмоток.
 |
| По оси ординат показан токи в обмотках |
г) мини / микро - шаговый: как уже выяснилось, чем больше у нас значений тока проходящего через обмотку, тем больше точность, (больше шагов), также ШД движется более плавно, перестаёт крутиться рывками. Крутящий момент остаётся постоянным.
Здесь уже используются специальные драйверы, ЦАП, ШИМ и т.д.
Если нам нужно плавное вращение ШД, лучше всего подавать на обмотки сдвинутые по фазе синусоиды.
Примечание
ШД потребляют большой ток, нельзя их питать напрямую от МК, нужно использовать транзисторы или драйверы для управления моторами, к примеру L293D.
Источники:
Сообщения
Комментариев нет :
Отправить комментарий