Что такое шаговый двигатель и как им управлять

Материал обновлён 11.07.2023
Время чтения: 22 минуты

Шаговый двигатель - это бесщёточный электродвигатель, в работе которого используется постоянный электроток. Его вращение осуществляется пошагово, на строго установленный угол. Такое дискретное (пошаговое) движение позволяет выставить вал в нужном положении с очень высокой точностью.

Скорость поворота, а также число совершаемых шагов может быть установлена оператором индивидуально. Эти параметры определяются частотой, а также количеством управляющих импульсов, переданных на обмотки мотора.

В отличие от сервопривода шаговые или степ-моторы поворачиваются только на фиксированный угол - шаг. Это обеспечивает высокую точность совершаемых движений. У сервоприводов угол свободного поворота обычно ограничен диапазоном в 180° или 360°. У шаговых двигателей (ШД) такое ограничение отсутствует. Их конструкция позволяет им вращаться в любом направлении неограниченно долго. Однако управлять этими устройствами несколько сложнее, чем это реализовано у сервоприводов. Для них нужно использовать специальное устройство - драйвер или управляющую плату.

В статье «Управление движением: всё что нужно знать о сервоприводах» вы более подробно узнаете о видах, устройстве, а также выборе сервоприводов.

Степ-моторы очень широко распространены. Их применяют во множестве устройств там, где требуется точное позиционирование, а также контроль интенсивности вращения. Вот пример таких областей, где их наиболее часто используют:

Здесь приведена только небольшая часть тех областей, где используют ШД. На самом деле их применяют повсеместно, во множестве устройств и автоматических систем.

Как и любой электромотор, ШД состоит из статора, а также якоря (ротора). Обмотки (катушки), индуцирующие электромагнитное (ЭМ) поле, размещены в статоре, в специальных пазах. Ротор электрической машины представляет из себя стальной стержень, на который установлен один или несколько постоянных магнитов. Также существуют конструкции без магнитов. Их конструкция выполнена из магнитомягкого материала - электротехнической стали.

Когда на одну из обмоток мотора подаётся электрическая энергия, она начинает генерировать постоянное электромагнитное поле. Имитирующее поле постоянного магнита. Поэтому катушки в статоре также называют полюсами. Из-за действия магнитных сил магнит притягивается к обмотке. Это заставляет поворачивается электрическую машину на соответствующий угол. При вращении, полюса ротора и статора приближаются друг к другу, после чего перемещение прекращается. Это движение называется шагом.

При подаче тока на следующую катушку статора вал вновь поворачивается и вновь останавливается. Так совершается ещё один шаг. Число импульсов, поданных на обмотки, определяет количество совершенных ходов. От того с какой частотой подаются импульсы, зависит интенсивность вращения мотора. Количество ходов, совершаемых за один полный оборот вала, отражает плавность движения. Чем их больше - тем оно плавнее.

Технические характеристики - это отличительные черты установки характеризующая её, а также позволяющие сравнить с другими.

Это механическая характеристика электродвигателя. Она отражает номинальное усилие (нагрузку), создаваемое на вращающемся валу.

Это механическое усилие, которое необходимо приложить к якорю для начала его вращения и преодоления статического сопротивления. Статическое сопротивление, в первую очередь, обусловлено силой трения на подвижных элементах степ-мотора.

Это величина усилия, гарантированно останавливающее вращение. При увеличении нагрузки происходит постепенное снижение скорости движения. При достижении определённого критического значения электромотор окончательно останавливается.

Это одна из основных характеристик. Величина номинального напряжения зависит от индуктивности обмоток электродвигателя. Также она напрямую влияет на величину вращающего усилия.

Он отражает величину нагрузки, потребляемой из сети. Также его значение используют для определения потребляемой мощности, подбора управляющей платы и защитной аппаратуры.

Этот параметр показывает нам, на сколько градусов за один шаг поворачивается вал. Зная его величину, можно определить количество ходов, совершаемых степ-мотором за один полный оборот. Для этого нужно 360° разделить на угол полного шага. Например, 360°/1,8° = 200 шагов/оборот.

Этот показатель характеризует время, за которое разгоняется электромотор. На величину инерции основное влияние оказывает масса ротора.

Этот параметр не менее важен при выборе электрической машины. Длина, высота и ширина корпуса могут стать серьёзным препятствием при размещении степ-мотора. Также не менее важными показателями являются длина и диаметр вала.

Чаще всего ШД различаются:

По конструктивному исполнению ШД делятся на:

Они имеют надёжную, конструктивно простую, а также дешёвую в изготовлении классическую конструкцию. Катушки, создающие электромагнитное поле, размещены в статоре. Подвижная часть устройства состоит из стального вала, а также размещённого на нём постоянного магнита. Если магнитов на валу размещается несколько, то их располагают так, чтобы магнитные полюса чередовались - север, юг, север, юг и так далее.

При подаче электропитания на один из полюсов в нём возникает электромагнитное поле. Оно притягивает ближайший полюс постоянного магнита. Под действием магнитных сил полюса сближаются, создавая вращение. Это действие приводит к совершению одного шага.

При подаче питания на следующий полюс происходит то же самое, а движение повторяется. Вал проворачивает ещё раз. Чаще всего количество ходов, затрачиваемых на совершение одного оборота, определяется количеством установленных в статоре катушек.

В этих электрических машинах якорь выполнен из электротехнической стали. На его поверхности имеются специальные выступы (зубья). Такие же зубья присутствуют на полюсах электромагнитных обмоток статора. Зубья на поверхности ротора расположены таким образом, чтобы при вращении, они совпадали только с зубьями двух противоположных друг другу электромагнитных полюсов.

При подаче электрического питания на противолежащие полюса они создают электромагнитное поле, которое замыкающееся через металл якоря.

Сила, возникающая при этом, приводит его в движение, сокращая расстояние между зубьями якоря и активного полюса.

За счет зубчатой формы, магнитное поле на выступах концентрируется сильнее. Эта особенность и позволяет подтягивать зубцы друг к другу.

Чем больше число зубьев размещено на поверхности – тем больше ходов нужно сделать для совершения полного оборота. Также количество зубьев определяет минимальный угол поворота ротора.

К недостаткам подобной конструкции относится отсутствие тормозящего усилия. То есть при полном отключении электропитания движение не прекратится сразу. Оно будет замедляться, а время выбега будет зависеть от сил трения и величины инерции.

Гибридные степ-моторы – усовершенствованная версия ранее описанных конструкций. Эти электрические машины имеют якорь из магнитомягкого материала разделённый на две секции. На его поверхности имеются зубья, а внутрь встроен постоянный магнит.

Наличие постоянного магнита позволяет создать тормозящее усилие, а также улучшить соотношение статического и динамического моментов машины. За счёт наличия двойного ряда зубьев, выполненных со смещением, друг относительно друга, гибридные машины могут совершать ходов больше,е за один оборот.

В остальном существенных различий электромотор не имеет, а принцип его работы практически аналогичен машинам с магнитомягким якорем.

Электромоторы делятся по числу используемых выводов, а также схеме соединения. Количество отходящих проводов может составлять: четыре, пять, шесть или восемь. В зависимости от способа присоединения выводов получают биполярную или униполярную схему.

Биполярная схема питания предполагает, что электропитание на мотор подаётся всего по четырём проводам. Такое соединение по уже умолчанию реализовано у тех моторов, в которых имеется всего четыре питающих вывода. В их конструкции предусмотрено всего две рабочие обмотки. Если от степ-мотора отходят питающие выводы в количестве пять, шесть или восемь, то биполярное соединение в них получают искусственно, путём объединения выводов в определённой последовательности.

Униполярную схему получают только в машинах, имеющих пять, шесть или восемь питающих выводов. Для получения униполярного соединения, помимо начала и конца, у обмоток используется ещё их средняя точка. В пяти, а также шестипроводных электромоторах она уже организована. В восьмипроводных - эту точку получают искусственно, путём определённого присоединения полуобмоток.

Однополярная и биполярная схемы, использующие полуобмотки, не дают большого крутящего усилия на низких оборотах. Это связано с тем, что в них используется меньше витков проволоки. Однако из-за низкой индуктивности им хорошо удаётся удерживать крутящее усилие при высоких скоростях движения.

Биполярное соединение использует катушку полностью, поэтому оно создает очень хорошее крутящее усилие на низких оборотах. Однако это усилие быстро падает при ускорении. Причина этому - высокая собственная индуктивность.

Биполярная схема с параллельным включением полуобмоток использует возможности электромагнитных катушек полную. Она обеспечивает хорошие характеристики на низких скоростях. Также она создаёт низкую индуктивность, что позволяет поддерживать высокий крутящий момент на больших скоростях. Однако параллельное включение полуобмоток в биполярной схеме имеет важное преимущество. У неё на 40% большая мощность, а также потребление.

Как видно из механической характеристики, биполярное соединение предпочтительнее в случаях, когда требуется силовое действие привода. Униполярное соединение эффективно при выполнении скоростных операций.

В зависимости от требуемой от степ-мотора точности выделяют следующие режимы:

Полношаговый режим наиболее часто используется. Его преимуществом является простота реализации. При этом выделяют два вида полношаговых режима: однофазный и двухфазный.

При однофазном режиме управляющий сигнал подаётся только на одну катушку. Для совершения поворота снимается электропитание с текущей катушки и подаётся на следующую.

В двухфазном режиме питание на полюса статора подаётся попарно. При этом полюс якоря занимает промежуточное положение.

В обоих случаях вал проворачивается на одинаковый угол (один шаг или ход). Однако в двухфазном режиме результирующая сила электромагнитного поля будет выше в 1,41 раза, а соответственно, и действующее на якорь крутящее усилие.

Полушаговый режим сочетает в себе оба ранее описанных варианта управления. При его использовании вначале подаётся электропитание на катушку «А», затем на «А» и «В», потом только на «В» и так далее. При таком управлении якорь электромотора поворачивается на полушаг. Это увеличивает точность движения механизма в два раза. Уменьшение угла поворота ведёт к снижению вибрации, а также уменьшению резонансной частоты.

Микрошаговый режим применяется реже, так как для его реализации требуется специальный драйвер. Он позволяет значительно уменьшить угол поворота.

Принцип его действия схож с полушаговым режимом. В нём также используется сразу две смежные обмотки. Для получения большего количества промежуточных микрошагов на них подаются различные комбинации уровней напряжения. Это позволяет установить вал в большее число промежуточных положений. Максимально возможное число положений, ограничивается только характеристиками применяемого в схеме драйвера.

Управляющий сигнал, посылаемый на степ-мотор, может иметь синусоидальную или импульсную форму. В дополнение к этому, импульсные сигналы могут быть биполярными, имитирующими синусоиду, а также униполярными - не снижающими свой потенциал ниже нуля.

Синусоидальная форма сигналов применяются в аналоговых схемах. Для её формирования используется уже готовый синусоидальный сигнал из электрической сети.

Такая особенность позволяет значительно упростить электрическую схему. Однако для согласования действия смежных катушек требуется сложная и тонкая настройка.

Сейчас, в связи с повсеместным применением цифровой техники, для управления степ-моторами аналоговые сигналы практически не применяются.

Импульсные управляющие сигналы, в контроле над ШМ, применяются повсеместно. Это связано с популярностью цифровой техники, а также доступности и разнообразию современных цифровых контроллеров. Для генерации импульсов используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Использование цифровых сигналов позволяет не только пошагово управлять степ-мотором, но также задавать ему сложную программу действий. Например, управлять временем вращения, длительностью простоя, а также скоростью переключения шага.

В качестве источника питания должен использоваться внешний источник. Это позволяет максимально исключить влияние нагрузки на микрокомпьютер.

При выборе питающего напряжения следует отталкиваться от требований управляющей платы. Это может быть как постоянный, так и переменный ток с напряжениями в диапазоне от 5 до 110 В, в зависимости от модели драйвера.

Не следует подключать мотор к плате Ардуино или Raspberry напрямую. Даже если это маломощное устройство. Обратные токи, возникающие при остановке электромотора, могут привести к повреждению контроллера.

Низкая цена, а также способность точного позиционирования сделали ШД востребованным компонентом. Они нашли своё применение в робототехнике, а также в станках с числовым программным управлением (ЧПУ).

Наиболее популярный способ использования - это подключить мотор к программируемому контроллеру Arduino. Такое подключение выполнить достаточно просто. Для этого нужен любой Ардуино-совместимый контроллер и плата управления (драйвер).

Прежде всего, драйвер нужен, чтобы обеспечить поступление электроэнергии на катушки статора. Также он отвечает за частоту их коммутации, силу управляющего тока, а также он выполняет защитные функции.

На современных устройствах располагаются две группы контактов, а также блок переключателей. Первая группа контактов - управляющие. Обычно по ним передаются сигналы включения, действия, а также определения направления движения. В устройствах SUMTOR они обозначены как: ENA, PUL, а также DIR.

ENA - пара контактов принимающая сигнал о разрешении или запрете работы электромотора;

IR - контакты, отвечающие за определение, в каком направлении будет вращаться электрическая машина;

PUL - принимает импульсы, которые отвечают за совершение одного или нескольких ходов.

Вторая группа контактов используется для присоединения электродвигателя, а также его источника питания.

Пары A+/A- и B+/B- используются для присоединения катушек электромотора;

DC - контакты для подачи питания от источника постоянного тока.

AC - пара контактов для подключения переменного напряжения.

Группа переключателей SW используется для ограничения величины питающего тока, а также создания необходимого числа микрошагов. Требуемые параметры настраиваются согласно таблице, нанесённой на корпус драйвера, путём включения и отключения переключателей.

Организовать необходимое функционирование мотора довольно просто, например, используя микроконтроллер на базе чипа ATMega. После присоединения всех элементов, а также настройке управляющей платы, нужно выполнить программирование микроконтроллера. Для этого составляется программа (скетч). Пример такого скетча приводится ниже.

int Index;

void setup()

{

pinMode(5, OUTPUT); // Puls
pinMode(6, OUTPUT); // Enable
pinMode(4, OUTPUT); // Direction

digitalWrite(6,LOW);

}

void loop()

{

digitalWrite(4,HIGH);

for(Index = 0; Index < 5000; Index++)

{

digitalWrite(5,HIGH);
delayMicroseconds(500);
digitalWrite(5,LOW);
delayMicroseconds(500);

}

delay(1000);

digitalWrite(4,LOW);

for(Index = 0; Index < 5000; Index++)

{

digitalWrite(5,HIGH);
delayMicroseconds(500);
digitalWrite(5,LOW);
delayMicroseconds(500);

}

delay(1000);

}

Главное преимущество - это их точность. ШД может быть быстро запущен, а также быстро остановлен. Для выполнения этих действий требуется минимальное время. ШД обладает высокой надёжностью, а также стабильной работой при высоких нагрузках.

Он не нуждается в датчиках или других элементах, обеспечивающих обратную связь. Его позиционирование полностью определяется поступающими от контроллера импульсами.

Большой рабочих диапазон скоростей позволяет задействовать в самых разных механизмах или обеспечить многоскоростную работу.

Доступная цена, простота в установке, настройке, а также использовании.

Высокой популярностью пользуются биполярные ШД марок и UMot.

SUMTOR - крупный производитель, специализирующийся на производстве как моторов, так и драйверов управления к ним. Электромоторы SUMTOR производятся в соответствии со стандартом NEMA и имеют различные номинальные характеристики питающего напряжения, тока, а также крутящего момента. Вот некоторые из них: