Электроника:Переменный ток/Двигатели переменного тока/Шаговые двигатели

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Шаговые двигатели[1]

Что лучше – шаговый двигатель или серводвигатель?

Шаговый двигатель представляет собой «дискретный» вариант электродвигателя. Ротор управляемо совершает дискретные повороты, а не вращается непрерывно, как в обычном двигателе. Если он остановлен, но находится под напряжением, шаговый двигатель (в англоязычной литературе также встречается термин степпер или шаговик, то есть stepper как сокращение от stepper motor) стабильно удерживает свою нагрузку за счёт удерживающего крутящего момента.

Широкое распространение шагового двигателя в последние десятилетия вызвано появлением цифровой электроники. Основную роль сыграла современная электроника на твердотельных накопителях. Кроме того, микропроцессоры легко подключаются к схемам привода шагового двигателя.

В плане применения предшественником шагового двигателя был серводвигатель. Сегодня это более дорогое решение для высокопроизводительных приложений с управлением. Стоимость и сложность серводвигателя обусловлены дополнительными компонентами системы: датчиком положения и усилителем ошибки. Впрочем, серводвигатели ещё используются – это способ позиционировать тяжёлые грузы, что недоступно для шаговых двигателей, имеющих как правило меньшую необходимую мощность.

Для высокого ускорения или необычно высокой точности по-прежнему требуется серводвигатель. Если требования не столь высоки, по умолчанию используется шаговый двигатель из-за его простой электроники привода, сносной точности, хорошего крутящего момента, умеренной скорости и низкой стоимости.

Рис. 1. Шаговый двигатель против серводвигателя.

Одно из применений шагового двигателя – позиционирование головки чтения-записи в дисководе для гибких дисков. Когда-то они использовались для той же цели и в жёстких дисках. Однако высочайшая скорость и точность, необходимые для позиционирования головки современного жёсткого диска, требуют использования линейного серводвигателя (т.н. звуковой катушки).

Сервоусилитель – это линейный усилитель с некоторыми сложными для интеграции дискретными компонентами. Чтобы оптимизировать коэффициент усиления сервоусилителя в зависимости от фазовой характеристики механических компонентов, требуются значительные конструкторские усилия. Приводы шагового двигателя представляют собой менее сложные твердотельные переключатели, они либо «включены», либо «выключены». Таким образом, контроллер шагового двигателя менее сложен и дорог, чем контроллер серводвигателя.

Синхронные двигатели с замедленной синхронизацией могут работать от сетевого напряжения переменного тока, как однофазные асинхронные двигатели с постоянным конденсатором. Конденсатор обеспечивает вторую фазу 90°. При постоянном сетевом напряжении у нас есть двухфазный привод.

В наши дни более распространены двухполюсные (±) прямоугольные волны 2–24 В. Двухполюсные магнитные поля могут также создаваться однополюсными (с одной полярностью) напряжениями, приложенными к чередующимся концам обмотки с центральным отводом (рисунок ниже).

Другими словами, на двигатель можно переключить постоянный ток, которые будет восприниматься как переменный ток. Поскольку обмотки запитываются последовательно, ротор синхронизируется с соответствующим магнитным полем статора. Таким образом, мы рассматриваем шаговые двигатели как класс синхронных двигателей переменного тока.

Рис. 2. Униполярный привод катушки с центральным отводом, имитирует переменный ток как в одиночной биполярной катушке.

Характеристики

Шаговые двигатели прочны и недороги, поскольку в роторе нет контактных колец обмотки или коммутатора. Ротор представляет собой твёрдое тело цилиндрической формы, которое также может иметь выступающие полюса или мелкие зубья. Чаще всего ротор представляет собой постоянный магнит.

Можно определить, является ли ротор постоянным магнитом, если при вращении его вручную (без подачи питания) будут наблюдаться фиксирующий крутящий момент и пульсации крутящего момента. Катушки шагового двигателя намотаны внутри пластинчатого статора, но есть ещё особые шаговых двигатели, в которых два статора (так называемые can-stack stepper motors). В этих двигателях статоры устроены по-другому (об этом виде шаговых двигателей рассказано ниже). Количество фаз намотки может быть от двух до пяти.

Катушки зачастую в паре делят общую фазу (при этом, если на эту пару подаётся напряжение, то обмотки имеют противоположные полярности). Таким образом, 4-полюсный шаговый двигатель может иметь две фазы, состоящие из линейных пар полюсов, катушки разнесены относительно друг друга на 90°. Может быть и несколько пар полюсов, имеющих общую фазу. Например, 12-полюсный шаговый двигатель имеет 6 пар полюсов, по три пары на фазу.

Поскольку шаговые двигатели вращаются не непрерывно, номинальной мощности в лошадиных силах у них нет. При вращении, максимально приближённого к непрерывному, они даже не приблизятся к номинальной мощности в одну лошадиную силу. По сравнению с другими типами двигателей это действительно небольшие устройства с низким энергопотреблением. Они имеют номинальный крутящий момент до тысячи унций (дюймов-унций) или десяти Н⋅м (ньютон-метров) для блока на 4 кг. Миниатюрный шаговый двигатель «копейка» (в оригинале англ. «dime» т.е дословно «десятицентовая монета») имеет крутящий момент в одну сотую ньютон-метра или несколько дюймов-унций. Большинство шаговых двигателей имеют диаметр несколько дюймов с крутящим моментом в доли Н⋅м или несколько унций.

Доступный крутящий момент зависит от скорости двигателя, инерции нагрузки, момента нагрузки и приводной электроники, как на графике ниже, показывающем зависимость скорости от крутящего момента. Удерживающий шаговый двигатель под напряжением имеет относительно высокий номинальный удерживающий момент. Для работающего двигателя доступен меньший крутящий момент, который снижается до нуля на некоторой высокой скорости.

Эта скорость зачастую недостижима из-за того, что комбинации нагрузок двигателя вступают в механический резонанс.

Рис. 3. Скоростные характеристики шагового двигателя.

Шаговые двигатели перемещаются по одному шагу за раз, угол шага при изменении волны привода меняется. Угол шага зависит от конструкции двигателя: количества витков, полюсов, зубцов. Это может быть от 90° до 0,75°, что соответствует от 4 до 500 шагов на один оборот.

Электроника привода позволяет ещё вдвое уменьшить угол шага, делая перемещения ротора в виде полушагов.

Шаговые двигатели не могут мгновенно достигать скорости на кривой «скорость / крутящий момент». Максимальная начальная частота является самой высокой скоростью, с которой можно запустить остановленный и ненагруженный шаговый двигатель. Любая нагрузка сделает этот параметр недостижимым.

На практике частота шагов увеличивается во время запуска со значений значительно ниже максимальной пусковой частоты. При остановке шагового двигателя скорость шага может быть в несколько итераций уменьшена перед остановкой.

Момент затяжки – максимальный крутящий момент, при котором шаговый двигатель может запускаться и останавливаться. Это крутящий момент при полной нагрузке в шаговом двигателе возникает из-за фрикционной (тормоз) и инерционной (маховик) нагрузок на вал двигателя. Когда двигатель набирает обороты, предельный перегрузочный крутящий момент становится максимально устойчивым крутящим моментом без потери шагов.

Существует три типа шаговых двигателей в порядке возрастания конструктивной сложности: 1) шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением; 2) шаговый двигатель с постоянным магнитом; и 3) гибридный шаговый двигатель. Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением имеет прочный ротор из магнитомягкой стали с выступающими полюсами. Шаговый двигатель с постоянным магнитом имеет цилиндрический ротор, являющийся, как нетрудно догадаться, постоянным магнитом.

Гибридный шаговый двигатель имеет зубцы из магнитомягкой стали, добавленные к ротору с постоянным магнитом для дробления шага.

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением работает за счёт того, что магнитный поток ищет кратчайший путь, преодолевая магнитное сопротивление магнитной цепи. Это значит, что магнитно-восприимчивый ротор неправильной формы будет вращаться, пытаясь замкнуть магнитную цепь, сводя к минимуму длину любого воздушного зазора с высоким магнитным сопротивлением.

Статор обычно имеет три обмотки, распределённые между парами полюсов, ротор – четыре выступающих полюса, что даёт угол шага 30°. Обесточенный шаговый двигатель без фиксирующего момента при вращении вручную идентифицируется как шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением.

Рис. 4. Трёхфазные и четырёхфазные шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением.

Формы сигналов возбуждения для 3-ϕ шагового двигателя можно увидеть в разделе 4 «Двигатель c магнитным сопротивлением» этой главы. Привод для 4-ϕ шагового двигателя показан на рисунке ниже. Последовательное переключение фаз статора создаёт вращающееся магнитное поле, которое тянет за собой ротор. Однако из-за меньшего количества полюсов ротора на каждом шаге перемещается на угол, меньший чем угол между полюсами статора. Для шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением шаговый угол определяется так:

ΘS = 360° / NS
ΘR = 360° / NR
ΘST = ΘR – ΘS

где:

ΘS = угол статора,
ΘR = угол ротора,
ΘST = угол шага,
NS = количество полюсов статора,
NP = количество полюсов ротора.
Рис. 5. Последовательность шагов для шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением.

На рисунке выше показано движение от φ1 к φ2 и т.д. Магнитное поле статора вращается по часовой стрелке. Ротор движется против часовой стрелки (CCW). Обратите внимание, чего не происходит! Зубец ротора не перемещается на следующий зубец статора. Вместо этого поле статора φ2 притягивает другой зубец при перемещении ротора против часовой стрелки, который представляет собой меньший угол (15°), чем угол статора 30°.

Угол зубца ротора 45° соответствует расчётам по приведённому выше уравнению. Ротор перемещается против часовой стрелки к следующему зубцу ротора под углом 45°, но совмещается с направлением вращения на 30° зубца статора. Таким образом, фактический угол шага – это разница между углом статора 45° и углом ротора 30°.

Насколько далеко повернулся бы шаговый двигатель, если бы ротор и статор имели одинаковое количество зубцов? На ноль – на рисунке не обозначено.

Начиная с состояния покоя с включённой фазой φ1, требуются три импульса (φ2, φ3, φ4) для совмещения зубца ротора (обозначенного на рисунке «пунктиром») со следующим зубцом статора против часовой стрелки, который составляет 45°. С 3-мя импульсами на каждый зубец статора и общим количеством 8 зубцов статора, имеем 24 импульса или шага, перемещающих ротор на угол 360°.

При изменении последовательности импульсов направление вращения меняется на противоположное сверху-вправо. Направление, частота шагов и количество шагов контролируются контроллером шагового двигателя, питающим привод или усилитель. Это можно объединить в единую печатную плату.

Контроллер может быть микропроцессором или специализированной интегральной схемой. Привод представляет собой не линейный усилитель, а простой двухпозиционный переключатель, способный выдавать достаточно большой ток, чтобы активировать шаговый двигатель. В принципе, приводом может быть реле или даже тумблер для каждой фазы. На практике приводом служат либо дискретные транзисторные ключи, либо интегральная схема.

И привод, и контроллер могут быть объединены в единую интегральную схему, принимающую прямые команды и шаговые импульсы. Она последовательно выводит ток на соответствующие фазы.

Рис. 6. Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением.

Вы можете разобрать шаговый резистор, чтобы увидеть, как он устроен. Внутренняя конструкция шагового двигателя с переменным сопротивлением показана на этом рисунке. У ротора выступающие полюса, так что они могут притягиваться к вращающемуся полю статора при его переключении. Настоящий двигатель гораздо длиннее, чем на этой упрощённой иллюстрации.

Рис. 7. Ходовой винт шагового привода с регулируемым сопротивлением.

Вал часто снабжён приводным винтом (как на рисунке). Благодаря этому можно перемещать головки дисковода гибких дисков по команде контроллера.

Шаговые двигатели с регулируемым магнитным сопротивлением применяются, когда требуется только средний уровень крутящего момента и достаточен большой угол шага. Винтовой привод, используемый в дисководе гибких дисков, является таким приложением. Когда контроллер включается, он не знает положение каретки.

Однако он может продвигать каретку к оптическому прерывателю, калибруя положение, в котором острие режущего края упирается в прерыватель, фиксируя «исходную позицию». Контроллер отсчитывает пошаговые импульсы с этой позиции. Пока крутящий момент нагрузки не превышает крутящий момент двигателя, контроллер будет знать положение каретки.

Итог (шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением)

  • Ротор представляет собой цилиндр из магнитомягкого железа с выступающими (наружными) полюсами.
  • Это наименее сложный и недорогой шаговый двигатель.
  • Единственный тип шагового двигателя, в котором отсутствует удерживающий крутящий момент при вращении вручную обесточенного вала двигателя.
  • Большой угол шага.
  • Ходовой винт часто устанавливается на вал для линейного шагового движения.

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Шаговый двигатель с постоянным магнитом имеет цилиндрический ротор, являющийся постоянным магнитом. Статор обычно имеет две обмотки. Обмотки могут иметь отводы по центру, для обеспечения униполярной схемы привода, в которой полярность магнитного поля изменяется путём переключения напряжения с одного конца обмотки на другой.

Для питания обмоток без центрального отвода требуется биполярный привод переменной полярности. Чисто шаговый двигатель с постоянным магнитом обычно имеет большой угол шага. Вращение вала обесточенного двигателя показывает удерживающий момент. Если угол удерживания большой, скажем от 7,5° до 90°, скорее всего, это шаговый двигатель с постоянным магнитом, а не гибридный шаговый двигатель.

Для шаговых двигателей с постоянными магнитами требуются фазные переменные токи, подаваемые на две (или более) обмотки. На практике сигналы тока в шаговых двигателях – почти всегда прямоугольные волны, генерируемые твердотельной электроникой от постоянного тока.

В биполярном приводе прямоугольные волны чередуют (+) и (-) полярности, скажем, от 2,5 В до -2,5 В. Униполярный привод подаёт и (+) и (-) переменный магнитный поток к разви́тым катушкам как пару положительных прямоугольных волн, приложенных к противоположным концам катушки, имеющей центральный отвод. В зависимости от того, как происходит синхронизация биполярной или униполярной волны, мы имеем волновой, полношаговый или полушаговый привод.

Волновой привод

Рис. 8. Последовательность возбуждений/затуханий волны для вращающегося постоянного магнита: (а) Ф-1+, (б) Ф-2+, (в) Ф-1-, (г) Ф-2-. На статоре две пары обмоток (одна пара оранжевая, другая синяя), на которые по очереди подаётся двухфазный ток, в результате чего обе обмотки по очереди действуют как электромагнит с меняющейся полярностью.

Концептуально наиболее простым является волновой привод. Происходит последовательное вращение, если смотреть иллюстрации слева направо. (8.а): в момент времени, когда на верхней обмотке Ф-1 положительная («южная») полярность, а на нижней обмотке – отрицательная («северная»), тогда «северный» полюс ротора тянется вверх, а «южный» – вниз («юг» и «север» притягиваются друг к другу). (8.б): затем на правой обмотке Ф-2 положительная («южная») полярность, «северный» полюс ротора тянется вправо. (8.в): на верхней обмотке Ф-1 отрицательная («северная») полярность, «северный» полюс ротора стремится вниз. (8.г): и наконец, на правой обмотке Ф-2 отрицательная («северная») полярность, направляющая «северный» полюс ротора влево. Приведённые ниже волны возбуждения показывают, что в любой момент времени под напряжением находится только одна пара обмоток. Хотя тут всё просто, крутящий момент не настолько большой, как в других видах привода.

Рис. 9. Биполярный волновой привод: в двух катушках попеременное чередование пиков волн.

Сигналы (на рисунке выше) биполярны, потому что обе полярности (+) и (-) управляют шаговым двигателем. Магнитное поле катушки меняется на противоположное, потому что меняется полярность управляющего тока.

Рис. 10. Волны в униполярном волновом приводе. На две пары обмоток по очереди подаётся ток, при подаче тока полярность у него одна и та же (не меняется на противоположную, как в волновом биполярном приводе).

На этом рисунке униполярные формы сигналов (или ноль или выше нулевой оси, но не ниже), потому что используется только одна полярность. Это упрощает электронику, но требует вдвое большее количество приводов. Сигналов вдвое больше, потому что пара (+) волн требуется для создания переменного магнитного поля путём приложения к противоположным концам катушки с центральным отводом.

Для такого двигателя требуются переменные магнитные поля. Они могут быть вызваны как униполярными, так и биполярными волнами. Однако для униполярного привода катушки двигателя должны иметь центральные отводы.

В шаговых двигателях с постоянными магнитами бывают различные конфигурации отводов.

Рис. 11. Различные схемы подключения шагового двигателя.
  • 4-проводной двигатель может работать только с биполярными сигналами.
  • 6-проводный двигатель (наиболее распространённый вариант), предназначен для униполярного привода из-за центральных отводов. Тем не менее, такой двигатель может работать и от биполярных волн, если игнорировать центральные отводы.
  • 5-проводной двигатель приводится в движение только униполярным способом, поскольку общий центральный отвод, соединяющий обе фазы, мешает, если обе обмотки одновременно находятся под напряжением.
  • 8-проводная конфигурация встречается редко, но обеспечивает максимальную гибкость. Такой двигатель может управлять униполярным приводом и использовать как 6-проводной или 5-проводной двигатель. Пара катушек может быть соединена последовательно для высоковольтного биполярного слаботочного привода или параллельно для низковольтного сильноточного привода.

Бифилярная обмотка – это когда на катушки наматываются не один, а два провода параллельно, часто это эмалированные провода, выкрашенные в красный и зелёный цвета. Этот метод обеспечивает точное соотношение витков 1:1 для обмоток с центральным отводом. Этот метод намотки применим ко всем схемам, кроме четырехпроводной схемы, описанной выше.

Полношаговый привод

Полношаговый привод обеспечивает больший крутящий момент, чем волновой, потому что обе катушки находятся под напряжением одновременно. Это притягивает полюса ротора к точкам, находящимся между двумя полюсами магнитного поля.

Рис. 12. Полношаговый биполярный привод.

Полношаговый биполярный привод имеет тот же угол шага, что и волновой привод. Для униполярного привода (в иллюстративном виде не показан) требуется пара униполярных сигналов для каждого из вышеуказанных биполярных сигналов, приложенных к концам обмотки с центральным отводом. В униполярном приводе используется менее сложная и менее дорогая схема. Дополнительная стоимость биполярного привода оправдана, когда требуется больший крутящий момент.

Полушаговый привод

Угол шага для данной геометрии шагового двигателя уменьшается вдвое при использовании полушагового привода. Это соответствует вдвое большему количеству импульсов на один полный оборот. Полушаговый режим обеспечивает вдвое большее разрешение при установке вала двигателя.

Например, при полушаге двигателя, перемещающего печатающую головку струйного принтера, плотность точек на квадратный дюйм бумаги удвоится.

Рис. 13. Полушаговый биполярный привод.

Полушаговый привод – комбинация волнового привода и полношагового привода. Сначала из двух обмоток только одна находится под напряжением, потом под напряжением обе обмотки, и затем такая очередность повторяется. Это позволяет размер шага уменьшить вдвое, а на полный оборот вдвое увеличить количество шагов. Униполярные сигналы для полушагового привода показаны выше. На одних полушагах ротор совмещается с полюсами возбуждения статора (как для волнового привода). На других – магнитные полюса ротора находятся между соседними полюсами (как в полношаговом приводе).

Такие дробные шаги возможны со специализированными контроллерами. Синусоидально изменяя токи в обмотках, половина микрошагов – интерполяция обычных шагов, при которых полюс ротора оказывается точно напротив полюса статора. Конструкция реального шагового двигателя с постоянными магнитами значительно отличается от приведённых выше упрощённых рисунков.

На практике желательно увеличивать количество полюсов, чтобы получить меньший угол микрошага. Также желательно уменьшать (или, по крайней мере, не увеличивать) количество обмоток в целях простоты изготовления.

Конструкция

Конструкция реального шагового двигателя с постоянным магнитом значительно отличается от приведённых выше упрощённых рисунков. Желательно увеличивать количество полюсов, чтобы получить меньший угол микрошага. Также желательно уменьшать (или, по крайней мере, не увеличивать) количество обмоток для простоты изготовления.

Рис. 14. Шаговый двигатель с постоянным магнитом, 24-полюсная can-stack конструкция.

В этом шаговом двигателе с постоянным магнитом в двух статорах только две обмотки, но при этом имеется 24 полюса в каждой из двух фаз. Этот метод известен как can-stack (с английского дословно переводится как контейнерный стек, поскольку в таком двигателе не один статор, а два, и они уложены так, что похожи на стопку консервных банок). Фазовая обмотка обёрнута оболочкой из малоуглеродистой стали с «пальцами», вогнутыми вовнутрь.

В каждой фазе попеременно будут чередоваться «северная» и «южная» стороны. На каждой стороне к центру «пончика» загнуты по 12 встречно-гребенчатых «пальцев», т.е. на одном статоре всего 24 полюса. Эти чередующиеся «пальцы», имеющие полярность «север»/«юг», будут притягивать ротор с постоянным магнитом.

Когда полярности фазы меняются местами, ротор проворачивается на 360° / 24 = 15°. Нельзя сказать, что какое-то направление вращения чем-то лучше другого. Однако, если, к примеру, запитаем Ф-1, а затем Ф-2, то ротор переместится на 7,5°, потому что Ф-2 смещён (повернут) на 7,5° относительно Ф-1 (на рисунке ниже показано это смещение между «пальцами»). И ротор будет вращаться в воспроизводимом направлении, если фазы чередуются.

Применение любой из вышеуказанных волн приведёт к вращению ротора с постоянным магнитом.

Обратите внимание, что ротор – это серый ферритно-керамический цилиндр, намагничиваемый по показанной 24-полюсной схеме. Направляющие магнитного поля можно визуально наблюдать если воспользоваться магнитной плёнкой или насыпать железных опилок на бумагу (опилки выровняются в соответствующих направлениях). Если взять магнитную плёнку, то как «северные», так и «южные» полюса будут зелёного цвета.

Рис. 15. (а) Внешний вид шагового двигателя can-stack, (б) смещение «пальцев» на соседних статорах обеспечивает переменное магнитное поле.

Конструкция can-stack шагового двигателя с постоянным магнитом визуально отлична по сложенным вместе «консервам»-статорам. Обратите внимание на смещение вращения между двухфазными секциями. Это ключ к тому, чтобы ротор следовал за переключающимися магнитными полями при смене фаз.

Итог (шаговый двигатель с постоянным магнитом)

  • Ротор представляет собой постоянный магнит, часто это ферритовая втулка, со множеством намагниченных полюсов.
  • Конструкция, в которой статоры уложены в контейнерный стек (шаговые двигатели can-stack) обеспечивает множество полюсов от одной обмотки благодаря чередующимся «пальцам» из магнитомягкого железа.
  • Угол шага в таких двигателях – большой, средний. Но не малый.
  • Часто используется в компьютерных принтерах для подачи бумаги во время печати.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридный шаговый двигатель – это нечто среднее между шаговым двигателем с переменным магнитным сопротивлением и степпером с постоянным магнитом. Объединение обоих позволяет получить очень маленький угол шага. Ротор представляет собой цилиндрический постоянный магнит, с намагничиваемыми по оси радиальными зубьями из магнитномягкого железа.

Катушки статора намотаны на чередующиеся полюсы, у которых тоже имеются зубья. Обычно между парами полюсов распределены две фазы обмотки. Эта обмотка может иметь центральное ответвление для униполярного привода. Центральный отвод можно получить за счёт бифилярной обмотки (пары проводов, физически намотанных параллельно, но соединённых последовательно).

На полюсах «север»/«юг» меняется полярность фаз, когда ток фазового привода меняется на противоположный по полярности. Биполярный привод необходим для обмоток, не имеющих центрального отвода.

Рис. 16. Гибридный шаговый двигатель.

Обратите внимание, что 48 зубьев (из 96-ти) на одной секции ротора смещены на половину шага относительно других 48 зубьев. (Если приглядеться, то это можно рассмотреть на рисунке выше. Это смещение зубцов ротора также показано и на рисунке ниже.) Из-за этого смещения ротор фактически имеет 96 чередующихся полюсов противоположной полярности. Это смещение позволяет вращаться с шагом 1/96 оборота за счёт изменения полярности поля одной фазы. Обычно используются двухфазные обмотки, как показано на рисунках выше и ниже. Хотя бывают конструкции, где фаз аж пять.

Зубья статора расположены на 8-ми полюсах и соответствуют 48-ми зубцам ротора, за исключением того, что в статоре в промежутках между полюсами отсутствуют зубцы. Таким образом, один полюс ротора, скажем «южный» полюс, может быть совмещён со статором в 48-ми различных положениях. Однако зубцы «южного» полюса смещены от северных на половину зубца.

Это значит, что ротор может быть совмещён со статором в 96 различных положениях. Это половинное смещение зубца показано на детали полюса ротора на рисунках выше и ниже. Как будто это недостаточно сложно, поэтому главные полюса статора ещё и разделены на две фазы (Ф-1, Ф-2). Эти фазы статора также смещены относительно друг друга на четверть зубца. Эта деталь заметна только на схематических диаграммах ниже. В результате ротор перемещается с шагом в четверть зубца при поочерёдном переключении фаз.

Другими словами, ротор движется с шагом 2 × 96 = 192 шага за каждый оборот для вышеуказанного шагового двигателя.

На приведённом выше рисунке представлен реальный гибридный шаговый двигатель. Однако мы немного упростим графическое и схематическое представление, чтобы проиллюстрировать детали, не очевидные на более подробном рисунке выше. Обратите внимание, что уменьшено количество катушек и зубьев в роторе и статоре, это сделано для упрощения.

На следующих двух рисунках мы пытаемся проиллюстрировать вращение на четверть зубца, вызванное двумя фазами статора, смещёнными на это расстояние, и смещением на половину зубца в роторе. Смещение статора на четверть зубца в сочетании с синхронизацией тока привода также определяет направление вращения.

Рис. 17. Принципиальная схема гибридного шагового двигателя.

Особенности схемы гибридного шагового двигателя

  • Верхняя часть ротора с постоянным магнитом – это «южный» полюс, нижняя – «северный».
  • Зубья ротора между «севером» и «югом» смещены на половину зубца.
  • Когда временно под напряжением находится статор Ф-1, то «север» вверху, а «юг» внизу.
  • Верхние зубцы статора Ф-1 выровнены на «север» по отношению к верхним «южным» зубцам ротора.
  • Нижние зубцы статора Ф-1 выровнены на «юг» по отношению к нижним «северным» зубьям ротора.
  • Приложенный к валу крутящий момент, достаточный для преодоления удерживающего крутящего момента, он сдвинет ротор на один зубец.
  • Если бы полярность Ф-1 изменить на противоположную, ротор переместится на половину зубца, направление неизвестно (это зависит от того, в какую сторону меняется полярность). Выравнивание будет следующим: верхняя «южная» часть статора – нижняя «северная» часть ротора, нижняя «северная» часть статора – верхняя «южная» часть ротора.
  • Зубья статора Ф-2 не совмещены с зубьями ротора, когда Ф-1 находится под напряжением. Фактически, зубцы статора Ф-2 смещены на одну четверть зубца. Это обеспечивает вращение на эту величину, если Ф-1 обесточен, а Ф-2 включён. Полярности фазы Ф-1 и привода определяют направление вращения.
  • Рис. 18. Последовательность вращения гибридного шагового двигателя:

Вращение гибридного шагового двигателя

  • Верх ротора – это «южная» сторона постоянного магнита, низ – «северная». Поля Ф-1, Ф-2 переключаемые, их возможные состояние – Вкл., Выкл., Реверс.
  • (Рис. 18.а): Ф-1 = Вкл. = «север» сверху, Ф-2 = Выкл. Выравнивание (сверху-вниз): Ф-1 статор-N: ротор-верх-S, Ф-1' статор-S: ротор-низ-N. Начальное положение, вращение = 0.
  • (Рис. 18.б): Ф-1 = Выкл., Ф-2 = Вкл. Выравнивание (справа-налево): Ф-2 статор-N-вправо: ротор-верх-S, Ф-2' статор-S: ротор-вниз-N. Поворот на 1/4 зубца, общее вращение = 1/4 зуба.
  • (Рис. 18.в): Ф-1 = Реверс (Вкл.), Ф-2 = Выкл. Выравнивание (снизу-вверх): Ф-1 статор-S: ротор-вниз-N, Ф-1' статор-N: ротор-вверх-S. Поворот на 1/4 зуба от предыдущего положения. Общее вращение (с самого начала): 1/2 зубца.
  • Не показано на рисунке: Ф-1 = Выкл., Ф-2 = Реверс (Вкл.). Выравнивание (слева-направо): общее вращение = 3/4 зубца.
  • Не показано на рисунке: Ф-1 = Вкл., Ф-2 = Выкл. (так же, как и для 18.a). Выравнивание (сверху-вниз): полное вращение = 1 зубец.

Шаговый двигатель, в котором для удерживающего крутящего момента не нужен источник питания – это или шаговый двигатель с постоянным магнитом или гибридный шаговый двигатель. Гибридный шаговый двигатель может иметь небольшой угол шага, намного меньше, чем минимальные 7,5° у шаговых двигателей с постоянными магнитами. Угол шага у гибридных степперов может составлять даже доли градуса, а это нескольким сотен шагов на один полный оборот.

Итог (гибридный шаговый двигатель)

  • Угол шага меньше, чем у шаговых двигателей с переменным магнитным сопротивлением или с постоянными магнитами.
  • Ротор – постоянный магнит с мелкими зубьями. «Северные» и «южные» зубцы смещены на половину зубца с целью минимизации шага.
  • Полюса статора имеют одинаковые мелкие зубья того же размера, что и ротор.
  • Обмотки статора разделены не менее чем на две фазы (фаз может быть целых пять).
  • Зубцы на одном из полюсов статора смещены на четверть зубца для ещё меньшего угла шага.

См.также

Внешние ссылки