ЧТО ТАКОЕ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И КАК ОН РАБОТАЕТ

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 3 декабря 2022 года; проверки требует 1 правка.

Шаговый двигатель кварцевых часов

Применяется в электромеханических часах и измерительных приборах.

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 июня 2017 года; проверки требуют 23 правки.

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.

Шаговые двигатели имеют ряд преимуществ, таких как высокая точность позиционирования, высокий крутящий момент на малых скоростях, отсутствие необходимости в датчиках обратной связи для контроля положения оси, а также простота управления. Всё это дало им возможность проникнуть практически во все отрасли промышленности, где они стали незаменимым инструментом.

Материал обновлён 11.07.2023
Время чтения: 22 минуты

Увлечённые и опытные авторы компании, разбирающиеся в измерительном, оптическом и паяльном оборудовании

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.

Электромотор SUMTOR 86HS15060A4J (NEMA 34)

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

Устройство и принцип работы

Рис. 1. Принцип действия шагового двигателя

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие  с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется  из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора.  Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от  5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом

Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси.  Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть  деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему  легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта  можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс  или серию импульсов в определенной последовательности.  В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата.  При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Полношаговый  — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Популярные схемы управления ШД

Схема управления от контроллера с дифференциальным выходом

Является одним из наиболее помехозащищенных способов работы. При этом прямой и инверсный сигнал напрямую подключается к соответствующим полюсам. В такой схемы должно применяться экранирование сигнального проводника. Прекрасно подходит для нагрузки с низкой мощностью.

Схема управления от контроллера с выходом типа «открытый коллектор»

В данной схеме происходит объединение положительных вводов контроллера, которые подключаются к положительному полюсу. В случае питания выше 9В требуется включение в схему специального резистора для ограничения тока. Позволяет задавать необходимое количество шагов со строго установленной скоростью, определить ускорение и т.д.

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль)  происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному  USB порту.

Полезное видео

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:

Электрическая машина 57HS6425A4

Устройство и принцип действия

Принцип работы и устройство шагового двигателя Лаве

Также как и у двигателя с экранированными полюсами рабочая обмотка этого двигателя, как правило, состоит из одной цилиндрической катушки находящейся на замкнутом магнитопроводе статора. В стенке цилиндрического отверстия в статоре выполнены пара прорезей. Ротор представляет собой цилиндрический постоянный магнит.

При отсутствии тока в обмотке магнитный поток постоянного магнита ротора замыкается через магнитопровод статора. При этом за счёт прорезей в стенке цилиндрического отверстия в магнитопроводе статора ротор ориентируется так, чтобы энергия магнитного поля была минимальна — плоскость проходящая через середину постоянного магнита проходит перпендикулярно прорезям статора (плоскость xx’ на рисунке, состояние a). При подаче тока в обмотку статора наведённое магнитное поле в статоре поворачивает ротор на угол (плоскость yy’ на рисунке, состояние b). После снятия тока с обмотки ротор снова стремится принять положение, заданное прорезями в статоре, но так как полярность магнитного поля статора при отсутствии тока в катушке индуцируется магнитным полем ротора, ротор поворачивается на меньший угол (состояние c). Для дальнейшего поворота ротора необходимо подать ток в обмотку в противоположной полярности, что снова заставит ротор повернуться на угол (состояние d) и после снятия тока выполнить полный оборот. Таким образом, подача чередующихся разнополярных импульсов тока в обмотку побуждает ротор вращаться в одну сторону.

При отсутствии тока в обмотке ротор находится в фиксированном собственным магнитным полем положении и может оставаться в этом положении неограниченно долго.

Как и иные шаговые двигатели, этот двигатель синхронный: при нормальном рабочем режиме, подсчётом импульсов можно точно определить количество оборотов. Но в отличие от прочих ШД, этот двигатель однофазный и вращается в одну сторону.

Питание

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.

Виды и конструкция

Чаще всего ШД различаются:

Также электрическая машина может иметь другие дополнительные элементы или конструктивные особенности.

Конструктивное исполнение

По конструктивному исполнению ШД делятся на:

Шаговые электродвигатели с ротором из постоянного магнита

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.

Устройство классического степ-мотора

Шаговые электродвигатели с ротором из магнитомягкого материала

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.

Устройство мотора с ротором из магнитомягкого материала

Гибридные электродвигатели

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.

Общий вид гибридного электромотора

Виды степ-моторов

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.

Виды соединения обмоток в многопроводных электродвигателях

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.

Зависимость крутящего момента от скорости при различных видах соединения

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

Режимы работы

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.

Демонстрация работы степ-мотора в полношаговом режиме: однофазном (слева) и двухфазном (справа)

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.

Принцип работы ШД в полушаговом режиме

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.

Диаграмма электропитания степ-мотора и положение его якоря при создании промежуточных микрошагов

Управление степ-мотором

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.

Формы управляющих сигналов

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.

Шаговый электродвигатель с интегрированным контроллером

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.

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:

Главное преимущество — это их точность. ШД может быть быстро запущен, а также быстро остановлен. Для выполнения этих действий требуется минимальное время. Ш Д 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.

Современный шаговый электродвигатель (фотомонтаж)

Принцип работы шагового электродвигателя

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

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.

Шаговый электродвигатель NEMA 23

Отличие степ-моторов от сервоприводов

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.

Технические характеристики

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

Степ-мотор SUMTOR 57HS10042A4 (NEMA 23)

Крутящий (динамический) момент

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

Удерживающий (статический) момент

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.

Стопорный (тормозящий) момент

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

Номинальное напряжение

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

Номинальный ток

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

Угол полного шага

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.

Момент инерции ротора

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

Габаритные размеры

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.

Что нужно учитывать при выборе?

Шаговые электродвигатели — эффективное решение, если нужно достичь точного перемещения механизма. Эти устройства — бюджетная альтернатива сервоприводам. Благодаря уже существующим библиотекам, а также драйверам ими легко управлять.

К основным параметрам, по которым производится выбор ШД, относятся: производитель, габаритные размеры, крутящий момент, номинальный ток и напряжение, а также конструктивное исполнение.

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.

Подключение через драйвер

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.

Драйвер SUMTOR MB450A (4,2 А, одноканальный, двухфазный)

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.

Схема подключения ШД к плате Arduino Uno при помощи платы управления SUMTOR

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.

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

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

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

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.

Область применения

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.