Кроковий двигун: принцип роботи, схема, опис, характеристики

У сучасній електротехніці використовується безліч найрізноманітніших пристроїв, деякі з них призначаються для автоматизації технологічних операцій. Таким є і кроковий двигун. Принцип роботи і пристрій даного приладу описані в статті.

Що це таке?

Так називається електромеханічний пристрій, що служить для передачі сигналу в механічний рух ротора. Кожен рух закінчується фіксацією в строго заданому положенні. Прилад буває кутовим або ж лінійним. Варто пам`ятати, що кроковий двигун, принцип роботи якого буде викладено нижче, є синхронним пристроєм.

Системи управління з розімкненим ланцюгом (без зворотного зв`язку)

Найчастіше це обладнання керується спеціальної електронної схемою. Харчується воно тільки від джерела змінного струму. Такі двигуни часто використовуються в схемах, де потрібна управління частотою обертання. Це дозволяє уникнути необхідності використання дорогого і складного контуру зворотного зв`язку, та й захист електродвигуна стає простіше (потрібно тільки передбачити швидке знеструмлення).

Даний принцип роботи застосовують у схемах з розімкненим зв`язком. Слід пам`ятати, що зазначена схема (без контуру зворотного зв`язку) вигідна з економічної точки зору, але у неї є ряд істотних обмежень.

Так, поворот ротора є досить нестабільним, коливальним, чому частота обертання та інші характеристики руху ні в якому разі не можуть бути настільки ж точними, якими вони є в двигунах постійного струму з контуром зворотного зв`язку. Для розширення сфери застосування крокового двигуна потрібна вишукувати способи зниження вібрації.

Конфігурація системи

Щоб краще розуміти пристрій крокової двигуна і принцип його роботи, можна розглянути схему функціонування приладу під його керуванням, який років 20 тому використовувався для виготовлення перфокарт. Для цієї мети повсюдно застосовували трьох- і чотирифазні ШД. Зараз ми розглянемо схему роботи першого.

Ми вже згадували, що ротор двигуна повертається на певну відстань у відповідь на кожен керуючий імпульс. Значення цього повороту виражається в градусах і називається кроком. Логічний ланцюг включається під час отримання сигналу, після чого відразу ж визначає потрібну для задіяння фазу. Після цього вона відправляє свій сигнал на інвертор, що відповідає за значення струму, який використовують крокові двигуни. Характеристики цього обладнання передбачають використання різних типів керуючих схем. Як правило, останні монтуються з широко поширених транзисторів, хоча порівняно недавно для цієї мети використовували інтегральні схеми. При високому її вихідному потенціалі відбувається автоматичне збудження потрібної фази обмотки (першої, наприклад). Якщо потенціал знижується, відбувається автоматичне відключення даної фази. Так реалізований захист електродвигуна.

Фази позначають порядковими номерами 1, 2, 3 і т.д. або буквами А, В, С і т.д. Останній варіант використовується тільки у випадку деяких двофазних двигунів. Таким чином, у кожний конкретний момент часу збуджена тільки одна фаза з двох, трьох або чотирьох наявних (залежно від типу двигуна). При поясненні принципів роботи такого пристрою ця обставина згадується постійно, але необхідно розуміти, що зазначена схема зовсім не є ідеальним способом управління.

Крок і інкремент

Найбільш простим варіантом є подача одиночних імпульсів від керуючої схеми. У цьому випадку, наприклад, двигун за один раз повертає провідну зірочку конвеєра на якусь відстань вперед. Слід зауважити, що при подачі масивного механізму вперед тільки на один крок ще більше посилюється проблема вібрації, та й значна інерція дає про себе знати.

У таких випадках куди більш виправдано використовувати кроковий двигун, який може за один керуючий імпульс робити кілька рухів. Також не завадить використовувати зірочку з більш дрібними зубами. До слова, кожне таке рух називається инкрементом.

В описуваних нами випадках інкремент дорівнює одному і декільком крокам відповідно. Після кожного циклу двигун на якийсь час зупиняється, після чого все повторюється спочатку. Це називається інкрементного рухом і інкрементного управлінням відповідно.

Якщо один рух виконується за кілька кроків (про що ми говорили вище), причому коливань ротора може і не бути. Коли рух однокрокове, коливання доводиться гасити за допомогою спеціального електронного пристрою. Взагалі крокові двигуни (характеристики яких ми розглядаємо) відносяться до наукомістких пристроям, для їх роботи потрібно багато складної електронної «начинки».

Загальний принцип управління

На один інкремент кількість кроків більше чотирьох доводиться в якихось виробничих лініях, конвеєрах. Коли дані з пам`яті (внутрішня флеш-пам`ять, жорсткий диск комп`ютера) відправляються до контролера, виконуються вони блок за блоком. Кожен з них містить строго певну кількість символів (32, 48 або 64), причому в різних системах і при різних призначеннях пристрої ця цифра може серйозно варіюватися.

Не дивно, що в останні роки стали поширені саморобки на основі мікрокомп`ютера Arduino. Кроковий двигун в такій конструкції ідеальний, так як у такій зв`язці його можна пристосувати як в якості силової установки для іграшки, так і для досить складного промислового устаткування.

Блок даних перед його використанням переноситься в напівпровідникову пам`ять на контролері, після чого рух почнеться відповідно до інструкцій, які були записані в першому блоці інформації (перед тим як підключити електродвигун, обов`язково потрібно з`ясувати ці характеристики).

Після виконання інструкцій система починає зчитувати другий масив інформації. Якщо кожен рух складається з безлічі дрібних кроків, то перед основним контролером необхідно монтувати додатковий каскад. Найчастіше його функції виконуються вхідним контролером. Він відправляє дані на другий керуючий контур з якимось інтервалом, заданим системою (Arduino). Кроковий двигун в цьому випадку захищений від перевантаження запитами.

Деяка специфіка використання ШД

Ми розповімо вам про деякі нюанси використання крокових двигунів, а також дамо визначення часто використовуваних в цій області термінам:

- Маленький кут кроку. Як ви вже знаєте, після кожного керуючого імпульсу ротор двигуна повертається на якийсь певний градус. Чим крок менше, тим вищою може бути безпосередня частота обертання. Важливо знати, що крокові двигуни цілком можуть забезпечувати дуже маленький крок. Кроковим числом в цьому випадку називається кількість обертів за один крок, причому це значення дуже важливо для інженерів. Вираховується воно за такою формулою:

S = 360 / theta-S, де S - шаговое число, theta- - кут кроку (кут повороту).

У більшості випадків привід крокової двигуна може виконувати 96, 128 або 132 кроку за один оборот. Чотирифазні моделі іноді мають значення в 200. Рідкісні види прецизійних двигунів за один тільки оборот можуть зробити відразу 500 або 1000 кроків. Втім, для простих різновидів це недосяжно, оскільки у них кут повороту дорівнює 90, 45 або 15 °.

- Висока точність частоти обертання. Саме цей параметр і визначає загальну якість приладу. Ви вже знаєте, що робота крокової двигуна передбачає його зупинку і фіксацію в певному положенні після виконання блоку даних. Зрозуміло, звичайна механіка однозначно говорить нам, що через інерції, сили тертя та інших факторів можливі усілякі відхилення від заданих параметрів.

Боротьба з небажаними явищами

Зазор між роторними і статорними зубцями завжди робиться мінімальним для збільшення жорсткості фіксації. Сама точність позиціонування залежить від характеристик тільки лише інвертора, так як інші фактори на неї впливають в набагато меншому ступені.

А зараз необхідно розглянути ряд важливих характеристик і понять, таких, як максимальний статичний момент, положення «мертвого» ротора, а також точність позиціонування всіх цих положень. Для визначення перерахованих вище термінів існує відразу дві загальноприйнятих поширених концепції.

Максимальний статичний ефект

Як ми вже говорили, він має відразу два положення:

• Утримує. Це максимально допустимий ефект, який теоретично може бути прикладений до валу вже порушеної крокової двигуна без виникнення руху.
• Фіксуючий. Відповідно, це також максимальний статичний ефект, який теоретично може бути прикладений до валу невозбужденного двигуна без виникнення подальшого обертання.

Чим утримує момент вище, тим нижче ймовірність виникнення похибок позиціювання, що викликаються непрогнозованою навантаженням (відмовили конденсатори для електродвигунів, наприклад). Повний фіксуючий момент можливий тільки в тих моделях двигунів, в яких використовуються постійні магніти.

«Мертві» положення ротора

Існує відразу три положення, в яких ротор повністю зупиняється:

• Положення рівноваги. У ньому відбувається повна зупинка порушеної крокової двигуна.
• Фіксація. Також стан, в якому зупиняється ротор. Але використовується це поняття тільки щодо тих двигунів, у яких в конструкції є постійний магніт.
• У сучасних моделях крокових двигунів, які відповідають всім нормам екологічної та енергетичної безпеки, при зупинці ротора повністю знеструмлюється і обмотка.

Про точність позиціонування

Нарешті, поговоримо про найважливіший понятті. Мова йде про точність позиціонування. Можна здогадатися, наскільки воно важливе при роботі складного промислового устаткування. Розрізняють два найважливіших терміна:

• Помилка кутового положення. Визначається як позитивний або негативний відхід від нормативного кутового стану, що дуже часто спостерігається у випадках переходу ротора з одного положення в інше. Як правило, винна інерція, а також погана підгонка деталей.
• Точність позиціонування. Це максимальне значення помилок кутового положення ротора, які виникають за весь період крокової руху.

Важливо! Відшукати нормативні відомості для кожної категорії крокових двигунів можна як на офіційній сторінці їх виробників, так і з довідкової документації, що додається до такого роду виробам. Як правило, значення помилки знаходиться в межах від +0,08 до -0,03 °. Простіше кажучи, точність позиціонування вираховується у вигляді суми двох цих показників: 0,08 ° + 0,03 ° = 0,11 °.

Таким чином, кроковий двигун, принцип роботи якого ми описуємо, відноситься до високоточного обладнання.

Високе відношення електромагнітного моменту до моменту інерції

Як ви вже уявляєте, від крокової двигуна потрібна максимально швидко почати рух відразу після надходження на контролер керуючого імпульсу. Він повинен настільки ж швидко зупинитися, володіючи високою точністю позиціонування. Якщо під час руху послідовність імпульсів управління перерветься, двигун перестане працювати в положенні, визначеному останнім імпульсом.

Також слід мати на увазі, що ставлення електромагнітного моменту до моменту інерції ротора у ШД повинно бути набагато вище аналогічного показника для звичайних електромоторів.

Крокова частота обертання і частота імпульсів

Так як частота обертання у ШД фактично являє собою кількість кроків в одиницю часу, замість терміна "частота обертання" в спеціалізованій літературі нерідко можна зустріти визначення "крокова частота обертання". Перед тим як підключити електродвигун, про ці нюанси потрібно обов`язково прочитати.

Так як у більшості крокових двигунів ця частота дорівнює кількості керуючих імпульсів, не варто дивуватися незвичайного її позначенню в технічних довідниках. Точніше, для подібних моторів одиницею виміру нерідко є герц (Гц).

При цьому важливо розуміти, що крокова частота обертання реального числа обертів ротора двигуна ні в якому разі не відображає. Фахівці вважають, що немає ніякої причини не використовувати в описі крокових двигунів все ту ж кількість обертів на хвилину, що застосовується при описі технічних характеристик звичайних електродвигунів. Співвідношення між реальною частотою обертання і її кроковим аналогом обчислюється за наступною формулою:

n = 60f / S, де n - частота обертання, виражається в оборотах в хвилину-f - крокова частота обертання- S - число кроків.

До речі, а як визначити необхідні конденсатори для електродвигунів? Дуже просто! Достатньо тільки використовувати ось цю формулу:

С = 66middot-Рном

Нескладно здогадатися, що під Рном розуміється номінальна потужність електродвигуна в кВт.

Найпростіша схема підключення двигуна EM-178

А зараз нами буде розглянуто найпростіше підключення крокової двигуна на прикладі моделі ЕМ-178, яка повсюдно використовується в промислових принтерах.

Розписати роботу більш масштабно просто не вийде, так як існують мільйони найрізноманітніших моделей, характеристики яких мають суттєві відмінності.

В даний час використовуються різні типи електродвигунів цієї конструкції. У статті ми обговоримо найпоширеніші.

Реактивні двигуни

Саме цей різновид приладів повсюдно використовується донині. По суті, це майже стандартний трифазний двигун, на статорі якого є шість зубців. Простіше кажучи, кожні два зубці, що протистоять один одному, належать до однієї і тієї ж фазі. Використовується послідовне або паралельне з`єднання їх котушок.

Що стосується ротора, то на ньому розташовується тільки чотири зубці. Найчастіше статор і ротор виробники виготовляють з магнітомягкого матеріалу, але нерідко можна зустріти просто масивні ротори із звичайних металів. Вся справа в тому, що до речовин, які йдуть на їх виробництво, є тільки одна важлива вимога: вони повинні забезпечувати якомога кращу провідність магнітного поля. Це надзвичайно важливо, якщо обговорювати кроковий двигун: принцип роботи безпосередньо пов`язаний з напруженістю магнітного поля.

Пристрої з постійними магнітами

В якості ротора використовується магніт циліндричної форми, на статорі ж є чотири зубці з індивідуальною обмоткою. Щоб сильніше зменшити кут кроку, в цих моделях крокових двигунів доводиться збільшувати як кількість полюсів ротора, так і число зубців на статорі. Втім, слід пам`ятати про те, що обидва цих параметра мають досить суворі фізичні обмеження. В останньому абзаці нашої статті є інформація про альтернативну їх конструкції (біполярний кроковий двигун), але такі моделі можна зустріти не так часто.

Як ми вже говорили, крокові пристрої з постійними магнітами зупиняються в строго фіксованому положенні навіть у тих випадках, коли прибрано напругу з обмоток. У цьому випадку спрацьовує той самий механізм фіксації, який ми обговорили вище, - положення фіксації.

Використання постійних магнітів виправдано з багатьох точок зору, але в той же час їх застосування може призводити відразу до декількох проблемам. По-перше, їх ціна далека від доступною. До речі, скільки коштує такий кроковий двигун? Ціна моделей з постійними магнітами перевищує 100 тисяч рублів.

По-друге, максимальна щільність магнітного поля може бути не занадто висока, так як це значення обмежено намагниченностью самого носія. Так, порівняно дешеві постійні ферритові магніти не дозволяють отримати більш-менш достатньою напруженості поля. А які є ще типи електродвигунів, що працюють за цим принципом?

Гібридні установки

Є й інший тип крокової двигуна, частково використовує той же принцип. Гібридні моделі працюють із застосуванням як реактивного, так і магнітного двигунів.

Ротор має практично ту ж конструкцію, що і у реактивного ШД, але от обмотки виробляються за дещо іншою схемою. Справа в тому, що на кожному полюсі обмотка є тільки у однієї котушки (трифазні ШД). Неважко здогадатися, що в чотирьохфазної моделях намотано вже дві котушки. Намотування ведеться за біфілярного схемою. Особливість в тому, що при порушенні на котушках створюється магнітне поле різних полярностей (біполярний кроковий двигун).