Шаговые двигатели и особенности их применения

Тема реферата «Шаговые двигатели и особенности их применения» по дисциплине «Теоретические основы электротехники».

Шаговые двигатели («stepper motors» или «stepping motors» — англ.) — это одна из разновидностей бесколлекторных двигателей, которая применяется в периферийных устройствах компьютерной техники, приводах дисководов, робототехнике, промышленном оборудовании и т. п.

Шаговые двигатели не нужно путать с многофазными бесколлекторными двигателями.

Шаговые двигатели — совершенно иной тип двигателей постоянного тока. Их основное отличие — это то, что при подаче на обмотки двигателя импульса напряжения поворот его ротора осуществляется на некоторый угол, или, как принято говорить, шаг («step» — англ.), отсюда и название двигателя. Этот шаг определяется конструктивными особенностями двигателя и схемой управления. Он не зависит от тока обмоток, следовательно, не зависит и от величины импульса напряжения, поданного на такой двигатель. Шаговый двигатель позволяет осуществлять позиционирование его ротора с точностью до долей градуса, что абсолютно недостижимо для других типов двигателей. Скорость вращения двигателя определятся только частотой следования импульсов управления.

Момент, развиваемый двигателем, зависит как от тока в обмотках, так и от длительности поданного на них импульса. Момент вращения ротора шагового двигателя, опять-таки в отличие от остальных типов двигателей, максимален на минимальной скорости вращения. Эта особенность шагового двигателя во многих случаях избавляет конструктора от использования сложных и дорогостоящих редукторов.

Имеются шаговые двигатели и с линейным перемещением ротора, в этом случае ротор такого двигателя сдвигается на определенный конструкцией двигателя шаг линейно. Для устройств на основе шаговых двигателей, как правило, не требуется концевых выключателей или каких-либо конечных сенсоров.

Кроме того, ротор такого двигателя можно достаточно жестко зафиксировать в нужном положении без применения тормозных и удерживающих систем, например электромагнитных муфт. Для этого достаточно сохранить ток в обмотках двигателя в заданном положении ротора, и он будет зафиксирован в нужном положении. Естественно, он будет находиться в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания ротора. Шаговые двигатели, в отличие от коллекторных двигателей, практически вечны. Эти свойства шаговых двигателей и определили их сферу применения — устройства точного позиционирования (станки с точной подачей резца, например, гравировальные и фрезерные, управление манипуляторами в робототехнике, различные автоматы и т. п.).

Типы шаговых двигателей Существуют три основных типа шаговых двигателей:

— двигатели с переменным магнитным сопротивлением;

— двигатели с постоянными магнитами;

— гибридные двигатели.

В шаговом двигателе с переменным магнитным сопротивлением вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор такого двигателя изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюса имеют как статор, так и ротор. Этот тип двигателя не чувствителен к направлению тока в обмотках. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент, развиваемый двигателем, зависит только от параметров обмоток.

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга.

Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, которая ограничивает их максимальную скорость.

Для работы на высоких скоростях используются двигатели с переменным магнитным сопротивлением.

Гибридные шаговые двигатели Гибридные двигатели являются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного шагового двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении.

Конструкция и внутреннее устройство типового гибридного шагового двигателя показана на рис. 1. Типичное число зубцов гибридного двигателя от 100 до 400 (угол шага 3,6…0,9°). Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большее количество эквивалентных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используется 4 основных полюса для 3,6° и 8 основных полюсов для 1,8° или 0,9°. Большинство двигателей этого типа имеют 100 полюсов (50 пар), и с учетом двухфазного исполнения полное количество полюсов равно 200, а угол шага равен 1,8° (360/200).

На рис. 1 показаны:

а — типичный гибридный шаговый двигатель с углом поворота 1,8°;

b — элементы конструкции гибридного шагового двигателя.

Рис.1

Варианты исполнения обмоток двигателя Кроме конструктивных особенностей, связанных с исполнением ротора, двигатели отличаются и исполнением обмоток статора.

На рис. 2 показаны:

униполярный (а),

биполярный (б) и

четырехобмоточный © варианты исполнения обмоток шагового двигателя.

В зависимости от конфигурации обмоток, двигатели делятся на униполярные («ипіроіаг») и на биполярные («bіроіаг») и имеют три варианта исполнения конфигурации обмоток (рис.2).

Рис. 2

Униполярный двигатель (рис. 2,а) имеет включенной одну обмотку в каждой фазе, с отводом от середины каждой обмотки. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, переключением ее половинок. При этом существенно упрощается схема драйвера: он представляет собой четыре простых ключа. Как правило, униполярный двигатель имеет 6 выводов, но средние выводы обмоток могут быть объединены внутри самого двигателя, поэтому такой двигатель может иметь и 5 выводов. Биполярный двигатель (рис 2, b) имеет две обмотки, которые включаются поочередно в каждой фазе. Для двигателя такого типа требуется более сложный драйвер мостового типа. Униполярный двигатель с двумя обмотками и отводами можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными. Некоторые двигатели имеют четыре обмотки (рис. 2,с), по этой причине их ошибочно называют 4-фазными двигателями. При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать как униполярный, так и биполярный. Биполярный вариант может быть реализован с параллельным и последовательным включением обмоток.

Режимы управления шаговым двигателем Нетрудно заметить, что при биполярном управлении момент, развиваемый двигателем, будет выше. В биполярном двигателе одновременно работают все обмотки, и выигрыш в моменте составляет примерно 40%. Имеется несколько вариантов управления шаговым двигателем.

На рис. 3 показана форма тока относительно нуля Ампер «ОА» (обратите внимание — тока, а не напряжения, напряжение на обмотках имеет прямоугольную форму) в обмотках двигателя для четырех основных вариантов управления.

Рис.3

Наиболее простой вариант управления двигателем — это попеременная коммутации фаз, при этом они не перекрываются, и в каждый момент времени включена только одна фаза.

Этот режим называют волновым («wave drive mode»), или полношаговым с одной фазой («оnе phase on full step mode») (рис. 3,а). Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия ротора у обесточенного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени используется только 50% обмоток, а для униполярного — только 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент двигателя.

Наиболее часто используется управление с перекрытием фаз, то есть в одно и то же время включены обе обмотки (рис. 3,b). В общем случае именно его и называют полношаговым режимом управления («full step mode» или «two-phase-on»). При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора, и обеспечивается примерно на 40% больший момент, чем в случае одной включенной фазы. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и первый, но положение точек равновесия ротора смещено на полшага, что часто не является критическим. Чтобы ротор такого двигателя не смещался при выключении, на двигатель в режиме остановки подают некоторый ток удержания, который удержит ротор в положении остановки. Именно это позволяет обходиться без специальных электромагнитных или механических тормозных и удерживающих систем.

Третий основной способ управления является комбинацией двух описанных ранее и называется полушаговый режим («half step mode» или «оnе and two-phase-on») (рис. 3,с). В этом режиме двигатель за один импульс управления делает шаг, равный половине основного. Этот режим требует более сложной реализации схемы управления, но позволяет осуществлять более точное позиционирование ротора и уменьшить негативное влияние механического резонанса ротора. Иными словами, используя двигатель с угловым шагом 1,8°, получаем шаг, равный 0,9°. Еще меньшую градацию, вернее, дробление шага, дают микрошаговые системы управления («тісго stepping mode») (рис. 3,d), основанные на постепенном изменении тока в обмотках. Такие системы достаточно сложны и требуют микропроцессорного управления.

Необходимо помнить, что при любом варианте управления, ток обмоток должен выбираться таким образом, чтобы не допустить превышение их максимальной рассеиваемой мощности. Максимальный допустимый ток обмоток или их сопротивление и рабочее напряжение приводятся в спецификации на двигатель.

Управление изменением направления вращения шагового двигателя достаточно просто. Для этого, в отличие от коллекторных двигателей постоянного тока, не требуются ни реле, ни дополнительные мостовые ключи. Реверсирование осуществляется простым изменением очередности включения обмоток, которое легко реализуется в драйвере или программно в микропро-цессоре. Единственное, что необходимо учитывать, — особенности поведения ротора шагового двигателя, о которых будет сказано ниже.

Особенности использования двигателей Какие еще подводные камни находятся на пути использования шаговых двигателей?

Во-первых, это явление механического резонанса, поскольку ротор не сразу устанавливается в новую позицию, а совершает затухающие колебания (являясь своеобразным маятником). При каждом шаге происходит толчок ротора, который, как и любая свободно подвешенная механическая система, начинает колебаться, и двигатель на некоторых частотах вращения теряет свой момент. Для подавления колебаний ротора используются либо механические методы (различного рода демпфирующие, притормаживающие муфты), либо демпфирование через закорачивание свободной обмотки (если таковая имеется). Функция торможения имеется в некоторых типах драйверов. Однако наиболее эффективным является использование микрошагового режима. Системы управления с дроблением шага благодаря постепенному смещению ротора (основной шаг дробится на некоторую заданною системой управления величину обычно 1/8,1/16 или 1/32) уменьшают механические колебания ротора, сводя их на нет. Перемещения ротора в попношаговом и микрошаговом режимах показано на рис. 4.

шаговый двигатель бесколлекторный обмотка Рис. 4

Во-вторых, необходимо помнить, что обмотка двигателя представляет собой индуктивность. Следовательно, ток в обмотке не может измениться скачком, а изменяется с некоторой скоростью (см. диаграммы, показанные на рис.3). Таким образом, при повышении частоты коммутации обмоток момент ротора уменьшается, так как ток в обмотке не успевает достичь необходимого уровня за время действия управляющего импульса. Как выход из положения используется повышение напряжения питания двигателя с одновременным ограничением тока обмоток на приемлемом уровне. Такое ограничение осуществляется либо включенным последовательно с обмоткой двигателя резистором, либо специальными мерами, при которых при достижении максимально допустимого тока в обмотке источник ее питания переводится в импульсный режим работы (именно этот вариант управления током показан на рис.3). Самым оптимальным вариантом по быстродействию является именно ключевая стабилизация тока. Такой метод управления реализован в большом количестве специализированных ИМС драйверов, например, LMD18245.

В-третьих, имеет место ограничение по начальной стартовой скорости шагового двигателя. Иными словами, двигатель иногда необходимо разгонять до необходимой скорости. В некоторых спецификациях для шаговых двигателей приводятся две кривые зависимости момента от скорости (рис.5).

Внутренняя кривая (кривая старта, или «pull-in torquе») показывает, при каком максимальном моменте трения для данной скорости шаговый двигатель способен тронуться без предварительного ускорения, то есть без разгона. Эта кривая пересекает ось скоростей в точке, называемой максимальной частотой старта. На более низких скоростях шаговый двигатель может синхронизировать себя с частотой шага, преодолеть трение и инерцию ротора. Необходимо заметить (а это часто умалчивается изготовителями), что этот параметр задается для определенного режима работы и включения обмоток двигателя (в данном случае он задан для полушагового режима в униполярном включении двигателя), а нагрузка на двигателе при замере этого параметра является фрикционной, а не инерционной. То есть ротор двигателя искусственно заторможен, и трение во фрикционной муфте уменьшает нежелательные колебания ротора под воздействием импульса тока в обмотке двигателя, следовательно, скорость вращения двигателя будет выше. Режим управления для этого параметра так же важен, поскольку в попушаговом режиме резонансные явления уже уменьшены (имеется еще и вариант полушагового режима управления с компенсацией момента см. [5])

Внешняя кривая (кривая разгона, или «pull-out torque») показывает, при каком максимальном моменте трения для данной скорости шаговый двигатель способен поддерживать вращение без пропуска шагов, но уже с учетом того, что произведен плавный разгон двигателя. Эта кривая показывает максимальную скорость для данного двигателя без нагрузки. Этот параметр зависит от тока в обмотках двигателя и способа управления обмотками. Обычно рекомендуют использовать «запас прочности» по этим параметрам от 50% и до 100% по сравнению с необходимым вращающим моментом. Это необходимо учитывать для получения заданных характеристик.

Таким образом, может потребоваться разгон двигателя на малых скоростях до необходимой рабочей скорости, а процесс торможения включает уменьшение скорости до ее некоторого минимального значения и только потом полной остановки двигателя с переходом его в режим удержания. В противном случае гарантировать точность позиционирования ротора может быть невозможным, а вследствие инерционности системы может произойти даже разрушение редуктора, если он используется.

Косвенно оценить максимальную скорость вращения двигателя можно по индуктивности его обмоток. Чем выше индуктивность, тем «медленнее» двигатель. Еще одним относительным недостатком двигателей являются собственные акустические шумы (это связано с низкими частотами управления, здесь двигатель оказывается в роли динамического звукового излучателя).

Рис. 5

Внешнее постоянное фрикционное торможение особенно необходимо, если требуется точное позиционирование ротора двигателя или исполнительного механизма в целом (особенно в случае использования дополнительных понижающих редукторов). Для этого необходимо аккуратно подбирать фрикционные пары с учетом того, чтобы их свойства не менялись с течением времени, вследствие загрязнения или истирания. Такими парами для дисковых фрикционных тормозов могут быть фетровые или суконные вставки с трением по полиамиду (использовались в лентопротяжных механизмах магнитофонов), но из-за малого коэффициента трения они получаются громоздкими. Можно также использовать небольшие полиуретановые вставки с трением по полиамиду. Очень хороший эффект дают фторопластовые вставки и вставки из твердой кожи.

С большой осторожностью необходимо подходить к выбору фрикционных тормозов для деталей из мягких сплавов, например из сплавов на основе алюминия. Для этого лучше использовать тонкие дополнительные накладные диски из твердых сплавов или пластмассы. Фрикционный тормоз для прецизионных систем обязательно должен иметь регулировку и пружинный компенсатор, который и обеспечивает постоянное усилие торможения в процессе эксплуатации устройства. Пример прецизионного фрикционного тормоза, используемого ООО «Модул ь-98», показан на рис. 6.

Необходимо отметить, что в отличие от широко распространенных двигателей постоянного тока, шаговые двигатели дороже, но на рынке можно купить буквально за копейки старые принтеры, считыватели гибких и лазерных дисков, например, SPM-20 (шаговый двигатель для позиционирования головки в дисководах 5'25 Mitsumi) или ЕМ-483 (от принтера Epson Stylus C86).

Рис. 6

Примеры таких двигателей представлены на сайте www.roboforum.ru

Примеры несложных схем управления шаговыми двигателями, которые помогут в их освоении, представлены в [7]

1. Емельянов А. В. Шаговые двигатели: учеб. пособие / А. В. Емельянов, А. Н. Шипин / ВолГТУю. — Волгоград, 2005.

2. Кенио Такаши. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления / Пер. с англ. — М.: Энер-гоатомиздат, 1987.

3. http://www.stepmotor. ru/articles/

4. http://de.nanotec.com/schrittmotor_animation.htmi

5. «LMD18245 ЗА, 55V DMOS Full-Bridge Motor Driver» National Semiconductor Corporation

6. TECO Electro Devices Co., Ltd DSH56 Series, Specification. — http://wwwtedmotors.com/DSH56.htm

7. Vladimir Rentyuk. Control stepper motors in both directions // EDN. — 2010. — March 18.