Как работают шаговые двигатели

В этом посте мы узнаем о шаговом двигателе. Мы будем изучать, что такое шаговый двигатель, его основной рабочий механизм, типы шагового двигателя, режимы шага и, наконец, его преимущества и недостатки.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель - это бесщеточный двигатель, его вращающийся вал (ротор) совершает один оборот с определенным количеством шагов. Из-за ступенчатого характера вращения он получил название шагового двигателя.

Шаговый двигатель обеспечивает точный контроль угла поворота и скорость. Это конструкция с открытым контуром, что означает отсутствие механизма обратной связи для отслеживания вращения.

Он может изменять свою скорость, менять направление вращения и мгновенно фиксироваться в одном положении. Количество ступеней определяется количеством зубьев в роторе. Например: если шаговый двигатель состоит из 200 зубцов, то

360 (градус) / 200 (количество зубов) = 1,8 градуса

Итак, каждый шаг будет 1,8 градуса. Шаговые двигатели управляются микроконтроллерами и схемой драйвера. Он широко используется в лазерных принтерах, 3D-принтерах, оптических приводах, робототехнике и т. Д.

Основной рабочий механизм:

Шаговый двигатель может состоять из нескольких полюсов, намотанных изолированным медным проводом, называемым статором или неподвижной частью двигателя. Подвижная часть двигателя называется ротором, который состоит из нескольких зубцов.

Когда один полюс находится под напряжением, ближайшие зубцы будут совмещены с этим полюсом, находящимся под напряжением, а другой зубец на роторе будет немного смещен или не совмещен с другими полюсами без напряжения.

Следующий полюс будет запитан, а предыдущий полюс будет обесточен, теперь невыровненные полюса будут выровнены с текущим запитанным полюсом, это сделает один шаг.

Следующий полюс получает питание, а предыдущий полюс обесточивается, это делает следующий шаг, и этот цикл продолжается несколько раз, чтобы сделать один полный оборот.

Вот еще один очень простой пример того, как работает шаговый двигатель:

Обычно зубья ротора представляют собой магниты, расположенные попеременно с северным и южным полюсами. Подобно тому, как полюса отталкиваются и в отличие от притяжения полюсов, теперь обмотка полюса «A» находится под напряжением и принимает под напряжением полюс как северный полюс, а ротор как южный полюс, это притягивает южный полюс ротора к полюсу статора «A», как показано на рисунке.

Теперь полюс A обесточен, а на полюс «B» подано напряжение, теперь южный полюс ротора будет совмещен с полюсом «B». Аналогичные полюс «C» и полюс «D» будут включать и отключать питание одинаковым образом, чтобы завершить один оборот.

К настоящему времени вы должны понять, как работает механизм шагового двигателя.

Типы шагового двигателя:

Есть три типа шаговых двигателей:

• Шаговый двигатель с постоянным магнитом
• Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением
• Гибридный синхронный шаговый двигатель

Шаговый двигатель с постоянным магнитом:

В шаговых двигателях с постоянными магнитами в роторе используются зубья постоянного магнита, которые расположены с чередованием полюсов (Север-Юг-Север-Юг ……), что обеспечивает больший крутящий момент.

Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением:

В шаговом двигателе с переменным сопротивлением в качестве ротора используется мягкий железный материал с несколькими зубьями, и он работает по принципу, согласно которому минимальное сопротивление возникает при минимальном зазоре, что означает, что ближайшие зубцы ротора притягиваются к полюсу, когда он находится под напряжением, как притягивается металл. к магниту.

Гибридный синхронный шаговый двигатель:

В гибридном шаговом двигателе оба вышеупомянутых метода объединены для получения максимального крутящего момента. Это наиболее распространенный тип шаговых двигателей, а также дорогостоящий метод.
Пошаговые режимы:

Есть 3 типа пошаговых режимов

• Полный пошаговый режим
• Полушаговый режим
• Микрошаговый режим

Полный пошаговый режим:

Полношаговый режим можно понять на следующем примере: если у шагового двигателя 200 зубцов, то один полный шаг составляет 1,8 градуса (который указан в начале статьи), он не будет вращаться меньше или больше, чем на 1,8 градуса.

Полный шаг подразделяется на два типа:

• Однофазный режим
• Двухфазный режим

В обоих фазовых режимах ротор делает один полный шаг, основная разница между этими двумя режимами заключается в том, что в одном режиме крутящий момент меньше, а в двухфазном режиме больше крутящий момент.

• Однофазный режим:

В однофазном режиме только одна фаза (группа обмоток / полюсов) находится под напряжением в данный момент времени, это наименее энергоемкий метод, но он также дает меньший крутящий момент.

• Двухфазный режим:

В двухфазном режиме на две фазы (две группы обмоток / полюсов) подается питание в заданное время, что создает больший крутящий момент (от 30% до 40%), чем в однофазном режиме.

Полушаговый режим:

Полушаговый режим предназначен для удвоения разрешения двигателя. Полушаг, как следует из названия, занимает половину одного полного шага, вместо полных 1,8 градуса, полушага занимает 0,9 градуса.
Полушаг достигается за счет попеременного изменения однофазного режима и двухфазного режима. Это снижает нагрузку на механические части и увеличивает плавность вращения. Полушаг снижает крутящий момент примерно на 15%. Но крутящий момент можно увеличить, увеличив ток, подаваемый на двигатель.

Микрошаговый:

Микрошаговый режим сделан для максимально плавного вращения. Один полный шаг делится на 256 шагов. Для микрошага нужен специальный контроллер микрошага. Его крутящий момент составляет примерно 30%.

Драйверы должны вводить синусоидальную волну для вращения жидкости. Драйверы дают два синусоидальных входа с фазой на 90 градусов.

Это дает лучший контроль над вращением и значительно снижает механическое напряжение и снижает рабочий шум.

Об основных преимуществах и недостатках шагового двигателя можно узнать из следующих пунктов:

Преимущества:

• Лучший контроль углового вращения.
• Высокий крутящий момент на низкой скорости.
• Мгновенное изменение направления вращения.
• Минимальная механическая конструкция.

Недостатки:

• Энергия потребляется даже при отсутствии вращения, это делается для фиксации ротора в фиксированном положении.
• Нет механизма обратной связи для исправления ошибок вращения и отслеживания текущего положения.
• Требуется сложная схема драйвера.
• Крутящий момент уменьшается при более высокой скорости.
• Управлять двигателем на более высокой скорости непросто.