Что такое шаговый двигатель: типы и принцип работы

Шаговый двигатель - это электромеханическое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. Кроме того, это бесщеточный синхронный электродвигатель, который может разделить полный оборот на большое количество шагов. Положение двигателя можно точно контролировать без какого-либо механизма обратной связи, если двигатель точно рассчитан для конкретного применения. Шаговые двигатели аналогичны переключаемым. реактивные двигатели. Шаговый двигатель использует теорию работы магнитов, чтобы заставить вал двигателя вращаться на точное расстояние при подаче электрического импульса. У статора восемь полюсов, а у ротора - шесть. Ротору потребуется 24 импульса электричества, чтобы переместить 24 ступени на один полный оборот. Другими словами, ротор будет перемещаться точно на 15 ° за каждый электрический импульс, который получает двигатель.

Конструкция и принцип работы

В конструкция шагового двигателя справедливо связано с Двигатель постоянного тока . Он включает в себя постоянный магнит, такой как ротор, который находится посередине, и он поворачивается, когда на него действует сила. Этот ротор заключен в № статора, который намотан через магнитную катушку. Статор расположен рядом с ротором, так что магнитные поля внутри статоров могут управлять движением ротора.

Шаговый двигатель

Шаговым двигателем можно управлять, запитывая каждый статор один за другим. Таким образом, статор намагничивается и работает как электромагнитный полюс, который использует отталкивающую энергию ротора для движения вперед. Альтернативное намагничивание статора, а также размагничивание будут постепенно сдвигать ротор и позволяет ему вращаться с большим контролем.

В принцип работы шагового двигателя Электро-магнетизм. Он включает в себя ротор с постоянным магнитом, а статор - с электромагнитами. После подачи питания на обмотку статора внутри статора будет развиваться магнитное поле. Теперь ротор в двигателе начнет двигаться с вращающимся магнитным полем статора. Так что это основной принцип работы этого двигателя.

Конструкция шагового двигателя

В этом двигателе есть мягкое железо, которое заключено через электромагнитные статоры. Полюса статора и ротора не зависят от типа шагового двигателя. Как только статоры этого двигателя находятся под напряжением, ротор будет вращаться, чтобы выровняться со статором, в противном случае поворачивается, чтобы иметь наименьший зазор через статор. Таким образом, статоры последовательно активируются для вращения шагового двигателя.

Приемы вождения

Техника вождения шагового двигателя s могут быть возможны с некоторыми специальными схемами из-за их сложной конструкции. Есть несколько способов управления этим двигателем, некоторые из них обсуждаются ниже на примере четырехфазного шагового двигателя.

Режим одиночного возбуждения

Базовый метод управления шаговым двигателем - режим одиночного возбуждения. Это старый метод, который в настоящее время мало используется, но об этом методе нужно знать. В этом методе каждая фаза, иначе статор рядом друг с другом, будет запускаться одна за другой поочередно с помощью специальной цепи. Это намагнитит и размагнитит статор, чтобы ротор двигался вперед.

Полный шаговый привод

В этом методе одновременно активируются два статора вместо одного за очень короткий период времени. Этот метод приводит к высокому крутящему моменту и позволяет двигателю управлять высокой нагрузкой.

Half Step Drive

Этот метод справедливо связан с полным шаговым приводом, потому что два статора будут расположены рядом друг с другом, так что он будет активирован первым, а третий будет активирован после этого. Этот вид цикла для переключения сначала двух статоров, а затем третьего статора приводит в движение двигатель. Этот метод приведет к улучшению разрешения шагового двигателя при уменьшении крутящего момента.

Микрошаговый

Этот метод используется чаще всего из-за его точности. Переменный ток шага будет поставляться схема драйвера шагового двигателя к обмоткам статора в форме синусоидального сигнала. Точность каждого шага может быть повышена за счет этого небольшого шагового тока. Этот метод широко используется, поскольку он обеспечивает высокую точность, а также в значительной степени снижает рабочий шум.

Цепь шагового двигателя и его работа

Шаговые двигатели работают иначе, чем Щеточные двигатели постоянного тока , которые вращаются, когда на их выводы подается напряжение. Шаговые двигатели, с другой стороны, фактически имеют несколько зубчатых электромагнитов, расположенных вокруг куска железа в форме центральной шестерни. Электромагниты получают питание от внешней схемы управления, например, микроконтроллера.

Цепь шагового двигателя

Чтобы заставить вал двигателя вращаться, сначала на один электромагнит подается мощность, которая заставляет зубья шестерни магнитно притягиваться к зубцам электромагнита. В момент, когда зубья шестерни выровнены относительно первого электромагнита, они немного смещены относительно следующего электромагнита. Поэтому, когда следующий электромагнит включается, а первый выключается, шестерня слегка поворачивается, чтобы выровняться со следующей, и оттуда процесс повторяется. Каждое из этих небольших поворотов называется шагом, при котором целое число шагов совершает полный оборот.

Таким образом, мотор можно вращать с помощью точного. Шаговые двигатели не вращаются постоянно, они вращаются ступенчато. Есть 4 катушки с 90^{или же}угол между собой закреплен на статоре. Подключение шагового двигателя определяется способом соединения катушек. В шаговом двигателе катушки не соединены. Мотор имеет 90^{или же}шаг вращения с включением катушек в циклическом порядке, определяющем направление вращения вала.

Работа этого двигателя отображается с помощью переключателя. Катушки активируются последовательно с интервалом в 1 секунду. Вал вращается на 90^{или же}каждый раз, когда активируется следующая катушка. Его крутящий момент на низкой скорости будет напрямую зависеть от тока.

Типы шагового двигателя

Есть три основных типа шаговых двигателей, это:

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

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Двигатели с постоянными магнитами используют постоянный магнит (PM) в роторе и работают за счет притяжения или отталкивания между PM ротора и электромагнитами статора.

Это наиболее распространенный тип шагового двигателя по сравнению с различными типами шаговых двигателей, доступных на рынке. Этот двигатель включает в себя постоянные магниты в конструкции двигателя. Этот вид двигателя также известен как двигатель для жестяных банок. Основное преимущество этого шагового двигателя - меньшая стоимость производства. На каждый оборот приходится 48-24 шага.

Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением

Двигатели с регулируемым сопротивлением (VR) имеют ротор из простого железа и работают по принципу, согласно которому минимальное сопротивление достигается при минимальном зазоре, следовательно, точки ротора притягиваются к полюсам магнита статора.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением является основным типом двигателя и используется в течение последних многих лет. Как следует из названия, угловое положение ротора в основном зависит от сопротивления магнитной цепи, которое может образовываться между зубьями статора и ротора.

Гибридный синхронный шаговый двигатель

Гибридные шаговые двигатели названы так, потому что в них используется комбинация методов постоянного магнита (PM) и переменного магнитного сопротивления (VR) для достижения максимальной мощности в небольших корпусах.

Самый популярный тип двигателя - это гибридный шаговый двигатель потому что он дает хорошие характеристики по сравнению с ротором с постоянными магнитами с точки зрения скорости, шагового разрешения и удерживающего момента. Но этот тип шагового двигателя дороже по сравнению с шаговыми двигателями с постоянными магнитами. Этот двигатель сочетает в себе характеристики шаговых двигателей с постоянным магнитом и переменного магнитного сопротивления. Эти двигатели используются там, где требуется меньший угол шага, например 1,5, 1,8 и 2,5 градуса.

Как выбрать шаговый двигатель?

Прежде чем выбрать шаговый двигатель для ваших требований, очень важно изучить кривую крутящего момента двигателя. Таким образом, эту информацию можно получить у разработчика двигателя, и это графический символ крутящего момента двигателя при заданной скорости. Кривая скорости вращения двигателя должна точно соответствовать потребностям приложения, иначе ожидаемая производительность системы не может быть получена.

Типы проводки

Шаговые двигатели, как правило, являются двухфазными двигателями, такими как однополярные или биполярные. Для каждой фазы в униполярном двигателе есть две обмотки. Здесь центральный вывод - это обычный вывод между двумя обмотками к полюсу. У униполярного двигателя от 5 до 8 выводов.

В конструкции, в которой два общих полюса разделены, но имеют центральную резьбу, этот шаговый двигатель имеет шесть выводов. Если двухполюсные центральные ответвители короткие внутри, то у этого двигателя пять выводов. Униполярный с 8 выводами облегчит как последовательное, так и параллельное соединение, в то время как двигатель с пятью или шестью выводами имеет последовательное соединение обмотки статора. Работа униполярного двигателя может быть упрощена, поскольку во время его работы нет необходимости реверсировать поток тока в цепи управления, который известен как бифилярные двигатели.

В биполярном шаговом двигателе для каждого полюса имеется одна обмотка. Направление подачи должно измениться в цепи управления, чтобы она стала сложной, поэтому эти двигатели называются унифицированными двигателями.

Управление шаговым двигателем с помощью изменяющихся тактовых импульсов

Управление шаговым двигателем Схема представляет собой простую и недорогую схему, в основном используемую в приложениях с низким энергопотреблением. Схема, представленная на рисунке, состоит из 555 таймеров IC как стабильного мультивибратора. Частота рассчитывается с использованием данного отношения.

Частота = 1 / T = 1,45 / (RA + 2RB) C, где RA = RB = R2 = R3 = 4,7 кОм и C = C2 = 100 мкФ.

Управление шаговым двигателем с помощью изменяющихся тактовых импульсов

Выход таймера используется как часы для двух двойных триггеров «D» 7474 (U4 и U3), сконфигурированных как счетчик звонков. При первоначальном включении питания устанавливается только первый триггер (т. Е. Выход Q на выводе 5 U3 будет на логической «1»), а остальные три триггера сбрасываются (т. Е. Выход Q находится в логической 0). При получении тактового импульса выход логической «1» первого триггера смещается на второй триггер (вывод 9 U3).

Таким образом, выход логической 1 продолжает циклически сдвигаться с каждым тактовым импульсом. Выходы Q всех четырех триггеров усиливаются решетками транзисторов Дарлингтона внутри ULN2003 (U2) и подключены к обмоткам шагового двигателя оранжевого, коричневого, желтого, черного цветов на 16, 15, 14, 13 ULN2003, а красный - на + ve поставка.

Общая точка обмотки подключена к источнику постоянного тока +12 В, который также подключен к выводу 9 ULN2003. Цветовой код, используемый для обмоток, может варьироваться от производителя к производителю. При включении питания управляющий сигнал, подключенный к контакту SET первого триггера и контактам CLR трех других триггеров, становится активным 'низким' (из-за схемы включения питания при сбросе, сформированной R1 -C1 комбинация), чтобы установить первый триггер и сбросить остальные три триггера.

При сбросе Q1 IC3 становится «высоким», в то время как все остальные выходы Q становятся «низкими». Внешний сброс может быть активирован нажатием переключателя сброса. Нажав переключатель сброса, вы можете остановить шаговый двигатель. Двигатель снова начинает вращаться в том же направлении, если отпустить переключатель сброса.

Разница между шаговым двигателем и серводвигателем

Серводвигатели подходят для приложений с высоким крутящим моментом и скоростью, тогда как шаговые двигатели менее дороги, поэтому они используются там, где требуется высокий удерживающий момент, ускорение от низкого до среднего, гибкость работы с открытым или замкнутым контуром. Разница между шаговым двигателем и серводвигателем заключается в следующем.

Шаговый двигатель против двигателя постоянного тока

И шаговые двигатели, и двигатели постоянного тока используются в различных промышленных приложениях, но основные различия между этими двумя двигателями немного сбивают с толку. Здесь мы перечисляем некоторые общие характеристики этих двух дизайнов. Каждая характеристика обсуждается ниже.

Параметры шагового двигателя

Параметры шагового двигателя в основном включают угол шага, шаги для каждого оборота, шаги для каждой секунды и число оборотов в минуту.

Угол шага

Угол шага шагового двигателя можно определить как угол, под которым ротор двигателя поворачивается после того, как на вход статора подается одиночный импульс. Разрешение двигателя можно определить как количество шагов двигателя и количество оборотов ротора.

Разрешение = количество шагов / количество оборотов ротора

Расположение двигателя можно определить через угол шага, который выражается в градусах. Разрешение двигателя (номер шага) - нет. шагов, которые совершают за один оборот ротора. Когда угол шага двигателя небольшой, то разрешение для расположения этого двигателя высокое.

Точность расположения объектов с помощью этого мотора в основном зависит от разрешения. Как только разрешение будет высоким, точность будет низкой.

Некоторые двигатели точности могут создавать 1000 шагов за один оборот, включая угол шага 0,36 градуса. Типичный двигатель имеет угол шага 1,8 градуса с 200 шагами на каждый оборот. Различные углы шага, такие как 15 градусов, 45 градусов и 90 градусов, очень распространены в обычных двигателях. Количество углов может изменяться от двух до шести, а небольшой угол шага может быть достигнут за счет частей полюса с прорезями.

Шаги для каждой революции

Шаги для каждого разрешения можно определить как количество углов шага, необходимых для полного оборота. Формула для этого - 360 ° / угол шага.

Шаги за каждую секунду

Этот тип параметра в основном используется для измерения количества шагов, пройденных за каждую секунду.

Оборотов в минуту

Число оборотов в минуту - это оборот в минуту. Он используется для измерения частоты вращения. Таким образом, используя этот параметр, мы можем рассчитать количество оборотов за одну минуту. Основная связь между параметрами шагового двигателя следующая.

Шагов за каждую секунду = Оборотов в минуту x Шагов за Оборот / 60

Интерфейс шагового двигателя с микроконтроллером 8051

Взаимодействие шагового двигателя с 8051 очень просто за счет использования трех режимов, таких как волновой привод, полный шаговый привод и полушаговый привод, путем подачи 0 и 1 на четыре провода двигателя в зависимости от того, какой режим привода мы должны выбрать для работы этого двигателя.

Остальные два провода необходимо подключить к источнику напряжения. Здесь используется униполярный шаговый двигатель, где четыре конца катушек подключены к четырем основным контактам порта 2 микроконтроллера с помощью ULN2003A.

Этот микроконтроллер не обеспечивает достаточный ток для управления катушками, поэтому IC драйвера тока любит ULN2003A. Необходимо использовать ULN2003A, который представляет собой набор из 7 пар NPN транзисторов Дарлингтона. Проектирование пары Дарлингтона может быть выполнено с помощью двух биполярных транзисторов, которые соединены для достижения максимального усиления тока.

В ИС драйвера ULN2003A входные контакты - 7, выходные контакты - 7, где два контакта предназначены для клемм питания и заземления. Здесь используются контакты с 4 входами и 4 выходами. В качестве альтернативы ULN2003A, L293D IC также используется для усиления тока.

Вам нужно очень внимательно следить за двумя общими проводами и четырьмя проводами катушки, иначе шаговый двигатель не будет вращаться. Это можно увидеть, измерив сопротивление с помощью мультиметра, но мультиметр не будет отображать никаких показаний между двумя фазами проводов. Как только общий провод и два других провода находятся в одинаковой фазе, он должен показывать одинаковое сопротивление, тогда как две конечные точки катушек в аналогичной фазе будут демонстрировать двойное сопротивление по сравнению с сопротивлением между общей точкой, а также одной конечной точкой.

Исправление проблем

• Устранение неисправностей - это процесс проверки состояния двигателя независимо от того, работает он или нет. Следующий контрольный список используется для устранения неисправностей шагового двигателя.
• Сначала проверьте соединения, а также код цепи.
• Если все в порядке, затем убедитесь, что двигатель получает надлежащее напряжение, иначе он просто вибрирует, но не вращается.
• Если подача напряжения в норме, проверьте конечные точки четырех катушек, которые связаны с ULN2003A IC.
• Сначала найдите две общие конечные точки и подключите их к источнику питания 12 В, после этого подключите оставшиеся четыре провода к IC ULN2003A. Пока не запустится шаговый двигатель, попробуйте все возможные комбинации. Если подключение не выполнено надлежащим образом, двигатель будет вибрировать вместо вращения.

Могут ли шаговые двигатели работать непрерывно?

Как правило, все двигатели работают или вращаются непрерывно, но большинство двигателей не могут остановиться, когда они находятся под напряжением. Когда вы пытаетесь ограничить вал двигателя, когда он находится под напряжением, он сгорит или сломается.

В качестве альтернативы шаговые двигатели предназначены для выполнения дискретного шага, а затем ожидания этого шага и его остановки. Если мы хотим, чтобы двигатель оставался в одном месте на меньшее время, прежде чем снова сделать шаг, он будет выглядеть как непрерывно вращающийся. Энергопотребление этих двигателей велико, но рассеяние мощности в основном происходит, когда двигатель остановлен или неправильно спроектирован, тогда существует вероятность перегрева. По этой причине подача тока на двигатель часто снижается, когда двигатель находится в удерживаемом положении в течение более длительного времени.

Основная причина заключается в том, что когда двигатель вращается, его входная электрическая часть может быть изменена на механическую. Когда двигатель останавливается во время вращения, вся входная мощность может быть преобразована в тепло внутри катушки.

Преимущества

В преимущества шагового двигателя включая следующее.

• Прочность
• Простая конструкция
• Может работать в системе управления без обратной связи
• Обслуживание низкое
• Работает в любой ситуации
• Надежность высокая
• Угол поворота двигателя пропорционален входному импульсу.
• Двигатель имеет полный крутящий момент в состоянии покоя.
• Точное позиционирование и повторяемость движения, так как хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% шага, и эта ошибка не накапливается от одного шага к другому.
• Отличная реакция на трогание с места, остановки и заднего хода.
• Очень надежен, так как в моторе нет контактных щеток. Следовательно, срок службы двигателя просто зависит от срока службы подшипника.
• Реакция двигателя на цифровые входные импульсы обеспечивает управление без обратной связи, что упрощает управление двигателем и снижает его стоимость.
• Можно достичь очень низкоскоростного синхронного вращения с нагрузкой, непосредственно связанной с валом.
• Может быть реализован широкий диапазон скоростей вращения, поскольку скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Недостатки

В недостатки шагового двигателя включая следующее.

• КПД низкая
• Крутящий момент двигателя будет быстро снижаться со скоростью
• Точность низкая
• Обратная связь не используется для указания возможных пропущенных шагов
• Малое отношение крутящего момента к инерции
• Очень шумно
• Если мотор не управляется должным образом, могут возникнуть резонансы.
• Этот двигатель нелегко эксплуатировать на очень высоких скоростях.
• Требуется специальная цепь управления
• По сравнению с двигателями постоянного тока потребляет больше тока.

Приложения

В применения шагового двигателя включая следующее.

1. Промышленные машины - Шаговые двигатели используются в автомобильных датчиках и станках автоматизированного производства.
2. Безопасность - новые продукты наблюдения для индустрии безопасности.
3. Медицинское - Шаговые двигатели используются в медицинских сканерах, пробоотборниках, а также в цифровой стоматологической фотографии, жидкостных насосах, респираторах и оборудовании для анализа крови.
4. Бытовая электроника - Шаговые двигатели в камерах для автоматической фокусировки и масштабирования цифровой камеры.

А также есть приложения для бизнес-машин, приложения для компьютерной периферии.

Таким образом, это все о обзор шагового двигателя как конструкция, принцип работы, отличия, преимущества, недостатки и области применения. Теперь у вас есть представление о типах супермоторов и их применении, если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме или по электрическим и электронные проекты оставьте комментарии ниже.

Фото Кредит

• Шаговый двигатель от MST