Что такое шаговый двигатель? Полное руководство

Если вы задаётесь вопросом, что такое шаговый двигатель и как он функционирует, вы обратились по адресу. Шаговые двигатели широко используются в автоматизации и робототехнике благодаря точному управлению положением и скоростью. В этой статье рассказывается, что такое шаговый двигатель, как он работает, а также о его типах, методах управления и областях применения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель — это устройство разомкнутого управления, преобразующее электрические импульсные сигналы в угловое или линейное перемещение. Управляя последовательностью, частотой и числом импульсов, подаваемых на обмотки двигателя, можно точно управлять направлением, скоростью и углом поворота двигателя. В сочетании с линейными приводами или редукторами шаговые двигатели позволяют реализовать сложное и точное управление линейным перемещением.

Конструкция шагового двигателя

Типичный шаговый двигатель состоит из передней и задней крышек, подшипников, центрального вала, сердечника ротора, сердечника статора, статорной сборки, волнистых шайб и винтов. Его также называют "шаговым двигателем"; он работает по принципу электромагнетизма, преобразуя электрическую энергию в механическое движение. Катушки, намотанные в зубцовых пазах статора, называются обмотками или фазами.

Конструкция шагового двигателя

Схема внутренней сборки шагового двигателя

Как работает шаговый двигатель?

Шаговый двигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора с обмотанными проволокой зубцами, напоминающими шестерню, и вращающегося ротора, который может быть выполнен на основе постоянного магнита или из ферромагнитного сердечника с переменным магнитным сопротивлением. При подаче питания на обмотку статора создаётся магнитное поле, и ротор выравнивается по этому полю. Последовательно возбуждая обмотки статора, можно перемещать ротор точными шагами в нужное положение.

Принципиальная схема

Упрощённая внутренняя схема

Например, при подаче питания на катушку A ротор совмещается с её магнитным полем; затем запитывается катушка B, заставляя ротор повернуться на 60° по часовой стрелке для совмещения с полем катушки B; катушка C работает аналогично. Цветная маркировка зубцов статора указывает направления магнитного поля.

Процесс вращения

Шаговые двигатели — это особые синхронные двигатели, управляемые импульсными токами, которые перемещают ротор на фиксированные углы шага. Угол шага определяется числом полюсов ротора. Каждый входной импульс заставляет ротор повернуться на один шаг; несколько импульсов соответствуют нескольким шагам.

Например, двухфазный шаговый двигатель 1,8° остаётся зафиксированным, когда обе фазы находятся под напряжением, обеспечивая удерживающий момент. Изменение направления тока в одной фазе заставляет ротор повернуться на один шаг (1,8°) в заданном направлении. Последовательное возбуждение катушек обеспечивает непрерывное высокоточное вращение. Для полного поворота на 360° такой двигатель требует 200 шагов.

Типы шаговых двигателей

Шаговые двигатели классифицируются по числу фаз статора: однофазные, двухфазные, трёхфазные, четырёхфазные и пятифазные.

По конструкции ротора основные типы включают:

• Шаговые двигатели с переменным реактансом (VR):

  Изготовлен из материалов с высокой магнитной проницаемостью с зубчатыми ротором и статором. Экономичен, малые углы шага (~1,5°), обычно трёхфазный, большой выходной момент, но худшие динамические характеристики при повышенных шуме и вибрации.

• Шаговые двигатели с постоянным магнитом (PM):

  Имеют многополюсные цилиндрические роторы с постоянными магнитами и зубчатые статоры. Для вращения используются магнитное притяжение и отталкивание. Хорошие динамические характеристики и высокая отдача, но большие углы шага (7,5° или 15°), обычно двухфазные, меньшие момент и габариты.

  

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

• Гибридные (HB) шаговые двигатели:

  Сочетают преимущества VR и PM, выпускаются в двухфазном (угол шага 1,8°) и пятифазном (угол шага 0,72°) исполнении. Используют зубчатые роторы из редкоземельных магнитов и зубчатые статоры. Высокие рабочие характеристики, малые углы шага, большая выходная мощность и хорошая динамика. Широко применяются в вычислительной технике и прецизионном оборудовании.

Гибридный шаговый двигатель

Как управляется шаговый двигатель?

Шаговыми двигателями нельзя управлять непосредственно постоянным напряжением; им требуются импульсные сигналы. Угол поворота двигателя пропорционален числу импульсов, поданных драйвером, а скорость вращения — частоте импульсов.

• Угол и число импульсов: Больше импульсов вызывает больше шагов вращения.

Связь угол-импульс

• Скорость и частота импульсов: Более высокие частоты увеличивают скорость в полношаговом режиме.

Связь скорость-импульс

Управление обычно реализуется с помощью специализированных микросхем драйверов. В простых применениях используют недорогие драйверы, тогда как высокоточное управление требует более совершенных драйверов, раскрывающих дополнительные функции.

Для чего используется шаговый двигатель?

Шаговые двигатели широко используются там, где критично точное угловое позиционирование. Типичные применения:

• Оптические приводы: перемещение читающих головок

• Принтеры: управление позиционированием печатающей головки

• Автоматизированные складские роботы: точное обращение с объектами

• Станки ЧПУ: позиционирование шпинделя

Точно управляя количеством и частотой импульсов, шаговые двигатели обеспечивают точное вращение и позиционирование, что делает их незаменимыми в промышленной автоматизации. Понимание того, что такое шаговый двигатель и каковы принципы его управления, важно как для инженеров, так и для начинающих.

Наша компания предлагает различные типы шаговые двигатели, включая однофазные, двухфазные, трёхфазные, четырёхфазные и пятифазные модели. Мы также предлагаем индивидуальные решения на основе конкретных требований заказчиков. Не все модели представлены на нашем сайте, поэтому для получения более подробной информации, запросов и коммерческих предложений свяжитесь с нами напрямую.

Рекомендуемые статьи:

Как управлять скоростью шагового двигателя

Постоянное дрожание шагового двигателя при возврате в исходное

8 главных особенностей гибридных шаговых двигателей, которые нужно знать