Что такое шаговый двигатель и как он работает?

Наиболее широкое применение любых двигателей – это приводы, в которых необходим вращающийся вал. Вращение при этом может происходить в зависимости от поставленной задачи, но более одного полного оборота вала. Так продолжалось до появления полупроводниковых переключателей. Они создали условия для появления нового типа электрического двигателя – шагового (ШД). О нем и расскажем далее.

До изобретения ШД перемещение максимума магнитного поля и связанное с ним вращение ротора технически ограничивалось. Это получалось лишь при использовании коллектора или переменного напряжения с фазовым сдвигом (либо числом фаз, либо конденсаторами с соответствующими обмотками). Но, переключая обмотки статора, можно получать любые скорости перемещения его магнитного поля, так же, как и углы между начальным и конечным положением максимума силовых линий.

Следовательно, если ротор выполнен как постоянный магнит по аналогии с синхронным движком, получится точное следование перемещению максимума магнитного поля вплоть до его небольших смещений относительно начального положения. Поэтому вполне допустимо рассматривать ШД как разновидность синхронного двигателя. В зависимости от режима работы коммутатора, питающего статор, будут создаваться импульсы. Комбинация их и конструкции статора определит движение ротора ШД.

Конструкция статора содержит число полюсов, соответствующее минимальному углу поворота ротора ШД, которое необходимо получить. Чем этот угол меньше, тем больше полюсов у статора. Каждый полюс или пара противоположных полюсов (в зависимости от конструкции ротора) – это одна обмотка. Если на нее подать импульс, ротор повернется к ближайшему полюсу под воздействием электромагнитного поля. При этом ШД может выполнить необходимую механическую работу.

Поворот на минимальный угол – это один шаг ротора ШД. Если импульс, питающий обмотку статора, действует и после выполнения шага, ротор будет удерживаться в неподвижном положении. Он будет противодействовать внешнему усилию при воздействии на его вал. Любой электродвигатель используется для создания силы, которая в основном определяется массой и габаритами сердечника статора. Поэтому чем больше движок, тем он мощнее. В синхронных машинах больших размеров ротор питается через кольца.

Но маломощные синхронные двигатели содержат ротор, который изготавливается из специальных материалов – магнитомягких или магнитотвердых. А поскольку задачи, выполняемые шаговыми моторами, не требуют больших усилий, их роторы аналогичны маломощным синхронным двигателям. Они не содержат обмоток и колец, а делаются из магнитных материалов. Поэтому внешне ШД весьма схожи с маломощными синхронными двигателями.

Для ШД характерными являются такие положительные качества:

• ротор поворачивается в зависимости от числа импульсов, подаваемых на статор – чем больше их число, тем больше угол поворота;
• остановленный ротор при питании статора обладает противодействующим моментом;
• точность угла поворота может составлять менее пяти процентов и не изменяться при этом при каждом новом полном повороте вала;
• сверхбыстрая реакция ротора на управляющий сигнал в любом направлении вращения;
• подшипники являются единственными деталями, которые изнашиваются механически;
• простота схемы управления, в которой не требуются датчики слежения за положением ротора;
• большой крутящий момент, в том числе на сверхнизких скоростях, что позволяет исключить редуктор в электроприводе;
• один и тот же движок может работать в широком диапазоне оборотов вала.

 Однако для некоторых моделей ШД могут быть характерны следующие недостатки:

• характеристическая резонансная частота, определяемая конструкцией двигателя, проявление которой влияет на точность поворота ротора;
• с увеличением скорости вращения ротора может утрачиваться точность следования управляющим импульсам из-за проявления его инерционности и отсутствия схемы слежения;
• постоянное потребление электроэнергии, которое не связано с величиной нагрузки на вале ШД;
• работа по мере увеличения числа оборотов все более затрудняется;
• механическая мощность, как правило, невелика;
• для управления необходим сложно устроенный и дорогой коммутатор. 

Разновидности ШД

Отличия обусловлены материалом ротора. Поэтому ШД разделяют на три группы, у которых ротор:

• содержит постоянные магниты;
• выполнен из специального материала и в выключенном состоянии не намагничен (так называемый гистерезисный ротор);
• гибридной конструкции.

Определить, какой именно ШД перед вами, несложно. Магнитный ротор притягивается к полюсам статора и занимает поэтому устойчивые положения. Если покрутить рукой вал, ощущаются заметные рывки при его повороте. Это ротор переходит от одного устойчивого положения к другому. У гибридных двигателей ротор проворачивается более плавно. А гистерезисный совсем не реагирует на полюсы статора, если ШД выключен.

Ротор и статор конструктивно должны соответствовать друг другу. Минимальное количество обмоток – две. Они располагаются крестообразно, и каждая обмотка охватывает противоположные полюсы. Если происходит переключение обмоток статора, полюсы ротора должны улавливать притяжение со стороны соседнего полюса. Иначе ротор не сможет повернуться. Особенно при медленном вращении, когда силы инерции невелики.  

ШД с гистерезисным ротором

Для примера показан ШД с гистерезисным ротором. Пока статор не запитан, его зубчатый ротор не намагничен и может располагаться произвольно. Если у статора в наличии три обмотки и шесть полюсов, а у ротора их четыре, получится шаг в тридцать градусов.

Обмотки 1, 2, и 3 переключаются последовательно. Они намагничивают ротор, полюсы которого устремляются к ближайшим полюсам статора. Если из положения, соответствующего питанию обмотки 1, перейти к обмотке 3, ротор сделает шаг по часовой стрелке. Если перейти к обмотке 2, – получится шаг против часовой стрелки. И так далее. Полярность напряжения на выводах статорных обмоток не играет никакой роли.

Значение имеют только силы взаимодействия между полюсами-зубцами. Чтобы уменьшить угол поворота за один шаг, ротор делают похожим на шестерню. Подобный вид приобретает и статор, который также делается зубчатым. Недостатком гистерезисного ШД является меньшая мощность применительно к его размерам (удельное значение).

Магнитный ротор (магнитотвердый)

ШД с ротором, выполненным как постоянный магнит, который постоянно обладает сильным магнитным полем, позволяет получить более высокие значения удельной мощности. Конструктивно полюсы ротора вытянуты вдоль вала и обязательно чередуются друг с другом. Пример такого ШД показан далее.

Его статор более простой конструкции в сравнении с предыдущим немагнитным вариантом. Обмоток здесь две, а не три. Но при этом, благодаря ротору с шестью полюсами, один шаг тоже равен повороту на тридцать градусов. Обмотки статора, расположенные на противоположных полюсах, намагничивают их так, чтобы ротор притягивался к ним. Конструктивно модели ШД с магнитными роторами делаются так, чтобы за один оборот получалось от 24 до 48 шагов. То есть по углам отклонения вала это составит 7,5…15 градусов.

Изброженный ШД конструктивно выполнен с некоторыми особенностями с целью снижения себестоимости. Это достигается штампованным магнитопроводом в форме стаканчика. Обмотки для уменьшения диаметра корпуса расположены друг над другом. Ротор соответственно вытянут. Постоянные магниты создают на больших скоростях генераторный эффект. Он негативно влияет на работу ШД, и его приходится ограничивать по скорости вращения. Эта особенность является основным недостатком ШД с магнитным ротором. 

Гибридная конструкция ШД

Эта разновидность создана для того, чтобы максимально уменьшить величину шага. Хотя в результате цена гибридного ШД получается самой большой из всех трех разновидностей движков, в среднем число шагов в зависимости от модели составляет не менее двухсот и может быть даже более 400. А угол может быть в один градус. Конструктивно получается сочетание элементов обоих движков, рассмотренных до этого. 

В этом двигателе шестеренчатый ротор состоит из двух соосных цилиндрических частей. Они повернуты на угол, соответствующий половине шага. Внутреннее пространство этих частей заполнено магнитотвердым материалом. Получается кольцевой магнит с полюсами, расположенными вдоль вала. Зубчатые части ротора, как и статор, набраны из стальных пластин так же, как и в других электрических машинах, с целью уменьшения потерь от токов Фуко.

Зубчатый статор существенно улучшает взаимодействие с ротором так же, как это получается в гистерезисном ШД. Повернутые части ротора позволяют получить оптимальное положение зубцов, что положительно сказывается на величинах моментов – как на статическом, так и на динамическом. В конструкции ШД имеется зависимость параметров ротора, статора и обмоток:

Для более наглядного представления далее показан разрез вдоль вала, на котором стрелками изображены силовые магнитные линии. Силовые линии, которые соответствуют черным стрелкам, не создают крутящего момента. Белые линии проходят через зазоры, которые отличаются из-за повернутых частей – половинок ротора.

Именно через эти меньшие зазоры проходит магнитный поток, определяющий крутящий момент. Часть силовых линий на сечении не видна, поскольку для их просмотра необходимо объемное отображение двигателя. Гибридные ШД содержат весьма малые зазоры, величина которых – порядка одной десятой миллиметра. При сборке в заводских условиях специальная оснастка и технологии позволяют достичь необходимых расстояний.

Но если кустарным способом разбирать и вновь собирать такой ШД, скорее всего, результат будет плачевным. Двигатель утратит свою работоспособность из-за соприкосновения ротора и статора. К тому же, вал такого двигателя тонкий и хрупкий. Он изготовлен из специальной стали с немагнитными свойствами. При неправильном обращении вал может треснуть. А умельцы об этом обычно не имеют представления. Важнейшим конструктивным принципом, который используется в ШД, является минимизация инерционности ротора.

Для этого диаметр его стараются сделать как можно меньшим. А для получения необходимой величины сил взаимодействия ротора и статора конструкцию удлиняют вдоль вала. В результате получают несколько секций, расположенных на вале друг за другом. Это позволяет получить оптимальные соотношения моментов – крутящего и инерции. Если важнее получить минимальную инерцию ротора, а не большой крутящий момент, используются специальные конструктивные решения. Например, ротор в виде плоского намагниченного диска.

Однако наиболее функциональными получаются гибридные ШД. По этой причине они получили наиболее широкое распространение. В среднем модели этих движков обеспечивают сто или двести шагов за один оборот вала, или угол в два градуса. Получение более высокой точности достигается современными аппаратными и программными решениями. Но все получаемые регуляторы присоединяются к обмоткам движков.

Классификация по конструкции статора

Простейший статор в шаговом движке содержит две обмотки. Чтобы изменить движение ротора на противоположное, потребуется изменить полярность напряжения на ее выводах (это вариант «а» на изображении далее). Такой движок называют биполярным ШД.

Если обмотка состоит из двух соединенных частей, каждая из которых определяет одно направление перемещения ротора, ШД именуется униполярным. При этом рекомендуется не забывать указывать то, что речь именно о шаговом двигателе. Это связано с тем, что существует отдельная группа униполярных двигателей, которые конструктивно отличны от всех других. Соединение обмоток можно разорвать, и тогда в движке получатся четыре отдельные обмотки. Но такой ШД также является униполярным (изображения «б» и «в»).

Варианты управляющих сигналов обмоток

В ШД применяется несколько вариантов подачи управляющих импульсов на обмотки. Первый вариант предусматривает подачу напряжения только на одну обмотку. В остальных управляющий сигнал отсутствует. Одна обмотка создает на полюсах сердечника статора меньший по величине магнитный поток в сравнении с питанием нескольких обмоток. Поэтому крутящий момент в этом режиме управления получается наименьшим (изображение «а» ниже, «one phase on»).

Если управляющие импульсы подаются одновременно на две обмотки и это приводит к намагниченности соответствующих полюсов, крутящий момент увеличивается процентов на сорок. Величина шага в обоих вариантах получается одинаковой. Существующие при этом точки равновесия ротора во втором случае смещены на половину шага (изображение «б» выше, «two-phase-on»). 

При комбинации первых двух рассмотренных вариантов достигается уменьшение шага наполовину. Таким способом можно получить небольшой шаг, не прибегая к замене двигателя более многополюсным и дорогим. По этой причине вариант управления «в» (на изображении выше «one and two-phase-on») используется наиболее широко. Его достоинствами также является большой крутящий момент, который при использовании эффективных коммутаторов близок к 100% значения, которое можно достичь.

Применением специальных управляющих схем получают минимальные перемещения ротора, и соответствующий режим работы ШД именуется как микрошаговый. Для этого применяются специальные схемы с микроконтроллерами и слежением за перемещением ротора. Пример схемы такого контроллера показан далее на изображении. Его управляющие выходы, как правило, маломощные. Поэтому их соединяют либо с базами биполярных, либо с затворами полевых транзисторов – ключей.

Вход, на который подаются импульсы управления, может быть соединен с ЭВМ. Это максимально расширяет функциональные возможности привода с таким ШД. Можно управлять даже несколькими ШД одной ЭВМ. Для этого при необходимости используется дополнительная микросхема, согласующая режим работы порта компьютера. Как, например, в схеме, показанной далее. 

Кроме аппаратного обеспечения, для многофункционального управления ШД требуются специализированные программы. Но это уже отдельная обширная тема, которую нет смысла рассматривать в этой статье.