Как работает шаговый двигатель: наглядное объяснение

В этой обучающей статье мы рассмотрим как работает шаговый двигатель. Мы рассмотрим основные принципы работы шаговых двигателей, режимы их работы и типы шаговых двигателей по конструкции.

Наглядно суть статьи отражена в следующем видео (на английском языке), для более детального рассмотрения рекомендуется прочитать полный текст статьи.

Также на нашем сайте мы рассматривали подключение шагового двигателя к различным микроконтроллерам (платам):

Принцип работы шагового двигателя

Шаговый двигатель — это бесщеточный двигатель постоянного тока, который вращается ступенчато. Это очень полезно, поскольку его можно точно позиционировать без какого-либо датчика обратной связи, который представляет собой контроллер с разомкнутым контуром. Шаговый двигатель состоит из ротора, который обычно представляет собой постоянный магнит и окружен обмотками статора. Когда мы шаг за шагом активируем обмотки в определенном порядке и пропускаем через них ток, они намагничивают статор и соответственно создают электромагнитные полюса, которые вызывают движение двигателя. Основной принцип работы шаговых двигателей хорошо демонстрируется следующим рисунком.

Режимы работы шагового двигателя

Существует несколько различных способов управления шаговым двигателем. Первый из них — режим волны (Wave Drive) или однокатушечное возбуждение. В этом режиме мы активируем только одну катушку за раз, что означает, что для этого примера двигателя с 4 катушками ротор совершит полный цикл за 4 шага.

Далее идет режим полного шага (Full step), который обеспечивает гораздо более высокий выходной крутящий момент, поскольку у нас всегда есть 2 активные катушки в определенный момент времени. Однако это не улучшит разрешение шагового двигателя, и ротор снова совершит полный цикл за 4 шага.

Для увеличения разрешения шагового двигателя можно использовать режим полушага (Half Step Drive). Этот режим на самом деле представляет собой комбинацию двух предыдущих режимов.

Здесь у нас есть одна активная катушка, за которой следуют 2 активные катушки, затем снова одна активная катушка, за которой следуют 2 активные катушки и так далее. Таким образом, в этом режиме мы получаем удвоенное разрешение при той же конструкции. Теперь ротор совершит полный цикл за 8 шагов.

Однако наиболее распространенным методом управления шаговыми двигателями в настоящее время является микрошаговый режим (Microstepping). В этом режиме на катушки подается переменный управляемый ток в форме синусоидальной волны. Это обеспечиват плавное движение ротора, уменьшает напряжение деталей и повышает точность работы шагового двигателя.

Другой способ повысить разрешающую способность шагового двигателя — увеличить количество полюсов ротора и количество полюсов статора.

Типы шаговых двигателей по конструкции

По конструкции существует 3 различных типа шаговых двигателей: шаговый двигатель с постоянным магнитом, шаговый двигатель с переменным сопротивлением и гибридный синхронный шаговый двигатель.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор с постоянными магнитами, который приводится в движение обмотками статора. Они создают полюса противоположной полярности по сравнению с полюсами ротора, что приводит его в движение.

Следующий тип, шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением, использует ненамагничивающийся ротор из мягкого железа. Ротор имеет зубцы, которые смещены относительно статора, и когда мы активируем обмотки в определенном порядке, ротор движется соответственно так, чтобы между статором и зубцами ротора был минимальный зазор.

Гибридный синхронный шаговый двигатель представляет собой комбинацию двух предыдущих шаговых двигателей. Он имеет зубчатый ротор с постоянным магнитом, а также зубчатый статор. Ротор состоит из двух секций, противоположных по полярности, и их зубцы смещены относительно друг друга как показано на следующем рисунке.

На рисунке нижу показан вид спереди широко используемого гибридного шагового двигателя, который имеет 8 полюсов на статоре, которые активируются двумя обмотками, А и В. Таким образом, если мы активируем обмотку А, мы намагничим 4 полюса, два из которых будут иметь южную полярность, а другие два - северную.

Мы видим, что таким образом зубцы роторов совмещены с зубцами полюсов А и не совмещены с зубцами полюсов В. Это означает, что на следующем этапе, когда мы выключим полюса А и активируем полюса В, ротор будет двигаться против часовой стрелки, и его зубцы совместятся с зубцами полюсов B.

Если мы продолжим активировать полюса в определенном порядке, ротор будет двигаться непрерывно. Здесь мы также можем использовать различные режимы движения, такие как режим волны, режим полного шага, режим полушага и микрошаговый режим, для еще большего увеличения разрешения шагового двигателя.

Источник статьи