Шаговые двигатели принцип работы

Устройство и принцип действия шагового двигателя

Принцип действия. Шаговые (импульсные) двигатели представляют собой синхронные микродвигатели, у которых питание фаз обмотки якоря осуществляется путем подачи импульсов напряжения от какого-либо (например, электронного) коммутатора. Под воздействием каждого такого импульса ротор двигателя совершает определенное угловое перемещение, называемоешагом. Коммутатор преобразует заданную последовательность управляющих импульсов в т -фазную систему одно- или двухполярных прямоугольных импульсов напряжения;

Шаговые двигатели принцип работы

Рис. 7.15. Схемы работы шагового двигателя при питании различных фаз обмотки якоря

На рис. 7.15 изображена схема m -фазного шагового двигателя без обмотки возбуждения на роторе. Если фазы 1, 2, 3. m обмотки якоря рассматриваемого двигателя питаются поочередно однополярными импульсами напряжения, то ротор двигателя скачкообразно перемещается в положения, при которых его ось совпадает с осями фаз 1,2, 3 и т. п. Следовательно, ротор имеетm устойчивых состояний, соответствующих направлению вектора МДС F →1 (рис. 7.15, а) обмотки якоря в данный момент времени; при этом шаг ротора равен 2π/m .

Для увеличения результирующей МДС якоря, а следовательно, магнитного потока и синхронизирующего момента обычно одновременно подают питание на две, три и большее количество фаз. Так, например, если одновременно подают питание на две фазы, то положение результирующего вектора МДС F →peз и оси ротора совпадает с линией, проходящей между осями двух соседних фаз (рис. 7.15,б). При подаче питания одновременно на три соседние фазы ротор перемещается в положение, совпадающее с осью средней фазы (рис. 7.15, в). Если поочередно включают то четное (две), то нечетное (одна, три) число фаз, то ротор двигателя имеет 2m устойчивых состояния и шаг равен π/m. Управление двигателем, при котором фазы обмотки якоря включают поочередно равными группами по две, три и т, п. называют симметричным; поочередное включение неравных групп фаз — несимметричным.

В качестве шаговых обычно применяют синхронные двигатели без обмотки возбуждения на роторе: с постоянными магнитами, реактивные и индукторные (с подмагничиванием). Для получения требуемых статических характеристик и динамических свойств их выполняют без пусковой обмотки, с ротором минимального диаметра и рассчитывают на большие электромагнитные нагрузки.

Шаговые двигатели принцип работы

Рис. 7.16. Положения ротора шагового двигателя с постоянными магнитами при различных полярностях включения его фаз и диаграмма изменения тока в этих фазах

Шаговые двигатели принцип работы

Применение шагового двигателя целесообразно для привода механизмов, имеющих старт-стопное движение, или механизмов с непрерывным движением, если управляющий сигнал задан в виде последовательности импульсов (лентопротяжных устройств для ввода и вывода информации, счетчиков, приводов станков с программным управлением и т. п.).

Двигатели с постоянными магнитами. Ротор двигателя (рис. 7.16) выполняют в виде постоянного магнита (звездочки) литой или составной конструкции без полюсных наконечников. Статор имеет явно выраженные полюсы, вокруг которых в полузакрытых пазах размещаются катушки обмотки якоря (двух-, трех- или четырехфазной). В многополюсных машинах число пазов на полюс и фазу q = 1, т. е. обмотку выполняют сосредоточенной. Шаговые двигатели этого типа называют также магнитоэлектрическими.

В двигателе с двухфазной обмоткой якоря при последо-вательной подаче импульсов напряжения на катушки полюсов ось магнитного потока скачкообразно перемещается на 90° (рис. 7.16, а, б, в). В результате под действием синхронизирующего момента при каждом импульсе ротор поворачивается на 90°, т.е. делает шаг, равный 90°. Возникновение синхронизирующего момента в шаговом двигателе при подаче питания на фазы обмотки якоря обусловлено теми же причинами, что и в синхронном двигателе обычного исполнения. В рассматриваемом двигателе магнитное поле якоря может иметь четыре различных состояния, которым соответствуют различные направления тока в фазах 1 и 2 его обмотки:

1. ток в фазе 1 направлен от начала к концу; фаза 2 обесточена;

2. ток в фазе 2 направлен от начала к концу; фаза 1 обесточена;

3. ток в фазе 1 направлен от конца к началу; фаза 2 обесточена;

4. ток в фазе 2 направлен от конца к началу; фаза 1 обесточена.

Порядок переключения (коммутации) фаз 1 и 2 обмотки якоря представлен на рис. 7.16, г в виде временной диаграммы; изменения токов I в1 и I в2 в этих фазах. Каждому импульсу тока соответствует определенное положение ротора двигателя. Рассмотренную систему переключения фаз 1 и 2 обмотки якоря называют четырехтактной разнополярной коммутацией и сокра­щенно обозначают следующим образом: (+1)-(+2)-(-1)-(-2)-(+1) -. Каждым четырем тактам соответствует поворот ротора на два полюсных деления. Чтобы изменить направление вращения ротора, следует изменить полярность включения одной из фаз обмотки якоря, не изменяя очередность их коммутации. Для уменьшения шага шаговые двигатели обычно выполняют многополюсными. При этом число полюсных выступов на роторе должно быть равно числу полюсов статора. Наиболее часто используют восьмиполюсные шаговые двигатели. Шаг двигателя представляет собой угол поворота ротора за один такт:

где k — число тактов в одном цикле; р — число пар полюсов. При четырехтактной коммутации шаг восьмиполюсного двигателя αш = 22,5°. Частота вращения ротора двигателя зависит от частоты подачи импульсов:

Диапазон изменения частоты при четырехтактной коммутации обычно составляет 0 — 500 Гц; максимальной частоте соответствует частота вращения n2 max = 2000 ÷ 3000 об/мин. В ряде случаев для лучшего использования обмоток применяют четырехтактную коммутацию с попарным включением обмоток: (+1)(+2)-(+2)(-1)-(-1)(-2)-(-2)(+1)-(+1)(+ 2) -. Такое включение обмоток позволяет увеличить результирующую МДС ротора, вследствие чего возрастает вращающий момент на валу двигателя примерно в полтора раза.

Обычно шаговые двигатели имеют четырехфазную обмотку, которая в отличие от двухфазной может управляться однополярными импульсами напряжения; это упрощает конструкцию электронного коммутатора. При подключении к электронному коммутатору фазы такой обмотки соединяют в четырехлучевую звезду с выведенной общей точкой. Коммутацию четырехфазной обмотки обычно выполняют четырехтактной, парной: (12)-(23)-(34)-(41)-(12)-. вследствие чего обеспечивается такое же увеличение вращающего момента, что и при попарной разнополярлой коммутации двухфазной обмотки. Шаговые двигатели с трехфазной обмоткой требуют шеститактнойразнополярной коммутации.

Реактивные двигатели. Ротор реактивного шагового двигателя выполняют из магнитномягкого материала. На статоре обычно располагают трехфазную сосредоточенную обмотку якоря, фазы которой получают питание от электронного коммутатора. Шаговые двигатели этого типа называют также параметрическими. На рис. 7.17, а, б и в схематично показаны три такта работы реактивного шагового двигателя с трех­фазной обмоткой якоря и шестью выступами на статоре; на роторе имеются только два выступа. Когда по фазе 1 проходит ток, ротор занимает положение, показанное на рис. 7.17, а. В следующий момент времени питание подается одновременно на фазы 1 и 2, и ротор поворачивается в положение (рис. 7.17,б ), соответствующее наибольшей магнитной проводимости для потока, созданного этими фазами. Далее питание с фазы 1 снимается и ротор перемещается в положение рис. 7.17, в. Таким образом, коммутация обмоток

Шаговые двигатели принцип работы

Рис. 7.17. Положения (ротора реактивного шагового двигателя при различных полярностях включения фаз и диаграмма изменения тока в этих фазах

Шаговые двигатели принцип работы

статора происходит в следующем порядке. (1) — (12) — (2) — (23) — (3) — (31) — (1). т. е. коммутация является несимметричной, шеститактной, однополярной (рис. 7.17, г). При этом шаг двигателя αш = 30°. Возможна и трехтактнаякоммутация но схеме: (1) - (2) - (3) - (1) или (12) - (23) - (31) - (12). Как правило, применяют шеститактную коммутацию, которая дает меньший шаг и большую устойчивость работы двигателя.

Шаг двигателя можно уменьшить, увеличив число выступов на роторе. Например, применяя шаговый двигатель с крестообразным ротором, при той же последовательности подачи импульсов, что и для двигателя, показанного на рис. 7.17, получают шаг, равный 15°. Дальнейшее уменьшение шага, т. е. повышение точности работы двигателя, можно обеспечить, увеличив число выступов на статоре и роторе, т. е, перейдя к схеме редукторного двигателя (см. рис. 7.11).

При малом шаге (5 — 1°) применяют реактивный редукторный шаговый двигатель с гребенчатыми выступами на статоре. Выпускаемые отечественной промышленностью реактивные редукторные шаговые двигатели имеют на статоре шесть полюсных выступов с гребенчатой зубцовой зоной.

Двигатели с подмагничиванием (индукторные). По конструктивному исполнению и принципу работы рассматриваемые двигатели сходны с редукторными двигателями, имеющими радиальное возбуждение. Возбуждение может создаваться обмоткой постоянного тока или постоянным магнитом, находящимся на статоре, как и в редукторных двигателях. Однако в шаговых индукторных двигателях постоянная составляющая магнитного поля обычно образуется за счет особого способа включения обмоток якоря. Например, если питать фазы обмотки якоря однополярными импульсами, то за счет постоянной составляющей тока в машине возникает неподвижное в пространстве магнитное поле, намагничивающее ротор. Следовательно, при соответствующей схеме питания обмоток возбуждения реактивный шаговый двигатель может работать как двигатель с подмагничиванием.

Индукторные шаговые двигатели с подмагничиванием имеют несколько лучшие характеристики, чем реактивные — больший электромагнитный момент, лучшую устойчивость и т. п. Однако для них требуется более сложный электронный коммутатор, который загружается постоянной составляющей тока возбуждения. Наличие постоянной составляющей тока в обмотке якоря двигателя приводит к возрастанию электрических потерь мощности. Максимальная частота подачи управляющих импульсов тока у двигателей с подмагничиванием меньшая, чем у реактивных.

Шаговые двигатели принцип работы

Рис. 7.18. Рабочие характеристики шагового двигателя

Режимы работы шаговых двигателей. Для работы шагового двигателя характерным является регулирование частоты вра-щения в широком диапазоне путем изменения частоты подачи управляющих импульсов тока. Таким же способом осуществляют его фиксированный останов, пуск и изменение направления вращения. В зависимости от частоты управляющих импульсов различают следующие режимы работы шаговых двигателей: статический, квазистационарный, установившийся и переходные.

Статический режим — это режим прохождения по обмоткам возбуждения постоянного тока, создающего неподвижное поле. При питании одной фазы зависимость электромагнитного момента М от угла рассогласования θ близка к синусоидальной (рис. 7.18, а). Поскольку при θ = 0 синхронизирующий момент равен нулю, возникает статическая ошибка в положении ротора; она тем больше, чем больше нагрузка и меньше максимальный момент. В двигателях с гребенчатыми выступами на статоре и шагом, равным 1,5°, статическая ошибка составляет не более 0,5°.

Квазистационарный режим — это режим отработки единичных шагов, например в приводах различных стартстопных, лентопротяжных и других подобных механизмов. Предельная частота квазистационарного режима ограничена временем затухания колебаний ротора, которые могут возникнуть при переходе ротора из одного устойчивого положения в другое (точки О и О' на рис. 7.18, а), аналогично тому, как это происходит в обычной синхронной машине при резком изменении угла θ. Для устранения колебаний ротора в конце шага применяют различные демпфирующие устройства и обгонные муфты. Предельную частоту квазистационарного режима повышают, увеличивая число фаз обмотки якоря или число тактов коммутации (восьмитактная коммутация при четырехфазной обмотке, шеститактная — при трехфазной). Во всех этих случаях при отработке шага уменьшается угол перемещения и кинетическая энергия ротора, что снижает его склонность к колебаниям.

Установившийся резким — это режим, соответствующий постоянной частоте управляющих импульсов. Ротор двигателя в установившемся режиме имеет постоянную частоту вращения, но при переходе из одного устойчивого состояния в другое возникают периодические и апериодические колебания относительно мгновенной точки устойчивого равновесия. При частоте управляющих импульсов f1. меньшей частоты свободных колебаний двигателя f0. угловое перемещение ротора при каждом шаге, как и квазистационарном режиме, сопровождается свободными колебаниями, которые существенно увеличивают динамическую ошибку при отработке ротором заданного перемещения. Частота свободных колебаний ротора

где Mmax — максимальный электромагнитный момент при неподвижном роторе; Jp и Jн — моменты инерции ротора и нагрузки, приведенной к валу ротора. При частоте управляющих импульсов, равной или в целое число раз меньшей частоты f0. возникает явление электромеханического резонанса, которое при слабом демпфировании колебаний может вызвать нарушение периодичности движения ротора и привести к выпадению его из синхронизма. При частоте f1 > f0 возникают вынужденные колебания с частотой, равной частоте управляющих импульсов; амплитуда их монотонно уменьшается с увеличением частоты. Для устойчивой работы шагового двигателя необходимо, чтобы Мн /Mmax ≤ 0,3 ÷ 0,5, Jн /Jp ≤ l ÷ 2 и имелось внутреннее или внешнее; демпфирование. Электромагнитный момент шагового двигателя в общем случае состоит из двух частей: синхронизирующего момента, зависящего от угла θ между осями МДС обмотки якоря и ротора, и асинхронного тормозного момента, пропорционального частоте вращения, т. е. dθ/dt :

Параметр D называют коэффициентом внутреннего демпфирования. Физически внутреннее демпфирование, т. е. тормозной момент Мт в двигателях с постоянными магнитами или обмоткой возбуждения на роторе, возникает в результате взаимодействия, вращающегося потока ротора с током в обмотке якоря (см. § 7.2). У реактивных двигателей этот момент зависит от разности индуктивных сопротивлений (Хd - Xq ) обмотки якоря и ее активного сопротивления Ra . При достаточно большом значении коэффициента D происходит эффективное затухание колебаний ротора двигателя. Этому способствует также наличие трения и внешних демпфирующих устройств.

Переходные режимы — основные эксплуатационные режимы шаговых двигателей, включающие в себя пуск, торможение, реверс, переход с одной частоты на другую. Основным требованием, предъявляемым к шаговым двигателям в переходных режимах, является сохранение синхронизма при изменении частоты управляющих импульсовотсутствие потери шага.
Для каждого шагового двигателя существует некоторая предельная частота подачи управляющих импульсов fпр. при которой ротор еще следует за скачкообразно изменяющимся полем статора. Эту частоту называют частотой приемистости. Частота приемистости характеризует пусковые свойства шагового двигателя — максимальную частоту управляющих импульсов, при которой возможен пуск без выпадения из синхронизма. Она возрастает с увеличением синхронизирующего момента, уменьшением углового шага, нагрузки и момента инерции.

Для современных шаговых двигателей при номинальной нагрузке частота приемистости fпр= 100 ÷ 1000 Гц. Предельная частота, при которой осуществляется торможение шагового двигателя без потери шага (с сохранением синхронизма), как правило, выше частоты приемистости: это объясняется влиянием внутреннего демпфирования, момента нагрузки и момента трения. Предельная частота реверса, при которой реализуется реверс без выпадения из синхронизма (без потери шага) составляет (0,2 ÷ 0,5)fпр. Только в двигателях с большим демпфированием и электромагнитными постоянными времени обмоток якоря предельные частоты реверса и приемистости примерно равны.

Рабочие характеристики шаговых двигателей. Они определяются параметрами двигателя, нагрузки (нагрузочный момент и момент инерции) и особенностями электронного коммутатора (числом тактов коммутации, формой его выходного напряжения и пр.). Основными характеристиками являются: статическая, предельная механическая и предельная динамическая характеристики приемистости.

Статическая характеристика — это зависимость электромагнитного момента М от угла θ (рис. 7.18, а ), а также зависимость тока двигателя от нагрузки в квазистационарном режиме.

Предельная механическая характеристика — это зависимость частоты управляющих импульсов от максимального момента на валу ротора, при котором происходит выпадение двигателя из синхронизма (рис. 7.18,б. кривая 1 ). Ее снимают при плавном увеличении частотыf1 .

Предельная динамическая характеристика приемистости — это зависимость частоты приемистости fпр в динамическом режиме (например, при пуске) от момента нагрузки М (рис. 7.18,б. кривая 2 ). Рабочие характеристики снимают при различных сочетаниях включаемых обмоток, моментах инерции двигателя и нагрузки и пр.

Области применения. При высоких частотах вращения (2000—3000 об/мин) применяют шаговые двигатели с постоянными магнитами на роторе. Наличие активного ротора позволяет получить относительно большие моменты и обеспечить фиксацию ротора при обесточенных обмотках. У этих двигателей номинальный вращающий момент Мном = 0,1 ÷ 10 Н•см, угловой шагαш = 15°. При низких частотах вращения (до 1000 об/мин) и малом шаге применяют индукторные и реактивные двигатели с гребенчатыми выступами на полюсах статора. Их номинальный момент Мном = 1 ÷ 25 Н•см, а угловой шаг αш = 1,5 ÷ 3°.

*****

Шаговый двигатель

Шаговый двигатель – электрический синхронный мотор, совершающий оборот некоторым количеством равноценных эквивалентных перемещений. От длины элементарного сегмента зависит точность, с которой ротор позиционируется нужным образом. В отдельности минимальное перемещение называется шагом.

Принцип действия шаговых двигателей, разновидности

Шаговый двигатель в комплекте с драйвером занимается преобразованием числа входящих импульсов в заданное угловое перемещение вала. Устройство сопрягается с цифровой техникой, управляющий сигнал зачастую аналоговый. Входы обмоток посещает синусоида нужной фазы. Драйвер, получающий на контакты цифровой сигнал, декодирует волну, формирует нужные сигналы управления двигателем. Одна, две, три, четыре фазы. Определяется конструкцией, нуждами техники.

Шаговые двигатели принцип работы

Конструкция шагового двигателя

Особенностью шагового двигателя назовем форму стального ротора. Снабжен полюсами, подчеркнутыми путем вынесения на кончик острого/тупого зубца. Мертвый металл, притягиваемый катушками статора. Обладает некоторой намагниченностью остаточного рода, вызванной действием поля. Точное позиционирование полюсов статора обеспечивает шаговому двигателю уникальное свойство: точное позиционирование по углу поворота вала. Из правила встречаются исключения, рассмотренные ниже по тексту.

Шаговые двигатели используются промышленностью, цифровой техникой – где требуется обеспечить точное позиционирование вала. Некоторые источники датируют изобретение серединой XIX века, первые сведения просочились в специализированные журналы в 20-х годах XX века. Речь о трехфазном реактивном шаговом двигателе. Исходное применение традиционно стало военным: на кораблях королевского флота Великобритании узлы направляли в нужную сторону торпеды. Позже технология перекочевала, посетив армию США.

Первый открытый патент получен на прибор с ротором, статором на 32 зуба шотландским инженером Уолкером в 1919 году. Прибор рассчитан работать с трехфазным напряжением. Сегодня шаговые двигатель встречаются в жестких дисках персональных компьютеров, автоматизированных линиях сборки. Ключевыми достоинствами считают низкую стоимость, простоту позиционирования. Альтернатив не придумано. Устройства применяются примерно с 70-х годов XX века, формируют четыре основные группы:

  1. Шаговые двигатели на постоянных магнитах.
  2. Гибридные синхронные двигатели.
  3. Вентильные реактивные двигатели.
  4. Шаговые двигатели Лавета.

Полюсы различной намотки, например, унифилярной, бифилярной (см. Катушка индуктивности). В первом случае ротор совершает обороты однонаправленно, если не предусмотреть дополнительную коммутацию фаз. Бифилярный двигатель отрабатывает реверс простой подачей напряжения на другие пары контактов. На каждом полюсе нить проволоки намотана, образуя две катушки. Конструкция такова, что знаки полей противоположные. Обеспечивает простую организацию реверса. Схожие схемы можно наблюдать на примере двигателя привода барабана стиральной машины.

Мировой практикой принята стандартизированная маркировка указанных разновидностей устройств:

  • Унифилярные:
  1. Красный, желтый – первая обмотка.
  2. Черный, оранжевый – вторая обмотка.
  • Бифилярные:
  1. Обмотка с центральным общим выводом. Красный, черный, красный с белым – первая обмотка. Зеленый, белый, зеленый с белым – вторая обмотка.
  2. Двойная обмотка полюса. Красный, красный с белым – первая пара первой обмотки. Желтый, желтый с белым – вторая пара первой обмотки. Черный, черный с белым —первая пара второй обмотки. Оранжевый, оранжевый с белым – вторая пара второй обмотки.

Читайте также: Диэлектрики и проводники в электрическом поле

Каждая обмотка может образовывать несколько полюсов. Для включения реверса бифилярных шаговых двигателей коммутируется другая пара контактов. И если для формирования обратного вращения унифилярных разновидностей нужен формирующий контроллер, здесь достаточно использовать рядовой контактор.

Режимы работы шаговых двигателей

Изделия функционируют в нескольких режимах:

  1. Полный шаг реализуется поочередной подачей управляющих напряжений по фазам. Стандартное число – 200 перемещений на 1 оборот.
  2. В режиме половинного шага после активации одной фазы, остается состояние неизменным часть времени включения следующей. Получается, на зуб действуют сразу два полюса. Вал замирает, фиксируя промежуточное положение. Затем первая фаза пропадает, ротор делает полшага вперед. Несмотря на меньший развиваемый крутящий момент, режим находит большее применение промышленностью, благодаря сокращению уровня вибраций.

Шаговые двигатели принцип работы

Электрический синхронный мотор

  • Микрошаговые режимы обычно являются искусными ноу-хау наработками конкретных производителей. Режимом заправляет специальный чип, генерирующий управляющие напряжения, чтобы точность позиционирования вала находилась в районе сотой шага (20000 перемещений на 1 оборот). Понятно, изыски нужны микроэлектронике, не исключено возникновение потребности тонких технических решениях среди промышленных конвейеров. Драйвер генерирует 50 и более тысяч циклов управляющих напряжений на оборот.
  • Шаговые двигатели на постоянном магните

    Род двигателей можно встретить в помпе стиральной машины. Блок, удаляющий воду бака после стирки, между отдельными этапами цикла. Скорость вращения вала невелика, ротор в составе содержит постоянный магнит, шаг большой. Например, 45 градусов. На обмотки статора поочередно подается напряжение, создавая вращающееся магнитное поле. Постоянный магнит вала следует изменениям вектора напряженности.

    Достоинствами шаговых двигателей назовем простоту, низкую стоимость. Постоянные магниты часто применяются принтерами. Отличие от других шаговых двигателей: ротор лишен зубцов, полюсов мало. Бывает два, катушек статора — 4, каждым перемещением вал совершает поворот 90 градусов. Требуется 4 фазы, сдвинутые друг относительно друга на 90 градусов. Драйвер просто реализовать при помощи конденсаторов.

    Благодаря низкой скорости оборотов двигатель развивает высокий крутящий момент (загружая бумагу из лотка принтера).

    Шаговые двигатели принцип работы

    Двигатель с постоянным магнитом

    Гибридные синхронные двигатели

    Гибридные синхронные двигатели используются промышленностью по причине развития высокого крутящего момента, хорошо держат статическую нагрузку. Вал по-прежнему представлен постоянным магнитом, снабжается зубцами, на статоре множество полюсов. Тип двигателей обеспечивает высокие скорости вращения. Каждый шаг в стандартном исполнении равен 1,8 угловых градусов (200 шагов/оборот). Выпускают специализированные исполнения:

    • 0,9 градуса (400 шагов/оборот).
    • 3,6 градуса (100 шагов/оборот).

    Вентильные шаговые двигатели

    Главным отличием вентильных двигателей считают отсутствие тяжелых постоянных магнитов. Благодаря чему жесткой фиксации положения не происходит при наличии высокой точности. Двигатели идеальны для просмотра слайдов кинопленки. Относительно плавное, точное движение идеально подходит случаю.

    Ротор облегченный, стальной, имеет ярко выраженные, сравнительно немногочисленные зубцы. Шаг средний, например, для трех фаз, 12 полюсов выйдет 15 градусов. Расстояние меж полюсами составляет 30 градусов. Промежуточные положения вал занимает в случаях, когда активируются одновременно две соседние фазы. Чередование соответствует обычной промышленной сети (например, 400 вольт).

    Читайте также: Реактивная мощность

    Главной особенностью вентильных двигателей является сравнительно малое количество тупых зубцов. Высокой точности позиционирования ожидать не приходится. Для реализации продвинутых алгоритмов применяются сложные драйверы.

    Шаговые двигатели Лавета

    Шаговые двигатели Лавета временами применяются электрическими часами. Сконструированы работать с сигналом одной фазы. Благодаря возможности миниатюризации двигатели Лавета послужат исполнительной частью наручных часов. Название устройства получили именем изобретателя – инженера Мариуса Лавета.

    Шаговые двигатели принцип работы

    Инженер Мариус Лавет позавидует

    В 1936 году выпускник Высшей школы электрики сконструировал двигатель, принесший всемирную известность. Статор выглядит, как у электрического мотора с расщепленными полюсами. Одна катушка Полюсы образованы единичными витками сравнительно толстой медной проволоки, расположенными на магнитопроводе, создавая нужную фазу ЭДС. Индуцированные токи обеспечивают нужный крутящий момент. Задержка распространения магнитного поля по сердечнику используется сдвигать фазу на 90 градусов, имитируя двухфазное напряжение. Ротор представлен постоянным магнитом.

    Конструкции широко используются бытовой техникой (блендерами, миксерами). Отличие двигателей Лавета в том, что благодаря зубцам вал фиксируется с некоторым шагом. Становится возможным характерное движение секундной стрелки. Как большинство шаговых двигателей, разновидность не предназначена работать на реверс.

    Параметры шаговых двигателей

    Некоторые параметры шаговых двигателей критичны при выборе соответствующего контроллера, формирующего управляющие напряжения:

    1. Индуктивность. Высокое значение параметра обычно у низкоскоростных двигателей со значительным крутящим моментом. При повышении количества оборотов вала параметры оборудования непременно ухудшатся. При низкой индуктивности ток вызывает быстрый отклик, требуется в приводах для чтения оптических дисков.
    2. Потребляемый ток влияет на жесткость переключения меж соседними шагами. Более плавный режим требует снижения параметра. Большой потребляемый ток повышает крутящий момент. Таким образом, правильный выбор параметров загружает плечи проектировщика.
    3. Предельный уровень рабочих температур шаговых двигатель невелик. Верхняя граница находится в области 90 градусов Цельсия. Перегрев возможен на высоких крутящих моментах при значительном потреблении тока. Для разгрузки иногда применяется режим удержания, в котором вал стопорится некоторое время.

    Разновидности драйверов шаговых двигателей

    В глобальном смысле выделяют три группы драйверов управления шаговыми двигателями:

    1. Униполярные формируют импульсы тока одного направления. Простой, неприхотливый метод, использование снижает крутящий момент на 40%. Специалисты объясняют феномен невозможностью одновременного питания всех обмоток, которые могли бы участвовать в движении. Однако методика отлично подходит низким рабочим скоростям.
    2. Драйверы с гасящими резисторами сегодня считаются устаревшими. Позволяют выжать из двигателя максимум скорости. Большое количество энергии выделяется теплом на гасящих резисторах.
    3. Биполярные драйверы популярны сегодня. Игнорируя сложность конструкции, достигается высокая эффективность. Каждый драйвер содержит формирующий блок, составленный четырьмя транзисторами. Питание подается, минуя диоды, с резистора снимается сигнал обратной связи. Напряжение достигает определенного уровня, открываются нужные ключи для снижения. Форма сигнала принимает пилообразную форму, двигатель с высоким постоянством поддерживает заданную мощность.

    *****

    Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления

    Не менее активно используются ДШР-40 (четырехфазные), NEMA 23, SanyoDenkiSM28, FDD (floppy-disk – флоппи диск), SM-200-0.22, SP-57, STH-39D1112, Purelogic R&D с энкодером. Чтобы подобрать нужный электрический двигатель, Вам нужно просчитать нужные параметры мощности, напряжение и крутящего момента. Чтобы определить эти данные, Вам нужно провести расчет.

    Самой явной проблемой при работе шагового двигателя является управление шаговым двигателем без контроллера. Чтобы решить эту незадачу Вам нужно использовать специальный блок логической связи, который поможет управлять устройством без микросхемы контроллера. Но мы советуем разрабатывать систему контроля шагового двигателя именно на контроллере: Attiny2313, AVR-USB-MEGA16 (подсоединяется через usb), CNC-1318, HDD, PLCM-LPT, PIC, CD ULN, Arduino (Арудино) UNO, ATmega8, драйвер l293d.

    Шаговые двигатели принцип работы

    Фото — Контроллер биполярного шагового двигателя

    Продажа шагового двигателя осуществляется в России, Украине, Беларуси и прочих странах в любом электротехническом магазине, цена зависит от типа прибора, мощности в кВт и его предназначения.

    Цена на шаговый однополярный двигатель, у.е.

    *****

    Шаговый двигатель: принцип работы, схема, описание, характеристики

    January 19, 2015

    В современной электротехнике используется множество самых разнообразных устройств, некоторые из них предназначаются для автоматизации технологических операций. Таковым является и шаговый двигатель. Принцип работы и устройство данного прибора описаны в статье.

    Что это такое?

    Шаговые двигатели принцип работыТак называется электромеханическое устройство, служащее для передачи управляющего сигнала в механическое движение ротора. Каждое движение заканчивается фиксацией в строго заданном положении. Прибор бывает угловым или же линейным. Стоит помнить, что шаговый двигатель, принцип работы которого будет изложен ниже, является синхронным устройством.

    Системы управления с разомкнутой цепью (без обратной связи)

    Чаще всего это оборудование управляется специальной электронной схемой. Питается оно только от источника переменного тока. Такие двигатели часто используются в схемах, где требуется управление частотой вращения. Это позволяет избежать необходимости использования дорогого и сложного контура обратной связи, да и защита электродвигателя становится проще (требуется только предусмотреть быстрое обесточивание).

    Данный принцип работы применяют в схемах с разомкнутой связью. Следует помнить, что указанная схема (без контура обратной связи) выгодна с экономической точки зрения, но у нее есть ряд существенных ограничений.

    Так, поворот ротора является достаточно нестабильным, колебательным, отчего частота вращения и прочие характеристики движения ни в коем случае не могут быть настолько же точными, каковыми они являются в двигателях постоянного тока с контуром обратной связи. Для расширения сферы применения шагового двигателя требуется изыскивать способы снижения вибрации.

    Конфигурация системы

    Чтобы лучше понимать устройство шагового двигателя и принцип его работы, можно рассмотреть схему функционирования прибора под его управлением, который лет 20 назад использовался для изготовления перфокарт. Для этой цели повсеместно применяли трех- и четырехфазные ШД. Сейчас мы рассмотрим схему работы первого.

    Шаговые двигатели принцип работыМы уже упоминали, что ротор двигателя поворачивается на определенное расстояние в ответ на каждый управляющий импульс. Значение этого поворота выражается в градусах и называется шагом. Логическая цепь включается во время получения сигнала, после чего сразу же определяет нужную для задействования фазу. После этого она отправляет свой сигнал на инвертор, отвечающий за значение тока, который используют шаговые двигатели. Характеристики этого оборудования предполагают использование различных типов управляющих схем. Как правило, последние монтируются из широко распространенных транзисторов, хотя сравнительно недавно для этой цели использовали интегральные схемы. При высоком ее выходном потенциале происходит автоматическое возбуждение нужной фазы обмотки (первой, к примеру). Если потенциал снижается, происходит автоматическое отключение данной фазы. Так реализована защита электродвигателя.

    Фазы обозначают порядковыми номерами 1, 2, 3 и т.д. либо буквами А, В, С и т.д. Последний вариант используется только в случае некоторых двухфазных двигателей. Таким образом, в каждый конкретный момент времени возбуждена только одна фаза из двух, трех или четырех имеющихся (в зависимости от типа двигателя). При объяснении принципов работы такого устройства это обстоятельство упоминается постоянно, но необходимо понимать, что указанная схема вовсе не является идеальным способом управления.

    Шаг и инкремент

    Наиболее простым вариантом является подача одиночных импульсов от управляющей схемы. В этом случае, к примеру, двигатель за один раз поворачивает ведущую звездочку конвейера на какое-то расстояние вперед. Следует заметить, что при подаче массивного механизма вперед только на один шаг еще более усугубляется проблема вибрации, да и значительная инерция дает о себе знать.

    В таких случаях куда более оправданно использовать шаговый двигатель, который может за один управляющий импульс делать несколько движений. Также не помешает использовать звездочку с более мелкими зубьями. К слову, каждое такое движение называется инкрементом.

    В описываемых нами случаях инкремент равен одному и нескольким шагам соответственно. После каждого цикла двигатель на какое-то время останавливается, после чего все повторяется сначала. Это называется инкрементным движением и инкрементным управлением соответственно.

    Шаговые двигатели принцип работыЕсли одно движение выполняется за несколько шагов (о чем мы говорили выше), причем колебаний ротора может и не быть. Когда движение одношаговое, колебания приходится гасить при помощи специального электронного устройства. Вообще шаговые двигатели (характеристики которых мы рассматриваем) относятся к наукоемким устройствам, для их работы требуется много сложной электронной «начинки».

    Общий принцип управления

    На один инкремент количество шагов больше четырех приходится в каких-то производственных линиях, конвейерах. Когда данные с запоминающего устройства (внутренняя флеш-память, жесткий диск компьютера) отправляются к контроллеру, выполняются они блок за блоком. Каждый из них содержит строго определенное количество символов (32, 48 или 64), причем в разных системах и при различных назначениях устройства эта цифра может серьезно варьироваться.

    Неудивительно, что в последние годы стали распространены самоделки на основе микрокомпьютера Arduino. Шаговый двигатель в такой конструкции идеален, так как в такой связке его можно приспособить как в качестве силовой установки для игрушки, так и для довольно сложного промышленного оборудования.

    Блок данных перед его использованием переносится в полупроводниковую память на контроллере, после чего движение начнется в соответствии с инструкциями, которые были записаны в первом блоке информации (перед тем как подключить электродвигатель, обязательно нужно выяснить эти характеристики).

    После выполнения инструкций система начинает считывать второй массив информации. Если каждое движение состоит из множества мелких шагов, то перед основным контроллером необходимо монтировать дополнительный каскад. Чаще всего его функции выполняются входным контроллером. Он отправляет данные на второй управляющий контур с каким-то интервалом, заданным системой (Arduino). Шаговый двигатель в этом случае защищен от перегрузки запросами.

    Некоторая специфика использования ШД

    Мы расскажем вам о некоторых нюансах использования шаговых двигателей, а также дадим определение часто используемым в этой области терминам:

    - Маленький угол шага. Как вы уже знаете, после каждого управляющего импульса ротор двигателя поворачивается на какой-то определенный градус. Чем шаг меньше, тем более высокой может быть непосредственная частота вращения. Важно знать, что шаговые двигатели вполне могут обеспечивать очень маленький шаг. Шаговым числом в этом случае называется количество оборотов за один шаг, причем это значение очень важно для инженеров. Высчитывается оно по следующей формуле:

    S = 360/θS, где S – шаговое число, θ – угол шага (угол поворота).

    В большинстве случаев привод шагового двигателя может выполнять 96, 128 или 132 шага за один оборот. Четырехфазные модели иногда имеют значение в 200. Редкие виды прецизионных двигателей за один только оборот могут сделать сразу 500 или 1000 шагов. Впрочем, для простых разновидностей это недостижимо, так как у них угол поворота равен 90, 45 или 15°.

    Шаговые двигатели принцип работы- Высокая точность частоты вращения. Именно этот параметр и определяет общее качество прибора. Вы уже знаете, что работа шагового двигателя предполагает его остановку и фиксацию в определенном положении после выполнения блока данных. Разумеется, обычная механика однозначно говорит нам, что из-за инерции, силы трения и прочих факторов возможны всяческие отклонения от заданных параметров.

    Борьба с нежелательными явлениями

    Зазор между роторными и статорными зубцами всегда делается минимальным для увеличения жесткости фиксации. Сама точность позиционирования зависит от характеристик только лишь инвертора, так как прочие факторы на нее влияют в гораздо меньшей степени.

    А сейчас необходимо рассмотреть ряд важных характеристик и понятий, таких, как максимальный статический момент, положения «мертвого» ротора, а также точность позиционирования всех этих положений. Для определения вышеперечисленных терминов существует сразу две общепринятых распространенных концепции.

    Максимальный статический эффект

    Как мы уже и говорили, он имеет сразу два положения:

    • Удерживающий. Это максимально допустимый эффект, который теоретически может быть приложен к валу уже возбужденного шагового двигателя без возникновения движения.
    • Фиксирующий. Соответственно, это также максимальный статический эффект, который теоретически может быть приложен к валу невозбужденного двигателя без возникновения последующего вращения.

    Чем удерживающий момент выше, тем ниже вероятность возникновения погрешностей позиционирования, вызываемых непрогнозируемой нагрузкой (отказали конденсаторы для электродвигателей, например). Полный фиксирующий момент возможен только в тех моделях двигателей, в которых используются постоянные магниты.

    «Мертвые» положения ротора

    Существует сразу три положения, в которых ротор полностью останавливается:

    • Положение равновесия. В нем происходит полная остановка возбужденного шагового двигателя.
    • Фиксация. Также состояние, в котором останавливается ротор. Но используется это понятие только в отношении тех двигателей, у которых в конструкции имеется постоянный магнит.
    • В современных моделях шаговых двигателей, которые соответствуют всем нормам экологической и энергетической безопасности, при остановке ротора полностью обесточивается и обмотка.

    О точности позиционирования

    Шаговые двигатели принцип работыНаконец, поговорим о важнейшем понятии. Речь идет о точности позиционирования. Можно догадаться, насколько оно важно при работе сложного промышленного оборудования. Различают два важнейших термина:

    • Ошибка углового положения. Определяется как положительный или отрицательный уход от нормативного углового состояния, что очень часто наблюдается в случаях перехода ротора из одного положения в другое. Как правило, виновата инерция, а также плохая подгонка деталей.
    • Точность позиционирования. Это максимальное значение ошибок углового положения ротора, которые возникают за весь период шагового движения.

    Важно! Отыскать нормативные сведения для каждой категории шаговых двигателей можно как на официальной странице их производителей, так и из справочной документации, которая прилагается к такого рода изделиям. Как правило, значение ошибки находится в пределах от +0,08 до -0,03°. Проще говоря, точность позиционирования высчитывается в виде суммы двух этих показателей: 0,08° + 0,03° = 0,11°.

    Таким образом, шаговый двигатель, принцип работы которого мы описываем, относится к высокоточному оборудованию.

    Высокое отношение электромагнитного момента к моменту инерции

    Как вы уже представляете, от шагового двигателя требуется максимально быстро начать движение сразу после поступления на контроллер управляющего импульса. Он должен столь же быстро остановиться, обладая высокой точностью позиционирования. Если во время движения последовательность импульсов управления прервется, двигатель перестанет работать в положении, определяемом последним импульсом.

    Также следует иметь в виду, что отношение электромагнитного момента к моменту инерции ротора у ШД должно быть намного выше аналогичного показателя для обычных электромоторов.

    Шаговая частота вращения и частота импульсов

    Так как частота вращения у ШД фактически представляет собой количество шагов в единицу времени, вместо термина "частота вращения" в специализированной литературе нередко можно встретить определение "шаговая частота вращения". Перед тем как подключить электродвигатель, об этих нюансах нужно обязательно прочесть.

    Так как у большинства шаговых двигателей эта частота равна количеству управляющих импульсов, не стоит удивляться необычному ее обозначению в технических справочниках. Точнее, для подобных моторов единицей измерения нередко является герц (Гц).

    Шаговые двигатели принцип работыПри этом важно понимать, что шаговая частота вращения реального числа оборотов ротора двигателя ни в коем случае не отражает. Специалисты считают, что нет никакой причины не использовать в описании шаговых двигателей все то же количество оборотов в минуту, которое применяется при описании технических характеристик обычных электродвигателей. Соотношение между реальной частотой вращения и ее шаговым аналогом вычисляется по следующей формуле:

    n = 60f/S, где n – частота вращения, выражается в оборотах в минуту; f – шаговая частота вращения; S – число шагов.

    Кстати, а как определить требуемые конденсаторы для электродвигателей? Очень просто! Достаточно только использовать вот эту формулу:

    Несложно догадаться, что под Рном понимается номинальная мощность электродвигателя в кВт.

    Простейшая схема подключения двигателя EM-178

    А сейчас нами будет рассмотрено простейшее подключение шагового двигателя на примере модели ЕМ-178, которая повсеместно используется в промышленных принтерах.

    Расписать работу более масштабно попросту не получится, так как существуют миллионы самых разнообразных моделей, характеристики которых имеют существенные различия.

    В настоящее время используются различные типы электродвигателей этой конструкции. В статье мы обсудим самые распространенные.

    Реактивные двигатели

    Именно эта разновидность приборов повсеместно используется по сей день. По сути, это почти стандартный трехфазный двигатель, на статоре которого имеется шесть зубцов. Проще говоря, каждые два зубца, противостоящие друг другу, принадлежат к одной и той же фазе. Используется последовательное или параллельное соединение их катушек.

    Что касается ротора, то на нем располагается только четыре зубца. Чаще всего статор и ротор производители изготовляют из магнитомягкого материала, но нередко можно встретить просто массивные роторы из обычных металлов. Все дело в том, что к веществам, которые идут на их производство, имеется только одно важное требование: они должны обеспечивать как можно лучшую проводимость магнитного поля. Это чрезвычайно важно, если обсуждать шаговый двигатель: принцип работы напрямую связан с напряженностью магнитного поля.

    Устройства с постоянными магнитами

    В качестве ротора используется магнит цилиндрической формы, на статоре же есть четыре зубца с индивидуальной обмоткой. Чтобы сильнее уменьшить угол шага, в этих моделях шаговых двигателей приходится увеличивать как количество полюсов ротора, так и число зубцов на статоре. Впрочем, следует помнить о том, что оба этих параметра имеют достаточно строгие физические ограничения. В последнем абзаце нашей статьи есть информация об альтернативной их конструкции (биполярный шаговый двигатель), но такие модели можно встретить не так часто.

    Как мы уже говорили, шаговые устройства с постоянными магнитами останавливаются в строго фиксированном положении даже в тех случаях, когда убрано напряжение с обмоток. В этом случае срабатывает тот самый механизм фиксации, который мы обсудили выше, – положение фиксации.

    Использование постоянных магнитов оправдано с многих точек зрения, но в то же время их применение может приводить сразу к нескольким проблемам. Во-первых, их цена далека от доступной. Кстати, сколько стоит такой шаговый двигатель? Цена моделей с постоянными магнитами превышает 100 тысяч рублей.

    Во-вторых, максимальная плотность магнитного поля может быть не слишком высока, так как это значение ограничено намагниченностью самого носителя. Так, сравнительно дешевые постоянные ферритовые магниты не позволяют получить более-менее достаточной напряженности поля. А какие есть еще типы электродвигателей, работающих по этому принципу?

    Гибридные установки

    Шаговые двигатели принцип работыЕсть и другой тип шагового двигателя, частично использующий тот же принцип. Гибридные модели работают с применением как реактивного, так и магнитного двигателей.

    Ротор имеет практически ту же конструкцию, что и у реактивного ШД, но вот обмотки производятся по несколько иной схеме. Дело в том, что на каждом полюсе обмотка есть только у одной катушки (трехфазные ШД). Нетрудно догадаться, что в четырехфазных моделях намотано уже две катушки. Намотка ведется по бифилярной схеме. Особенность в том, что при возбуждении на катушках создается магнитное поле разных полярностей (биполярный шаговый двигатель).

    Шаговые двигатели принцип работы

    15 симптомов рака, которые женщины чаще всего игнорируют Многие признаки рака похожи на симптомы других заболеваний или состояний, поэтому их часто игнорируют. Обращайте внимание на свое тело. Если вы замети.

    Шаговые двигатели принцип работы

    13 признаков, что у вас самый лучший муж Мужья – это воистину великие люди. Как жаль, что хорошие супруги не растут на деревьях. Если ваша вторая половинка делает эти 13 вещей, то вы можете с.

    Шаговые двигатели принцип работы

    Неожиданно: мужья хотят, чтобы их жены делали чаще эти 17 вещей Если вы хотите, чтобы ваши отношения стали счастливее, вам стоит почаще делать вещи из этого простого списка.

    Шаговые двигатели принцип работы

    Эти 10 мелочей мужчина всегда замечает в женщине Думаете, ваш мужчина ничего не смыслит в женской психологии? Это не так. От взгляда любящего вас партнера не укроется ни единая мелочь. И вот 10 вещей.

    Шаговые двигатели принцип работы

    Зачем нужен крошечный карман на джинсах? Все знают, что есть крошечный карман на джинсах, но мало кто задумывался, зачем он может быть нужен. Интересно, что первоначально он был местом для хр.

    Шаговые двигатели принцип работы

    Топ-10 разорившихся звезд Оказывается, иногда даже самая громкая слава заканчивается провалом, как в случае с этими знаменитостями.

    *****

    Шаговый двигатель, его устройство и принцип работы

    1.1 Устройство шагового двигателя…………………………………………..4

    1.3 Способы управления шаговым двигателем. 9

    1.4 Основные параметры и характеристики шагового двигателя……………………………………………………………………………..10

    3. LPT -порт. Его функциональное назначение

    3.1 Описание LPT -порта. Выражения. Типы данных. Объекты.…15

    4. Delphi. Её возможности и применение……………………..………………18

    5. Программа управления Шаговым Двигателем………………………. 20

    6. Тестирование программы…………………………………………………………21

    Шаговые электродвигатели очень удобны для применения в приводах роботов, поскольку не требуют датчиков обратной связи для определения положений звеньев. Такие двигатели позволяют с высокой точностью преобразовывать цифровые электрические сигналы непосредственно в дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

    По принципу действия шаговый двигатель относится к двигателям синхронного типа: в нем существует связь между сигналом питания и положением ротора. Благодаря периодическим переключениям обмоток статора, его магнитодвижущее поле, поворачиваясь на определенный угол (шаг), производит поворот на такой же определенный угол ротора двигателя, представляющего собой постоянный магнит либо переменное магнитное сопротивление.

    Шаговые двигатели принцип работы В данной выпускной работе была поставлена задача изучить способ управления шаговым двигателем через LPT -порт. Была разработана и написана программа для макета транспортного робота. В лаборатории имеется модель робота. Данный макет робота представляет собой два шаговых двигателя, закрепленных на тележке. Программа написана с помощью языка программирования Delphi.

    Рис.1 Макет Транспортного робота

    1.Шаговый двигатель, его устройство и принцип работы

    1.1Устройство шагового двигателя

    Шаговый электродвигатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора. вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

    Шаговые двигатели принцип работы

    Рис.2 Шаговый двигатель

    Статор — неподвижная часть электрической машины. взаимодействующая с подвижной частью — ротором. Статор может быть либо постоянным магнитом, либо электромагнитом

    Шаговые двигатели принцип работы

    Ротор — вращающаяся часть электрической машины. Ротор асинхронной электромашины обычно представляет собой собранное из листовой электротехнической стали цилиндрическое тело с пазами для размещения обмотки. Ротор в электромашинах постоянного тока называется якорем.

    Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора. на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнито-мягкого (ферромагнитного) материала или из магнито-твёрдого (магнитного) материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать бо́льший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

    Главное преимущество шаговых приводов - точность. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Шаговый привод, как недорогая альтернатива сервоприводу. наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика.

    Чтобы управлять шаговым двигателем необходим контроллер.

    Шаговые двигатели принцип работыКонтроллер – схема, которая подает напряжение к любой из четырех катушек статора. Устройство может быть построено с использованием интегральной микросхемы типа ULN2003 (отечественный аналог К1109КТ22) состоящая из набора мощных составных ключей с защитными диодами на выходе. Наличие защитных диодов позволяет подключать индуктивные нагрузки без дополнительной защиты от выбросов обратного напряжения.

    Шаговые двигатели принцип работы

    Рис.3 Принцип работы

    Шаговые двигатели принцип работы Контроллер шагового двигателя предназначен для создания автономного управления системой различного рода технологическими процессами, такими как: упаковочные роботы, дозаторов сыпучих продуктов и жидкостей, маркировщиков, в качестве устройства управления открытием-закрытием окон, дверей, для конструкций вращения, управления за камерами слежения за объектами и т. д.

    Контроллер шагового двигателя имеет следующие технические характеристики: ток 0,3-7А, питание 24-80В, защита от КЗ (для ADR401С), 4 оптически развязанных входа управления.

    Шаговые двигатели принцип работы Шаговые двигатели отличаются от регулируемых двигателей постоянного тока. Вместо того чтобы вращаться как двигатели постоянного тока, шаговый двигатель совершает дискретное вращение под воздействием серии импульсов. В нашем примере двигателю необходимо 200 шагов чтобы совершить полный оборот в 360 градусов.

    Рис. 5 Устройство шагового двигателя

    Другое преимущество шаговых двигателей – то, что их скорость вращения может быть достигнута почти мгновенно при изменении направления вращения на противоположное.

    Рис.6 Принцип работы Шагового Двигателя

    Двухполюсный ротор из магнитомягкой стали с клювообразными выступами помещен в четырехполюсный статор. Одна пара полюсов выполнена из постоянных магнитов, на другой – находится обмотка управления. Пока тока в обмотках управления нет, ротор ориентируется вдоль постоянных магнитов и удерживается около них с определенным усилием, которое определяется магнитным потоком полюсов. При подаче постоянного напряжения на обмотку управления возникает магнитный поток примерно вдвое больший, чем поток постоянных магнитов.

    Под действием электромагнитного усилия, создаваемого этим потоком, ротор поворачивается, преодолевая нагрузочный момент и момент, развиваемый постоянными магнитами, стремясь занять положение соосное с полюсами управляющей обмотки.

    Для фиксации ротора при обесточенной обмотке управления не требуется потребление энергии, угол поворота сохраняет свое значение и при перерывах в питании. Двигатели этого типа отрабатывают импульсы с частотой до 200-300 Гц.

    Особенностью устройства управления шаговым двигателем является цифровой способ задания скорости вращения, которая позволяет устанавливать частоту вращения мотора с дискретностью в 1 шаг на всем диапазоне.

    Шаговые двигатели принцип работы Есть несколько способов, которые можно использовать, чтобы управлять шаговым двигателем.Одиночные импульсы – самый простой способ. Одновременно подключается только одна катушка. Необходимо 200 шагов чтобы ротор совершил один полный оборот. Каждый шаг перемещает ротор на 7,5 градусов.

    Рис. 7 Одиночный импульс

    Шаговые двигатели принцип работыДвойной импульс – одновременное подключение двух соседних катушек. В этом случае также необходимо 200 шагов чтобы ротор совершил один полный оборот. Каждый шаг перемещает ротор на 7,5 градусов.

    Рис.8 Двойной импульс

    Шаговые двигатели принцип работыКомбинированные импульсы – чередование первого и второго способа. Двигатель нуждается в 400 шагах, чтобы совершить один оборот. Каждый шаг перемещает ротор приблизительно на 3,75 градуса.

    Рис. 7 Комбинированные импульсы

    Специфика конструкции шаговых двигателей и многообразие режимов их работы вызывают необходимость оценивать эти двигатели по следующим параметрам: частоте собственных круговых колебаний; электромагнитным постоянным времени; коэффициенту внутреннего демпфирования и характеристикам – предельным механическим и предельным динамическим.

    Частота собственных круговых колебаний – это угловая частота колебаний ротора около устойчивого положения при отсутствии момента нагрузки. Она является обобщенным параметром, зависящим от момента инерции J. амплитуды максимального синхронизирующего момента Mmax. числа пар полюсов p. Период собственных круговых колебаний, равный 1/w0. может служить внутренним эталоном времени. Действительно, момент инерции J определяет инерционность двигателя и механизма, амплитуда максимального синхронизирующего момента Mmax дает характеристику шагового двигателя как преобразователю энергии, число пар полюсов p определяет степень электромеханической редукции угла поворота и скорости вращения. Отношение Mmax/J дает теоретически предельное ускорение ротора шагового двигателя.

    Электромагнитная постоянная времени обмоток управленияTэм = L/R характеризует скорость протекания электромагнитных переходных процессов. Часто для уменьшения Тэм последовательно с обмоткой управления включают добавочное сопротивление. Уменьшать постоянную времени необходимо потому, что чем она больше, тем до меньшего значения нарастает ток за время импульса напряжения, меньше становится синхронизирующий момент, а, следовательно, и допустимый момент сопротивления.

    Коэффициент внутреннего демпфирования определяется отношением амплитуды потокосцепления ротора с фазой обмотки статора к ее активному сопротивлению. Этот параметр относится только к шаговым двигателям с активным ротором, поскольку его физический смысл заключается в образовании электромагнитного тормозного момента, вызванного взаимодействием поля ротора с током статора, наведенным этим полем и замыкающимся по цепи статор-источник тока. При этом механическая энергия колеблющегося ротора превращается в электрическую энергию с последующим рассеиванием ее в теплоту в активных сопротивлениях обмоток статора.

    Предельная механическая характеристика – это зависимость допустимого момента сопротивления от частоты управляющих импульсов в установившемся режиме работы. С ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании тока, обусловленное индуктивностью обмоток.

    Предельная динамическая характеристика – зависимость частоты приемистости от момента сопротивления и момента инерции нагрузки.

    Транспортные роботы предназначены для автоматизированного транспортирования объектов, а также для управления различными транспортными системами. Исследования и разработки по созданию транспортных роботов интенсивно ведутся во всем мире. При этом выделяются четыре принципиально различных типа - наземные, воздухоплавающие, водоплавающие и подземные. Теория и практика трех последних типов не достигли еще в целом того уровня, чтобы говорить о них сегодня как о всеобщей реальности. Практическое развитие получили ныне наземные транспортные роботы, которые могут быть колесными, шагающими и гусеничными.

    Так же по способу перемещения грузов они разделяются на транспортирующие груз захватом манипулятора, буксирующие транспортные средства с грузом и перемещающие груз без захвата.

    По функциональным возможностям — выполняющие только одну операцию, связанную с перемещением груза, и выполняющие несколько операций (перемещение, загрузка, выгрузка и т. п.).

    По типу ходового устройства — пневмоколесные, на рельсовом ходу, гусеничные и шагающие.

    По способу управления — с ручной системой, автономные, работающие по внешним сигналам, и с комбинированной системой. В первом случае параметры траектории движения груза выбирают операторы, система робота реализует и поддерживает их значения. Во втором случае указание параметров движения транспортного робота осуществляется полностью его автономной системой автоматического управления. В третьем — все параметры движения (скорость, путь, остановка и др.) формируется под воздействием внешних сигналов, передаваемых бесконтактным способом.

    Система управления транспортных роботов, построенная на комбинированных способах задания программы, обеспечивает расшифровку этих сигналов и выработку команд на исполнительные механизмы.

    Транспортные роботы по приспособляемости к воздействию внешних условий делятся на роботы с жесткой программой и адаптивные. Большинство применяемых транспортных роботов относится к жесткопрограммируемым, т. е. программа их действия содержит полный набор информации, не изменяющийся в процессе работы и не корректирующийся при изменении внешней среды. Адаптивные транспортные роботы имеют сенсорное обеспечение, позволяющее корректировать управляющую программу в соответствии с информацией, полученной в процессе работы. Система этих роботов позволяет обойти препятствие, возникшее на пути движения, что очень важно как с точки зрения техники безопасности. так и сохранности самого транспортного робота.

    Наибольшее развитие и распространение в настоящее время получили колесные транспортные роботы, используемые достаточно широко в промышленных автоматизированных транспортно-складских системах и гибких автоматизированных производствах в виде мобильных автоматических кранов, автоматических управляемых тележек (АУТ), робокаров и др. оснащаемых во многих случаях различными манипуляционными устройствами. В самом простом виде такие роботы следуют по рельсам либо по маршруту над кабелем, проложенным под поверхностью пола. Генератор частоты, подавая ток по кабелю, создает магнитное поле, улавливаемое двумя датчиками приемного устройства тележки, направляющими ее по требуемому маршруту. Даже такие 58 простые системы АУТ позволяет включать маршруты с несколькими ветвями и петлями посредством использования различных частот для каждого пути. В более сложном варианте тележка оборудуется автономной управляющей ЭВМ и средствами очувствления.

    Транспортные роботы различаются скоростью и высотой перемещения захвата, способом выполнения операции перемещения, типов устройства управления, составом дополнительных устройств, механизмов, путевых устройств, а также массой и типов приводов перемещения роботов и их захватов.

    Различие в технических характеристиках транспортных роботов обусловливает различие в их экономических показателях и, следовательно, в экономической эффективности их применения.

    2.1 Описание LPT порта

    IEEE 1284 (порт принтера, параллельный порт, англ. Line Print Terminal. LPT ) — международный стандарт параллельного интерфейса для подключения периферийных устройств персонального компьютера.

    В основном используется для подключения к компьютеру принтера. сканера и других внешних устройств (часто использовался для подключения внешних устройств хранения данных), однако может применяться и для других целей (организация связи между двумя компьютерами, подключение каких-либо механизмов телесигнализации и телеуправления ).В основе данного стандарта лежит интерфейс Centronics и его расширенные версии (ECP, EPP).

    Название « LPT » образовано от наименования стандартного устройства принтера « LPT 1» ( Line Printer Terminal или Line PrinTer) в операционных системах семейства MS-DOS. Внешний вид устройства представлен на рис.8.

    Шаговые двигатели принцип работы

    Рис.8 Внешний вид LPT -порта.

    25-контактный разъём DB-25, используемый как LPT-порт на персональных компьютерах (IEEE 1284-A)

    Порт на стороне управляющего устройства (компьютера) имеет 25-контактный 2-рядный разъём DB-25-female («мама») ( IEEE 1284- A ).

    Не путать с аналогичным male-разъёмом («папа»), который устанавливался на старых компьютерах и представляет собой 25-пиновый COM-порт. На периферийных устройствах обычно используется 36-контактный микроразъем HYPERLINK " http :// ru. wikipedia. org / wiki /% D 0%9 C % D 0% B 8% D 0% BA % D 1%80% D 0% BE % D 1%80% D 0% B 0% D 0% B 7% D 1%8 A % D 0% B 5% D 0% BC _% D 0% BB % D 0% B 5% D 0% BD % D 1%82% D 0% BE % D 1%87% D 0% BD % D 0% BE % D 0% B 3% D 0% BE _% D 1%82% D 0% B 8% D 0% BF % D 0% B 0" ленточного типа Centronics (IEEE 1284-B), поэтому кабели для подключения периферийных устройств к компьютеру по параллельному порту обычно выполняются с 25-контактным разъёмом DB-25-male на одной стороне и 36-контактным IEEE 1284-B на другой (AB-кабель). Существуют также CC-кабели с разъёмами MiniCentronics на обоих концах, предназначенные для подключения приборов в стандарте IEEE 1284-II, который применяется редко.

    Длина соединительного кабеля не должна превышать 3 метров. Конструкция кабеля: витые пары в общем экране, либо витые пары в индивидуальных экранах. Изредка используются ленточные кабели.

    Шаговые двигатели принцип работы Для подключения сканера, и некоторых других устройств используется кабель, у которого вместо разъема (IEEE 1284-B) установлен разъем DB-25-male. Обычно сканер оснащается вторым интерфейсом с разъемом DB-25-female (IEEE 1284-A) для подключения принтера (поскольку обычно компьютер оснащается только одним интерфейсом IEEE 1284). Схемотехника сканера построена таким образом, чтобы при работе с принтером сканер прозрачно передавал данные с одного интерфейса на другой. Базовый интерфейс Centronics является однонаправленным параллельным интерфейсом. содержит характерные для такого интерфейса сигнальные линии (8 для передачи данных, строб. линии состояния устройства).

    Рис.9 Интерфейс LPT -порта.

    На рисунке 10 показано возможное подключение шагового двигателя к LPT -порту.

    Рис.10 Схема контроллера шагового двигателя

    Это довольно простая схема контроллера шагового двигателя, которая позволит точно управлять однополярным шаговым двигателем через параллельный порт компьютера.

    3.Язык программированияDelphi.

    3.1 Delphi .Его возможности и применение

    Delphi — императивный. структурированный. объектно-ориентированный язык программирования. диалект Object Pascal. Начиная со среды разработки Delphi 7.0 http://ru. wikipedia. org/wiki/Delphi_(%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F) - cite_note-2. в официальных документах Borland стала использовать название Delphi для обозначения языка Object Pascal. Начиная с 2007 года уже язык Delphi (производныйот Object Pascal ) начал жить своей самостоятельной жизнью и претерпевал различные изменения связанные с современными тенденциями (например, с развитием платформы. NET ) развития языков программирования: появились class helpers. перегрузки операторов и другое.

    Выражения в Object Pascal(Delphi) бывают арифметическими, логическими и строковыми.

    Основные логические выражения:
    Логические выражения в основном употребляются в условных операторах. К логическим выражениям относятся такие операции как:
    not — «НЕ», отрицание логического выражения (NOT <логическое_выражение>)
    and — «И», умножение (пересечение) логических выражений (<логическое_выражение1> AND <логическое_выражение2>)
    or — «ИЛИ», объединение логических выражений (<логическое_выражение1> OR <логическое_выражение2>)
    xor — «Исключающее ИЛИ», отрицание ИЛИ, все что не попадает под ИЛИ (<логическое_выражение1> XOR <логическое_выражение2>)

    Обрабатываемые в программе данные подразделяются на переменные, константы и литералы. Константы представляют собой данные, значения которых установлены в разделе объявления констант и не изменяются в процессе выполнения программы.

    Объекты как экземпляры класса объявляются в программе в разделе var как обычные переменные. Например:

    Как и в случае записей, для обращения к конкретному элементу объекта (полю, свойству или методу) указывается имя объекта и имя элемента, разделенные точкой, то есть имя элемента является составным.

    4.Программа управления шаговым двигателем

    Данная программа должна состоять из 3 подпрограмм.

    Траектория движения транспортного робота состоит из элементарных участков движения вперед – назад и поворот на заданный угол. Был поставлена задача разработать эти подпрограммы для каждого отдельного элемента этой траектории.

    Один оборот равен 200 шагов.

    - Зависимость длинны шага от радиуса колеса,

    Где R - радиус колеса, равный 44 мм.

    Из геометрических соображений угол поворота вычисляется по формуле

    где K - длинна оси от одного колеса до другого, равная 150 мм,

    x – путь пройдённый колесом за один шаг.

    Из теоретической механики можно вывести формулу скорости

    а угловую скорость можно расписать как

    и тогда, подставляя вторую формулу в первую, получим

    По техническим причинам программа представлена в исполнительном виде с помощью светодиодной платы. Зажигающиеся светодиоды имитируют активизацию определенной фазы шагового двигателя.

    Интерфейс программы выглядит таким образом

    Шаговые двигатели принцип работы

    Рис. 11 Интерфейс программы

    При нажатии на одну из кнопок импульсы, подаваемые персональным компьютером, преобразовываясь в сигналы, позволяют транспортному роботу совершать движения в зависимости от направления стрелок.

    Так же мы можем задавать количество шагов, и период вращения шаговых двигателей.

    После того, как двигатели совершат требуемое количество шагов, программа закончит свою работу.

    Программа вычисляет пройденное расстояние в зависимости от радиуса колеса и количества шагов.

    Ниже приведена одна из нескольких процедур программы.

    procedure TForm1.Timer1Timer(Sender: TObject);

    В ходе выполнения выпускной работы было проделано:

    1)Ознакомилась с методами управления шаговыми двигателями.

    2)Был проведен анализ траектории, который позволил выявить элементарные участки

    3)Разработана компьютерная программа, в которой каждый участок траектории обрабатывается соответствующей программой.

    Были выделены элементарные участки траектории, которые оформленны в виде соответствующих подпрограмм.

    Задание траектории сводиться к заданному набору соответствующих участков траектории. Была написана программа на языке Delphi.

    1. Программируемые роботы. «Создаем робота андроида своими руками»/ Дж. Вильямс; пер. с англ. -М. НТ Пресс, 2006.-240 с.

    2. CodeVisionAVR. пособие для начинающих. – М.:Додэка– XXI ,2008.–592 с. ил.

    3. Юревич робототехники – 2-ое изд. перераб. и доп. – Спб. БХВ–Петербург. –2005. –416с. ил

    4. Википедия: Свободная энциклопедия [Электронный ресурс]:Шаговые Электродвигатели. URL. http://ru. wikipedia. org/wiki (дата обращения: 25.05.2011).

    5. Электропривод. URL. http://*****/ (дата обращения: 26.05.2011).

    6. Автоматизированные технологические комплексы «Оборудование - робот». Методические рекомендации. М. НИИМАШ, 1981. – 104с.

    7. Промышленные роботы агрегатного типа /. и др. М. НИИМАШ, 1978. – 50с.

    В данном приложении приведена программа управления макетом транспортного робота.

    Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs, LPTIO,

    ExtCtrls, StdCtrls, Buttons;

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *