Що таке кроковий двигун, навіщо він потрібен і як працює

Крокові двигуни постійного струму набули широкого поширення в верстатах з числовим програмним управлінням і робототехніці. Основною відмінністю даного електромотора є принцип його роботи. Вал крокового електродвигуна не обертається тривалий час, а лише повертається на певний кут. Цим забезпечується точне позиціонування робочого елемента в просторі. Електроживлення такого двигуна дискретне, тобто здійснюються імпульсами. Ці імпульси і повертають вал на певний кут, кожен такий поворот називається кроком, звідси і пішла назва.

Найчастіше дані електромотори працюють в тандемі з редуктором для підвищення точності установки і моменту на валу, і з енкодером для відстеження положення вала в поточний момент. Ці елементи необхідні для передачі і перетворення кута обертання. У цій статті ми розповімо читачам сайту Сам Електрик про пристрій, принцип роботи і призначення крокових двигунів.

Як влаштований кроковий двигун

За своїм типом це безколекторний синхронний електродвигун. Складається з статора і ротора. На роторі зазвичай розташовані секції, набрані з аркушів електротехнічної сталі (на фотографії це «зубчаста» частина), а ті, в свою чергу, розділені постійними магнітами. На статорі розташовані обмотки, у вигляді окремих котушок.

Принцип дії

Як працює кроковий електродвигун можна розглянути на умовній моделі. У положенні 1 на обмотки А і В подається напруга певної полярності. В результаті в статорі утворюється електромагнітне поле. Так як різні магнітні полюси притягуються, ротор займе своє положення по осі магнітного поля. Більш того, магнітне поле мотора буде перешкоджати спробам зміни положення ротора ззовні. Якщо говорити простими словами, то магнітне поле статора буде працювати на те, щоб утримати ротор від зміни заданого положення (наприклад, при механічних навантаженнях на вал).

Якщо напруга тієї ж полярності подається на обмотки D і C, електромагнітне поле зміститься. Це змусить повернутися ротор з постійним магнітом в положення 2. У цьому випадку кут повороту дорівнює 90 °. Цей кут і буде кроком повороту ротора.

Положення 3 досягається подачею напруги зворотної полярності на обмотки А і В. У цьому випадку електромагнітне поле стане протилежним положенню 1, ротор двигуни зміститься, і загальний кут буде 180 °.

При подачі напруги зворотної полярності на обмотки D і C, ротор повернеться на кут до 270 ° щодо початкової позиції. При підключенні позитивного напруги на обмотки А і В ротор займе початкове положення - закінчить оборот на 360 °. Слід враховувати, що пересування ротора відбувається за найменшим шляху, тобто з положення 1 в положення 4 за годинниковою стрілкою ротор повернеться тільки після проходження проміжних 2 і 3 положення. При підключенні обмоток після 1 положення відразу в 4 положення ротор повернеться проти годинникової стрілки.

Види і типи по полярності або типу обмоток

У крокових двигунах застосовуються біполярні і уніполярні обмотки. Принцип роботи був розглянутий на базі біполярної машини. Така конструкція передбачає використання різних фаз для живлення обмоток. Схема дуже складна і вимагає дорогих і потужних плат управління.

Більш проста схема управління в уніполярних машинах. У такій схемі початок обмоток підключені до загального «плюса». На другі висновки обмоток по черзі подається «мінус». Тим самим забезпечується обертання ротора.

Біполярні крокові двигуни потужніші, крутний момент у них на 40% більше ніж в уніполярних. Уніполярні електромотори набагато зручніші в управлінні.

Типи двигунів по конструкції ротора

За типом виконання ротора крокові електродвигуни поділяються на машини:

  • з постійним магнітом;
  • зі змінним магнітним опором;
    гібридні.

ШД з постійними магнітами на роторі влаштований так само, як і в розглянутих вище прикладах. Єдиною відмінністю є те, що в реальних машинах кількість магнітів набагато більше. Розподілені вони зазвичай на загальному диску. Кількість полюсів в сучасних моторах доходить до 48. Один крок в таких електромоторах становить 7,5 °.

Електромотори зі змінним магнітним опором. Ротор даних машин виготовляється з магнитомягких сплавів, їх також називають «реактивний кроковий двигун». Ротор збирається з окремих пластин і в розрізі виглядає як зубчасте колесо. Така конструкція необхідна для того, щоб через зубці замикався магнітний потік. Основною перевагою такої конструкції є відсутність стопорящего моменту. Справа в тому, що ротор з постійними магнітами притягається до металевих деталей електромотора. І провернути вал при відсутності напруги на статорі досить важко. У крокової двигуні зі змінним магнітним опором такої проблеми немає. Однак істотним мінусом є невеликий крутний момент. Крок подібних машин зазвичай становить від 5 ° до 15 °.

Гібридний ШД був розроблений для об'єднання кращих характеристик двох попередніх типів. Такі двигуни мають маленький крок в межах від 0,9 до 5 °, володіють високим моментом і утримує здатністю. Найважливішим плюсом є висока точність роботи пристрою. Такі електромотори застосовуються в найсучаснішому високоточному обладнанні. До мінусів можна віднести тільки їх високу вартість. Конструктивно ротор даного пристрою є намагнічений циліндр, на якому розташовані магнитомягкие зубці.

Для прикладу в ШД на 200 кроків використовуються два зубчастих диска з числом зубців 50 штук на кожному. Диски зміщені відносно один одного на ползуба так, що западина позитивного полюса збігається з виступом негативного і навпаки. Завдяки цьому у ротора є 100 полюсів зі зворотним полярністю.

Тобто і південний, і північний полюс може зміститися щодо статора в 50 різних положень, а в сумі 100. А зміщення фаз на чверть дає ще 100 позицій, проводиться це за рахунок послідовного збудження.

Управління ШД

Управління проводиться наступними методами:

  • Хвильовий. В даному методі напруга подається тільки на одну котушку, до якої і притягується ротор. Так як задіяна тільки одна обмотка крутний момент ротора невеликий, і не підходить для передачі великих потужностей.
  • Полношаговий. В даному варіанті порушуються відразу дві обмотки, завдяки чому забезпечується максимальний момент.
  • Полушаговий. Об'єднує перші два методи. В даному варіанті напруга подається спочатку на одну з обмоток, а потім на дві. Таким чином реалізується більшу кількість кроків, і максимальна утримує сила, яка зупиняє ротор при великих швидкостях.
  • Мікрошаговий регулювання здійснюється шляхом здачі мікроступенчатих імпульсів. Такий метод забезпечує плавне обертання ротора і знижує ривки при роботі.

Переваги та недоліки крокових електродвигунів

До переваг даного типу електричних машин можна віднести:

  • високі швидкості пуску, зупинки, реверсу;
  • вал повертається відповідно до командою керуючого пристрою на заданий кут;
  • чітка фіксація положення після зупинки;
  • висока точність позиціонування, без жорстких вимог до наявності зворотного зв'язку;
  • висока надійність за рахунок відсутності колектора;
  • підтримання максимального крутного моменту на низьких швидкостях.

Недоліки:

  • можливе порушення позиціонування при механічному навантаженні на вал вище допустимої для конкретної моделі двигуна;
  • ймовірність резонансу;
  • складна схема управління;
  • невисока швидкість обертання, але це не можна віднести до вагомих недоліків, оскільки крокові двигуни не використовуються для простого обертання чого-небудь, як безколекторні, наприклад, а для позиціонування механізмів.

Кроковий двигун також називають «електродвигун з кінцевим числом положень ротора». Це і є найбільш ємне і в той же час коротке визначення таких електромашин. Вони активно застосовуються в ЧПУ-верстатах, 3D-принтерах і роботах. Головним конкурентом крокової двигуна є сервопривід, але у кожного з них є свої переваги і недоліки, які визначають доречність використання одного або іншого в кожному конкретному випадку.

Матеріали по темі:

Додати коментар


Захисний код
Оновити