Шаговые двигатели

Опубликовано 21.09.2010 Ведущий Филипп Болгов

При фразе "шаговый двигатель" наше воображение невольно рисует некий шагающий механизм, но на самом деле шаговый двигатель - это бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора вызывает фиксацию ротора, а последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. Современные шаговые двигатели являются по сути синхронными двигателями без пусковой обмотки на роторе, что объясняется не асинхронным, а частотным пуском шагового двигателя. Роторы могут быть возбужденными (активными) и невозбужденными (пассивными).
К различным видам шагового двигателя относятся: двигатели с переменным магнитным сопротивлением, двигатели с постоянными магнитами, гибридные двигатели, а также биполярные и униполярные шаговые двигатели.
Давайте посмотрим, чем они отличаются от остальных двигателей и, где они используются.
Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами начинают работать сразу, как только к якорной обмотке будет приложено постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором - коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре.
Двигатели переменного тока ведут себя несколько иначе, но основным отличием от шаговых является то, что их нельзя точно позиционировать, а можно лишь заставить вращаться в ту или иную сторону и остановить совсем.
Шаговый же двигатель может быть рассмотрен и как ДПТ без коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами, таким образом можно сказать, что шагает в таком двигателе поле, а ротор уволакивается вслед за ним. Поле шагает, потому что электронные ключи по командам извне - то открывают, то запрещают доступ тока в обмотки. Шаговый двигатель снабжается электронным мозгом, и в зависимости от сложности такого мозга - его возможности резко расширяются. Обычно система мотор - контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению.
Принято различать шаговые двигатели и серводвигатели Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом (дискретном) режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора) и плавности вращения синхронного двигателя. Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению, в качестве которого обычно используется резольвер или sin/cos энкодер. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении. В то время как синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.
Главными преимуществами шаговых приводов являются низкая цена, в среднем в 1,5-2 раза дешевле сервоприводов, прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность от 3 до 5% от величины шага и эта ошибка не накапливается от шага к шагу, а однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи. И в связи с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы его подшипников. Шаговый привод как недорогая альтернатива сервоприводу наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика.
Ну и конечно же нельзя не упомянуть о таком типе шаговых двигателей как линейные шаговые двигатели, которые преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение, что позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов. Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала, а подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.