Шаговые моторы

Шаговые моторы все в большей степени становятся популярны в качество приводных механизмов в автомобилях и многих других случаях. Это объясняется той легкостью, с которой они могут управляться электрическими системами.

Шаговые моторы делятся на три группы:

• моторы с изменяемым магнитным сопротивлением
• моторы с постоянными магнитами
• моторы гибридного типа

Рис. Принципы действия шаговых электромоторов с изменяемым магнитный потоком, постоянным магнитом и гибридного типа

На рисунке проиллюстрирован принцип действия шаговых электромоторов каждой из перечисленных групп. Кратко описан основной принцип их функционирования. Моторы с изменяемым магнитным сопротивлением используют принцип максимального магнитного потока. Несколько обмоток устанавливается по окружности зубчатого статора. Ротор также имеет зубчатый профиль и изготавливается из магнитопроницаемого материала. Заметим, что в этом примере ротор имеет на два зуба меньше статора. Когда ток поступает на пару обмоток одной фазы, ротор повернется и установит два зубца так, чтобы обеспечить максимальный магнитный поток. Теперь, чтобы привести в движение ротор, остается просто подавать напряжение на обмотки в соответствующей последовательности. Например, если возбуждается фаза 4, мотор сделает один шаг по часовой стрелке. Если возбуждается фаза 2, то шаг будет против часовой стрелки.

Эти моторы не обеспечивают большой крутящий момент и не дают никакого крутящего момента в отсутствии возбуждения. Однако они могут работать на относительно высоких частотах. Углы поворота за один шаг обычно составляют 15″, 7,5″, 1,8″, или 0,45″.

Шаговые моторы с постоянным магнитом имеют значительно больший пусковой момент, а также обладают удерживающим моментом при снятии возбуждения. В данном случае ротор является постоянным магнитом. Для мотора с изменяемым магнитным сопротивлением направление тока в обмотках не имеет значения, однако для мотора с постоянным магнитом направление тока важно. Моторы с постоянным магнитом имеют шаг угла поворота 45″, 18″, 15″ и 7,5″. Вследствие большего крутящего момента и свойства удерживания моторы с постоянным магнитом становятся все более и более популярными.

Рис. Шаговый электромотор со сдвоенным статором смещенными полюсами

Гибридный шаговый мотор, показанный на рисунке, является, как предполагает его название, комбинацией двух предыдущих типов моторов. Эти моторы были разработаны в попытке объединить высокую скорость и хорошую разрешающую способность по углу поворота с лучшими свойствами по крутящему моменту. Пара зубчатых колес располагается на обеих сторонах ротора-магнита. Зубцы на «северном» и «южном» колесах сдвинуты друг относительно друга на половину шага. Это объединяет преимущества двигателя с изменяемым магнитным сопротивлением с высоким крутящим моментом двигателей с постоянным магнитом. Угловой шаг поворота таких моторов очень мал: 1,8″, 0,75″ или 0,36″.

Описанные типы электродвигателей применялись и применяются в различных системах автомобиля. Диапазон этих применений лежит от приборов управления холостым ходом и дроссельной заслонкой карбюратора до привода указателя скорости движения.

Давайте рассмотрим более детально функционирование и конструкцию шагового мотора с постоянным магнитом. Наиболее общая конструкция этого типа мотора включает два двойных статора, смещенных вокруг полюса на один угловой шаг. Ротор обычно изготовлен в форме кольцевого магнита из феррита бария методом спекания. Поскольку обмотки, показанные на рисунке, будут возбуждены и одном направлении раньше, чем в другом, мотор повернется на шаг в 90″. Шаг угла поворота — это просто 360″, деленное на число полюсов статора. Половинные шаги могут быть получены выключением обмоток прежде, чем возбуждение будет реверсировано. Это заставит ротор выстраиваться относительно оставшихся полюсов и совершить поворот на половину шага в 45″.

Рис. Четырехфазный шаговый электромотор и схема его управления

Направление вращении определяется порядком, в котором обмотки включаются, выключаются или реверсируются. На рисунке показан четырехфазный шаговый мотор и схема его управления.

Рис. Графики импульсных последовательностей для двухфазного шагового мотора для движения полушагами (первый) и полными шагами (второй)

Графики импульсных последовательностей для двухфазных шаговых моторов показаны на рисунке. Первый график — для полных шагов, второй график — для выполнения половинчатых шагов.

Основное преимущество шагового мотора заключается в том, что здесь не требуется обратной связи по положению, потому что мотор может быть привязан к известной начальной точке, и тогда определенное число шагов переместит ротор в любое требуемое положение.

Вычисления, необходимые для пошаговых перемещений, приведены ниже:

а = 360/z
z = 360/а
fe = nz/60
n = (nz * 60)/z
w = (fz * 2п)/z
где а — шаг угла поворота, n — число оборотов в минуту, w — угловая скорость, fz — частота шагов, я — число шагов за оборот.