Електропривод з кроковим двигуном
Система управління з кроковими двигунами
Контролер крокового двигуна
Кроків двигуни вже давно і успішно застосовуються в найрізноманітніших пристроях. Їх можна зустріти в дисководах, принтерах, плоттерах, сканерах, факси, а також в різноманітному промисловому і спеціальному обладнанні. В даний час випускається безліч різних типів крокових двигунів на всі випадки життя. Однак правильно вибрати тип двигуна - це ще півсправи. Не менш важливо правильно вибрати схему драйвера і алгоритм його роботи, який часто визначається програмою мікроконтролера. Мета цієї статті - систематизувати знання про будову крокових двигунів, способах управління ними, схемах драйверів і алгоритмах. Як приклад наведена практична реалізація простого і дешевого драйвера крокової двигуна на основі мікроконтролера сімейства AVR
Що таке кроковий двигун, і навіщо він потрібен?
Кроковий двигун - це електромеханічний пристрій, що перетворює електричні імпульси в дискретні механічні переміщення. Так, мабуть, можна дати суворе визначення. Напевно, кожен бачив, як виглядає кроковий двигун зовні: він практично нічим не відрізняється від двигунів інших типів. Найчастіше це круглий корпус, вал, кілька висновків (рис. 1).
Мал. 1. Зовнішній вигляд крокових двигунів сімейства ДШМ-200.
Однак крокові двигуни мають деякі унікальні властивості, що робить часом їх виключно зручними для застосування або навіть незамінними.
Чим же хороший кроковий двигун?
Кут повороту ротора визначається числом імпульсів, які подані на двигун двигун забезпечує повний момент в режимі зупинки (якщо обмотки запитані) прецизионное позиціонування і повторюваність. Хороші крокові двигуни мають точність 3-5% від величини кроку. Ця помилка не накопичується від кроку до кроку можливість швидкого старту / зупинки / реверсування висока надійність, пов'язана з відсутністю щіток, термін служби крокової двигуна фактично визначається терміном служби підшипників однозначна залежність положення від вхідних імпульсів забезпечує позиціонування без зворотного зв'язку можливість отримання дуже низьких швидкостей обертання для навантаження, приєднаної безпосередньо до валу двигуна без проміжного редуктора може бути перекритий досить великий діапазон швидкостей , Швидкість пропорційна частоті вхідних імпульсів. Але не все так добре.
кроковим двигуном притаманне явище резонансу
можлива втрата контролю положення з огляду на роботи без зворотного зв'язку
споживання енергії не зменшується навіть без навантаження
утруднена робота на високих швидкостях
невисока питома потужність
щодо складна схема управління
Крокові двигуни відносяться до класу безколекторних двигунів постійного струму. Як і будь-які безколекторні двигуни, вони мають високу надійність і великий термін служби, що дозволяє використовувати їх в критичних, наприклад, індустріальних застосуваннях. У порівнянні зі звичайними двигунами постійного струму, крокові двигуни вимагають значно складніших схем управління, які повинні виконувати всі комутації обмоток при роботі двигуна. Крім того, сам кроковий двигун - дорогий пристрій, тому там, де точне позиціонування не потрібно, звичайні колекторні двигуни мають помітну перевагу. Справедливості заради слід зазначити, що останнім часом для управління колекторними двигунами все частіше застосовують контролери, які за складністю практично не поступаються контролерам крокових двигунів.
Одним з головних переваг крокових двигунів є можливість здійснювати точне позиціонування і регулювання швидкості без датчика зворотного зв'язку. Це дуже важливо, тому що такі датчики можуть коштувати набагато більше самого двигуна. Однак це підходить тільки для систем, які працюють при малому прискоренні і з відносно постійним навантаженням. У той же час системи зі зворотним зв'язком здатні працювати з великими прискореннями і навіть при змінному характері навантаження. Якщо навантаження крокової двигуна перевищить його момент, то інформація про стан ротора втрачається і система вимагає базування за допомогою, наприклад, кінцевого вимикача або іншого датчика. Системи зі зворотним зв'язком не мають такої вади.
При проектуванні конкретних систем доводиться робити вибір між сервомотором і кроковим двигуном. Коли потрібно прецизионное позиціонування і точне управління швидкістю, а необхідний момент і швидкість не виходять за допустимі межі, то кроковий двигун є найбільш економічним рішенням. Як і для звичайних двигунів, для підвищення моменту може бути використаний понижуючий редуктор. Однак для крокових двигунів редуктор не завжди підходить. На відміну від колекторних двигунів, у яких момент зростає зі збільшенням швидкості, кроковий двигун має більший момент на низьких швидкостях. До того ж, крокові двигуни мають набагато меншу максимальну швидкість в порівнянні з колекторними двигунами, що обмежує максимальне передавальне число і, відповідно, збільшення моменту за допомогою редуктора. Готові крокові двигуни з редукторами хоча й існують, проте є екзотикою. Ще одним фактом, що обмежує застосування редуктора, є властивий йому люфт. Можливість отримання низької частоти обертання часто є причиною того, що розробники, будучи не в змозі спроектувати редуктор, застосовують крокові двигуни невиправдано часто. У той же час колекторний двигун має більш високу питому потужність, низьку вартість, просту схему управління, і разом з одноступінчастим черв'ячним редуктором він здатний забезпечити той же діапазон швидкостей, що і кроковий двигун. До того ж, при цьому забезпечується значно більший момент. Приводи на основі колекторних двигунів дуже часто застосовуються в техніці військового призначення, а це побічно свідчить про хороших параметрах і високої надійності таких приводів. Та й в сучасній побутовій техніці, автомобілях, промисловому обладнанні колекторні двигуни поширені досить сильно. Проте, для крокових двигунів є своя, хоча і досить вузька, сфера застосування, де вони незамінні.
Види крокових двигунів
Існують три основні типи крокових двигунів:
двигуни зі змінним магнітним опором
двигуни з постійними магнітами
Визначити тип двигуна можна навіть на дотик: при обертанні вала знеструмленому двигуна з постійними магнітами (або гібридного) відчувається змінний опір обертанню, двигун обертається ніби клацанням. У той же час вал знеструмленому двигуна зі змінним магнітним опором обертається вільно. Гібридні двигуни є подальшим удосконаленням двигунів з постійними магнітами і за способом управління нічим від них не відрізняються. Визначити тип двигуна можна також по конфігурації обмоток. Двигуни зі змінним магнітним опором зазвичай мають три (рідше чотири) обмотки з одним загальним висновком. Двигуни з постійними магнітами найчастіше мають дві незалежні обмотки. Ці обмотки можуть мати відводи від середини. Іноді двигуни з постійними магнітами мають 4 роздільних обмотки.
У крокової двигуні крутний момент створюється магнітними потоками статора і ротора, які відповідним чином орієнтовані один щодо одного. Статор виготовлений з матеріалу з високою магнітною проникністю і має кілька полюсів. Полюс можна визначити як деяку область намагніченого тіла, де магнітне поле сконцентровано. Полюса мають як статор, так і ротор. Для зменшення втрат на вихрові струми магнітопроводи зібрані з окремих пластин, подібно сердечника трансформатора. Момент, що обертає пропорційний величині магнітного поля, яка пропорційна струму в обмотці і кількості витків. Таким чином, момент залежить від параметрів обмоток. Якщо хоча б одна обмотка крокового двигуна запитана, ротор приймає певне положення. Він буде знаходиться в цьому положенні до тих пір, поки зовнішній прикладений момент не перевищить деякого значення, званого моментом утримання. Після цього ротор повернеться і буде намагатися прийняти одне з таких положень рівноваги.
Двигуни зі змінним магнітним опором
Крокові двигуни зі змінним магнітним опором мають кілька полюсів на статорі і ротор зубчастої форми з магнітомягкого матеріалу (рис. 2). Намагніченість ротора відсутня. Для простоти на малюнку ротор має 4 зубці, а статор має 6 полюсів. Двигун має 3 незалежні обмотки, кожна з яких намотана на двох протилежних полюсах статора. Такий двигун имет крок 30 град.
Мал. 2. Двигун зі змінним магнітним опором.
При включенні струму в одній з котушок, ротор прагне зайняти положення, коли магнітний потік замкнутий, тобто зубці ротора будуть знаходитися навпроти тих полюсів, на яких знаходиться живиться обмотка. Якщо потім вимкнути цю обмотку і включити наступну, то ротор поміняє положення, знову замкнувши своїми зубцями магнітний потік. Таким чином, щоб здійснити безперервне обертання, потрібно включати фази поперемінно. Двигун не чутливий до напрямку струму в обмотках. Реальний двигун може мати більшу кількість полюсів статора і більшу кількість зубців ротора, що відповідає більшій кількості кроків на оборот. Іноді поверхню кожного полюса статора виконують зубчастої, що разом з відповідними зубцями ротора забезпечує дуже маленьке значення кута кроку, порядку декількох градусів. Двигуни зі змінним магнітним опором досить рідко використовують у індустріальних застосуваннях.
Двигуни з постійними магнітами
Двигуни з постійними магнітами складаються зі статора, який має обмотки, і ротора, що містить постійні магніти (рис. 3). Чергуються полюса ротора мають прямолінійну форму і розташовані паралельно осі двигуна. Завдяки намагніченості ротора в таких двигунах забезпечується більший магнітний потік і, як наслідок, більший момент, ніж у двигунів з перемінним магнітним опором.
Мал. 3. Двигун з постійними магнітами.
Показаний на малюнку двигун має 3 пари полюсів ротора і 2 пари полюсів статора. Двигун має 2 незалежні обмотки, кожна з яких намотана на двох протилежних полюсах статора. Такий двигун, як і розглянутий раніше двигун зі змінним магнітним опором, має величину кроку 30 град. При включенні струму в одній з котушок, ротор прагне зайняти таке положення, коли різнойменні полюси ротора і статора знаходяться один навпроти одного. Для здійснення безперервного обертання потрібно включати фази поперемінно. На практиці двигуни з постійними магнітами зазвичай мають 48 - 24 кроку на оборот (кут кроку 7.5 - 15 град).
Розріз реального крокової двигуна з постійними магнітами показаний на рис. 4.
Мал. 4. Розріз крокової двигуна з постійними магнітами.
Для здешевлення конструкції двигуна муздрамтеатр статора виконаний у вигляді штампованого склянки. Усередині знаходяться полюсні наконечники у вигляді ламелей. Обмотки фаз розміщені на двох різних магнитопроводах, які встановлені один на одному. Ротор являє собою циліндричний багатополюсний постійний магніт.