Шаговый электродвигатель – это синхронный бесщёточный двигатель, работающий по принципу дискретного вращения. В отличие от обычных двигателей постоянного или переменного тока, которые вращаются непрерывно, шаговый двигатель перемещается на заданный угол (шаг) при каждом импульсе управления.
Эта особенность делает его идеальным для систем, требующих точного позиционирования и управления, например, в 3D-принтерах, ЧПУ-станках, робототехнике и системах автоматизации. Его конструкция основана на взаимодействии нескольких обмоток статора и ротора.
Включение тока в определённую комбинацию обмоток статора создаёт вращающееся магнитное поле, которое притягивает к себе соответствующие зубцы ротора. Это приводит к повороту ротора на определённый угол – шаг двигателя. Шаг определяется конструкцией двигателя и может варьироваться от нескольких градусов до десятков градусов на один импульс.
Для обеспечения вращения в нужном направлении и на заданный угол используется специальный контроллер – драйвер шагового двигателя. Драйвер преобразует цифровые сигналы управления в аналоговые сигналы тока, необходимые для возбуждения обмоток двигателя. Он также осуществляет функции микрошагового управления, позволяющие значительно повысить разрешение позиционирования.
Существует несколько типов шаговых двигателей, каждый со своими преимуществами и недостатками:
- Двигатели с переменным магнитным сопротивлением (ПМС): В этих двигателях ротор выполнен из магнитомягкого материала (например, мягкой стали), не имеющего остаточной намагниченности. На статоре расположены зубцы, и при подаче тока в обмотки статора создаётся магнитное поле, которое притягивает к себе зубцы ротора. Ротор стремится занять положение с минимальным магнитным сопротивлением. Эти двигатели просты в конструкции и относительно недороги, но имеют меньший крутящий момент и точность по сравнению с другими типами. Шаг двигателя в таких устройствах определяется количеством зубцов на роторе и полюсов на статоре. Например, ротор с 4 зубцами и статор с 8 полюсами обеспечивают шаг 45 градусов (360°/8).
- Двигатели с постоянными магнитами (ПМ): Ротор этих двигателей содержит постоянные магниты, что обеспечивает более высокий крутящий момент и лучшую точность позиционирования по сравнению с ПМС двигателями. Статор содержит электромагниты, которые взаимодействуют с магнитами ротора, вызывая его вращение. Эти двигатели обладают высокой точностью, но более сложны и дороги в производстве.
- Гибридные шаговые двигатели: Этот тип двигателей сочетает в себе преимущества двух предыдущих. Они имеют ротор с постоянными магнитами и зубцами, что обеспечивает высокую точность позиционирования и значительный крутящий момент. Гибридные двигатели являются наиболее распространённым типом шаговых двигателей благодаря оптимальному соотношению цены, производительности и точности.
Стандартизация шаговых двигателей осуществляется, в основном, по размерам посадочного фланца, согласно стандарту NEMA (National Electrical Manufacturers Association). Самые распространённые типоразмеры – NEMA 17 — 42×42 мм, NEMA 23 — 57×57 мм, NEMA 34 (шаговый двигатель нема34) — 86×86 мм. Цифры в обозначении указывают на размер фланца двигателя в дюймах, умноженном на 10. Более крупный размер двигателя обычно соответствует большему крутящему моменту и мощности.
Однако, крутящий момент также зависит от конструкции двигателя и количества обмоток. Крутящий момент шагового двигателя – это его способность противостоять вращению. Он зависит от многих факторов, включая размер двигателя, тип двигателя, напряжение питания и ток в обмотках. Типичные значения крутящего момента для указанных выше типоразмеров составляют: NEMA 17 – до 6 кг*см, NEMA 23 – до 30 кг*см, NEMA 34 – до 120 кг*см. Однако, реальные значения могут варьироваться в зависимости от производителя и конкретной модели двигателя.
Микрошаговое управление позволяет значительно повысить точность позиционирования шагового двигателя. Вместо того, чтобы управлять двигателем с полным шагом (например, 1.8 градуса), микрошаговое управление позволяет управлять двигателем с дробными шагами (например, 0.9 градуса, 0.45 градуса и т.д.). Это достигается за счёт изменения тока в обмотках двигателя, что позволяет создавать промежуточные положения ротора между полными шагами.
Количество микрошагов на один полный шаг может варьироваться в зависимости от драйвера и его настроек. Микрошаговое управление увеличивает разрешение двигателя, обеспечивая более плавное и точное движение.
Шаговые двигатели – это универсальные устройства, широко используемые в различных областях техники, где требуется точное позиционирование и управление. Выбор конкретного типа и размера двигателя зависит от требований конкретного приложения, таких как необходимый крутящий момент, точность позиционирования, скорость вращения и допустимая цена. Правильный выбор двигателя и драйвера является залогом успешной работы системы.
