Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2015
Владимир Рентюк, Запорожье, Украина
В статье описываются основные типы шаговых двигателей и особенности их применения в конкретных приложениях. Приведены практические схемы управления.
Часть 1. Общие вопросы использования
В одной из предыдущих статей на тему управления двигателями постоянного тока [1] был кратко упомянут один из типов двигателей постоянного тока, а именно – шаговый двигатель, описание которого вышло за рамки статьи, и было ограничено одной лишь ссылкой. Учитывая обращения читателей с просьбой раскрыть эту тему на страницах журнала РадиоЛоцман, автор и редакция выполняют эту просьбу.
Итак, что такое шаговые двигатели (англ. «stepper motor» или «stepping motor»)? Шаговый двигатель – это бесколлекторный двигатель постоянного тока, наиболее общие разновидности которого представлены на Рисунке 1. В некоторой технической литературе его ошибочно относят к многофазным (чаще двухфазным) двигателям. Это не совсем верно. Действительно, и это будет рассмотрено ниже, есть такой режим управления, который с некоторой натяжкой можно отнести к фазовому, но это совершенно не означает «фазовость» такого двигателя в общем понимании этого термина, применимом к двигателям переменного тока.
|
|||||||
| Рисунок 1. | Типичные шаговые двигатели: а) биполярный гибридный; б) униполярный на постоянных магнитах; в) с линейным перемещением ротора. |
||||||
Какова же основная отличительная особенность шагового двигателя? Дело в том, что его конструкция разработана таким образом, что сдвиг ротора происходит скачкообразно, то есть пошагово, в ответ на импульс тока в его обмотках, создаваемый приложенным к ним напряжением. Начальный шаг задается конструктивно, и может быть уменьшен схемными ухищрениями, но не может быть увеличен. При этом в общем случае, естественно в зоне номинальных рабочих значений, важен сам факт наличия импульса, а не его длительность или амплитуда тока. В чем-то он напоминает шаговые реле, но если в реле «пошаговость» задается электромагнитом и храповиком, то в двигателях такого механизма нет. Все основано на взаимодействии магнитных полей ротора, который выполнен в виде постоянного магнита с N-полюсами, и статора, который содержит обмотки (в одном из типов двигателя они дополнены постоянными магнитами), формирующие переменный магнитный поток в соответствии с управляющими импульсами.
Что делает шаговые двигатели такими привлекательными для разработчиков, и что недостижимо с двигателями других типов? Шаговый двигатель имеет значительно бóльшую надежность и, что совсем немаловажно для целого ряда практических применений, он, в отличие от коллекторного двигателя, практически не увеличивает уровень паразитных электромагнитных и радиопомех. Причина кроется как раз в отсутствии подвижного контакта токосъемника. Однако отсутствие коллектора, переключающего для формирования момента вращения направление тока в обмотках, требует внешнего управления – коммутатора. Тут, повторю французскую пословицу – «За каждое удовольствие нужно платить».
Еще одна тонкость – шаговые двигатели, в отличие от всех остальных типов двигателей, могут давать не только привычное вращательное движение ротора, но и шаговое линейное – возвратно-поступательное, используемое, например, в приводах дисководов и принтеров, а также в актуаторах – управляемых точных клапанах (Рисунок 1в). Но главное преимущество шаговых двигателей – это точность позиционирования ротора и возможность его длительного удержания в заданном положении без перегрузки двигателя. Момент удержания у шаговых двигателей превышает момент вращения, поэтому удерживать ротор можно током меньшего уровня. Практическая реализация этой возможности будет продемонстрирована на конкретных примерах. Поскольку момент вращения таких двигателей максимален на малых скоростях (к этому мы еще вернемся), то в целом ряде применений можно отказаться от дорогостоящих редукторов. Перечисленное выше и есть самая характерная особенность и отличие шаговых двигателей от коллекторных двигателей постоянного тока. Это делает шаговые двигатели незаменимыми в системах точных приводов, когда требуется выполнять условия по позиционированию, а это – робототехника, станки, автоматы и пр. Справедливости ради отметим и основные недостатки. Их три: высокая цена, относительная сложность управления по сравнению с коллекторными двигателями и низкая скорость вращения.
В настоящее время имеются три основных типа шаговых двигателей.
- Двигатели с переменным магнитным сопротивлением
Вращающий момент создается магнитными потоками статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор такого двигателя изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Полюса имеют как статор, так и ротор. Этот тип двигателя нечувствителен к направлению тока в обмотках. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая пропорциональна току в обмотке и количеству витков. Таким образом, момент, развиваемый двигателем, зависит только от параметров обмоток. Такие двигатели используются для работы на относительно высоких скоростях.
- Двигатели с постоянными магнитами
Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением. Этот тип двигателей подвержен влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, что ограничивает их максимальную скорость. Кроме того, из-за конструктивных особенностей двигатели этого типа имеют большой шаг, обычно 18° или 7.5°, поэтому в ряде применений используется редуктор, часто уже интегрированный с двигателем [6].
- Гибридные двигатели
Являются наиболее дорогими, зато обеспечивают значительно меньшую начальную величину шага, бóльший момент и бóльшую скорость, чем двигатели с постоянными магнитами. Эти двигатели сочетают в себе лучшие черты первых двух разновидностей. Ротор такого двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Конструкция и внутреннее устройство типового гибридного шагового двигателя показаны на Рисунке 2. Типичное число зубцов гибридного двигателя от 100 до 400 (угол шага 3.6°– 0.9°). Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большее количество эквивалентных полюсов на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3.6° и 8 основных полюсов для 1.8° или 0.9°. Большинство двигателей этого типа имеет 100 полюсов (50 пар), и с учетом двухфазного исполнения полное количество полюсов равно 200, а угол шага равен 1.8° (360/200).
 |
|
| Рисунок 2. | Типовая конструкция гибридного шагового двигателя. |
Кроме различий в общей конструкции, шаговые двигатели отличаются еще и схемой включения обмоток. Имеются три варианта их конфигураций (Рисунок 3), в зависимости от которой двигатели делятся на униполярные (англ. «unipolar») и биполярные (англ. «bipolar»).
Униполярный двигатель (Рисунок 3а), имеет включенной одну обмотку в каждой фазе, с отводом от середины каждой обмотки. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, переключением ее половинок. Как правило, униполярный двигатель имеет 6 выводов, но средние выводы обмоток могут быть объединены внутри самого двигателя, поэтому такой двигатель может иметь и 5 выводов. Таким образом, если вам в руки попался неизвестный двигатель с шесть или пятью выводами – это гарантировано униполярный шаговый двигатель.
Биполярный двигатель (Рисунок 3б), имеет две обмотки, которые включаются поочередно в каждой фазе. Некоторые двигатели имеют четыре расщепленные обмотки (Рисунок 3в); по этой причине их ошибочно называют 4-фазными двигателями.
|
|||||||
| Рисунок 3. | Схемы включения обмоток статора шаговых двигателей. | ||||||
Что важно знать и учитывать в части особенностей включения обмоток статора? Нетрудно заметить, что униполярный шаговый двигатель можно использовать в биполярном включении; двигатель с расщепленными обмотками, при соответствующем соединении обмоток, можно использовать и как униполярный, и как биполярный. Кроме того, двигатель с таким вариантом исполнения обмоток может использоваться с параллельным и последовательным включением обмоток. Это позволяет увеличить момент, развиваемый двигателем при низком напряжении питания (параллельное включение обмоток), или уменьшить ток потребления с увеличением питающего обмотки напряжения (последовательное включение обмоток). Фазировка обмоток важна – она определяет направление вращения двигателя, и вообще его работоспособность. Обращаю внимание читателей, что пока никакой стандартизации цветов выводов шаговых двигателей нет, так что фазировку иногда приходится устанавливать экспериментально. Но, если вы ее и перепутаете, то ничего критического ни с двигателем, ни с системой управления не произойдет.
Нетрудно увидеть, что в двигателе с биполярным включением обмоток одновременно работают все обмотки, и момент, развиваемый двигателем, будет выше. Выигрыш в моменте вращения составляет примерно 40%.
Имеется несколько вариантов управления шаговым двигателем (Рисунок 4). Обращаю внимание читателей, что на рисунках приведена не форма напряжения, что вы обычно встретите в литературе и на интернет сайтах, а форма тока. Это важно! В управлении шаговым двигателем важен именно ток, а не приложенное к обмоткам напряжение, которое имеет прямоугольную форму.
|
|||||||||
| Рисунок 4. | Режимы управления шаговым двигателем. (Показаны временные диаграммы изменения тока в обмотках биполярного шагового двигателя) [2]. |
||||||||
Рассмотрим пока общие особенности. Итак, на Рисунке 4 показана форма тока в обмотках двигателя относительно нуля для четырех основных вариантов управления. Наиболее простой вариант – это попеременная коммутация фаз, при которой они не перекрываются, и в каждый момент времени включена только одна фаза (Рисунок 4а). Этот режим называют волновым (англ. «wave drive mode») или полношаговым режимом управления с одной фазой («one phase on full step mode»). Точки равновесия ротора для каждого шага совпадают с «естественными» точками равновесия у обесточенного двигателя. Недостатком этого способа управления является то, что для биполярного двигателя в один и тот же момент времени используется только 50% обмоток, а для униполярного – 25%. Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный возможный момент вращения.
Чаще всего используется управление с перекрытием фаз, когда в одно и то же время включены обе обмотки (Рисунок 4б). В общем случае именно его и называют полношаговым режимом управления (англ. «full step mode» или «two-phase-on»). При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора, обеспечивая примерно на 40% больший момент, чем в предыдущем варианте с одной включенной фазой. Этот способ управления обеспечивает такой же угол шага, как и волновой, но положение точек равновесия ротора смещено на полшага, что часто не является критическим. Иногда это необходимо учитывать для двигателей с большим шагом, так как обесточенный двигатель, например с шагом 18° после остановки сместится на 9°. Чтобы ротор такого двигателя не смещался при выключении, на двигатель в режиме остановки подают некоторый ток удержания, который сохранит заданное положение ротора. Именно это свойство шагового двигателя позволяет обходиться без специальных электромагнитных или механических тормозных муфт и удерживающих систем.
Третий основной способ управления является комбинацией двух описанных ранее и называется полушаговым режимом («half step mode» или «one and two-phase-on»). В этом режиме двигатель за один импульс управления делает шаг, равный половине основного (Рисунок 4в). Этот режим требует более сложной схемы управления, но позволяет осуществлять более точное позиционирование ротора и уменьшает негативное влияние его механического резонанса. Иными словами, используя двигатель с угловым шагом 1.8°, мы получаем шаг, равный 0.9°.
Еще меньшую градацию, вернее, дробление шага, дают микрошаговые системы управления («micro stepping mode»), основанные на постепенном изменении тока в обмотках (Рисунок 4г). Такие системы достаточно сложны. Они требуют применения не только специальных ИМС драйверов с ЦАП, но и микропроцессорного управления. Именно этот режим часто приводит к путанице, в результате которой шаговые двигатели причисляют к многофазным двигателям переменного тока.
Увидеть «вживую» все тонкости процесса управления можно на сайте компании Nanotec Electronic [4]. Анимация, приведенная на сайте, позволяет увидеть «реальную» работу виртуального биполярного двигателя для полношагового (Fullstep) и микрошагового (Microstep) режимов управления. Интерфейс сайта достаточно прост. Скриншот примера анимации приведен на Рисунке 5.
 |
|
| Рисунок 5. | Анимация, иллюстрирующая работу биполярного двигателя. (С сайта компании Nanotec Electronic). |
На Рисунке 4 недаром приведена форма тока в обмотках, а не управляющего напряжения. Как известно, ток в индуктивности (а обмотка двигателя является индуктивностью) не может изменяться скачком, а растет по экспоненте до значения IMAX = VDC/R:
Требуемое для этого время определяется постоянной времени цепи τ = L/R. Здесь L – индуктивность обмотки двигателя, а R – общее сопротивление в цепи обмотки. Что из этого следует? Следует то, что при некоторой длительности импульса ток в обмотке не достигнет своего номинального значения, и момент на двигателе будет снижен, а при каких-то значениях длительности его ротор вообще не сдвинется с места. Вот этот эффект и ограничивает скорость вращения шагового двигателя. Проблема решается тремя способами. Первый заключается в том, что на некоторое начальное время напряжение на обмотке увеличивается, а потом уменьшается до номинального значения VDC= IMAXRL, где IMAX – максимальный номинальный ток обмотки, а RL – активное сопротивление обмотки. Это сложно, так как требует специальных схем управления с дополнительными ключами и источниками питания.
Классическим и самым простым методом оказывается включение последовательно с обмоткой двигателя дополнительного сопротивления с одновременным кратным увеличением напряжения питания VDC. Это и ускорит накопление тока в индуктивности, и не приведет к выходу двигателя из строя, так как требование по максимальному току обмотках не будет нарушено. В классической теории обычно используется режим L/5R, но на практике могут встречаться и иные варианты. Недостатком этого способа форсирования тока является необходимость использования мощных резисторов и энергетические потери, поэтому его применяют преимущественно для маломощных двигателей. Чтобы облегчить читателю освоение этого метода, рассмотрим один пример.
В спецификации двигателя P542-M48 [6] указан момент для режима L/4R, его сопротивление обмотки RL = 52.4 Ом, номинальное напряжение VDC = 12 В. Обращаю внимание читателей, что при указании L/4R имеется в виду общее сопротивление, то есть сумма собственного сопротивления обмотки RL и добавочного резистора номиналом 3RL, равного в нашем случае 157.2 Ом. Таким образом, при повышении напряжения питания до 4VDC на добавочных резисторах при малых скоростях вращения и, особенно, при остановке двигателя будет рассеиваться мощность:
Фактически, с учетом допустимого коэффициента нагрузки для резисторов, нам придется использовать добавочный резистор сопротивлением 160 Ом с рассеиваемой мощностью не менее 10 Вт.
Выходом из положения может быть использование импульсных стабилизаторов с ограничением максимального тока. Применение этого метода для коллекторных двигателей было рассмотрено в [1]. Повторим его суть. На двигатель от импульсного преобразователя подается повышенное в несколько раз напряжение, которое формирует ускоренный процесс заряда индуктивности обмоток. После достижения заданной величины тока преобразователь переходит из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации тока и удерживает ток обмотки на заданном уровне. Именно этот режим питания обмоток показан на Рисунке 4 (видна нарезка). Это решение нельзя назвать дешевым, но его КПД несравненно выше, и в ряде случаев это единственный возможный для реализации вариант. Дело упрощает то, что обычно этот режим уже встроен в управляющую ИМС драйвера [2]. Сравнение методов управления током в обмотках двигателя показано на Рисунке 6.
 |
|
| Рисунок 6. | Форма тока в обмотках шагового двигателя при различных вариантах питания [3]. |
Еще одним препятствием на пути использования шаговых двигателей является явление механического резонанса, поскольку ротор не сразу устанавливается в новую позицию, а, являясь своеобразным маятником, совершает затухающие колебания. При каждом шаге происходит толчок ротора, который, как и любая свободно подвешенная механическая система, начинает колебаться, и двигатель на некоторых частотах вращения теряет свой момент. Для подавления колебаний ротора используются либо механические методы (различного рода демпфирующие, притормаживающие фрикционные или бесфрикционные системы), либо используется микрошаговый режим управления. Системы управления с дроблением шага благодаря постепенному смещению ротора (основной шаг дробится на некоторую заданною системой управления величину, обычно 1/8, 1/16 или 1/32) уменьшают механические колебания ротора, сводя их практически к нулю.
Кроме описанных выше проблем, связанных с индуктивным характером шагового двигателя, как нагрузки для источника питания, ограничение по начальной стартовой скорости связано и с конструктивными особенностями, а именно с массой ротора, то есть его инерцией, о чем также упоминалось при рассмотрении способов коммутации обмоток. Иными словами, двигатель иногда необходимо разгонять до необходимой скорости. В некоторых спецификациях для шаговых двигателей приводятся две важные для разработчика кривые, показывающие зависимости момента, развиваемого на валу двигателя, от скорости вращения (Рисунок 7).
 |
|
| Рисунок 7. | Зависимость момента от скорости вращения ротора двигателя серии DSH56 [5]. |
Внутренняя кривая (кривая старта, или «pull-in torque») показывает, при каком максимальном для данной скорости внешнем тормозящем моменте шаговый двигатель способен тронуться без предварительного ускорения, то есть без разгона. Эта кривая пересекает ось скоростей в точке, называемой максимальной частотой старта. На более низких скоростях шаговый двигатель еще может синхронизировать себя с частотой шага, преодолев действие внешних сил и инерцию ротора. Необходимо заметить (а это часто умалчивается изготовителями), что этот параметр задается для определенного режима работы и включения обмоток двигателя (в данном случае он задан для полушагового режима в униполярном включении обмоток двигателя), а нагрузка двигателя при замере этого параметра является фрикционной, а не инерционной. То есть, ротор двигателя искусственно заторможен, что уменьшает его нежелательные колебания под воздействием импульса тока в обмотке, и, следовательно, скорость вращения двигателя будет выше. Режим управления для этого параметра так же важен, поскольку в полушаговом режиме резонансные явления уже уменьшены. Внешняя кривая (кривая разгона, или «pull-out torque») показывает, при каком максимальном моменте для данной скорости шаговый двигатель вообще способен поддерживать вращение без пропуска шагов, но уже с учетом того, что произведен плавный разгон двигателя. Кривая показывает максимальную скорость для данного двигателя без нагрузки. Этот параметр зависит от тока в обмотках двигателя и способа управления обмотками. Обычно рекомендуют использовать «запас прочности» по этим параметрам от 50% до 100% по сравнению с необходимым вращающим моментом. Это необходимо учитывать для гарантии получения заданных характеристик.
Таким образом, повторюсь (поскольку это важно), может потребоваться разгон двигателя на малых скоростях до необходимой рабочей скорости, а процесс остановки включает уменьшение скорости вращения двигателя до ее некоторого минимального значения с переводом в режим удержания. В противном случае гарантировать точность позиционирования ротора может быть невозможно. Более того, вследствие инерционности системы может произойти даже разрушение редуктора, если он используется. Ну и нельзя забывать о подтормаживании, которое в любом случае оказывается не просто полезным, а часто и необходимым для точного позиционирования в системах со сложными приводами, использующими редукторы или передачи, но это уже относится не непосредственно к шаговому двигателю, а к системе привода в целом.
Литература:
- Рентюк В. «Управление двигателями постоянного тока»
- LMD18245 3A, 55V DMOS Full-Bridge Motor Driver, Texas Instruments Inc., April 2013
- Емельянов А. В., Шилин А. Н. Шаговые двигатели: учебное пособие. Волг. ГТУ, Волгоград, 2005
- en.nanotec.com
- DHS 56 series TECO Electro Devices Co. Ltd.
- Geared stepper motor P542-M48 series, Mclennan Servo Supplies Ltd.
