Журнал РАДІОЛОЦМАН, січень 2015

Володимир Рентюк, Запоріжжя, Україна

У статті описуються основні типи крокових двигунів і особливості їх застосування в конкретних додатках. Наведено практичні схеми управління.

Частина 1. Загальні питання використання

В одній з попередніх статей на тему управління двигунами постійного струму [ 1 ] Був коротко згаданий один з типів двигунів постійного струму, а саме - кроковий двигун, опис якого вийшло за рамки статті, і було обмежено однією лише посиланням. З огляду на звернення читачів з проханням розкрити цю тему на сторінках журналу РадіоЛоцман, автор і редакція виконують це прохання.

Отже, що таке крокові двигуни (англ. «Stepper motor» або «stepping motor»)? Кроковий двигун - це безколекторний двигун постійного струму, найбільш загальні різновиди якого представлені на рисунку 1. В деякій технічній літературі його помилково відносять до багатофазним (частіше двофазним) двигунів. Це не зовсім вірно. Дійсно, і це буде розглянуто нижче, є такий режим управління, який з деякою натяжкою можна віднести до фазового, але це зовсім не означає «фазовість» такого двигуна в загальному розумінні цього терміна, застосовне до двигунів змінного струму.

Малюнок 1.Типові крокові двигуни:
а) біполярний гібридний;
б) уніполярний на постійних магнітах;
в) з лінійним переміщенням ротора.

Яка ж головна відмітна особливість крокової двигуна? Справа в тому, що його конструкція розроблена таким чином, що зрушення ротора відбувається стрибкоподібно, тобто покроково, у відповідь на імпульс струму в його обмотках, створюваний прикладеним до них напругою. Початковий крок задається конструктивно, і може бути зменшений схемними хитрощами, але не може бути збільшений. При цьому в загальному випадку, природно в зоні номінальних робочих значень, важливий сам факт наявності імпульсу, а не його тривалість або амплітуда струму. У чомусь він нагадує крокові реле, але якщо в реле «пошаговость» задається електромагнітом і храповиком, то в двигунах такого механізму немає. Все засноване на взаємодії магнітних полів ротора, який виконаний у вигляді постійного магніту з N-полюсами, і статора, який містить обмотки (в одному з типів двигуна вони доповнені постійними магнітами), що формують змінний магнітний потік відповідно до керуючого імпульсами.

Що робить крокові двигуни такими привабливими для розробників, і що недосяжно з двигунами інших типів? Кроковий двигун має значно більшу надійність і, що зовсім важливо для цілого ряду практичних застосувань, він, на відміну від колекторного двигуна, практично не збільшує рівень паразитних електромагнітних і радіоперешкод. Причина криється саме у відсутності рухомого контакту токос'емника. Однак відсутність колектора, переключающего для формування моменту обертання напрямок струму в обмотках, вимагає зовнішнього управління - комутатора. Тут, повторю французьке прислів'я - «За кожне задоволення треба платити».

Ще одна тонкість - крокові двигуни, на відміну від всіх інших типів двигунів, можуть давати не тільки звичне обертальний рух ротора, а й крокові лінійне - зворотно-поступальний, що використовується, наприклад, в приводах дисководів і принтерів, а також в актуаторами - керованих точних клапанах (Малюнок 1в). Але головна перевага крокових двигунів - це точність позиціонування ротора і можливість його тривалого утримання в заданому положенні без перевантаження двигуна. Момент утримання у крокових двигунів перевищує момент обертання, тому утримувати ротор можна струмом меншого рівня. Практична реалізація цієї можливості буде продемонстрована на конкретних прикладах. Оскільки момент обертання таких двигунів максимальний на малих швидкостях (до цього ми ще повернемося), то в цілому ряді застосувань можна відмовитися від дорогих редукторів. Перераховане вище і є найхарактерніша особливість і відмінність крокових двигунів від колекторних двигунів постійного струму. Це робить крокові двигуни незамінними в системах точних приводів, коли потрібно виконувати умови по позиціонуванню, а це - робототехніка, верстати, автомати та ін. Справедливості заради відзначимо і основні недоліки. Їх три: висока ціна, відносна складність управління в порівнянні з колекторними двигунами і низька швидкість обертання.

В даний час є три основних типи крокових двигунів.

• Двигуни зі змінним магнітним опором
  Момент, що обертає створюється магнітними потоками статора і ротора, які відповідним чином орієнтовані один щодо одного. Статор такого двигуна виготовлений з матеріалу з високою магнітною проникністю і має кілька полюсів. Полюса мають як статор, так і ротор. Цей тип двигуна нечутливий до напрямку струму в обмотках. Момент, що обертає пропорційний величині магнітного поля, яка пропорційна струму в обмотці і кількості витків. Таким чином, момент, що розвивається двигуном, залежить тільки від параметрів обмоток. Такі двигуни використовуються для роботи на відносно високих швидкостях.
  
• Двигуни з постійними магнітами
  Двигуни з постійними магнітами складаються зі статора, який має обмотки, і ротора, що містить постійні магніти. 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. Цей тип двигунів схильний до впливу зворотного ЕРС з боку ротора, що обмежує їх максимальну швидкість. Крім того, через конструктивних особливостей двигуни цього типу мають великий крок, зазвичай 18 ° або 7.5 °, тому в ряді застосувань використовується редуктор, часто вже інтегрований з двигуном [ 6 ].
  
• гібридні двигуни
  Є найбільш дорогими, зате забезпечують значно меншу початкову величину кроку, бóльшій момент і більшу швидкість, ніж двигуни з постійними магнітами. Ці двигуни поєднують в собі кращі риси перших двох різновидів. Ротор такого двигуна має зубці, розташовані в осьовому напрямку. Конструкція і внутрішній устрій типового гібридного крокової двигуна показані на рисунку 2. Типове число зубців гібридного двигуна від 100 до 400 (кут кроку 3.6 ° - 0.9 °). Статор гібридного двигуна також має зубці, забезпечуючи більшу кількість еквівалентних полюсів на яких розташовані обмотки. Зазвичай використовуються 4 основних полюса для 3.6 ° і 8 основних полюсів для 1.8 ° або 0.9 °. Більшість двигунів цього типу має 100 полюсів (50 пар), і з урахуванням двофазного виконання повне кількість полюсів дорівнює 200, а кут кроку дорівнює 1.8 ° (360/200).

Крім відмінностей в загальній конструкції, крокові двигуни відрізняються ще й схемою включення обмоток. Є три варіанти їх змін (Малюнок 3), в залежності від якої двигуни діляться на уніполярні (англ. «Unipolar») і біполярні (англ. «Bipolar»).

Уніполярний двигун (Малюнок 3а), має включеної одну обмотку в кожній фазі, з відведенням від середини кожної обмотки. Це дозволяє змінювати напрямок магнітного поля, що створюється обмоткою, переключенням її половинок. Як правило, уніполярний двигун має 6 висновків, але середні висновки обмоток можуть бути об'єднані всередині самого двигуна, тому такий двигун може мати і 5 висновків. Таким чином, якщо вам в руки попався невідомий двигун з шість або п'ятьма висновками - це гарантовано уніполярний кроковий двигун.

Біполярний двигун (Малюнок 3б), має дві обмотки, які включаються по черзі в кожній фазі. Деякі двигуни мають чотири розщеплені обмотки (Малюнок 3в); з цієї причини їх помилково називають 4-фазними двигунами.

Малюнок 3.Схеми включення обмоток статора крокових двигунів.

Що важливо знати і враховувати в частині особливостей включення обмоток статора? Неважко помітити, що уніполярний кроковий двигун можна використовувати в біполярному включенні; двигун з розщепленими обмотками, при відповідному з'єднанні обмоток, можна використовувати і як уніполярний, і як біполярний. Крім того, двигун з таким варіантом виконання обмоток може використовуватися з паралельним і послідовним включенням обмоток. Це дозволяє збільшити момент, що розвивається двигуном при низькій напрузі харчування (паралельне включення обмоток), або зменшити струм споживання зі збільшенням напруги обмотки напруги (послідовне включення обмоток). Фазировка обмоток важлива - вона визначає напрямок обертання двигуна, і взагалі його працездатність. Звертаю увагу читачів, що поки ніякої стандартизації квітів висновків крокових двигунів немає, так що фазировку іноді доводиться встановлювати експериментально. Але, якщо ви її і переплутати, то нічого критичного ні з двигуном, ні з системою управління не відбудеться.

Неважко побачити, що в двигуні з біполярним включенням обмоток одночасно працюють всі обмотки, і момент, що розвивається двигуном, буде вище. Виграш в моменті обертання становить приблизно 40%.

Є кілька варіантів управління кроковим двигуном (Малюнок 4). Звертаю увагу читачів, що на малюнках приведена не форма напруги, що ви зазвичай зустрінете в літературі і на інтернет сайтах, а форма струму. Це важливо! В управлінні кроковим двигуном важливий саме струм, а не прикладена до обмоток напруга, яке має прямокутну форму.

Малюнок 4.Режими управління кроковим двигуном.(Показані тимчасові діаграми
зміни струму в обмотках біполярного крокової двигуна) [2].

Розглянемо поки загальні особливості. Отже, на рисунку 4 показана форма струму в обмотках двигуна щодо нуля для чотирьох основних варіантів управління. Найбільш простий варіант - це почергове комутація фаз, при якій вони не перекриваються, і в кожен момент часу включена тільки одна фаза (Малюнок 4а). Цей режим називають хвильовим (англ. «Wave drive mode») або полношаговим режимом управління з однією фазою ( «one phase on full step mode»). Точки рівноваги ротора для кожного кроку збігаються з «природними» точками рівноваги у знеструмленому двигуна. Недоліком цього способу управління є те, що для біполярного двигуна в один і той же момент часу використовується тільки 50% обмоток, а для униполярного - 25%. Це означає, що в такому режимі не може бути отриманий повний можливий момент обертання.

Найчастіше використовується управління з перекриттям фаз, коли в один і той же час включені обидві обмотки (Малюнок 4б). У загальному випадку саме його і називають полношаговим режимом управління (англ. «Full step mode» або «two-phase-on»). При цьому способі управління ротор фіксується в проміжних позиціях між полюсами статора, забезпечуючи приблизно на 40% більший момент, ніж в попередньому варіанті з однієї включеної фазою. Цей спосіб управління забезпечує такий же кут кроку, як і хвильової, але становище точок рівноваги ротора зміщена на півкроку, що часто не є критичним. Іноді це необхідно враховувати для двигунів з великим кроком, так як знеструмлений двигун, наприклад з кроком 18 ° після зупинки зміститься на 9 °. Щоб ротор такого двигуна не зміщувався при виключенні, на двигун в режимі зупинки подають деякий струм утримання, який збереже задане положення ротора. Саме це властивість крокової двигуна дозволяє обходитися без спеціальних електромагнітних або механічних гальмівних муфт і утримують систем.

Третій основний спосіб управління є комбінацією двох описаних раніше і називається полушаговим режимом ( «half step mode» або «one and two-phase-on»). В цьому режимі двигун за один імпульс управління робить крок, рівний половині основного (Малюнок 4в). Цей режим вимагає більш складної схеми управління, але дозволяє здійснювати більш точне позиціонування ротора і зменшує негативний вплив його механічного резонансу. Іншими словами, використовуючи двигун з кутовим кроком 1.8 °, ми отримуємо крок, рівний 0.9 °.

Ще меншу градацію, вірніше, дроблення кроку, дають мікрошаговий системи управління ( «micro stepping mode»), засновані на поступову зміну струму в обмотках (Малюнок 4г). Такі системи досить складні. Вони вимагають застосування не тільки спеціальних ІМС драйверів з ЦАП, а й мікропроцесорного управління. Саме цей режим часто призводить до плутанини, в результаті якої крокові двигуни зараховують до багатофазним двигунів змінного струму.

Побачити «вживу» всі тонкощі процесу управління можна на сайті компанії Nanotec Electronic [ 4 ]. Анімація, наведена на сайті, дозволяє побачити «реальну» роботу віртуального біполярного двигуна для полношагового (Fullstep) і мікрошаговий (Microstep) режимів управління. Інтерфейс сайту досить простий. Скріншот прикладу анімації наведено на рисунку 5.

На рисунку 4 недарма приведена форма струму в обмотках, а не керуючої напруги. Як відомо, струм в індуктивності (а обмотка двигуна є індуктивністю) не може змінюватися стрибком, а зростає по експоненті до значення IMAX = VDC / R:

Необхідну для цього час визначається постійної часу ланцюга τ = L / R. Тут L - індуктивність обмотки двигуна, а R - загальний опір в ланцюзі обмотки. Що з цього випливає? Слід то, що при деякій тривалості імпульсу струм в обмотці не досягне свого номінального значення, і момент на двигуні буде знижений, а при якихось значеннях тривалості його ротор взагалі не зрушить з місця. Ось цей ефект і обмежує швидкість обертання крокового двигуна. Проблема вирішується трьома способами. Перший полягає в тому, що на деякий проміжок часу напруга на обмотці збільшується, а потім зменшується до номінального значення VDC = IMAXRL, де IMAX - максимальний номінальний струм обмотки, а RL - активний опір обмотки. Це складно, так як вимагає спеціальних схем управління з додатковими ключами і джерелами живлення.

Класичним і найпростішим методом виявляється включення послідовно з обмоткою двигуна додаткового опору з одночасним кратним збільшенням напруги живлення VDC. Це і прискорить накопичення струму в індуктивності, і не призведе до виходу двигуна з ладу, так як вимога по максимальному струму обмотках не буде порушено. У класичній теорії зазвичай використовується режим L / 5R, але на практиці можуть зустрічатися і інші варіанти. Недоліком цього способу форсування струму є необхідність використання потужних резисторів і енергетичні втрати, тому його застосовують переважно для малопотужних двигунів. Щоб полегшити читачеві освоєння цього методу, розглянемо один приклад.

У специфікації двигуна P542-M48 [ 6 ] Зазначено момент для режиму L / 4R, його опір обмотки RL = 52.4 Ом, номінальна напруга VDC = 12 В. Звертаю увагу читачів, що при вказівці L / 4R мається на увазі загальний опір, тобто сума власного опору обмотки RL і додаткового резистора номіналом 3RL, рівного в нашому випадку 157.2 Ом. Таким чином, при підвищенні напруги живлення до 4VDC на додаткових резисторах при малих швидкостях обертання і, особливо, при зупинці двигуна буде розсіюватися потужність:

Фактично, з урахуванням допустимого коефіцієнта навантаження для резисторів, нам доведеться використовувати додатковий резистор опором 160 Ом з розсіюваною потужністю не менше 10 Вт.

Виходом з ситуації може бути використання імпульсних стабілізаторів з обмеженням максимального струму. Застосування цього методу для колекторних двигунів було розглянуто в [ 1 ]. Повторимо його суть. На двигун від імпульсного перетворювача подається підвищений в кілька разів напруга, яке формує прискорений процес заряду індуктивності обмоток. Після досягнення заданої величини струму перетворювач переходить з режиму стабілізації напруги в режим стабілізації струму і утримує струм обмотки на заданому рівні. Саме цей режим харчування обмоток показаний на рисунку 4 (видно нарізка). Це рішення не можна назвати дешевим, але його ККД незрівнянно вище, і в ряді випадків це єдиний можливий для реалізації варіант. Справа спрощує те, що зазвичай цей режим вже вбудований в керуючу ІМС драйвера [ 2 ]. Порівняння методів управління струмом в обмотках двигуна показано на рисунку 6.

Ще однією перешкоду на шляху использование Кроковое двигунів є явіще механічного резонансу, оскількі ротор НЕ відразу встановлюється в нову позицию, а, будучи своєріднім маятником, Здійснює затухаючі коливання. При кожному кроці відбувається поштовх ротора, який, як і будь-яка вільно підвішена механічна система, починає коливатися, і двигун на деяких частотах обертання втрачає свій момент. Для придушення коливань ротора використовуються або механічні методи (різного роду демпфирующие, пригальмовують фрикційні або бесфрікціонного системи), або використовується мікрошаговий режим управління. Системи управління з дробленням кроку завдяки поступового зміщення ротора (основний крок дробиться на деяку задану системою управління величину, зазвичай 1/8, 1/16 або 1/32) зменшують механічні коливання ротора, зводячи їх практично до нуля.

Крім описаних вище проблем, пов'язаних з індуктивним характером крокової двигуна, як навантаження для джерела живлення, обмеження по початковій стартовою швидкості пов'язано і з конструктивними особливостями, а саме з масою ротора, тобто його інерцією, про що також згадувалося при розгляді способів комутації обмоток. Іншими словами, двигун іноді необхідно розганяти до необхідної швидкості. У деяких специфікаціях для крокових двигунів наводяться дві важливі для розробника криві, що показують залежність моменту, що розвивається на валу двигуна, від швидкості обертання (Малюнок 7).

Внутрішня крива (крива старту, або «pull-in torque») показує, при якій максимальній для даної швидкості зовнішньому котрий гальмує моменті кроковий двигун здатний рушити без попереднього прискорення, тобто без розгону. Ця крива перетинає вісь швидкостей в точці, яка називається максимальною частотою старту. На більш низьких швидкостях кроковий двигун ще може синхронізувати себе з частотою кроку, подолавши дію зовнішніх сил і інерцію ротора. Необхідно зауважити (а це часто замовчується виробниками), що цей параметр задається для певного режиму роботи і включення обмоток двигуна (в даному випадку він заданий для полушагового режиму в уніполярному включенні обмоток двигуна), а навантаження двигуна при вимірі цього параметра є фрикційної, а не інерційної. Тобто, ротор двигуна штучно загальмований, що зменшує його небажані коливання під впливом імпульсу струму в обмотці, і, отже, швидкість обертання двигуна буде вище. Режим управління для цього параметра так само важливий, оскільки в полушаговом режимі резонансні явища вже зменшені. Зовнішня крива (крива розгону, або «pull-out torque») показує, при якій максимальній моменті для даної швидкості кроковий двигун взагалі здатний підтримувати обертання без пропуску кроків, але вже з урахуванням того, що проведений плавний розгін двигуна. Крива показує максимальну швидкість для даного двигуна без навантаження. Цей параметр залежить від струму в обмотках двигуна і способу управління обмотками. Зазвичай рекомендують використовувати «запас міцності» за цими параметрами від 50% до 100% в порівнянні з необхідним моментом, що обертає. Це необхідно враховувати для гарантії отримання заданих характеристик.

Таким чином, повторюся (оскільки це важливо), може знадобитися розгін двигуна на малих швидкостях до необхідної робочої швидкості, а процес зупинки включає зменшення швидкості обертання двигуна до її деякого мінімального значення з перекладом в режим утримання. В іншому випадку гарантувати точність позиціонування ротора може бути неможливо. Більш того, внаслідок інерційності системи може статися навіть руйнування редуктора, якщо він використовується. Ну і не можна забувати про пригальмовуванні, яке в будь-якому випадку виявляється не просто корисним, а часто і необхідним для точного позиціонування в системах зі складними приводами, які використовують редуктори або передачі, але це вже відноситься не безпосередньо до крокової двигуна, а до системи приводу в цілому .

література:

1. Рентюк В. « Управління двигунами постійного струму »
2. LMD18245 3A, 55V DMOS Full-Bridge Motor Driver, Texas Instruments Inc., April 2013
3. Ємельянов А. В., Шилін А. Н. Крокові двигуни: навчальний посібник. Волг. ГТУ, Волгоград, 2005
4. en.nanotec.com
5. DHS 56 series TECO Electro Devices Co. Ltd.
6. Geared stepper motor P542-M48 series, Mclennan Servo Supplies Ltd.

закінчення