Шаговый привод, как правило, состоит из двух основных составляющих частей. Это, так называемый, драйвер, принимающий импульсы от устройства управления верхнего уровня и формирующий напряжение питания шагового двигателя. И, во-вторых, это шаговый двигатель, вал которого, в зависимости от поданного на него напряжения питания, поворачивается на строго определенный, небольшой угол в ту или другую сторону.
Устройства управления верхнего уровня (контроллеры шагового привода) формируют импульсные сигналы для точного управления драйверами шаговых двигателей и шаговыми двигателями в зависимости от управляющей программы, записанной, например, в память этого управляющего устройства.
На рисунках ниже представлен пример внешнего вида шагового двигателя с выступающим валом и внешний вид драйвера шагового привода.
![]() |
![]() |
Контроллер шагового привода может иметь вид, представленный на рисунке ниже.
Принцип работы шагового двигателя можно объяснить следующим образом. Допустим имеются два электромагнитных контура (см. рисунок ниже), между которыми расположен постоянный магнит. Магнит может вращаться вокруг оси, перпендикулярной направлениям магнитных линий этих контуров. Представим себе, что выключатель В замыкается. В этом случае, в синем контуре образуется магнитное поле, направление которого можно определить по «правилу буравчика». Взаимодействие поля постоянного магнита и поля, от протекания электрического тока, приведет к повороту магнита на угол 90° по часовой стрелке. После такого шагового движения ротор этого двигателя остановится в вертикальном положении. Чтобы ротору совершить следующий шаг необходимо выключатель В разомкнуть, а выключатель А' - замкнуть. При этом ротор опять займет горизонтальное положение, но теперь южный полюс постоянного магнита будет слева. Ротор опять замрет в таком состоянии до момента прихода следующего токового импульса. Последовательная активация обмоток B', A, B, A' и т.д. двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.
Наличие постоянного магнита на роторе шагового двигателя не обязательно. Ниже представлена схема конструкции шагового двигателя, где ротор выполнен из магнитомягкого материала. Здесь, подавая импульсы тока на обмотки полюсов статора, можно заставить ротор совершать шаговые движения от одного полюса статора к другому.
Как правило, промышленные шаговые двигатели имеют гибридную конструкцию и сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора. Статор гибридного двигателя имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки.
Обычно используются 8 основных полюсов для двигателей с полным шагом 1.8 угловых градуса. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора. Это происходит из-за соответствующего расположения зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.
Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы одной половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы второй половинки - южными. Кроме того, половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.
В машиностроении распространение получили высокомоментные двухфазные гибридные шаговые электродвигатели с угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или при использовании половинного шага - 0,9°/шаг (400 шагов/оборот).
Дискретность шага создаёт существенные вибрации, которые в ряде случаев могут приводить к снижению крутящего момента и возбуждению механических резонансов в системе. Уровень вибраций удаётся снижать при использовании режима дробления шага или при увеличении количества фаз с двух до пяти. Поэтому пятифазные шаговые двигатели получили распространение в высокоточных системах приводов подач станочного оборудования.
Режим дробления шага (микрошаг) реализуется при совместном управлении током в разных обмотках шагового электродвигателя. Управляя соотношением токов в обмотках можно зафиксировать ротор в промежуточном положении между шагами. Таким образом, можно повысить плавность вращения ротора и точность позиционирования.
При осуществлении каждого шага ротор не сразу останавливается в новом положении равновесия, а осуществляет затухающие колебания вокруг этого положения. Время переходного процесса в большой степени зависит от характеристик нагрузки. Во многих приложениях такие колебания являются нежелательными. Микрошаговый режим позволяет в значительной степени эти колебания. На рисунке ниже показаны перемещения ротора при работе в полношаговом и микрошаговом режимах.
Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме, или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задаётся последовательностью электрических импульсов, например, в станках с ЧПУ. Шаговые приводы позволяют получать точное позиционирование без использования обратной связи от датчиков углового положения.
Главное преимущество шаговых приводов - простота при высокой точности. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. К преимуществам можно отнести стоимость шаговых приводов, которые значительно дешевле сервоприводов с обратной связью.
Основной недостаток - в возможности «потери шагов» ротора. Это наиболее известная проблема этих двигателей. Потеря шагов может произойти при большой нагрузке на валу, большом ускорении старта или торможения, при резонансных явления в системе, где установлен шаговый привод.
Как один из способов, избежать «потери шагов», можно предложить увеличить мощность шагового двигателя.
Основные характеристики шагового двигателя - это удерживающий момент (синхронизирующий момент, "max. holding torque") и предельная частота следования импульсов. Единицы измерения удерживающего момента шагового двигателя: кГс×см или Н×м. Он определяет тот максимальный момент нагрузки при нулевой скорости, прилагаемый к валу двигателя, после превышения которого шаговый двигатель «опрокидывается», то есть неконтролируемо теряет свое угловое положение. Величина удерживающего момента, приводимая в спецификации, соответствует номинальному току через обмотки двигателя. Рабочий момент в системе должен быть в несколько раз меньше этой предельной характеристики.
Предельная частота следования импульсов, при которой возможен пуск и остановка двигателя без потери шага, называется приемистостью шагового привода. Следует помнить, что с увеличением частоты вращения шагового двигателя значительно падает момент, который может развить этот двигатель. Зависимость развиваемого момента и частоты следования импульсов, как правило, приводятся производителями шаговых двигателей. Пользователю всегда следует обращать внимание на данные частотные характеристики.