Как работает шаговый двигатель в часах

Содержание

Как работает шаговый электродвигатель?
Что такое шаговый двигатель?
Преимущества и недостатки шагового электродвигателя
Устройство и принцип работы
Типы шаговых двигателей
По конструкции ротора
Реактивный
С постоянными магнитами
Гибридные
По виду обмоток
Униполярный
Биполярный
Подключение шагового двигателя
Типичные схемы подключения ШД
Управление шаговым двигателем
Без контроллера
С контроллером
Популярные схемы управления ШД
Простейший драйвер шагового двигателя своими руками
Полезное видео
Как работает шаговый двигатель в часах
Кварцевые механизмы | Шаговые двигатели
Видео

Как работает шаговый электродвигатель?

Для работы практически всех электрических приборов, необходимы специальные приводные механизмы. Предлагаем рассмотреть, что такое шаговый двигатель, его конструкцию, принцип работы и схемы подключения.

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии сети в механическую энергию. Конструктивно состоит из обмоток статора и магнитомягкого или магнитотвердого ротора. Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Наибольшее применение такие устройства получили в станках с ЧПУ, робототехнике, устройствах хранения и считывания информации.

В отличии от других типов машин шаговый двигатель совершает вращение не непрерывно, а шагами, от чего и происходит название устройства. Каждый такой шаг составляет лишь часть от его полного оборота. Количество необходимых шагов для полного вращения вала будет отличаться, в зависимости от схемы соединения, марки двигателя и способа управления.

Преимущества и недостатки шагового электродвигателя

К преимуществам эксплуатации шагового двигателя можно отнести:

К недостаткам применения шагового двигателя относятся:

Устройство и принцип работы

На рисунке 1 изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроено так, что они находятся под углом 90º относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90º.

В момент подачи напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90º. В случае поочередной подачи напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки.

Типы шаговых двигателей

Для обеспечения различных параметров работы важна как величина шага, на который будет смещаться вал, так и момент, прилагаемый для перемещения. Вариации данных параметров достигаются за счет конструкции самого ротора, способа подключения и конструкции обмоток.

По конструкции ротора

Вращаемый элемент обеспечивает магнитное взаимодействие с электромагнитным полем статора. Поэтому его конструкция и технические особенности напрямую определяют режим работы и параметры вращения шагового агрегата. Чтобы на практике определить тип шагового мотора, при обесточенной сети необходимо провернуть вал, если ощущаете сопротивление, то это свидетельствует о наличии магнита, в противном случае, это конструкция без магнитного сопротивления.

Реактивный

Реактивный шаговый двигатель не оснащается магнитом на роторе, а выполняется из магнитомягких сплавов, как правило, его набирают из пластин для уменьшения потерь на индукцию. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полюса статорных обмоток запитываются противоположными парами и создают магнитную силу для перемещения ротора, который двигается от попеременного протекания электрического тока в обмоточных парах.

С переменным магнитным сопротивлением

Весомым плюсом такой конструкции шагового привода является отсутствие стопорящего момента, образуемого полем по отношению к арматуре. По факту это тот же синхронный двигатель, в котором поворот ротора идет в соответствии с полем статора. Недостатком является снижение величины вращающего момента. Шаг для реактивного двигателя колеблется от 5 до 15°.

С постоянными магнитами

В этом случае подвижный элемент шагового двигателя собирается из постоянного магнита, в котором может быть два и большее количеством полюсов. Вращение ротора обеспечивается притяжением или отталкиванием магнитных полюсов электрическим полем при подаче напряжения в соответствующие обмотки. Для этой конструкции угловой шаг составляет 45-90°.

С постоянным магнитом

Гибридные

Был разработан с целью объединения лучших качеств двух предыдущих моделей, за счет чего агрегат обладает меньшим углом и шагом. Его ротор выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, который намагничен по продольной оси. Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Такое решение позволило обеспечить отличный удерживающий и крутящий момент.

Устройство гибридного шагового двигателя

Преимущества гибридного шагового двигателя заключатся в его высокой точности, плавности и скорости перемещения, малым шагом – от 0,9 до 5°. Их применяют для высококлассных станков ЧПУ, компьютерных и офисных приборах и современной робототехнике. Единственным недостатком считается относительно высокая стоимость.

Для примера разберем вариант гибридных ШД на 200 шагов позиционирования вала. Соответственно каждый из цилиндров будет иметь по 50 зубцов, один из них является положительным полюсом, второй отрицательным. При этом каждый положительный зубец расположен напротив паза в отрицательном цилиндре и наоборот. Конструктивно это выглядит так:

Расположение пазов гибридника

Из-за чего на валу шагового двигателя получается 100 перемежающихся полюсов с отличной полярностью. Статор также имеет зубцы, как показано на рисунке 6 ниже, кроме промежутков между его компонентами.

Рис. 6. Принцип работы гибридного ШД

За счет такой конструкции можно достичь смещения того же южного полюса относительно статора в 50 различных позиций. За счет отличия положения в полупозиции между северным и южным полюсом достигается возможность перемещения в 100 позициях, а смещение фаз на четверть деления предоставляет возможность увеличить количество шагов за счет последовательного возбуждения еще вдвое, то есть до 200 шагов углового вала за 1 оборот.

Обратите внимание на рисунок 6, принцип работы такого шагового двигателя заключается в том, что при попарной подаче тока в противоположные обмотки происходит подтягивание разноименных полюсов ротора, расположенных за зубьями статора и отталкивание одноименных, идущих перед ними по ходу вращения.

По виду обмоток

На практике шаговый двигатель представляет собой многофазный мотор. Плавность работы в котором напрямую зависит от количества обмоток – чем их больше, тем плавне происходит вращение, но и выше стоимость. При этом крутящий момент от числа фаз не увеличивается, хотя для нормальной работы их минимальное число на статоре электродвигателя должно составлять хотя бы две. Количество фаз не определяет числа обмоток, так двухфазный шаговый двигатель может иметь четыре и более обмотки.

Униполярный

Униполярный шаговый двигатель отличается тем, что в схеме подключения обмотки имеется ответвление от средней точки. Благодаря чему легко меняются магнитные полюса. Недостатком такой конструкции является использование только одной половины доступных витков, из-за чего достигается меньший вращающий момент. Поэтому они отличаются большими габаритами.

Униполярный ШД

Для использования всей мощности катушки средний вывод оставляют не подключенным. Рассмотрите конструкции униполярных агрегатов, они могут содержать 5 и 6 выводов. Их количество будет зависеть от того, выводится срединный провод отдельно от каждой обмотки двигателя или они соединяются вместе.

Схема а) с различными, б) с одним выводом

Биполярный

Биполярный шаговый двигатель подключается к контроллеру через 4 вывода. При этом обмотки могут соединяться внутри как последовательно, так и параллельно. Рассмотрите пример его работы на рисунке.

Биполярный шаговый двигатель

В конструктивной схеме такого двигателя вы видите с одной обмоткой возбуждения в каждой фазе. Из-за этого смена направления тока требует использовать в электронной схеме специальные драйверы (электронные чипы, предназначенные для управления). Добиться подобного эффекта можно при помощи включения Н-моста. В сравнении с предыдущим, биполярное устройство обеспечивает тот же момент при гораздо меньших габаритах.

Подключение шагового двигателя

Чтобы запитать обмотки, потребуется устройство способное выдать управляющий импульс или серию импульсов в определенной последовательности. В качестве таких блоков выступают полупроводниковые приборы для подключения шагового двигателя, микропроцессорные драйвера. В которых имеется набор выходных клемм, каждая из них определяет способ питания и режим работы.

В зависимости от схемы подключения должны применяться те или другие выводы шагового агрегата. При различных вариантах подведения тех или иных клемм к выходному сигналу постоянного тока получается определенная скорость вращения, шаг или микрошаг линейного перемещения в плоскости. Так как для одних задач нужна низкая частота, а для других высокая, один и тот же двигатель может задавать параметр за счет драйвера.

Типичные схемы подключения ШД

В зависимости того, какое количество выводов представлено на конкретном шаговом двигателе: 4, 6 или 8 выводов, будет отличаться и возможность использования той или иной схемы их подключения Посмотрите на рисунки, здесь показаны типичные варианты подключения шагового механизма:

Схемы подключения различных типов шаговых двигателей

При условии запитки основных полюсов шаговой машины от одного и того же драйвера, по данным схемам можно отметить следующие отличительные особенности работы:

Управление шаговым двигателем

Выполнение операций шаговым агрегатом может осуществляться несколькими методами. Каждый из которых отличается способом подачи сигналов на пары полюсов. Всего выделяют тир метода активации обмоток.

Волновой – в таком режиме происходит возбуждение только одной обмотке, к которой и притягиваются роторные полюса. При этом шаговый двигатель не способен вытягивать большую нагрузки, так как выдает лишь половину момента.

Волновое управление

Полношаговый — в таком режиме происходит одновременная коммутация фаз, то есть, возбуждаются сразу обе. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток.

Полношаговое управление

Полушаговый – представляет собой комбинацию двух предыдущих методов коммутации обмоток. Во время реализации которого в шаговом двигателе происходит поочередная подача напряжения сначала в одну катушку, а затем сразу в две. Благодаря чему обеспечивается лучшая фиксация на максимальных скоростях и большее количество шагов.

Полушаговое управление

Для более мягкого управления и преодоления инерции ротора используется микрошаговое управление, когда синусоида сигнала осуществляется микроступенчатыми импульсами. За счет чего силы взаимодействия магнитных цепей в шаговом двигателе получают более плавное изменение и, как следствие, перемещение ротора между полюсами. Позволяет в значительной степени снизить рывки шагового двигателя.

Без контроллера

Для управления бесколлекторными двигателями применяется система Н-моста. Который позволяет переключать полярность для реверса шагового двигателя. Может выполняться на транзисторах или микросхемах, которые создают логическую цепочку для перемещения ключей.

Схема Н-моста

Как видите, от источника питания V напряжение подается на мост. При попарном включении контактов S1 – S4 или S3 – S2 будет происходить движение тока через обмотки двигателя. Что и обусловит вращение в ту или иную сторону.

С контроллером

Устройство контроллера позволяет осуществлять управление шаговым двигателем в различных режимах. В основе контроллера лежит электронный блок, формирующий группы сигналов и их последовательность, посылаемых на катушки статора. Для предотвращения возможности его повреждения в случае короткого замыкания или другой аварийной ситуации на самом двигателе каждый вывод защищается диодом, который не пропусти импульс в обратную сторону.

Подключение через контроллер однополярного шагового двигателя

Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

Чтобы собрать схему драйвера в домашних условиях могут пригодиться некоторые элементы от старых принтеров, компьютеров и другой техники. Вам понадобятся транзисторы, диоды, резисторы (R) и микросхема (RG).

Схема простейшего драйвера

Для построения программы руководствуйтесь следующим принципом: при подаче на один из выводов D логической единицы (остальные сигнализируют ноль) происходит открытие транзистора и сигнал проходит к катушке двигателя. Таким образом, выполняется один шаг.

На основе схемы составляется печатная плата, которую можно попытаться изготовить самостоятельно или сделать под заказ. После чего на плате впаиваются соответствующие детали. Устройство способно управлять шаговым устройством от домашнего компьютера за счет подключения к обычному USB порту.

Полезное видео

Источник

Кварцевые механизмы | Шаговые двигатели

Топ-топ, топает мотор

Глядя на циферблат современных кварцевых часов с невероятным количеством стрелок, сложно поверить, что долгое время камнем преткновения в их производстве было изготовление шагового двигателя, способного поместиться в корпус разумных размеров.

Возвращаясь к истории развития кварцевых калибров, стоит вспомнить, что своеобразным мостиком от чистой механики к кварцу стали электро-механические часы самых разных конструкций. Мы с умилением рассматриваем хитроумные резонаторы, в т.ч. с использованием кварца, замысловатые системы передачи колебаний на колесную систему, и не задумываемся, что причиной всего этого разнообразия технических решений было отсутствие у часовщиков миниатюрного электродвигателя, способного поместиться в корпусе наручных часов. Традиционные моторы, использовавшиеся в 1950-1960-х годах, категорически не подходили для этой задачи. Перелом произошел, когда в часы удалось поместить шаговый электродвигатель.

Первую победу шаговый двигатель одержал в 1957 году, когда на Всемирной выставке в Брюсселе экспонировался первый в мире советский фрезерный станок с цифровым программным управлением. Этот экспонат был удостоен Большой золотой медали и открыл новую страницу в станкостроении. Современная техника немыслима без фрезерных, токарных, электроэрозионных и многих других станков с цифровым управлением. Большая часть из них действует благодаря шаговым двигателям.

Затем шаговые двигатели обосновались в механизмах управления прокатных станов, прессов и других металлургических машин, стали одним из самых распространенных элементов автоматики. Они работают на кораблях, самолетах и искусственных спутниках Земли — везде, где требуется быстрое, точное и надежное исполнение воли человека.

В обычном электродвигателе магнитное поле страгивает с места ротор, который дальше продолжает вращение по инерции. Точно предсказать, на сколько оборотов или на какую часть оборота повернется ротор, невозможно. Это приемлемо в электровозе, который останавливают с помощью тормозов, но не в часах, стрелки которых должны совершать точно отмеренные движения. Шаговые моторы получили свое название из-за того, что в них ротор каждый раз поворачивается на строго определенный угол, или шаг. Более того: ротор в них не имеет инерции и, даже будучи отключенным от питания, мотор надежно фиксирует вал в том положении, в котором его обесточили. Чтобы добиться таких характеристик, конструкцию классического электродвигателя пришлось кардинально пересмотреть.

На принципиальном уровне шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, имеющего намагниченные половины – одну отрицательную и одну положительную. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Он разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок.

Статор двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество положительных и отрицательных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки: чем больше зубцов, тем меньший шаг может сделать двигатель, а значит, выше будет его точность. К примеру, если у двигателя (как на рисунке 1), 4 основных катушки и 4 зубца на роторе, то за один шаг он сможет повернуться на 90 градусов. При наличии большего числа зубцов (рисунок 2) как на статоре, так и на роторе, длина шага уменьшится, а вместе с ней уменьшится и угол поворота. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.

Увы, описанный выше мотор не мог поместиться в часовой корпус. Но после долгих поисков японские инженеры из компании Seiko смогли произвести на свет миниатюрный шаговый двигатель (рис. 3), у которого была всего одна катушка индуктивности, а ротор и статор имели по два полярных «зубца». Проблем при производстве такого мотора было сразу несколько. Намотать несколько тысяч витков тончайшей проволоки на катушку, обеспечить невысокое энергопотребление данного изделия, получить достаточную мощность для вращения колесной системы – все эти задачи нужно было решить в одном изделии. Японцы с ними справились, и предложенная ими компоновка двигателя применяется и по сей день.

Шаг в секунду и быстрее

Решение японских инженеров произвело революцию в часовой отрасли и решило ключевую, но отнюдь не единственную задачу. Подобный мотор хорош для классического трехстрелочника, но плохо подходит для привода хронографа или дополнительного счетчика. Решение этой проблемы нашли уже швейцарские мастера, которые лишь спустя несколько лет после появления Astron смогли прийти в чувства и вновь начать удивлять публику, в том числе и на кварцевом поприще. Среди производителей механизмов особняком от всех стоит швейцарская компания Soprod, начавшая производство кварцевых калибров в 90-х. «Опытное» подразделение исконно механической фабрики стало производить демократичные калибры, но вскоре, оценив перспективы рынка, перенесло фокус внимания на кварцевые механизмы высокого класса. Основным достижением компании Soprod можно считать уникальную методику программирования и начало применения микромоторов с возможностью вращения стрелок в обе стороны благодаря использованию сразу двух маленьких, но мощных катушек индуктивности. Да и шаг стрелки теперь зависел не от колесной передачи, а от того, сколько микроскопических магнитных зубцов удавалось разместить не роторе, непосредственно на котором и была закреплена стрелка каждого счетчика.

Теперь стало можно свободно располагать в любой части циферблата без привязки к колесной системе любое количество стрелок и наделять их совершенно фантастичеким функционалом. Хотите ретроградный указатель дня недели, часа или даже ретроградные минутные или секундные счетчики? Никаких проблем, ведь запрограммировать схему отправлять импульс на микромотор можно в любом порядке и направлении. По одному импульсу в день и возврат в исходное положение на 8-й день – вот вам ретроградный календарь. Ранее такие функции были атрибутами высококлассной механики, теперь они реализованы в самых разных часах и доступны широкому кругу покупателей. Яркий пример подобных часов – флагманские модели бренда Adriatica или Vostok Europa.

Некоторые бренды идут дальше и предлагают совсем необычные решения. Одним из наиболее интересных подходов дизайнеров к платформе калибров свободной компоновки Soprod SOP FM13D является модель Victorinox Swiss Army Chrono Classic 1/100. В ней на два мотора прикреплены счетчики сотых долей секунд, первый диск показывает цифры первого порядка, другой – второго. При запуске хронографа стрелка отсчета секунд начинает движение, отсчитывая целые секунды, и диски начинали вращаться, отмеряя сотые доли. Удивительный симбиоз технической возможности и дизайнерской идеи произвел на свет одну из самых оригинальных моделей хронографов с возможностью отсчета одной сотой.

Точность и мощность

Именно этими двумя словами можно охарактеризовать калибры последнего поколения от лидера индустрии – компании ETA. Если об аспекте точности (PreciDrive) мы говорили в прошлой статье, посвященной вопросам термокомпенсации, то сегодня коснемся вопроса мощности часового мотора. Технология PowerDrive была разработана компанией ETA специально для высокоточных кварцевых хронографов. Шаговые моторы нового поколения способны делать 200 шагов в секунду, что кроме перспектив для маркетологов и дизайнеров открывает совершенно новые просторы в хронометрии. Безусловно, просто мотора для такой работы мало, необходимо изготовить микросхему, которая будет управлять одновременно сразу несколькими моторами, каждый из которых в определенном режиме будет иметь разный функционал. Кроме того, актуальным остается вопрос энергопотребления. В ETA не раскрывают секрета, но говорят, что при ускоренном перемещении стрелок (во время работы хронографа, или при переводе показаний в ускоренном режиме), потребление энергии даже ниже, чем в стандартном режиме. Увы, более подробную информацию о калибрах с данной технологией найти практически невозможно. Производитель хранит все детали в секрете, ведь сейчас это одно из главных конкурентных преимуществ кварцевой линейки некоторых брендов Swatch Group, таких как Certina, Hamolton, Longines.

В любую сторону света

Другим, стоящим отдельно от всех брендом Swatch Group является Tissot с технологией T-Touch. Тактильное стекло в рамках данной статьи мы рассматривать не станем, зато поговорим о том, как с помощью всего двух стрелок часы могут предоставлять информацию о перспективах изменений погоды (как заправский барометр) и даже указывать направление на север и юг (как самый настоящий компас). Процесс перехода из обычного режима отображения времени и превращение часовой и минутной стрелок в стрелки компаса выглядит как некое таинство. Если вращать часы, держа их горизонтально, то ни секунды не оставаясь на месте, стрелки все время будут упорно показывать вам верное направление к полюсам. А как только новоиспеченный турист наиграется с этим прекрасным усложнением, они вновь займут свои места и покажут текущее время. Как же это происходит?

Для самых маленьких

Кварцевый люкс

Возможно, для кого-то это выражение звучит немного иронично, но только не для компании Seiko. В верхней линейке марки Grand Seiko кроме высококлассных автоматических или гибридных калибров вроде Spring Drive, имеются и чисто кварцевые модели, которые по качеству материалов и обработке платин не уступают люксовым швейцарским механическим изделиям.

Одной из проблем, характерной для кварцевых часов, является недостаточный момент, развиваемый шаговым двигателем, из-за чего дизайнеры вынуждены использовать облегченные стрелки. В линейке калибров 9F в Grand Seiko пластиковым деталям места нет, и чтобы обеспечить мотору мощность, достаточную для работы с металлической колесной системой, создатели калибра применили в нем двухимпульсную систему регулирования, отправляющую каждую секунду на мотор не один электрический импульс, а целых два. Развивать больший момент двигателю помогает и увеличение индуктивности катушки: разработанная Seiko технология позволила использовать при ее намотке более тонкую проволоку (толщиной 15 мк вместо обычных 30 мк) и добиться более плотной укладки. Как следствие, число витков и напряженность генерируемого катушкой магнитного поля увеличились в четыре с лишним раза. Позже эта технология очень пригодилась Seiko при создании Spring Drive. Теперь кварцевым механизмам линейки по плечу любые стрелки — даже те, с которыми ранее могли справиться только механические часы.

Источник