Шаговые двигатели.

Шаговые двигатели. 

Шаговые двигатели являются одними из самых распространенных типов двигателей в приборах самого широкого применения. Эти двигатели можно встретить во всех типах копиров, принтеров, МФУ, в факсах, сканерах, дисках, кассовых аппаратах и т. д.. В технике, особенно в устройствах, перечисленных выше, наибольшее применение нашли четырехфазные двигатели. Такие двигатели могут иметь разное количество обмоток возбуждения на статоре (2, 4, 8, 12) намотанные самым различным образом, но все эти обмотки соединяются в две или четыре фазы. Сопротивления фаз двигателя составляет обычно от нескольких Ом до нескольких десятков Ом. В подавляющем большинстве случаев эквивалентную схему обмоток двигателя можно представить тремя способами. Первый способ заключается в том, что все четыре фазы имеют общую точку в которую, обычно, подается питающее напряжение, а переключение фаз осуществляется ключевыми транзисторами, которые при замыкании обеспечивают протекание тока на "корпус" (рис. 1). Второй способ подразумевает парное соединение фаз, т.е. каждые две фазы имеют общую точку и не связаны с другими двумя фазами (рис. 2). Третий способ заключается в парном включении двух фаз, причем они включаются параллельно (рис. 9,10). Фазы различаются направлением протекающего тока возбуждения. Если в первых двух случаях ток через фазы протекал только в одном направлении, то в последнем варианте ток будет уже двунаправленным.

  Таблица 1


При управлении двигателем используют три основных режима работы: режим полного шага (Full Step); режим полушага (Half Step); режим волнового управления (Wave Drive).

Режим волнового управления Wave Drive, несмотря на свою простоту, используется крайне редко для управления двигателями в устройствах оргтехники. Чаще всего применяются первый и второй способы, позволяющие более точно управлять двигателем. Эти способы характеризуются тем, что для совершения шага необходимо обеспечивать протекание тока возбуждения одновременно через две фазы. Протекание тока через одну фазу приводит к тому, что ротор стоит и находится в режиме удержания.

Скорость вращения двигателя определяется частотой переключения управляющих транзисторов, т.е. частотой сигналов от схемы управления двигателем (драйвера двигателя). Кроме того, скорость двигателя в определенной степени зависит от значения тока возбуждения обмоток, т.е. от уровня питающего напряжения. Направление вращения ротора задается порядком формирования управляющих импульсов. Ротор может вращаться в любом направлении. Например, если обмотки подключать в таком порядке: W1+W2, W2+W3, W3+W4, W4+W1 и т.д., то ротор будет вращаться по часовой стрелке, а если в порядке: W1+W4, W4+W3, W3+W2, W2+W1 и т.д., то ротор вращается против часовой стрелки. Теперь несколько подробнее о каждом из режимов управления двигателем.

Режим волнового управления (Wave Drive) является наиболее простым для реализации, и в этом режиме для того, чтобы двигатель сделал шаг необходимо, чтобы ток возбуждения протекал только через одну фазу двигателя. Поочередно переключая фазы, однако во вполне определенном порядке, обеспечивают непрерывное вращение ротора. Таким образом, в этом режиме в каждый момент времени "запитывается" только одна фаза. В табл. 1 представлен алгоритм управления двигателем в данном режиме. В этой таблице буквой Н обозначается активность управляющего сигнала для соответствующей фазы, а следовательно и момент протекания тока возбуждения, буквой L обозначаются моменты неактивности сигнала.
На рис. 4 представлены временные диаграммы сигналов, управляющих ключевыми транзисторами.
Режим полного шага Full Step, или как его еще называют - режим четырехтактной коммутации - позволяет обеспечить высокую скорость вращения ротора и применяется обычно при быстрых перемещениях устройств, приводимых в действие таким двигателем. В этом режиме двигатель делает шаг только в том случае, если протекает ток через две фазы одновременно, однако эти фазы не должны быть парными. Алгоритм управления двигателем в режиме полного шага можно видеть в табл. 2. Анализ таблицы показывает, что в каждый момент времени двигатель делает шаг, т.е. "запитаны" две "соседние" обмотки. Временные диаграммы управляющих сигналов - на рис. 5.

Таблица 2

Рис. 5

Режим полушага Half Step, или как его еще называют - режим восьмитактной коммутации используется при более низких скоростях перемещения устройств, кроме того, за счет более низкой скорости этот режим позволяет более точно позиционировать приводное устройство. В этом режиме двигатель поочередно делает шаг и находится в режиме удержания, т.е. алгоритм работы можно представить в виде: шаг - остановка - шаг - остановка - и т.д. Таким образом, в двигателе ток возбуждения поочередно протекает то через две фазы одновременно, то через одну. В этом случае так же, как и в предыдущем, двигатель делает шаг только тогда, когда ток протекает через две обмотки, которые не должны быть парными. При остановке ток протекает только через одну фазу, которая в этот момент становится обмоткой удержания и фиксирует положение ротора. Алгоритм управления двигателем в режиме полушага приводится в табл. 3, а временные диаграммы - на рис. 6.

   Таблица 3

Рис. 6

 Индукторный шаговый двигатель является одним из самых широко применяемых шаговых двигателей с самоподмагничиванием. Индукторный шаговый двигатель часто используют в приводах сканирующих устройств или для перемещения каретки матричных принтеров. Принцип действия всех шаговых двигателей основан на дискретном изменении состояний магнитного поля в рабочем зазоре двигателя за счет возбуждения тех или иных его обмоток.

При перемещении магнитного поля статора, образованного током в обмотках управления (фазах) шагового двигателя, ротор дискретно перемещается вслед за магнитным полем со скоростью и дискретностью, определяемыми типом двигателя и его конструктивными особенностями. Обычно используются двигатели с четырехпроводной передачей. Угловой шаг таких двигателей =360°/(Z*n), где Z - количество зубцов ротора, n - количество фаз. В печатающих устройствах нашли применение четырехфазные двигатели, поэтому формула для вычисления углового шага =90°/Z.

Четырехфазный индукторный шаговый двигатель с самоподмагничиванием состоит из статора с восемью полюсными выступами, вокруг которых уложена обмотка, соединенная в четыре фазы (рис. 7). На полюсах ротора имеются зубцы. Ротор представляет собой ферромагнитный пассивный зубчатый цилиндр. Причем зубцовое деление ротора равно зубцовому делению статора.


Рис. 7

При возбуждении какого-либо полюса статора, которое происходит при протекании тока через две обмотки соседних полюсов (I1 и I2 на рис.8), на этих полюсах возникает магнитный поток Ф имеющий направление, указанное на рис.8. 


Рис. 8

В результате, ротор занимает такое положение при котором его зубцы совпадают с зубцами этого полюса статора. При этом зубцы ротора относительно зубцов соседних полюсов оказываются сдвинутыми на % зубцового деления. При возбуждении следующего полюса ротор от рабатывает шаг, повернувшись на соответствующий процент зубцового деления. Благодаря такому устройству эти двигатели имеют очень малый угловой шаг (от 1° до 15°) и большое быстродействие по частоте (до 3 - 4 кГц) при сравнительно низких скоростях вращения. Самоподмагничивание у этих двигателей осуществляется за счет постоянной составляющей тока в фазах статора. Простота конструкции и схемы управления обусловили широкое применение этого типа двигателя. Величина шага обратно пропорциональна числу зубцов ротора и числу фаз. Для получения малой величины шага следует увеличить число зубцов на роторе. Однако при этом возрастет диаметр ротора, увеличится его момент инерции и быстродействие падает. Также можно увеличивать число фаз, однако таким путем не идут, так как усложняется построение схемы управления.
Для четырехфазных шаговых двигателей следующие значения шага при различных значениях количества зубцов: Z - количество зубцов, ш - угловой шаг (табл. 4). Очень часто в принтерах применяют двигатели с количеством зубцов 48, поэтому при расчете по формуле, приведенной выше можно получить значение углового шага = 1.86°. Значение углового шага некоторыми производителями двигателей указывается непосредственно на ярлыке двигателя.

       Таблица 4

Типичным примером микросхем управления шаговыми двигателями можно считать драйвер SMA7029M (рис.15 и 16). Микросхема SMA7029M обеспечивает возможность управления униполярными шаговыми двигателями различных типов: 4-х фазными и 2-х фазными. Микросхема позволяет управлять двигателями с высокой скоростью и обеспечивает, высокий КПД двигателя. Для переключения фаз используются встроенные полевые мощные транзисторы. Микросхема поддерживает работу с максимальным напряжением питания до 46В и имеет выходы, рассчитанные на высокие напряжения и большие токи. 


Рис. 9. Драйвер SMA7029M



Рис. 10. Типовое включение на примере одного канала (В)

Встроенные полевые транзисторы, имеющие пробивное напряжение более 100В, позволяют обеспечить очень малое сопротивление цепи во включенном состоянии и очень высокую частоту переключения. В составе микросхемы имеются встроенные защитные диоды. Микросхема SMA7029M обеспечивает регулировку величины тока через фазы шагового двигателя, а также обеспечивает защиту от превышения этого тока сверх заданного значения. Регулировка тока осуществляется методом широтно-импульсной модуляции - ШИМ (PWM). Величина тока задается путем выбора внешнего токового датчика, в качестве которого используется резистор с очень малым сопротивлением (менее 1 Ом). Кроме того, величина тока может быть задана выбором источника опорного напряжения, выбором делителя в цепи опорного напряжения, выбором параметров частотозадающей RC - цепи. RC - цепь позволяет ограничивать время паузы между импульсами. Все входы микросхемы совместимы с микропроцессорами и логикой на 5В. Микросхема SMA7029M позволяет обеспечивать управление различными типами двигателей в различных режимах. В каждом из режимов работы необходимо создавать различную последовательность входных управляющих сигналов.

Данная микросхема может обеспечить работу шагового двигателя в режиме волнового управления (WAVE DRIVE). Кроме того, двигатель может использоваться для управления двигателем в режиме полного шага (FULL STEP). Данную микросхему вполне можно приспособить и для применения в режиме полушага (HALF STEP), только для этого потребуется усложнить схему управления драйвером двигателя в SMA7029M.