Содержание
- Краткое резюме
- Принцип работы шаговых двигателей
- Режимы шага: полный, полушаг и микрошаг
- Конструкция и особенности настоящего шагового двигателя
- Управление и применение
- Итоги
Краткое резюме
- Шаговые двигатели обеспечивают точное позиционирование за счёт дискретных шагов поворота ротора (обычно 200 шагов за оборот, то есть по 1,8° каждый).
- Уникальность шаговых моторов — способность удерживать положение без датчиков положения благодаря магнитному взаимодействию зубцов ротора и статора с обмотками.
- Существуют режимы шага: полный шаг, полушаг, микрошаг, которые позволяют увеличивать разрешение позиционирования за счёт более сложного управления питанием обмоток.
- Для управления подачей мощности используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), что иногда вызывает шумы, но современные драйверы работают на высоких частотах, чтобы избежать этого.
- Реальные шаговые двигатели для 3D-принтеров и ЧПУ имеют сложную конструкцию ротора с двумя зубчатыми колесами и мощным неодимовым магнитом для высокой силы удержания и крутящего момента.
- Благодаря стабильности и точности шагов шаговые двигатели широко применяются в 3D-принтерах, станках и робототехнике без необходимости в датчиках положения.
Принцип работы шаговых двигателей
Шаговый двигатель — уникальное устройство, позволяющее точно контролировать угол поворота ротора без датчиков положения. Обычно шагов насчитывается 200 за полный оборот, каждый шаг — это поворот на 1,8°. Такая точность достигается благодаря поочерёдному питанию двух обмоток статора, расположенных под углом 45°.
Статор состоит из сердечников с обмотками, которые создают переменные магнитные поля при переключении полярности, притягивая зубцы ротора — постоянного магнита с противоположным расположением полюсов. Это удерживает ротор в фиксированном положении и совершает дискретные повороты (шаги).
«Удержание — важнейшее свойство шаговых моторов, позволяющее, например, роботизированной руке не обвисать под собственным весом.»
Режимы шага: полный, полушаг и микрошаг
Если подавать питание поочерёдно на каждую из двух обмоток, ротор поворачивается с шагом 45° в упрощённой модели (в реальных — 1,8°).
Для повышения точности применяют режим полушага, когда между полными шагами подаётся питание одновременно на две обмотки. В результате добавляются промежуточные положения ротора — теперь один оборот делится на вдвое большее количество шагов.
Микрошаг — ещё более тонкое деление шагов, достигающее несколькими десятками или сотнями микрошага на один шаг двигателя. Мощность обмоток регулируется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для плавного позиционирования.
Однако у микрошагов есть минусы:
- Снижается сила удержания из-за виртуальных положения ротора между сердечниками.
- Усложняется управление двигателем.
Современные драйверы благодаря высокочастотному ШИМу позволяют избегать слышимых шумов мотора.
Конструкция и особенности настоящего шагового двигателя
В реальных двигателях, например в 3D-принтерах, используется двухзубчатый ротор — два зубчатых колеса по 50 зубьев, повёрнутых относительно друг друга, между которыми расположен мощный неодимовый магнит. Одно колесо намагничено южным полюсом, другое — северным.
Статор содержит зубчатые сердечники с обмотками, всего 48 зубьев, что вместе с конструкцией ротора обеспечивает очень высокую точность и мощную фиксацию положения.
Когда на обмотку подаётся питание, зубья статора притягивают ротор в нескольких точках, создавая значительную силу удержания.
«Провернуть такой мотор рукой практически невозможно — сила удержания просто шикарная.»
Увеличение размеров двигателя ведёт к увеличению длины зубьев и повышению крутящего момента.
Управление и применение
Подавая питание на разные обмотки с разной полярностью, ротор поворачивается в нужную сторону — реализуется направление и шаги. Благодаря этой конструкции двигатель совершает точные шаги 1,8° без датчиков положения ротора.
В 3D-принтерах и робототехнике позиционирование получается за счёт подсчёта пройденных шагов, что абсолютно точно. Для безопасности и повышенной точности в сложных ЧПУ станках используют дополнительные датчики, но это отдельная тема.
Шаговые двигатели широко применяются в 3D-принтерах, ЧПУ станках, роботах и роботизированных руках благодаря своей точности, надёжности и простоте управления.
Итоги
Шаговые двигатели — это простые, но изящные устройства, основанные на взаимодействии магнитных полей с зубчатым ротором и статором, обеспечивающие точное управление положением вала без обратной связи.
Режимы полного шага, полушага и микрошага позволяют балансировать между точностью и сложностью управления.
Современные драйверы делают работу моторов бесшумной и комфортной.
Именно благодаря таким шаговым двигателям возможна создание точных, компактных и надёжных 3D-принтеров и роботов, которые сегодня становятся всё доступнее и популярнее. 🚀