АНАЛИЗ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

ANALYSIS OF METHODS OF STEP MOTOR CONTROL

Alexey Melikhov

undergraduate, Department of Radioelectronic and Electrical Systems and Complexes, Don State Technical University,

Russia, Shakhty

Mikhail Kolesnik

undergraduate, Department of Radioelectronic and Electrical Systems and Complexes, Don State Technical University,

Russia, Shakhty

Oksana Chistyakova

undergraduate, Department of General Scientific and Special Disciplines, Federal Scientific Agroengineering Center VIM,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Данная работа посвящена обзору и анализу способов управления шаговыми электродвигателями различных типов. Рассмотрены основные области применения электродвигателей. Проведен сравнительный анализ шаговых двигателей с переменным магнитным сопротивлением, магнитного, а также гибридного типов.  Выполнен анализ схем коммутации фаз биполярного и униполярного шагового двигателя, подробно рассмотрены способы управления, такие как волновой, полношаговый, полушаговый и микрошаговый. Указаны их достоинства и недостатки.

ABSTRACT

This work is devoted to the review and analysis of ways to control stepper motors of various types. The main areas of application of electric motors are considered. A comparative analysis of stepper motors with variable magnetic resistance, magnetic, and hybrid types has been carried out. The analysis of phase switching circuits of a bipolar and unipolar stepper motor is carried out, control methods, such as wave, full-step, half-step and microstep, are considered in detail. Their advantages and disadvantages are indicated.

Ключевые слова: шаговый электродвигатель; управление; ток.

Keywords: stepper motor; control; current.

В настоящее время шаговые электродвигатели (ШД) получили весьма широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства. Например, в промышленности ШД активно используются в качестве приводов фрезерных, лазерных, плазменных координатных станков с числовым программным управлением, 3D принтерах. В быту данные двигатели применяют в принтерах, плоттерах, сканерах, тренажерах и прочем подобном оборудовании, в котором требуется обеспечить прецизионное перемещение механизмов. Столь активное применение ШД объясняется рядом их преимуществ по отношению к двигателям других типов. В сравнении с коллекторными электродвигателями, ШД имеют повышенную надежность за счет отсутствия щеточного узла, а прямая зависимость положения ротора ШД от входных импульсов управления обеспечивает позиционирование вала без датчика обратной связи (энкодера) [1]. Кроме того, ШД отличается также обеспечением сравнительно высокого механического момента на валу при низких скоростях вращения, что позволяет подключать нагрузку без применения дополнительного редуктора.

Наряду с перечисленными выше достоинствами ШД присущи также и недостатки, главным из которых является относительно высокая сложность схемы управления. Управление ШД может осуществляться несколькими способами, анализу которых посвящена данная работа.

Проведенный обзор показал, что ШД разделяются на 3 типа: ШД с переменным магнитным сопротивлением, ШД с постоянными магнитами и гибридные.

В ШД всех 3-х типов вращающий момент создается за счет магнитных потоков ротора и статора, ориентированных по отношению друг к другу соответствующим образом [2]. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля статора, создаваемого током в его обмотках. Если в одной из обмоток ШД протекает ток, то ротор принимает фиксированное положение и будет находиться в данном положении до тех пор, пока внешний момент, приложенный к валу, не превысит величину момента удержания. После этого ротор ШД повернется и будет пытаться принять последующее положение равновесия.

Наиболее часто применяемыми являются гибридные ШД, которые являются усовершенствованием ШД с постоянными магнитами [3]. Чаще всего ротор таких ШД имеет 50 пар полюсов и величину шага в 1,8 градуса. Статор гибридных ШД имеет две обмотки, которые также могут быть выполнены с отводами от середы, либо 4 независимых обмотки (см. рисунок 1). ШД с двумя обмотками называют – биполярным, в случае исполнения с отводами от середины ­– униполярным, с четырьмя обмотками ­– универсальным.

Рисунок 1. Конфигурации обмоток ШД

В процессе управления ШД требуется изменять величину и направление магнитного поля фаз. В биполярном ШД, содержащим по одной обмотке в каждой фазе, изменение направления магнитного поля в обмотке осуществляется путем изменения направления тока в ней посредством мостовой схемы, либо полумостовой схемы с двухполярным питанием (см. рисунок 2). Мостовая схема содержит 4 транзисторных ключа, 2 из которых верхние – ВК1 и ВК2, два нижние – ВН1 и ВН2. Диоды необходимы для защиты транзисторов от перенапряжения, возникающего в моменты коммутации индуктивной нагрузки (фазной обмотки ШД). Мостовая схема работает следующим образом. В момент открытия ключей ВК1, ВН2 при помощи специального драйвера (на схеме не показан) происходит линейное нарастание тока в фазной обмотке ШД, протекающего по цепи: плюс источника питания +Еп, ключ ВК1, фазная обмотка ШД от А к В, ключ ВН2, минус источника питания (общий). Для изменения направления тока в обмотке драйвер открывает ключи ВН1 и ВК2, при этом ток протекает по цепи: плюс источника питания +Еп, ключ ВК2, фазная обмотка ШД от В к А, ключ ВН1, минус источника питания. Управление ключами в данной схеме должно осуществляться таким образом, чтобы исключить одновременное открытие ключей ВК1, ВН1 и ВК2, ВН2 для предотвращения протекания сквозного тока через них.

Полумостовая схема содержит двухполярный источник питания, обеспечивающий питающие напряжения +Еп и –Еп, и 2 транзисторных ключа К1, К2. Для обеспечения прямого прохождения тока через фазную обмотку ШД (от вывода А к выводу В) специальный драйвер открывает ключ К1, а для обратного прохождения тока через обмотку (от В к А) – ключ К2. Защитные функции специального драйвера должны также препятствовать одновременному открытию ключей К1 и К2.

Рисунок 2. Схемы управления током фазы биполярного ШД.

Униполярный ШД как и биполярный также имеет по одной обмотке в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Такая конфигурация обмоток униполярного ШД позволяет изменять направление магнитного поля статора простым переключением половин обмоток. Это позволяет упростить силовую схему. Данная схема показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема управления током фазы униполярного ШД.

Управление ключами в данной схеме обычно осуществляется напрямую от микроконтроллера без использования специализированного драйвера, кроме того случайное одновременное открытие ключей не приведет к выходу их из строя, либо короткому замыканию цепи питания. Основной недостаток данной схемы состоит в том, что магнитное поле, создаваемое половиной витков обмотки, оказывается вдвое меньшим, чем включенной под ток всей обмоткой. Это, несомненно, приводит к снижению вращающего момента ротора ШД.

Анализ различных источников показал, что известно 4 способа управления фазами ШД: волновой, полношаговый, полушаговый и микрошаговый.

Волновой способ реализует поочередную коммутацию фаз без их перекрытия таким образом, что в один момент времени только одна фаза ШД может находиться под током (см. рисунок 4).  В англоязычной литературе данный способ называют «one phase on» или «wave drive mode».

Рисунок 4. Волновой способ управления ШД

Недостатком волнового способа управления является то, что для биполярного ШД в отдельно взятый момент времени используется только 50% обмоток, а для униполярного ШД только 25% обмоток. В результате при таком способе управления полный вращающий момент ротора ШД не может быть достигнут.

Полношаговый способ управления обеспечивает коммутацию фаз ШД с перекрытием. Фазы ШД оказываются под током в один момент времени (см. рисунок 5).

Рисунок 5. Полношаговый способ управления ШД

В англоязычной литературе данный способ называют «two-phase-on» или «full step mode». В полношаговой режиме управления ротор от шага к шагу фиксируется в промежуточных позициях между полюсами статора ШД. Способ обеспечивает вдвое больший вращающий момент по сравнению с волновым. Полношаговый способ обеспечивает величину шага двигателя такую же, как и волновой способ, но положение точек равновесия ротора смещено на половину шага.

Полушаговый способ является комбинацией волнового и полношагового способов (см. рисунок 6), ШД производит шаг в половину основного. В иностранных источниках данный способ известен под названием «half step mode».

Рисунок 6. Полушаговый способ управления ШД

При каждом втором шаге лишь одна фаза находится под током, а в остальных случаях под током находятся 2 фазы. В результате, угловое перемещение ротора ШД составляет половину угла шага для волнового и полношагового способов управления. Полушаговый способ обычно не позволяет получить полный вращающий момент ротора, однако современные устройства управления  реализуют модифицированный полушаговый режим, в котором двигатель обеспечивает практически полный момент, при этом рассеиваемая мощность не превышает номинальной мощности ШД.

При микрошаговом способе управления ШД, называемом в иностранных источниках «micro stepping mode», фазный ток изменяется небольшими шагами, что обеспечивает деление (дробление) половинного шага на микрошаги. В данном способе одновременно находятся под током обе фазы ШД, однако величины тока в них не равны между собой и положение равновесия ротора относительно полюсов статора лежит не посредине шага, а в другом месте, определяемом соотношением фазных токов. Изменяя соотношение фазных токов, обеспечивается требуемое число микрошагов внутри шага.

При микрошаговом способе управления ШД возможно реализовать различные коэффициенты деления шага, наиболее используемые из них 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32.

К достоинствам микрошагового способа управления ШД следует отнести меньшие вибрации ротора, и практически бесшумная работа электродвигателя на низких частотах, более высокая точность позиционирования, менее ярко выраженный электромеханический резонанс. Недостатком микрошагового управления ШД является существенно более сложная схема коммутации фаз, позволяющая задавать ток в фазных обмотках с необходимой дискретностью.

Список литературы:

1. Азарян А.А., Черных С.В., Волошин А.П. Особенности применения шаговых двигателей для электропривода механизмов с программным управлением // Международный научный журнал «Инновационная наука». – 2015. – № 4. – С. 6-8.
2. Губанова А.А., Гузаревич А.С., Таридонов Н.Е. Система управления шаговым двигателем // Электроника и электротехника. – 2018. – № 2. – С. 41-47.
3. Соломин В.А., Соломин А.В., Трубицина Н.А., Замшина Л.Л. Шаговые асинхронные двигатели для электропривода // Транспортные системы и технологии. – 2021. – Т. 7. – № 1. – С. 85-98.