VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Шаговые двигатели имеют давнее и широкое применение в самых различных устройствах, особенно нас интересует область применения в специальном и промышленном оборудовании.

Для начала разберёмся, что собой представляет шаговый двигатель, его строгое определение такого: шаговый двигатель – это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения.

По сути же, шаговый двигатель является точечным механизмом: он совершает именно такие действия, и их количество, какие нужно в соответствии со строгим регламентом. Отличительная особенность этих двигателей – это возможность без датчика обратной связи осуществлять позиционирование по положению. Он относится к классу так называемых «бесколлекторных» двигателей постоянного тока. Такие двигатели как непосредственно и любые другие бесколлекторные электрические машины, имеют достаточно высокую надёжность и высокий срок службы, что в свою очередь позволяет применять их в самых разных индустриальных сферах. Если сравнивать обычные электродвигатели постоянного тока с шаговыми двигателями, то последние требуют более сложных схем управления, выполняющие абсолютно все коммутации обмоток.

Достоинство шагового двигателя заключается в том, что последовательная активация обмоток двигателя порождает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора, а угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель, что и обеспечивает ему полное выполнение действий и повторяемость их совершения. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5 % от величины шага. К счастью, эта ошибка не накапливается от шага к шагу в процессе работы. Ещё к достоинствам шагового двигателя относятся: возможность быстрого старта, остановки, реверсирования (возвратного действия), высокая надёжность, точность; также зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без возвратного действия. Имеется возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединённой непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора. Так как скорость пропорциональна частоте входных импульсов, можно перекрыть довольно большой диапазон скоростей. Срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников.

Когда требуется позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый двигатель является наиболее экономичным решением. Как и для обычных двигателей, для повышения момента может быть использован понижающий редуктор. Однако для шаговых двигателей редуктор не всегда подходит. В отличие от коллекторных двигателей, у которых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигатель имеет больший момент на низких скоростях. К тому же, шаговые двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными двигателями, что ограничивает максимальное передаточное число и, соответственно, увеличение момента с помощью редуктора.

К сожалению, шаговым двигателям присуще явление резонанса, возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи, а потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки. Затруднена работа на высоких скоростях, невысокая удельная мощность, относительно сложная схема управления. Когда требуется прецизионное позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый двигатель является наиболее экономичным решением.

По большей части описанная характеристика касается, пожалуй, тех шаговых двигателей, что имеются в принтерах и сканерах, но имеет влияние и в конвейерном производстве.

Сегодня существует три основных вида шаговых двигателей:

• Гибридные – наиболее часто используемые во фрезерных станках с числовым программным управлением;

• С постоянными магнитами;

• Двигатели, имеющие переменное магнитное сопротивление.

Гибридные двигатели являются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3.6 – 0.9 град.). Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.

Его применение особенно широко в станках с ЧПУ (числовое программное управление) по дереву, для воздушно-плазменной резки, фрезеровочные станки и другие.

Также шаговые двигатели используют для управления чертёжной головкой чертёжных автоматов, в устройствах контроля профилей кошмовальных станков, которые используют для контроля данных на перфоленте копировальных станков с цифровым программным управлением – шаговый двигатель служит для управления звёздочкой, передвигающей ленту.

К другим областям применения относятся факсимиле, устройство, предназначенное для передачи документов и чертежей на расстояние с помощью телефонных линий, называются факсимиле-машинами.

Документ, навернутый на барабан, сканируется и поворачивается (субсканирование), затем делится на графические элементы, которые переводятся в электрические сигналы фотоэлектрической считывающей головкой. Сигналы затем посылаются по линиям передач к принимающему устройству. Принимаемые сигналы демодулируют и воспроизводят записывающим пером. Горизонтальное сканирование и повороты барабана повторяются воспринимающим устройством. Шаговые двигатели используют при управлении барабаном для субсканирования как в передающем, так и в принимающем устройстве.

Полуавтоматическое устройство для монтажа плат – весь монтаж программируется и запоминается на перфоленте. Как только нажатием кнопки запускается программа монтажа, лампочка индикатора указывает первый из требуемых проводников. Одновременно с этим запускаются два шаговых двигателя, обеспечивающие перемещение по горизонтальной и вертикальной осям и определяется отверстие, в которое вставляется монтируемый проводник. Оба двигателя задействуются сразу, как только очередной монтаж выполнен.

Шаговые двигатели используют в космических летательных аппаратах, запускаемых для научного исследования планет. На сканирующей платформе располагают различные приборы, например, телевизионные камеры и ультрафиолетовые спектрометры. Шаговые двигатели применяют для их наведения на нужную цель. На аппарате Mariner использовали четырехфазные двигатели с постоянными магнитами 11-го калибра (27 мм в диаметре) с углом шага 90град. Зубчатая передача электропривода с передаточным отношением 9081:1, заключенная в металли­ческий контейнер, обеспечивает на каждом шаге двигателя поворот вала на 0,1792 м-рад (около 0.1 град.).