Обычный электродвигатель основан на простой части науки о магнитах , которую мы все изучаем в школе: в отличие от полюсов притягиваются, как полюса отталкиваются. Вот как работает базовый двигатель. Вы берете кольцеобразный магнит, вставляете в него катушку с проволокой и пропускаете через нее электричество . Провод становится временным магнитом, работающим от электричества, другими словами, электромагнитом, и создаваемое им магнитное поле отталкивает поле постоянного магнита, который его окружает. Включая и выключая ток с помощью небольшого умного устройства, называемого коммутатором , и некоторых электрических контактов, называемых щетками ., вы можете заставить провод вращаться в одном и том же направлении бесконечно. Подайте в него электричество (электрическую энергию), и вы получите обратно движение (механическую энергию). В этом суть обычного двигателя, использующего электричество постоянного тока . Если вы не совсем уверены в том, как работает такой двигатель, вы можете прочитать нашу вводную статью об электродвигателях, а так же, дополнительно обратиться вот сюда, на сайт «Настанок», чтобы узнать больше информации о том, какие драйвера вы можете установить.
Мы также можем производить двигатели, которые работают на переменном токе вместо постоянного. Хотя они спроектированы совершенно по-другому, они по-прежнему основаны на том, что «полюса отталкиваются, а полюса не притягиваются»: электричество, питающее двигатель, создает магнитное притяжение и отталкивание, а также силу, заставляющую двигатель вращаться. Вы найдете больше о двигателях переменного тока, которые также называются асинхронными двигателями, в нашей статье об асинхронных двигателях переменного тока .
Независимо от того, питаются ли они от постоянного или переменного тока, обычные двигатели — это скрытые электрические мускулы, приводящие в действие современную жизнь: вы найдете их во всех видах гаджетов и приспособлений в окружающем вас мире, от блендеров для пищевых продуктов и холодильников до пылесосов и электродвигателей . поезда. Но во всех этих машинах роторы двигателей вращаются непрерывно. Когда вы пылесосите ковер или едете на работу в метро, двигатели, которые работают на вас, поворачиваются произвольное количество раз: нет точного контроля над тем, сколько раз они вращаются и на какой угол они вращаются — и это действительно не так. иметь значение.
Теперь предположим, что вы хотите сделать руку робота с электроприводом , которая поворачивается на определенный угол (точное число градусов), чтобы она могла успешно взять чашку кофе с вашего стола. Вы можете установить электродвигатель на деревянную или пластиковуюрычаг, чтобы заставить его вращаться, когда вы включаете питание, и вы можете очень коротко включить питание, чтобы рука прошла под определенным углом, а затем остановилась. Проблема в том, что невозможно узнать, на какой угол сдвинется двигатель (или рука): это зависит от всего, от мощности двигателя и электрического тока, приводящего его в движение, до веса руки и даже в какую сторону. ветер дует. Мотор, который движется таким произвольным образом, совершенно бесполезен в робототехнике: ваш кофе обязательно окажется на полу! Вот тут-то и появляется шаговый двигатель: это особый тип двигателя постоянного тока, разработанный таким образом, что вы можете заставить его вращаться на точный угол, а не на случайную величину.
Что такое шаговый двигатель?
Шаговые двигатели отличаются от обычных двигателей постоянного тока по крайней мере четырьмя важными аспектами.
Первое отличие, которое вы заметите, заключается в том, что у них нет щеток или коммутатора (части двигателя постоянного тока, которые меняют направление электрического тока и поддерживают постоянное вращение ротора — вращающейся части двигателя — в одном и том же направлении). Другими словами, шаговые двигатели являются примерами того, что мы называем бесщеточными двигателями . (Вы также найдете бесщеточные двигатели во многих электромобилях, спрятанные в ступицах колес; используемые таким образом, они называются ступичными двигателями .)
Второе важное отличие заключается в том, что вращается. Помните, что в базовом двигателе постоянного тока есть внешний постоянный магнит или магниты, которые остаются неподвижными, известные как статор, и внутренняя катушка или катушки проволоки, которые вращаются внутри него, то есть ротор. В бесщеточном ступичном двигателе витки проволоки статичны в центре, а постоянные магниты вращаются вокруг них снаружи. Шаговый двигатель снова отличается. На этот раз постоянные магниты находятся внутри и вращаются (составляя ротор), а катушки находятся снаружи и остаются неподвижными (составляя статор).
Третье большое различие между обычным двигателем постоянного тока и шаговым двигателем заключается в конструкции статора и ротора. Вместо одного большого магнита снаружи (статора) и одной большой катушки, вращающейся внутри него (ротора), шаговый двигатель имеет внутренний магнит, эффективно разделенный на множество отдельных секций, которые выглядят как зубья на зубчатом колесе . Внешние катушки имеют соответствующие зубцы, которые обеспечивают магнитные импульсы, притягивая, отталкивая и заставляя зубья внутреннего колеса вращаться небольшими шагами. Это станет ясно, когда мы посмотрим на некоторые фотографии.
Последнее отличие заключается в том, что шаговый двигатель может оставаться неподвижным в определенном положении после поворота на определенный угол. Это, очевидно, крайне важно, если вы хотите, чтобы двигатель приводил в действие что-то вроде руки робота, которая могла бы вращаться на определенную величину, а затем оставаться точно в этом месте, в то время как другая часть робота делает что-то еще. Эту функцию иногда называют удерживающим крутящим моментом (крутящий момент — это сила вращения чего-либо, поэтому «удерживающий крутящий момент» просто означает способность шагового двигателя оставаться неподвижным).
Как работает шаговый двигатель?
Основная конструкция
Я собираюсь упростить шаговые двигатели, чтобы проиллюстрировать простую центральную идею: (внутренний) ротор шагового двигателя вращается небольшими дискретными шагами (шагами), потому что (внешний) статор подает магнитные импульсы, которые тянут и толкают его. .
РоторСам ротор состоит из двух дисков, немного похожих на шестерни, один из которых представляет собой магнитный северный полюс (красный), а другой — южный полюс (синий). Когда мы кладем два диска спиной к спине, мы получаем зубцы северного и южного полюсов, чередующиеся по краю. Если вам трудно это представить, представьте, что ваша левая рука — это магнитный северный полюс и окрашена в красный цвет, а правая — это магнитный южный полюс и окрашена в синий цвет. Если вы положите одну руку поверх другой так, чтобы пальцы одной руки чередовались с пальцами другой, а затем посмотрите вниз, вы увидите чередующиеся «зубцы» (пальцы) северного и южного полюсов по краю. Фактически это то, что мы имеем в роторе шагового двигателя.
СтаторВокруг края ротора у нас есть статор: в этом примере четыре электромагнита, которые можно включать и выключать по отдельности. Как правило, электромагниты в шаговом двигателе работают парами, при этом каждая противоположная пара магнитов включается вместе, чтобы одновременно образовать северный полюс, за которым следуют магниты под прямым углом, которые также работают вместе. Я предпочитаю рисовать его немного другим способом, который, как мне кажется, проще и понятнее. Что именно и когда включается, зависит от того, сколько зубцов (ступеней) ротора и сколько катушек электромагнита их окружает: геометрия и выравнивание шагового двигателя должны быть правильными, чтобы ротор вращался.
Как он вращается
- Правый электромагнит находится под напряжением и становится северным полюсом (красный), а левый электромагнит становится южным полюсом (синий). Это тянет ротор на один шаг, так что синий зубец на роторе щелкает по направлению к правому электромагниту, а красный зуб щелкает по направлению к левому электромагниту.
- Теперь нижний электромагнит становится северным полюсом, верхний магнит становится южным полюсом, а два горизонтальных магнита выключаются. Опять же, зубья ротора протягиваются на один шаг.
- Вертикальные магниты теперь выключены, а горизонтальные магниты снова включены, но с противоположной полярностью (моделью магнетизма), которая была у них раньше. Зубья ротора продвигаются еще на один шаг.
- Наконец, вертикальные магниты снова включаются с полярностью, противоположной предыдущей, а горизонтальные магниты выключаются. Ротор делает еще один шаг. Затем весь цикл повторяется.
Помните, что шаговый двигатель на самом деле не предназначен для постоянного вращения: посылая столько или меньше импульсов на внешние электромагниты, сколько необходимо, мы можем заставить ротор вращаться на определенное количество шагов (и, следовательно, на точный угол). Мы можем заставить его вращаться в противоположную сторону, изменяя направление электрического тока.