Биполярные и униполярные приводы шаговых двигателей: сравнение

Шаговый двигатель — это тип бесщеточного двигателя постоянного тока, состоящего из соединенных катушек, называемых «фазами». Эти электромеханические устройства обычно работают по разомкнутому контуру без датчика обратной связи, при этом ток подается на фазы без знания положения ротора. Ротор перемещается в выравнивание посредством магнитного потока статора, генерируемого током, протекающим в фазах. При каждом импульсе ток может подаваться на следующую фазу, обеспечивая постепенные вращательные движения или шаги.

Существует два способа подачи тока в катушки: биполярный и униполярный. В этой статье будут объяснены различия между биполярными и униполярными двигателями, методы их управления, а также преимущества и ограничения.

На рисунке 1 показан четырехступенчатый шаговый двигатель с постоянными магнитами. Ротор состоит из магнита с одной парой полюсов, а статор состоит из двух фаз: фазы A и фазы B. В униполярном методе ток всегда течет в одном и том же направлении. Каждая катушка предназначена для одного направления тока, поэтому запитывается либо катушка A+, либо A-; катушки A+ или A- никогда не подаются вместе. При биполярном методе ток может течь в обоих направлениях во всех катушках. Фазы A+ и A- запитываются вместе. Для биполярного двигателя требуется минимум одна катушка на фазу, а для униполярного двигателя требуется минимум две катушки на фазу. Вот подробный обзор обоих вариантов:

В униполярной конфигурации каждая фаза двигателя состоит из двух катушечных обмоток. Двухфазный двигатель, состоящий из фаз A и B, имеет четыре обмотки катушки, как показано на рисунке 2.

Фаза А состоит из А+, А-

Фаза B состоит из B+, B-

Ток в каждой катушке может течь только в одном направлении, что делает его униполярным. В приводе по напряжению система управления проста: на каждую катушку приходится только один переключатель или транзистор. Когда транзистор закрыт, на катушку подается питание. Для коммутации двигателя транзисторы попеременно закрываются и открываются.

На рисунке 3 транзисторы Q1 и Q2 не могут быть закрыты одновременно. Чтобы подать питание на фазу А, вы должны закрыть транзистор Q1 или Q2, в зависимости от направления, в котором вам нужно, чтобы ток работал. При униполярном управлении одновременно питается только половина фазы, поэтому ток использует только половину объема меди. В преобразователях напряжения обычно применяются последовательные сопротивления для уменьшения электрической постоянной времени. Этот сценарий будет описан далее в статье.

Биполярным двигателям требуется только одна обмотка катушки на фазу, и ток может течь в обоих направлениях на катушку. Для управления биполярными двигателями необходимы восемь транзисторов с двумя Н-мостами, как показано на рисунке 4.

На рисунке 5 транзисторы попеременно закрываются и открываются для обеспечения коммутации. Преимущество биполярных приводов заключается в использовании всей меди на фазу. Эти биполярные приводы используются либо в приводе напряжения двигателя, либо в источнике тока. Для источника тока ток в каждой фазе контролируется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для ШИМ используются два метода: медленное затухание или быстрое затухание, в зависимости от того, должен ли ток уменьшаться медленно или быстро через фазу двигателя во время «выключения» ШИМ.

Привод напряжения. Простая схема с четырьмя транзисторами обеспечивает экономичное униполярное управление. Для управления напряжением биполярных двигателей требуется два Н-моста (восемь транзисторов).

Текущий диск. Биполярный режим предпочтителен для приводов тока, поскольку униполярная технология требует более сложной электроники для достижения меньшей производительности двигателя.

Меры предосторожности при работе с напряжением. Из-за эффекта индуктивности току в катушке требуется некоторое время, чтобы нарастать. Для униполярного или биполярного привода вы можете добавить последовательное сопротивление, чтобы уменьшить электрическую постоянную времени (L/R). При добавлении внешнего сопротивления ток уменьшается (i = U/(R+r)).

Таким образом, добавление сопротивления при той же мощности приводит к снижению крутящего момента на низкой скорости. Ток ниже из-за джоулевой мощности, рассеиваемой на внешнем сопротивлении. Поскольку крутящий момент пропорционален току, двигатель будет развивать меньший крутящий момент. На высокой скорости это приводит к более высокому крутящему моменту. Даже если некоторая мощность в джоулях рассеивается на внешнем сопротивлении, двигатель сможет развивать больший крутящий момент благодаря более низкой электрической постоянной времени. Это позволяет току в катушке нарастать быстрее. (Примечание. При увеличении напряжения питания можно компенсировать более низкий ток; однако общая энергоэффективность будет ниже. Крутящий момент улучшается на высокой скорости и сохраняется на низкой скорости.)