Усадка бетона в процентах

Усадка бетона

Усадка бетона – явление, которое возникает при твердении бетонной смеси и заключается в уменьшении объема элемента или конструкции. Оно происходит из-за потери материалом влаги, уплотнения, протекания различных химических реакций и физических процессов. Чаще всего коэффициент усадки бетона небольшой, но пренебрегать эти фактором не рекомендуется, поскольку в будущем это может сказаться на эксплуатационных характеристиках здания, в том числе на его долговечности.

Виды усадки бетона и причины их возникновения

По времени появления и развития различают следующие виды усадочных процессов:

  • Ранний (капиллярный, пластический). Этот вид усадки протекает в течение 2-8 часов после заливки и уплотнения бетона. Происходит из-за потери бетонной смесью воды под воздействием яркого солнца, ветра, высоких температур окружающей среды. Вода из бетонной смеси может вытекать через неплотно соединенные элементы опалубки. Величина ранней усадки – 0-4 мм/метр. Для снижения усадки бетона после вибрирования бетонную поверхность во время высыхания увлажняют. Особенно часто это делают в первые часы после заливки. Уменьшить раннюю усадку позволяет корректный монтаж опалубки.
  • Аутогенный. Его начало совпадает с началом схватывания. Процесс возникает в «молодом» бетоне и может длиться от нескольких дней до нескольких недель, пока материал затвердевает и набирает марочную прочность. Происходит в результате гидратации цемента в смесях с водоцементным соотношением ниже 0,45. Величина усадки небольшая – 0-1 мм/м.
  • При высыхании. Начинается в момент прекращения ухода за бетонной конструкцией, может длиться от нескольких недель до нескольких лет. Причиной протекания процесса является низкая относительная влажность окружающего воздуха. В зависимости от ее значения усадка бетона при высыхании составляет – 0-5 мм/м. В современном строительстве проблема возникновения и протекания этого процесса решается введением минеральных добавок и грамотным армированием.

Уменьшение линейных размеров конструкции может продолжаться до полутора лет. Но наиболее интенсивно этот процесс проходит в первые 3-4 месяца, а затем значительно замедляется.

Определение коэффициента усадки бетона

Коэффициент усадки бетона – относительная величина, измеряемая в процентах в соответствии с ГОСТом 24544-81, СНиПами, среднее значение – 1,5%, максимально допустимое – 3%. Усадочный коэффициент определяется изменением объема (или линейного размера) относительно исходной величины.

Способы снижения усадки

Значительные усадочные процессы крайне негативно влияют на эксплуатационные характеристики зданий и сооружений – приводят к образованию трещин и разрушению строительных конструкций.

Поэтому в современном строительстве принимаются эффективные меры, сводящие усадочные процессы к минимуму:

  • Оптимизация состава бетонной смеси. Использование алитовых цементов обеспечивает меньшие усадочные процессы по сравнению с алюминатными вяжущими. Усадочный коэффициент снижает использование портландцемента (а не глиноземных или высокоактивных цементов), крупнофракционных тяжелых заполнителей.
  • Обеспечение нормативных условий набора прочности бетонной конструкцией.
  • Использование расширяющихся цементов и добавок, сводящих к минимуму усадочные процессы.
  • Качественное усиление бетонной конструкции с помощью арматурной стали или композитной арматуры. Наличие объемного или плоского каркаса положительно влияет на снижение усадочных процессов.

Увеличивают усадочные процессы: низкая относительная влажность воздуха, нарушение нормативных условий твердения, применение ускорителей твердения бетона, использование легких заполнителей.

Виды и коэффициент усадки бетона — неизбежен ли процесс?

Независимо от прочности строительных материалов, усадка бетона все же неизбежна. Неучет застройщиком такого процесса приводит к негативным результатам. Появление трещин, ползучесть бетона провоцирует несоответствие заложенного в смете коэффициента сокращения объема фундамента и величины конечной. Это приводит к разрушению конструкции.

  1. Строительный регламент
  2. Что такое усадка?
  3. Почему возникает?
  4. Коэффициент
  5. Виды усадки
  6. Пластическая
  7. Аутогенная
  8. При высыхании
  9. Стадии усадочного процесса
  10. Первичная
  11. Вторичная
  12. Профилактика усадки

Строительный регламент

Среди нормативных документов, регулирующих расчет усадки, выделяют:

  • СНиП 52—01—2003, в котором изложены основные положения о бетонных конструкциях;
  • ГОСТ 24544–81 — о методах определения деформаций усадки и ползучести.

Что такое усадка?

Процесс засыхания и затвердения, в результате которого происходит уменьшение объема цементного состава. Конечно, отсутствие такого процесса является невозможным. В практике строительства показатель усадки небольшой — 1%, но и этой цифры достаточно, чтобы внести изменения в строительную документацию. Но с помощью ряда методик можно добиться минимизации показателя. Застывание бетонного раствора — это процесс, в ходе которого и происходит усадка. Время зависит, в большей мере, от состава и параметров цемента, и составляет диапазон от получаса или несколько часов.

Почему возникает?

Появление связывают с испарением воды цементного состава, при котором немаловажное место отводится действию сил капилляров структуры смеси. В результате их сужения изделие уплотняется, а это и вызывает усадку. Роль влаги в этом — основная, а появление ее зависит не только от условий среды, но и от особенностей цемента, используемого при замешивании. Высокий показатель усыхания возможен только при наличии большого количества алюминатов в материале. А чтобы снизить этот параметр используют алитовые цементы. Следовательно, усадка бетона связана с такими факторами:

  • погодные условия;
  • количественные показатели составляющих раствора;
  • объем влаги;
  • наличие армирующих элементов.

Коэффициент

Его считают величиной относительной, которая обозначается в процентах. Показатель указывает на изменения в объеме по сравнению с первоначальными измерениями. Чтобы уменьшить коэффициент усадки бетона, формируя строительную смесь, используют пористые низкомодульные заполнители, вибратор при уплотнении, дополнительную тепловлажную обработку. Средняя величина усадки бетонного изделия согласно ГОСТам — 1,5%.

Виды усадки

Пластическая

Возникновение трещин происходит в жидком состоянии при быстром высыхании раствора. Это происходит, когда испарение на поверхности больше, чем количество выделения влаги внутри. Хотя такие трещины неглубокие, все же ширина их достигает 3 мм. Факторы появления:

  • небольшой показатель влажности воздуха;
  • жаркая температура;
  • большие порывы ветра;
  • температурные перепады;
  • сильный обогрев поверхности солнцем.

Аутогенная

Его называют «внутренним высыханием», являющимся следствием химических процессов. Объем изменяется при помещении изделия в герметическую среду, где нет обмена влагой. Около половины такого процесса наблюдается в течение суток. Аутогенная усадка бетона возникает при наличии меньшего объема продуктов гидратации, чем был до этого.

Поскольку процессы присутствуют в середине конструкции, проблемы внешним уходом не решаются.

При высыхании

Происходит после того, как бетонная смесь схватилась. Но это продолжительный процесс, результатом которого наблюдается сокращение объема бетонного изделия от нехватки влаги. Усадка происходит при хранении конструкции не в помещении, а на открытом воздухе. На скорость формирования усадочных растяжений влияет продолжительность ухода, а это помогает предупредить трещинообразование на раннем этапе.

Стадии усадочного процесса

Первичная

Возникает в период, когда еще жидкий, пластический бетон находится в процессе схватывания. А причиной этого может быть опалубка, через которую происходит утечка влаги или, наоборот, ее поглощение, а также испарение. На объем усадочного процесса влияют виды ухода, степень всасывания воды. На основании этого проводят соответствующие действия на уменьшение уровня.

Вторичная

Это усадка бетона при твердении и в процессе высыхания. Она считается частично безвозвратным процессом, так как при увлажнении происходит расширение объема бетона, хотя возвращение в первоначальное состояние уже невозможно. Факторы, влияющие на величину усадки:

  • вид используемого цемента;
  • жирность бетонного раствора;
  • количество содержания воды;
  • типы заполнителей.

Профилактика усадки

Во избежание такой проблемы подходят ответственно к технологии замешивания бетона, не ошибиться в расчетах количества всех составляющих веществ. Качественное получение строительного раствора при заливке бетона — основная задача строителя. А также обязательно добавлять присадки и пластификаторы. Они помогут с увеличением показателя прочности бетонной конструкции, обеспечив меньшие потери. Продукция современного строительного рынка представлена разными вяжущими веществами, которые за счет расширения, вступив в реакцию с водой, увеличивают объем раствора. Кроме того, важно, что изменения сохраняются по истечении времени высыхания.

Коэффициент усадки бетона: значение показателя, увеличение

В настоящее время не существует идеального строительного материала. Любой, даже самый современный строительный материал имеет свои преимущества и недостатки. В строительстве очень широко применяется бетон. Он обладает высокой прочностью, устойчивостью к механическим и химическим воздействиям, большим сроком эксплуатации. Существует такое понятие, как коэффициент усадки бетона. Несмотря на высокую прочность, бетон непосредственно после застывания способен изменять свои размеры. Все это может негативно сказаться на внешнем виде конструкции. Интересен тот факт, что со временем данный показатель увеличивается.

Усадка бетона представляет собой явление, в котором залитая масса изменяет свои размеры и конфигурацию в процессе схватывания.

Некоторые полагают, что усадка бетона зависит только от внешних факторов. Это не совсем верно. Необходимо помнить, что осаждение — это естественный процесс. При этом основная задача строителей при заливке бетона — сделать его более качественным путем внесения различных добавок и снизить тем самым коэффициент усадки. Рассмотрим более подробно значение данного показателя в строительстве, величину усадки бетона при нормальных условиях.

Что представляет собой осаждение

Даже самый качественный бетон склонен осаждаться. Полностью избежать этого явления невозможно. Усадка бетона — это явление, при котором залитая масса изменяет в процессе схватывания свои размеры и конфигурацию. В процессе ее происходит уплотнение и затвердевание бетона. Большое значение имеет то, что на интенсивность и величину ее могут влиять факторы физической и химической природы.

Схватывание бетона в зависимости от его марки и наличия специальных добавок происходит в течение нескольких десятков минут или часов. Зачем же требуется определять возможную величину усадки бетона в ходе строительных работ?

Ответ довольно прост. Это необходимо для того, чтобы правильно рассчитать толщину бетона. Последний используется главным образом при заливке фундаментов, строительстве дорог, бетонных дорожек. Во всех случаях залитая поверхность должна иметь определенную толщину и форму. От этого зависит прочность и долговечность конструкции. В силу всего этого расчет коэффициента осаждения нужен для того, чтобы правильно залить бетон. В этом случае он должен быть с запасом. Расчетный и фактический показатель толщины и формы бетона должны совпадать. В противном случае избыток бетона будет непросто убрать, а недостаток сложно восполнить.

Вернуться к оглавлению

Какой бывает усадка бетона

Коэффициент осаждения — это величина, которая указывается в нормативных документах по строительству. Рассматриваемый коэффициент во многом зависит от качества приготовления бетонной смеси. Усадка бетона в зависимости от временных параметров бывает следующих типов:

  • пластическая;
  • молодого бетона;
  • зрелого бетона.

Пластическая усадка бетона.

В первом случае усадка наблюдается еще до момента полного затвердения. В строительной сфере имеется такое понятие, как проектный возраст бетона. Эта величина составляет 28 дней и свидетельствует о полном его затвердении и пригодности для дальнейших строительных работ. Усадка молодого (твердеющего) бетона появляется до этого срока. Кроме того, изменение размеров материала может проявляться и в более поздние сроки (позднее 28 дня).

Немаловажное значение имеет классификация в зависимости от этиологического фактора. В данной ситуации выделяют контракционную и влажностную. Что же касается пластической усадки, то она входит в понятие влажностной. Контракционный тип еще называют стяжением бетона. Основная причина этого явления — химическое взаимодействие компонентов (воды и минеральных веществ). Важно то, что подобная усадка приводит к повышению количества пор в материале, что снижает его эксплуатационные характеристики.

Влажностный тип имеет свои отличительные черты. Она развивается в процессе высушивания бетонной смеси. В результате всего этого количество воды в бетоне резко уменьшается и он дает усадку. Она имеет наибольшее значение, нежели предыдущая. На самом раннем этапе уменьшения количества влаги можно наблюдать пластическую усадку. Она в большинстве случаев наблюдается в первые полчаса с момента заливки бетона. Важно, что на величину коэффициента усадки влияет наличие или отсутствие арматуры, количество в жидком бетоне воды.

Вернуться к оглавлению

Коэффициент усадки материала

Коэффициент — это показатель, отражающий изменение объема относительно первоначального в процессе заливки.

Усадка молодого бетона.

Измеряется он в процентах. Оптимальным считается коэффициент менее 1,5%. Во всех остальных случаях подобный коэффициент указывает на значительные изменения в структуре бетона. В ряде случаев высокий коэффициент усадки является фактором риска появления трещин и других дефектов в залитом строительном материале. Нужно помнить, что коэффициент зависит и от марки бетонной смеси. Чем выше последняя, тем меньше будет коэффициент.

Среднее значение коэффициента на сегодняшний день находится в пределах от 0,97 до 1. Подобных цифр довольно сложно добиться непрофессионалу, который не имеет большого опыта в приготовлении бетонного раствора. Высокий коэффициент может быть следствием неправильного вибрирования смеси. Нередко коэффициент увеличивается настолько, что в последующем приходится наращивать бетон в месте усадки. Все это чревато снижением его несущей способности и порчей. Кроме того, процесс наращивания занимает значительное количество времени, что очень важно при возведении зданий и сооружений.

Вернуться к оглавлению

Абсолютная величина усадки

Абсолютная величина усадки бетона.

Коэффициент усадки позволяет оценить возможные потери. Наряду с ним строителям необходимо знать точные цифры в перерасчете на толщину залитого бетона. В нормальных условиях величина усадки бетонной смеси составляет около 0,2-0,4 мм/м. На первый взгляд, показатели очень незначительны. Но если учесть площадь залитой смеси и ее полную толщину (нередко она достигает нескольких метров), то величина будет ощутимой. В отношении жидкого цемента цифры будут совсем другие. В обычных условиях при твердении цемента усадка составляет 3-5 мм/м.

В процессе возведения того или иного здания работниками должна составляться смета. Она включает в себя различные расчеты, в том числе расчет коэффициента усадки. Не нужно забывать про то, что даже при полном твердении смеси усадка имеет место. В процессе эксплуатации сооружений на материал оказывает влияние атмосферный воздух (углекислота) и атмосферные осадки. Большое значение имеет резкое изменение температуры. Коэффициент повышается чаше при отрицательных температурах. При этом может изменяться длина залитого бетона. Абсолютные величины усадки могут достигать нескольких сантиметров.

Вернуться к оглавлению

Причины повышения коэффициента усадки

Коэффициент изменения объема бетона.

Коэффициент изменения объема залитого материала может увеличиваться вследствие нескольких причин. Во-первых, основным предрасполагающим фактором является некачественное приготовление бетонной смеси. Здесь учитывается показатель пропорции цементного порошка, щебня (гравия), песка и воды. Во-вторых, большое значение имеет марка приготовленного бетона. В-третьих, еще одним фактором, влияющим на покрытие при его затвердении, является влажность поверхности. Установлено, что оптимальная величина влажности составляет 55-70%. Если влажность низкая, то коэффициент будет более высоким, а материал начнет постепенно прессоваться.

В-четвертых, имеется определенная зависимость между плотностью (тяжестью) смеси и коэффициентом усадки. Коэффициент тем выше, чем меньше масса бетонного раствора. В-пятых, усадка в большей степени выражена у тех конструкций, где отсутствует армирование, то есть нет жесткого каркаса внутри бетонного раствора. Опытные застройщики знают, что одним из этапов приготовление бетонной смеси является обработка его специальной вибрирующей установкой. Она необходима для того, чтобы убрать излишки воздуха из раствора. При ее отсутствии повышается пористость материала и снижается его прочность, что в результате и дает усадку.

Вернуться к оглавлению

Читайте также: Б локи из пенополистирола
Пеноблок или газоблок — что лучше
О размерах перегородочного блока — читайте здесь.

Профилактические мероприятия

Во избежание получения некачественного бетона и высокого коэффициента усадки требуется соблюдать несколько важных правил:

Изменение коэффициента поперечных деформаций бетона при испытании на внецентренное сжатие.

  • не использовать для строительства жилых зданий бетон низкой марки;
  • использовать металлический каркас с целью укрепления бетона;
  • производить замес в оптимальных условиях;
  • соблюдать пропорции в процессе приготовления рабочего раствора;
  • осуществлять обработку смеси вибратором;
  • обеспечивать необходимую влажность поверхности материала.

Особое внимание необходимо уделить специально вносимым добавкам. Если оценивать важность всех компонентов бетона, то наибольшую роль для получения нужного коэффициента усадки играет вода и наполнители. Нередко при проведении сложных и объемных строительных работ используется бетон на основе специальных добавок. Иначе такие смеси называются с компенсированной усадкой. Добавки, которые вносят в раствор, способствуют его расширению, в результате чего снижается рассматриваемый коэффициент и уменьшается риск образования трещин.

Вернуться к оглавлению

Заключение, рекомендации

Таким образом, усадка бетона наблюдается практически всегда. Разница лишь в степени ее выраженности. В одних случаях (при нормальных условиях) она составляет несколько миллиметров, а в других — сантиметры. Все это не только ухудшает внешний вид покрытия, но и требует проведения ремонтных работ (заливки нового слоя раствора). В последнем случае не удается получить однородную смесь, так как нижний слой бывает значительно плотнее и прочнее, нежели вновь залитый.

Читайте также:  Установка стальных дверей

Задача строителя — предупредить резкое увеличение коэффициента оседания смеси. Важно, что данная величина не всегда указывается и рассчитывается при стройке. Делается это в большей степени тогда, когда приходится заливать большие объемы бетона или требуется высокое качество покрытия. Во многом получение высококачественной смеси зависит от самого работника. Если соблюдать все вышеперечисленные правила, то усадка раствора будет незначительной, не будут формироваться трещины, а покрытие прослужит долгие годы.

Шаговый двигатель

  • Типы шаговых двигателей
    • Реактивный шаговый двигатель
    • Шаговый двигатель с постоянными магнитами
    • Гибридный шаговый двигатель

Предшественником шагового двигателя является серводвигатель.

Шаговые (импульсные) двигатели непосредственно преобразуют управляющий сигнал в виде последовательности импульсов в пропорциональный числу импульсов и фиксированный угол поворота вала или линейное перемещение механизма без датчика обратной связи. Это обстоятельство упрощает систему привода и заменяет замкнутую систему следящего привода (сервопривода) разомкнутой, обладающей такими преимуществами, как снижение стоимости устройства (меньше элементов) и увеличение точности в связи с фиксацией ротора шагового двигателя при отсутствии импульсов сигнала.

Очевиден и недостаток привода с шаговым двигателем: при сбое импульса дальнейшее слежение происходит с ошибкой в угле, пропорциональной числу пропущенных импульсов [2].

Поэтому в задачах, где требуются высокие характеристики (точность, быстродействие) используются серводвигатели. В остальных же случаях из-за более низкой стоимости, простого управления и неплохой точности обычно используются шаговые двигатели.

Конструкция шагового электродвигателя

Шаговый двигатель, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор – неподвижная часть, ротор – вращающаяся часть.

Шаговые двигатели надежны и недороги, так как ротор не имеет контактных колец и коллектора. Ротор имеет либо явно выраженные полюса, либо тонкие зубья. Реактивный шаговый двигатель – имеет ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами. Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах. Гибридный шаговый двигатель имеет составной ротор включающий полюсные наконечники (зубья) из магнитомягкого материала и постоянные магниты. Определить имеет ротор постоянные магниты или нет можно посредством вращения обесточенного двигателя, если при вращении имеется фиксирующий момент и/или пульсации значит ротор выполнен на постоянных магнитах.

Статор шагового двигателя имеет сердечник с явно выраженными полюсами, который обычно делается из ламинированных штампованных листов электротехнической стали для уменьшения вихревых токов и уменьшения нагрева. Статор шагового двигателя обычно имеет от двух до пяти фаз.

Характеристики

Так как шаговый двигатель не предназначен для непрерывного вращения в его параметрах не указывают мощность. Шаговый двигатель – маломощный двигатель по сравнению с другими электродвигателями.

Одним из определяющих параметров шагового двигателя является шаг ротора, то есть угол поворота ротора, соответствующий одному импульсу. Шаговый двигатель делает один шаг в единицу времени в момент изменения импульсов управления. Величина шага зависит от конструкции двигателя: количества обмоток, полюсов и зубьев. В зависимости от конструкции двигателя величина шага может меняться в диапазоне от 90 до 0,75 градусов. С помощью системы управления можно еще добиться уменьшения шага пополам используя соответствующий метод управления.

Типы шаговых двигателей

    По конструкции ротора выделяют три типа шаговых двигателей:
  • реактивный;
  • с постоянными магнитами;
  • гибридный.

Реактивный шаговый двигатель

Реактивный шаговый двигатель – синхронный реактивный двигатель. Статор реактивного шагового двигателя обычно имеет шесть явновыраженных полюсов и три фазы (по два полюса на фазу), ротор – четыре явно выраженных полюса, при такой конструкции двигателя шаг равен 30 градусам. В отличии от других шаговых двигателей выключенный реактивный шаговый двигатель не имеет фиксирующего (тормозящего) момента при вращении вала.

Ниже представлены осциллограммы управления для трехфазного шагового двигателя.

Осциллограммы управления для четырехфазного шагового двигателя показаны на рисунке ниже. Последовательное включение фаз статора создает вращающееся магнитное поле за которым следует ротор. Однако из-за того, что ротор имеет меньшее количества полюсов, чем статор, ротор поворачивается за один шаг на угол меньше чем угол статора. Для реактивного двигателя угол шага равен:

,

  • где NR – количество полюсов ротора;
  • NS – количество полюсов статора.

Чтобы изменить направление вращения ротора (реверс) реактивного шагового двигателя, необходимо поменять схему коммутации обмоток статора, так как изменение полярности импульса не изменяет направления сил, действующих на невозбужденный ротор [2].

Реактивные шаговые двигатели применяются только тогда, когда требуется не очень большой момент и достаточно большого шага угла поворота. Такие двигатели сейчас редко применяются.

    Отличительные черты:
  • ротор из магнитомягкого материала с явно выраженными полюсами;
  • наименее сложный и самый дешевый шаговый двигатель;
  • отсутствует фиксирующий момент в обесточенном состоянии;
  • большой угол шага.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах. Статор обычно имеет две фазы.

По сравнению с реактивными, шаговые двигатели с активным ротором создают большие вращающие моменты, обеспечивают фиксацию ротора при снятии управляющего сигнала. Недостаток двигателей с активным ротором — большой угловой шаг (7,5—90°). Это объясняется технологическими трудностями изготовления ротора с постоянными магнитами при большом числе полюсов. Если угол фиксации находится в диапазоне от 7,5 до 90 градусов скорее всего это шаговый двигатель с постоянными магнитами нежели гибридный шаговый двигатель.

Обмотки могут иметь ответвление в центре для работы с однополярной схемой управления. Двухполярное управление требуется для питания обмоток без центрального ответвления.

    Таким образом по виду обмоток выделяют два типа шаговых двигателей:
  • униполярный (однополярный),
  • биполярный (двухполярный).

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель

Униполярный шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет одну обмотку на фазу с ответвлением в центре. Каждая секция обмотки включается отдельно.

Таким образом расположение магнитных полюсов может быть изменено без изменения направления тока, а схема коммутации может быть выполнена очень просто (например на одном транзисторе) для каждой обмотки. Обычно центральное ответвление каждой фазы делается общим, в результате получается три вывода на фазу и всего шесть для обычного двухфазного двигателя.

Легкое управление однополярными двигателями сделало их популярными для любителей, они возможно являются наиболее дешевым способом чтобы получить точное угловое перемещение.

Биполярный шаговый двигатель

Двухполярные двигатели имеют одну обмотку на фазу. Для того чтобы изменить магнитную полярность полюсов необходимо изменить направление тока в обмотке, для этого схема управления должна быть более сложной, обычно с H-мостом. Биполярный шаговый двигатель имеет два вывода на фазу и не имеет общего вывода. Так как пространство у биполярного двигателя используется лучше, такие двигатели имеют лучший показатель мощность/объем чем униполярные. Униполярный двигатель имеет двойное количество проводников в том же объеме, но только половина из них используется при работе, тем не менее биполярный двигатель сложнее в управление.

Управление шаговым двигателем с постоянными магнитами

Для управления шаговым двигателем на постоянных магнитах к его обмоткам прикладывается сфазированный переменный ток. На практике это почти всегда прямоугольный сигнал сгенерированный от источника постоянного тока. Биполярная система управления генерирует прямоугольный сигнал изменяющийся от плюса к минусу, например от +2,5 В до -2,5 В. Униполярная система управления меняет направление магнитного потока катушки посредством двух сигналов, которые поочереди подаются на противоположные выводы катушки относительно ее центрального ответвления.

    Существует несколько способов управления:
  • волновое,
  • полношаговое,
  • полушаговое.
Волновое управление

Простейшим способом управления шаговым двигателем является волновое управление. При таком управлении в один момент времени возбуждается только одна обмотка. Но такой способ управления не обеспечивает максимально возможного момента.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами может иметь разную схему соединения обмоток статора.

На рисунке выше представлены схема биполярного шагового двигателя и двухполюсные осциллограммы управления. При таком управлении обе полярности (“+” и “-“) подаются на двигатель. Магнитное поле катушки поворачивается за счет того, что полярность токов управления меняется.

На рисунке выше представлены схема униполярного шагового двигателя и однополюсные осциллограммы управления.Так как для управления униполярным шаговым двигателем требуется только одна полярность это существенно упрощает схему системы управления. При этом требуется генерация четырех сигналов так как необходимо два однополярных сигнала для создания переменного магнитного поля катушки.

Необходимое для работы шагового двигателя переменное магнитное поле может быть создано как униполярным так и биполярным способом. Однако для униполярного управления катушки двигателя должны иметь центральное ответвление.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами может иметь разную схему соединения обмоток статора. Схемы соединения шагового двигателя показаны на рисунке ниже.

Шаговый двигатель с 4 выводами может управляться только биполярным способом. 6-выводной двигатель предназначен для управления униполярным способом, несмотря на то, что он также может управляться биполярным способом если игнорировать центральные выводы. 5-выводной двигатель может управляться только униполярным способом, так как общий центральный вывод соединяет обе фазы. 8-выводная конфигурация двигателя встречается редко, но обеспечивает максимальную гибкость. Такой двигатель может быть подключен для управления также как 6- или 5- выводной двигатель. Пара обмоток может быть подключена последовательно для высоковольтного биполярного управления с малыми токами или параллельно для низковольтного управления с большими токами.

    8-выводные двигатели могут быть соединены в нескольких конфигурациях:
  • униполярной;
  • биполярной с последовательным соединением. Больше индуктивность, но ниже ток обмотки;
  • биполярной с параллельным соединением. Больше ток, но ниже индуктивность;
  • биполярной с одной обмоткой на фазу. Метод использует только половину обмоток двигателя при работе, что уменьшает доступный момент на низких оборотах, но требует меньше тока.

Полношаговое управление

Полношаговое управление обеспечивает больший момент, чем волновое управление так как обе обмотки двигателя включены одновременно. Положение ротора при полношаговом управлении показано на рисунке ниже.

Полношаговое биполярное управление показанное на рисунке выше имеет такой же шаг как и при волновом управлении. Униполярное управление (не показано) потребует два однополярных управляющих сигнала для каждого биполярного сигнала. Однополярное управление требует менее сложной и дорогой схемы управления. Дополнительная стоимость биполярного управления оправдана когда требуется более высокий момент.

Полушаговое управление

Шаг для данной геометрии шагового двигателя делится пополам. Полушаговое управление обеспечивает большее разрешение при позиционировании вала двигателя.

Полушаговое управление – комбинация волнового управления и полношагового управления с питанием по очереди: сначала одной обмотки, затем с питанием обоих обмоток. При таком управлении количество шагов увеличивается в двое по сравнению с другими методами управления.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридный шаговый двигатель был создан с целью объединить лучшие свойства обоих шаговых двигателей: реактивного и с постоянными магнитами, что позволило добиться меньшего угла шага. Ротор гибридного шагового двигателя представляет из себя цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль продольной оси с радиальными зубьями из магнитомягкого материала.

Статор обычно имеет две или четыре фазы распределенные между парами явно выраженных полюсов. Обмотки статора могут иметь центральное ответвление для униполярного управления. Обмотка с центральным ответвлением выполняется с помощью бифилярной намотки .

Заметьте что 48 зубьев на одной секции ротора смещены на половину зубцового деления λ относительно другой секции (рисунок ниже). Из-за этого смещения ротор фактически имеет 96 перемежающихся полюсов противоположной полярности.

Зубья на полюсах статора соответствуют зубьям ротора, исключая отсутствующие зубья в пространстве между полюсами. Таким образом один полюс ротора, скажем южный полюс, можно выровнять со статором в 48 отдельных положениях. Однако зуб южного полюса ротора смещен относительно северного зуба на половину зубцового деления. Поэтому ротор может быть выставлен со статором в 96 отдельных положениях.

Соседние фазы статора гибридного шагового двигателя смещены друг относительно друга на одну четверть зубцового деления λ. В результате ротор перемещается с шагом в четверть зубцового деления во время переменного возбуждения фаз. Другими словами для такого двигателя на один оборот приходится 2×96=192 шага.

    Шаговый гибридный двигатель имеет:
  • шаг меньше, чем у реактивного двигателя и двигателя с постоянными магнитами;
  • ротор – постоянный магнит с тонкими зубьями. Северные и южные зубья ротора смещены на половину зубцового деления для уменьшения шага;
  • полюсы статора имеют такие же зубья как и ротор;
  • статор имеет не менее чем две фазы;
  • зубья соседних полюсов статора смещены на четверть зубцового деления для создания меньшего шага.

Шаговый двигатель: что это такое и как он работает – принцип работы и устройство

Рассмотрим «сердце» фрезеровочных, шлифовальных, универсальных и многих других станков. Под прицелом внимания – шаговый двигатель: устройство и принцип работы, схема и сферы применения, типы конструкции и варианты программирования. Расскажем все эти и другие важные моменты, чтобы вы понимали, что он из себя представляет и какую его модель выбрать в соответствии со спецификой решаемых задач.

Сразу отметим, что предмет нашего интереса сегодня используется не только в сложном оборудовании, решающем ответственные задачи, но и в сравнительно простых производственных механизмах и даже в бытовых приборах. Он востребован во всех тех случаях, когда необходимо поддерживать достаточно скоростное вращение вала, одновременно сочетая его с точным позиционированием, и поэтому будет оставаться актуальным еще долгие годы.

Что такое шаговый двигатель

Согласно наиболее популярному определению, это машина, которая преобразует электрическую энергию (ее она получает из сети) в механическую осуществляя дискретные (внимание, не непрерывные, это важно) перемещения ротора. Причем после каждого такого действия положение динамической части фиксируется.

Все отдельные передвижения одинаковой величины, и вместе они формируют полный оборот (цикл). Поэтому, подсчитав их количество, можно без труда и с высокой точностью вычислить абсолютную позицию инструмента. Общее их число, кстати, зависит от ряда моментов: характер подключения, вид устройства, способ задания команд и другие факторы.

Принцип работы шагового электродвигателя

  1. На клеммы подается напряжение, благодаря которому специальные щетки начинают вращаться.
  2. Под воздействием входящих импульсов ротор устанавливается в начальное положение, а затем перемещается под одним и тем же углом.
  3. Микроконтроллер (в большинстве случаев, хотя возможна и другая внешняя цепь управления) приводит в действие зубчатые электромагниты. Тот из них, к которому прикладывают энергию, притягивает шестерню, обеспечивая тем самым поворот вала.
  4. Остальные магниты по умолчанию выровнены относительно ведущего, поэтому они сдвигаются вместе с ним по направлению к очередной детали.
  5. Шестеренка вращается за счет переключения электромагнитов по порядку – от главного к следующему и так далее. При этом она выравнивается относительно предыдущего колеса, что завершает цикл.

Шаг шагового двигателя – это описанный выше алгоритм, и он повторяется необходимое для выполнения технологической операции количество раз.

Представление о внешнем виде и характере функционирования дополнит следующий рисунок:

Из него ясно, что к статору относятся четыре обмотки, расположенные крестообразно, то есть под углом в 90 0 друг к другу. Отсюда понятно, что и дискретное движение будет осуществляться на такую же величину градусов. Если напряжение подавать поочередно – U1, U2, U3 и так далее – ротор сделает полный оборот, а затем пойдет на второй круг, то есть начнет вращаться – до тех пор, пока его не потребуется остановить. Ну а, чтобы изменить направление его движения, достаточно задействовать витки в обратном порядке.

Какие бывают шаговые двигатели: рассмотрим их разновидности

Режимы работы мотора определяют 2 характеристики: величина шага и усилие, прикладываемое для перемещения. Варьировать их можно, меняя метод подключения, строение обмоток или вала.

Соответственно, классификация приводов осуществляется по следующим параметрам:

  • По конструкции ротора – его строение играет ключевую роль, так как от него зависит специфика взаимодействия с электромагнитным полем статора. Выделяют 3 варианта, причем каждый из них мы рассмотрим ниже, со всеми особенностями, плюсами и минусами.
  • По виду (числу обмоток) – с ростом их количества вращение становится более плавным, но одновременно увеличивается и стоимость силового агрегата, хотя крутящий момент остается неизменным. Могут быть уни- и биполярными, в первом случае подключаются с ответвлением от средней точки, во втором – через 4 выхода.

Теперь обратим внимание на строение вала.

Шаговые приводы с переменным магнитным сопротивлением

Как следует хотя бы из названия, собственный источник постоянного поля у него отсутствует; кроме того, его ротор сделан из магнитомягкого материала и отличается зубчатой формой. Через ближайшие к статору участки контакта и осуществляется замыкание – с притяжением к полюсам, обеспечивающее дискретные движения. По своему исполнению он похож на шестерню, в которой сила вращения появляется за счет противоположных пар и попеременного протекания тока.

Ключевое преимущество – нет стопорящего момента, ведь поле, в других случаях способное воздействовать на арматуру, банально отсутствует. Вы получаете синхронный силовой агрегат, в котором ротор и статор поворачиваются одновременно и в унисон.

Обладая теми же размерами, что и другие разновидности, данные модели развивают меньший крутящий момент. Перемещение осуществляется на 5-15 градусов, а это сравнительно грубо и, зачастую, неточно. Так объясняется несколько ограниченная сфера применения реактивного шагового двигателя: где используется мотор данного типа, так в специфических станках, все детали которых производитель изготавливает самостоятельно.

С постоянными магнитами

Опять же, сразу ясно, в чем их особенность – в наличии собственного источника постоянного поля, являющегося основой подвижного элемента и содержащего 2 и более полюсов. Именно последние и обеспечивают вращение ротора за счет подачи напряжения на обмотки и притяжения/отталкивания.

Перемещение может осуществляться либо полностью перпендикулярно предыдущему положению, либо наполовину; увеличивая число магнитных пар, можно регулировать длину, а значит и количество дискретных движений, доводя их общее число до 48 за полный оборот. Это позволяет очень точно устанавливать рабочий инструмент в нужное место и является конкурентным преимуществом силового агрегата.

Гибридные

Конструкция шагового двигателя этого типа была разработана, чтобы объединить достоинства двух предыдущих. Представляет собой цилиндрический источник поля, намагниченный продольно, то есть пару полюсов с особенными поверхностями – с нанесенными зубцами. Последние обеспечивают отличное удерживание, не снижая крутящий момент.

  • малый шаг – 0,9-50 – что позволяет прецизионное позиционирование за счет большого количества дискретных перемещений (до 400 за один цикл);
  • высокая скорость и плавность работы.

Да, они дороже двух предыдущих видов, так как сложнее в изготовлении, но это относительный минус. Благодаря своим преимуществам это наиболее распространенные сегодня варианты, использующиеся в самых ответственных случаях: устанавливаются в ЧПУ-станках, в приборах современной робототехники, на медицинском и офисном оборудовании.

Принцип управления шаговым двигателем

Выделяют 3 основных режима, задаваемых драйвером, то есть чипом, посылающим сигналы. Вот они:

  • полно-,
  • полу-,
  • и микрошаговый.

Каждый из них обладает своими особенностями. Первый из них мы уже косвенно описывали выше, и он сводится к поочередной коммутации фаз; причем только одна из них в любой из моментов может быть подключена к источнику – они не должны перекрывать друг друга. Этот закон отражен в английском названии метода – one phase – one step. Точки равновесия при этом обязаны совпадать с направлением полюсов статора.

Минус здесь в том, что одновременно задействована лишь половина обмоток (у биполярного агрегата) или даже четверть (у униполярного).

Также можно выбрать принцип работы шагового мотора, при котором питание будет подаваться сразу на все витки. Он известен как способ two-phase-on (full step), и при нем ротор остается в состоянии равновесия между силовыми линиями неподвижной части вала, причем смещенным на половину дискретного движения. Благодаря такому решению крутящий момент может быть повышен до 35-40%.

Полушаговый режим

На каждом втором перемещении задействована одна фаза, в то время как между ними – пара. Это дает возможность вдвое уменьшить величину угла и, следовательно, в 2 раза повысить количество переходов в течение оборота. Удобен именно тем, что сравнительно просто обеспечивает результат, поэтому достаточно распространен.

При таком устройстве и работе шагового электродвигателя важно помнить, что его остановка должна производиться с формированием тока удержания – небольшого, намного меньше номинального, но все равно необходимого и важного. Он нужен, чтобы автоматически фиксировать положение ротора после полного отключения напряжения. Иначе подвижный вал будет в свободном состоянии и при механическом воздействии (которое весьма вероятно) сместится, чего нельзя допустить. Зато при его подаче отпадает потребность в организации тормозной системы, добавлении механического фиксатора или другого элемента, способного стать «слабым звеном», то есть снизить общую надежность силового агрегата.

Микрошаговый режим

Рассмотрим, как в этом случае действует пошаговый двигатель: принцип работы сводится ко включению двух фаз с неравномерным распределением тока обмоток. Благодаря этому смещается магнитное поле статора, а вслед за ним и позиция ротора. Диспропорция между переключениями отличается маленькой дискретностью.

За счет такого подхода осуществляются крайне малые шаги – в 1/3 от полного или еще короче, числом до 1000 за оборот. Это позволяет максимизировать точность установки инструментов, хотя и значительно усложняет систему контроля. На практике данное решение востребовано в особо сложных и ответственных случаях, при создании и использовании сравнительно дорогих, но прецизионных станков.

Достоинства и недостатки

Мы уже рассмотрели, как устроен, работает, и где применяется шаговый двигатель, что это такое, но наше описание было бы неполным без анализа плюсов и минусов его стандартных моделей.

В списке объективных преимуществ:

  • Поддержка полного крутящего момента при постепенном уменьшении скорости хода, даже перед остановкой.
  • Точное позиционирование в рамках выбранного режима, причем без какой-либо обратной связи; количество дискретных перемещений задается углом поворота.
  • Положение силового агрегата фиксируется сразу же в момент прекращения движения – ток удержания обеспечивает отсутствие инерционных сдвигов.
  • Быстрый старт и реверс, оперативное переключение.
  • Регулировать вращение можно прецизионно, возвратного влияния при этом, опять же, не наблюдается.
  • Высокий уровень общей надежности, отчасти объясняется тем, что нет коллекторных щеток и других элементов, которые могли бы стать «слабым звеном».

В числе практических недостатков:

  • Принцип действия шагового двигателя может сопровождаться чересчур сложным управлением.
  • Скорость не очень-то высока номинально.
  • Иногда возникает резонанс, что чревато сбоями в установке инструментов.
  • Удельная мощность сравнительно мала.
  • Под воздействием механических перегрузок возможна потеря позиционирования.

Очевидно, что плюсы значительнее минусов, к тому же, есть области, в которых без рассматриваемых силовых агрегатов просто не обойтись, когда они в разы превосходят коллекторные. Это те случаи точной механики, в которых нужно перемещать узлы с мгновенными остановками и быстрым изменением вектора движения.

Важные характеристики

  • С точки зрения электротехники, пошаговый привод – это достаточно сложное устройство, обладающее целым рядом параметров. Вот основные из них:
  • Число полных шагов в течение одного цикла – от него зависит точность, плавность хода, разрешающая способность; у современных моделей должно быть на уровне 200-400.
  • Угол дискретного перемещения (поворота вала) – рассчитывается как 360 0/количество отдельных передвижений за оборот; аналогичный предыдущему показатель, просто представленный в другом виде; его актуальные значения – 1,8-0,9 градусов.
  • Пробивное напряжение – максимальное, по достижении которого нарушается изоляция, определяет безопасность использования.
  • Допустимое постоянное напряжение – измеряется в статическом режиме на витках; в ряде случаев не приводится, но и тогда его можно рассчитать по закону Ома.
  • Номинальный ток – наибольший из возможных для безопасного и бесперебойного функционирования силового агрегата.
  • Сопротивление обмотки – оно, вместе с предыдущей характеристикой, говорит о том, какое количество Вольт можно подавать на пошаговые электродвигатели.
  • Индуктивность фазы – определяет скорость нарастания тока; приобретает особенно важную роль при быстром вращении вала.
  • Сопротивление изоляции – между обмотками и корпусом.

Отдельным семейством параметров являются моменты:

  • крутящий – зависит от частоты вращения; указывается максимальный для данного силового агрегата;
  • инерции – чем он меньше, тем быстрее разгон;
  • стопорный – нужен для прокручивания вала в случае отсутствия питания;
  • удерживающий – активен при полной остановке и запитывании номинальным током двух фаз.

Подключение

Есть модели с 4, 5, 6, 8 соединителями; «четверка» подходит только для биполярных, так как у них пара фазных обмоток с двумя коннекторами и нужно устанавливать непрерывные связи. «Шестерка» обладает еще и центр-кранами на каждом витке и поэтому универсально применима ко всем силовым агрегатам.

Типичные варианты коммутации выглядят следующим образом:

Для беспроблемной эксплуатации важно помнить правила подачи номинального напряжения, а также изменения скорости крутящего момента и понижения линейного.

Виды управления

Помимо уже рассмотренных режимов – полно-, полу- и микро-, – есть и другие, определяющие, как сигналы подаются на полюса и, соответственно, как работает шаговый мотор. Рассмотрим два принципиально разных их типа.

Без контроллера

Реализуется благодаря Н-мосту (часто именно так и называется), позволяющему практически мгновенно переключать полярность и обеспечивать быстрый реверс. Система выстраивается на транзисторах и/или микросхемах: выбранные ЭРЭ гарантируют логическую цепочку, по которой перемещаются ключи. Подходит для бесколлекторных моделей.

Согласно данной схеме, напряжение идет от источника питания к мосту. Контакты включаются попарно (S1-S4 и S3-S2), благодаря чему ток проходит через обмотки, запуская вращение в нужную сторону.

С контроллером

Взглянем на него подробнее, ведь он определяет, как работает и что такое шаговый электродвигатель: это электронный блок, который формирует последовательность сигналов и посылает их на катушки статора. Чтобы он не вышел из строя при возникновении аварийной ситуации (например, при коротком замыкании), выводы привода снабжают диодами, не пропускающими обратные импульсы. Дает возможность реализовать самые разные режимы.

Популярные схемы управления

Предлагаем вашему вниманию два интересных варианта:

Ключевое преимущество здесь – помехозащищенность. Как прямой, так и инверсный сигнал подключаются к своим полюсам напрямую. При ее воплощении в жизнь необходимо озаботиться экранированием сигнального соединителя. Подходит, когда планируете с низкой мощностью использовать шаговый электродвигатель: принципы работы будут выполняться даже при условии высоких нагрузок.

Еще одно достойное решение:

Ключевая особенность – объединение вводов, подключаемых к положительному полюсу. Если при этом будет подаваться питание, превышающее 9 В, понадобится дополнить схему резистором-ограничителем тока. В общем же она очень удобна тем, что обеспечивает возможность строго и точно задавать скорость и количество перемещений в течение оборота.

Если на один его D-вывод подавать логическую 1, а на остальных оставлять 0, транзистор откроется, что обеспечит прохождение сигнала к катушке. Вот таким нехитрым способом осуществляется дискретное передвижение.

Советуем на практике посмотреть, что собой представляет шаговый двигатель, назначение устройства и принцип действия – попробуйте самостоятельно задать ему некоторые команды. Взяв последнюю разработку за основу, не проблема выполнить печатную плату, под заказ или даже своими силами, впаяв в нее необходимые ЭРЭ (почти все диоды, транзисторы, резисторы можно извлечь из отслужившей свое техники). Управление возможно осуществлять с обычного компьютера.

Полезные ролики по теме

Если на эксперименты нет времени или желания, и срочно нужен станок с надежным силовым агрегатом, вам есть из чего выбрать. Достойных производителей сегодня хватает, например, современное оборудование предлагает ижевский завод «Сармат», все модели которого отличаются эргономикой, эффективностью, высокой степенью безопасности.

Ну а напоследок посмотрите, как работает шаговый двигатель, видео помогут вам окончательно понять принцип действия данных приводов.

Шаговые двигатели:
принцип работы и управление

Шаговые двигатели широко используются в принтерах, автоматических инструментах, приводах дисководов, автомобильных приборных панелях и других приложениях, требующих высокой точности позиционирования.

ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ: ПРИНЦИП РАБОТЫ
И ОТЛИЧИЯ ОТ ДВИГАТЕЛЕЙ
ПОСТОЯННОГО ТОКА

Двигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами начинают работать сразу, как только к якорной обмотке будет приложено постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором — коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре.

Шаговый двигатель (ШД) может быть рассмотрен как ДПТ без коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система «мотор — контроллер» разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.

Принято различать шаговые двигатели и серводвигатели. Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом (дискретном) режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора) и плавности вращения синхронного двигателя. Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению, в качестве которого обычно используется резольвер или sin/cos энкодер. Шаговые двигатели используются преимущественно в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении. Синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.

Шаговые двигатели(ШД) делятся на две разновидности: с постоянными магнитами и с переменным магнитным сопротивлением (гибридные). Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис. 1).

Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рис. 2).

За это упрощение приходится платить более сложным реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.

Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи широтно-импульсной модуляции.

Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.

Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, остановки, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.

Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных устройств.

Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Она позволяет независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.

На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.

На рисунке 4 показана последовательность для режима с половинным шагом.

Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.

В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя.

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.

Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от нескольких ватт до одного киловатта. Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота. Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.

Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.

ШАГОВЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ АКТИВНОГО ТИПА

В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.

Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричную и несимметричную.

При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления.

При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления.

Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки».

Число тактов Kt системы управления называют количеством состояний коммутатора за период его работы t. Как видно из рисунков, для симметричной системы управления Kt = 4, а для несимметричной Kt = 8.

В общем случае число тактов Kt зависит от числа обмоток управления (фаз статора) mу и может быть посчитано по формуле:

где: n1 = 1 — при симметричной системе коммутации;

n1 = 2 — при несимметричной системе коммутации;

n2 = 1 — при однополярной коммутации;

n2 = 2 — при двуполярной коммутации.

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении, а при двуполярной — в обоих. Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают. Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р = 1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р > 1). Для примера приведем двухполюсный трехфазный шаговый двигатель.

Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:

Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния, поэтому р = 4…6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.

РЕАКТИВНЫЕ ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них — крупный шаг, который может достигать десятков градусов.

Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.

Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора.

При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.

Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определяется выражением:

αш = 360 / Kt * Zр

В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, так как изменение направления поля не влияет на положение ротора.

Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.

Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.

Повышения степени редукции шаговых двигателей как активного, так и реактивного типа, можно достичь применением двух-, трех- и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов — два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время, роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, то есть оси их полюсов полностью совпадают. Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной. Кроме того, она требует сложного коммутатора.

Индукторные (гибридные шаговые двигатели

Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.

В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.

По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага — больший синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики.

ЛИНЕЙНЫЕ ШАГОВЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

При автоматизации производственных процессов часто бывает необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т. д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.

Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов.

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.

Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. В пределах одного магнитопровода ротора они сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно соответствующих параметров первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.

Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя. Разница — лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, то есть на четверть зубцового деления t/4.

где Kt — число тактов схемы управления.

Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.

В линейных шаговых двигателях применяют магнитовоздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под него нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между ними создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечиваются минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ
СИНХРОННОГО ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.

Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при которой шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.

В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потоком статора.

Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.

Предельная механическая характеристика — это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.

Приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления.

Приемистость падает с увеличением нагрузки.

Шаговые двигатели (подробный разбор 4 типов)

Общие сведения:

Шаговый двигатель — это бесколлекторный двигатель, ротор которого вращается не плавно, а шагами (дискретно). Полный оборот ротора состоит из нескольких шагов. Меняя форму сигнала, количество импульсов, их длительность и фазовый сдвиг, можно задавать скорость вращения, направление вращения и количество оборотов ротора двигателя.

Шаговые двигатели состоят из ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть). На статоре устанавливают электромагниты, а части ротора взаимодействующие с электромагнитами выполняются из магнитотвердого (двигатель с постоянными магнитами) или магнитомягкого (реактивный двигатель) материала.

Виды шаговых двигателей по типу ротора:

По типу ротора, шаговые двигатели делятся на: двигатели с постоянными магнитами, реактивные двигатели и гибридные двигатели.

  • Двигатель с постоянными магнитами (ротор из магнитотвердого материала). На роторе установлен один, или несколько, постоянных магнитов. Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества постоянных магнитов на роторе, и количества электромагнитов на статоре. Обычно в одном обороте от 4 до 48 шагов (один шаг от 7,5° до 90° ).
  • Реактивный двигатель (ротор из магнитомягкого материала). Еще такие двигатели называют двигателями с переменным магнитным сопротивлением. Ротор не имеет постоянных магнитов, он выполнен из магнитомягкого материала в виде многоконечной звезды. Данные двигатели встречаются редко, так как у них наименьший крутящий момент, по сравнению с остальными, при тех же размерах. Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества зубцов на звезде ротора, и количества электромагнитов на статоре. Обычно в одном обороте от 24 до 72 шагов (один шаг от 5° до 15°.)
  • Гибридный двигатель (совмещает технологии двух предыдущих двигателей). Ротор выполнен из магнитотвердого материала (как у двигателя с постоянными магнитами), но имеет форму многоконечной звезды (как у реактивного двигателя). Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества постоянных магнитов на звезде ротора, и количества электромагнитов на статоре. Количество шагов в одном обороте таких двигателей может доходить до 400 (один шаг от 0,9°).

Какой тип шагового двигателя у меня?

Если вручную покрутить ротор отключённого двигателя, то можно заметить, что он движется не плавно, а шагами. После того, как Вы покрутили ротор, замкните все провода двигателя и покрутите ротор повторно. Если ротор крутится также, значит у Вас реактивный двигатель. Если для вращения ротора требуется прикладывать больше усилий, значит у вас двигатель с постоянными магнитами или гибридный. Отличить двигатель с постоянными магнитами от гибридного можно подсчитав количество шагов в одном обороте. Для этого не обязательно считать все шаги, достаточно примерно понять, их меньше 50 или больше. Если меньше, значит у Вас двигатель с постоянными магнитами, а если больше, значит у Вас гибридный двигатель.

Виды шаговых двигателей по типу соединения электромагнитов статора:

По типу соединения электромагнитов, шаговые двигатели делятся на: униполярные и биполярные.

На рисунке представлено упрощённое, схематическое, представление обмоток.
На самом деле, каждая обмотка состоит из нескольких обмоток электромагнитов, соединённых последовательно или параллельно

  • Биполярный двигатель имеет 4 вывода. Выводы A и A питают обмотку AA, выводы B и B питают обмотку BB. Для включения электромагнита, на выводы обмотки необходимо подать разность потенциалов (два разных уровня), поэтому двигатель называется биполярным. Направление магнитного поля зависит от полярности потенциалов на выводах.
  • Униполярный двигатель имеет 5 выводов. Центральные точки его обмоток соединены между собой и являются общим (пятым) выводом, который, обычно, подключают к GND. Для включения электромагнита, достаточно подать положительный потенциал на один из выводов обмотки, поэтому двигатель называется униполярным. Направление магнитного поля зависит от того, на какой именно вывод обмотки подан положительный потенциал.
  • 6-выводной двигатель имеет ответвление от центральных точек обмоток, но обмотка AA не соединена с обмоткой BB. Если не использовать выводы центральных точек обмоток, то двигатель будет биполярным, а если эти выводы соединить и подключить к GND, то двигатель будет униполярным.
  • 8-выводной двигатель является наиболее гибким в плане подключения электромагнитов. Данный двигатель можно не только использовать как биполярный или униполярный, но и самим определять, как соединить электромагниты обмоток, последовательно или параллельно.

Какой тип шагового двигателя у меня?

Если у Вашего двигателя 4 вывода, значит он биполярный. Если у Вашего двигателя 5 выводов, значит он униполярный. Но если у Вашего двигателя 6 и более выводов, то это не значит что некоторые из них являются центральными выводами катушек электромагнитов. Дело в том, что есть двигатели, некоторые выводы которых (обычно крайние), электрически замкнуты, так биполярный двигатель может иметь 6 выводов. Точно определить тип соединений, для двигателей с 6 и более выводами, можно только измеряя сопротивление между выводами.

Режимы работы шаговых двигателей:

    Для работы шагового двигателя (вне зависимости от его вида) можно выбрать один из трех режимов работы:
  • Полношаговый режим – ротор поворачивается на 1 шаг за 1 такт.
  • Полушаговый режим – ротор поворачивается на ½ шага за 1 такт.
  • Микрошаговый режим – ротор поворачивается на ¼, ⅛ и т.д. шагов за 1 такт.

Ниже рассмотрены режимы работы, на примере биполярного двигателя с постоянным магнитом и полным шагом 90°.

Полношаговый режим (одна фаза на полный шаг). Номинальные значения шагового двигателя указываются именно для этого режима.

Полношаговый режим (две фазы на полный шаг). Этот режим позволяет увеличить крутящий момент почти в половину от номинального.

Полушаговый режим. Этот режим позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в два раза, при незначительном уменьшении крутящего момента.

Микрошаговый режим. Этот режим является наиболее распространённым, он позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в четыре раза, благодаря неравномерному распределению токов в обмотках. Снижение токов можно достичь снижением напряжения (как показано на картинке) или подавать полное напряжение через подключаемую внешнюю нагрузку.

Если подавать уровни не «0» – «½» – «1» (как на картинке), а «0» – «¼» – «½» – «¾» – «1», то количество шагов в полном обороте увеличится не в 4 раза, а в 8 раз. Можно увеличить количество шагов в 16, 32, 64 раза и т.д., а если заменить дискретные уровни сигналов на синусоиды, то мотор будет вращаться плавно (без шагов).

Режимы пониженного энергопотребления – доступны только для 8-выводных двигателей. Эти режимы отличаются от обычных тем, что используют только половину фазы (половину электромагнитов). Данные режимы используются редко, так как они значительно снижают крутящий момент двигателя.

Пример работы шаговых двигателей с разными видами роторов:

Подключение шаговых двигателей к Arduino:

Электромоторы нельзя подключать к выводам Arduino напрямую, так как они потребляют значительные токи, шаговые двигатели не являются исключением, поэтому их подключают через драйверы.

Большинство драйверов работают либо с биполярными двигателями, либо с униполярными.

  • Биполярный двигатель можно подключить только к драйверу биполярных двигателей.
  • 6-выводной двигатель можно подключить к любому драйверу. Если не использовать выводы центральных точек обмоток, то двигатель будет биполярным, а если эти выводы соединить и подключить к GND, то двигатель будет униполярным.
  • 8-выводной двигатель является наиболее гибким в плане подключения. Данный двигатель можно не только использовать как биполярный или униполярный, но и самим определять, как соединить электромагниты обмоток внутри двигателя, последовательно или параллельно.
  • Униполярный двигатель, при необходимости, можно подключить и к драйверу биполярного двигателя по простой схеме из нескольких диодов (лучше использовать диоды Шоттки), но такое подключение гарантирует корректность работы униполярного двигателя только в полношаговом режиме.
Ссылка на основную публикацию