Униполярные шаговые двигатели, как с постоянными магнитами, так и гибридные шаговые двигатели с 5 или 6 проводами обычно подключаются, как показано на схеме на рисунке 1.2, с центральным отводом на каждой из двух обмоток. При использовании центральные отводы обмоток обычно подключаются к положительному источнику питания, а два конца каждой обмотки поочередно заземляются, чтобы изменить направление поля, создаваемого этой обмоткой.

Поперечное сечение двигателя, показанное на рисунке 1.2, представляет собой двигатель с постоянным магнитом или гибридный двигатель с шагом 30 градусов — разница между этими двумя типами двигателей не имеет значения на этом уровне абстракции. Обмотка двигателя номер 1 распределена между верхним и нижним полюсом статора, тогда как обмотка двигателя номер 2 распределена между левым и правым полюсами двигателя. Ротор представляет собой постоянный магнит с 6 полюсами, 3 южными и 3 северными, расположенными по его окружности.

Для более высоких угловых разрешений ротор должен иметь пропорционально больше полюсов. Двигатель с шагом 30 градусов на рисунке является одной из наиболее распространенных конструкций двигателей с постоянными магнитами, хотя двигатели с шагом 15 и 7,5 градусов широко доступны. Изготавливаются двигатели с постоянными магнитами с разрешением до 1,8 градуса на шаг, а гибридные двигатели обычно строятся с разрешением 3,6 и 1,8 градуса на шаг, с разрешением до 0,72 градуса на шаг.

Как показано на рисунке, ток, текущий от центрального вывода обмотки 1 к клемме a, заставляет верхний полюс статора быть северным полюсом, а нижний полюс статора — южным полюсом. Это притягивает ротор в показанное положение. Если отключить питание обмотки 1 и подать питание на обмотку 2, ротор повернется на 30 градусов, или на один шаг.

Чтобы вращать двигатель непрерывно, мы просто последовательно подаем питание на две обмотки. Предполагая положительную логику, где 1 означает включение тока через обмотку двигателя, следующие две последовательности управления будут вращать двигатель, показанный на рисунке 1.2, по часовой стрелке на 24 шага или 4 оборота:

Обмотка 1а 1000100010001000100010001

Обмотка 1б 0010001000100010001000100

Обмотка 2а 0100010001000100010001000

Обмотка 2б 0001000100010001000100010

время --->

Обмотка 1а 1100110011001100110011001

Обмотка 1б 0011001100110011001100110

Обмотка 2а 0110011001100110011001100

Обмотка 2б 1001100110011001100110011

время --->

Обратите внимание, что две половины каждой обмотки никогда не запитываются одновременно. Обе последовательности, показанные выше, будут вращать постоянный магнит по одному шагу за раз. Верхняя последовательность питает только одну обмотку за раз, как показано на рисунке выше; таким образом, она потребляет меньше энергии. Нижняя последовательность включает питание двух обмоток одновременно и обычно создает крутящий момент примерно в 1,4 раза больше, чем верхняя последовательность, при этом потребляя вдвое больше энергии.

В разделе настоящего руководства, посвященном управлению среднего уровня, подробно рассматриваются методы генерации таких последовательностей сигналов управления, а в разделе, посвященном схемам управления, обсуждается схема коммутации питания, необходимая для управления обмотками двигателя с помощью таких последовательностей управления.

Положения шагов, создаваемые двумя последовательностями выше, не одинаковы; в результате, объединение двух последовательностей позволяет осуществлять полушаговый режим, при котором двигатель останавливается попеременно в положениях, указанных одной или другой последовательностью. Объединенная последовательность выглядит следующим образом:

Обмотка 1а 11000001110000011100000111

Обмотка 1б 00011100000111000001110000

Обмотка 2а 01110000011100000111000001

Обмотка 2б 00000111000001110000011100

время --->

Биполярные двигатели

Рисунок 1.3

Биполярные двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели построены с использованием точно такого же механизма, который используется в униполярных двигателях, но две обмотки соединены проще, без центральных отводов. Таким образом, сам двигатель проще, но схема привода, необходимая для изменения полярности каждой пары полюсов двигателя, более сложная. Схема на рисунке 1.3 показывает, как подключен такой двигатель, в то время как поперечное сечение двигателя, показанное здесь, точно такое же, как поперечное сечение, показанное на рисунке 1.2.

Схема привода для такого двигателя требует схему управления H-моста для каждой обмотки; они обсуждаются более подробно в разделе «Схемы управления». Вкратце, H-мост позволяет независимо управлять полярностью мощности, подаваемой на каждый конец каждой обмотки. Последовательности управления для одношагового двигателя показаны ниже, с использованием символов + и - для указания полярности мощности, подаваемой на каждую клемму двигателя:

Терминал 1а +---+---+---+--- ++--++--++--++--

Терминал 1б --+---+---+---+- --++--++--++--++

Терминал 2а --+---+---+---+-- -++--++--++--++-

Терминал 2b ---+---+---+---+ +--++--++--++--+

время --->

Обратите внимание, что эти последовательности идентичны последовательностям для униполярного двигателя с постоянными магнитами на абстрактном уровне, и что выше уровня электроники коммутации мощности H-моста системы управления для двух типов двигателей могут быть идентичны.

Обратите внимание, что многие полные чипы драйвера H-моста имеют один управляющий вход для включения выхода и другой для управления направлением. При наличии двух таких чипов моста, по одному на обмотку, следующие последовательности управления будут вращать двигатель идентично последовательностям управления, приведенным выше:

Включить 1 101010101010101010 11111111111111111

Направление 1 1x0x1x0x1x0x1x0x 1100110011001100

Включить 2 0101010101010101 1111111111111111

Направление 2 x1x0x1x0x1x0x1x0 0110011001100110

время --->

Чтобы отличить биполярный двигатель с постоянными магнитами от других 4-проводных двигателей, измерьте сопротивления между различными клеммами. Стоит отметить, что некоторые шаговые двигатели с постоянными магнитами имеют 4 независимые обмотки, организованные в виде двух наборов по два. Внутри каждого набора, если две обмотки соединены последовательно, результат можно использовать как высоковольтный биполярный двигатель. Если они соединены параллельно, результат можно использовать как низковольтный биполярный двигатель. Если они соединены последовательно со средним отводом, результат можно использовать как низковольтный униполярный двигатель.