Биполярный шаговый двигатель: Шаговые двигатели (подробный разбор 4 типов)

Содержание

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 ре

Шаговые двигатели: описание, примеры, обзоры, характеристики

Шаговый электродвигатель это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками. Ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения ротора, они же шаги. Именно поэтому двигатель называется шаговым. Для управления шаговым двигателем используется специальный контроллер, который называют драйвером шагового двигателя.

Шаговые двигатели стандартизованы национальной ассоциацией производителей электрооборудования NEMA по посадочным размерам и размеру фланца. Самые ходовые типоразмеры это NEMA 17 с фланцем 42*42мм, NEMA 23 с фланцем 57*57мм и NEMA 34 размером 86*86мм соответственно. Шаговые электродвигатели NEMA 17 могут создавать крутящий момент приблизительно до 6 кг*см, NEMA 23 до 30 кг*см и NEMA 34 до 120 кг*см.


Как устроен шаговый двигатель

Конструктивно шаговые двигатели можно поделить на три больших класса – это двигатели с переменным магнитным сопротивлением, двигатели с постоянными магнитами и гибридный класс, сочетающий характеристики первых двух. 


Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют несколько полюсов на статоре и ротор из магнитомягкого материала, который не сохраняет остаточную намагниченность. Для простоты ротор на рисунке имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Двигатель на рисунке имеет шаг 30 град.

При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т. е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которых находится запитанная обмотка. Если затем выключить эту обмотку и включить следующую, то ротор поменяет положение, снова замкнув своими зубцами магнитный поток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение, нужно включать фазы попеременно. Такой двигатель не чувствителен к направлению тока в обмотках, а из-за того, что ротор не имеет магнитных свойств, данный тип двигателя может работать на высоких оборотах. Так же данный тип двигателя легко отличить от других шаговиков, просто повращав его за вал, когда он отключен. Вал будет крутиться свободно, тогда как у остальных типов явно будут ощущаться шаги. Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой, что вместе с соответствующими зубцами ротора обеспечивает уменьшение значения угла шага до нескольких градусов. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением сейчас почти не используют.


Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора с обмотками и ротора, содержащего постоянные магниты. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.

Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Статор имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах. Двигатель на рисунке имеет величину шага 30 град, так же, как и предыдущий. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга и для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют от 48 до 24 шагов на оборот, что соответствует углам шага 7.5 – 15 град).


На практике двигатель с постоянными магнитами выглядит, например, вот так. Увидеть такой двигатель можно в лазерном принтере.
Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, которая ограничивает максимальную скорость. Это значит, что при свободном выбеге на больших оборотах двигатель сработает как генератор и может сжечь драйвер током, который сам и сгенерирует. Это же относится и к гибридным двигателям.


Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты шаговых двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Гибридные шаговые двигатели обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость, чем двигатели с переменным магнитным сопротивлением и двигатели с постоянными магнитами.

Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400, что соответсвует углам шага 3.6 – 0.9 градусов. Ротор показанного на рисунке двигателя имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель имеет 2 фазы, поэтому полное количество полюсов – 200, а шаг, соответственно, 1.8 град.

Выглядит гибридный двигатель, например, вот так.


Большинство современных шаговых двигателей являются именно гибридными, поэтому давайте подробней рассмотрим устройство шаговых двигателей этого типа.

 

Ротор двигателя разделен поперек на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Благодаря этому зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для двигателей с шагов в 3,6 градуса и 8 основных полюсов в случае шагов в 1.8 и 0.9 градусов. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.


Посмотрим на продольное сечение гибридного шагового двигателя. Стрелками показано направление магнитного потока постоянного магнита ротора. Часть потока (на рисунке показана черной линией) проходит через полюсные наконечники ротора, воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании момента.

Как видно на рисунке, воздушные зазоры у верхнего и нижнего полюсного наконечника ротора разные. Это достигается благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубьев, что очень хорошо было видно на предыдущем фото. Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальные воздушные зазоры и, как следствие, обладает минимальным магнитным сопротивлением. По этой цепи замыкается другая часть потока (на рисунке показана штриховой белой линией), которая и создает момент. Часть цепи лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку, поэтому она не показана. В этой же плоскости создают магнитный поток катушки статора. В гибридном двигателе этот поток частично замыкается полюсными наконечниками ротора и слабо влияет на постоянный магнит. Поэтому в отличие от двигателей постоянного тока, магнит гибридного шагового двигателя невозможно размагнитить ни при какой величине тока обмоток.

Величина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая, около 0.1 мм. Это требует высокой точности при сборке, поэтому шаговый двигатель не стоит разбирать ради удовлетворения любопытства, иначе на этом его служба может закончиться.

Чтобы магнитный поток не замыкался через вал, который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных марок стали.
Для получения больших моментов необходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и поле постоянного магнита . При этом требуется больший диаметр ротора, что ухудшает отношение крутящего момента к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногда конструктивно выполняют из нескольких секций в виде этажерки. Крутящий момент и момент инерции увеличиваются пропорционально количеству секций, а их отношение не ухудшается.


Мы рассмотрели устройство самого «железа» шаговых двигателей, но помимо этого двигатели можно еще поделить по количеству и способу коммутации их обмоток.

Тут всего два основных вида – биполярный и униполярный


Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой или полумостовой драйвер. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода. Примером распространенного биполярного двигателя может быть шаговый двигатель марки 17HS4401


Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера, который в случае униполярного двигателя должен иметь только 4 простых ключа. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 выводов, как на рисунке, или 6 выводов в случае если выводы AB и CD разъединены. Униполярный двигатель с двумя обмотками и отводами можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными.


Примером распространенного униполярного двигателя с пятью выводами может быть шаговый двигатель марки 28BYJ-48. Данный двигатель можно переделать в биполярный, разделив выводы AB и CD, для чего достаточно перерезать одну из перемычек на плате под синей крышкой.

 

Иногда двигатели имеют 4 раздельные обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными или четырехобмоточными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8. При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать и как униполярный, и как биполярный.


Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность, а значит при одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент. Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путей для повышения магнитного поля два – это увеличение тока или числа витков обмоток. Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника, однако на практике гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя в следствии потерь из-за омического сопротивления обмоток. Тут и проявляется преимущество конструкции биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток, а другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра или увеличивать габариты двигателя. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки. Иными словами, на биполярный двигатель той же мощности надо намотать в два раза меньше медного обмоточного провода, чем на униполярный, а случае, если обмотки равны по массе, то биполярный двигатель будет мощнее примерно на 40%.

На практике можно встретить оба типа двигателей, так как биполярные дешевле из-за меньшей материалоемкости, а униполярные требуют значительно более простых драйверов. В настоящее время наиболее широко распространены гибридные биполярные двигатели.

Где приобрести ШД? Вы можете купить шаговые двигатели в нашем магазине 3DIY с доставкой по всей России!

Управление шаговым двигателем

Независимо от того, какой драйвер или двигатель использован, управление шаговым двигателем может осуществляться в одном из трёх режимов:

  • полношаговое

  • полушаговое

  • микрошаговое

Полношаговый режим управления ШД подразумевает попеременную коммутацию фаз без перекрытия, при этом единовременно к источнику напряжения подключена только одна из фаз. При таком способе управления на каждый полный шаг электродвигателя приходится одна фаза и точки равновесия ротора идентичны полюсам статора. Данный режим имеет и недостаток: в случае с биполярным двигателем в полношаговом режиме в один и тот же момент задействуется только половина обмоток, с униполярным – четверть. Существует и другой вариант полношагового управления, подразумевающий единовременное включение двух фаз. Такой способ управления ШД основан на фиксации ротора между полюсами статора благодаря подаче питания на обмотки, при этом на полный шаг приходится две фазы. При этом способе управления точка равновесия ротора смещается на половину шага относительно способа с одной фазой, а момент возрастает примерно на 40 процентов.

Применение полушагового режима управления шаговым двигателем позволяет увеличить количество шагов, приходящихся на один оборот ротора, в два раза. При работе ШД в таком режиме на каждый второй шаг приходится включение одной из фаз, а между шагами включаются сразу обе. Фактически это комбинация переменного включения однофазного и двухфазного полношаговых режимов.

Микрошаговый режим управления ШД применяется тогда, когда необходимо получение максимально большого количества шагов, приходящихся на оборот ротора. При работе в таком режиме так же работают две фазы, однако токи обмоток в данном случае распределяются неравномерно, а не 50/50, как в полушаговом. Величина микрошага зависит от конкретного устройства и настроек драйвера. При работе в микрошаговом режиме точность позиционирования ШД значительно повышается, однако требуется более сложный драйвер двигателя.

Где приобрести драйвера ШД? Купить драйвера шаговых двигателей можно у нас в онлайн магазине с доставкой!


 Конструктивные исполнения ШД

Обычный шаговый двигатель 

Тут нет никаких изысков – корпус, вал, в общем стандарт. Широко распространен в разном оборудовании, начиная от фрезеров и 3д принтеров, заканчивая приводом заслонки или мешалки.

Двигатель с полым валом


Шаговые двигатели с полым валом применяются когда существует необходимость передачи крутящего момента без применения соединительных муфт, например для использования в ограниченном пространстве. Так же сквозь него можно продеть длинный вал, который будет торчать с двух сторон и синхронно крутить что-то с одной и с другой стороны.

Двигатель со встроенной в вал приводной гайкой 

Такой вид двигателя может найти применение в том случае, если требуется быстрое перемещение на большое расстояние. Длинный винт на высоких оборотах ведет себя подобно скакалке, а при использовании такого мотора винт можно неподвижно натянуть между опорами, а сам мотор закрепить на подвижной части оборудования. Тогда длина и нежесткость винта не будет влиять на максимальную скорость.

Двигатель с двойным валом

В этом исполнении двигатель имеет удлиненный вал, длинный конец которого выступает со стороны задней крышки. На этот удлиненный вал можно повесить барашек, чтоб можно было выставить положение вала вручную, повесить энкодер и получить сервошаговый двигатель, а можно повесить дополнительный шкив или винт, которые будут работать абсолютно синхронно с передним валом.

Двигатель с винтом вместо вала


Находят себе применение например в 3д принтерах или в любом другом месте, где хочется сэкономить место не только на муфте между валом и винтом, но и на подшипниковой опоре винта, роль которой в данном случае выполняют подшипники двигателя.

Двигатель со встроенным тормозом

Позволяет зафиксировать вал в нужной позиции дополнительно к удержанию самим шаговиком. Так же позволяет удерживать вал в случае отключения питания двигателя.

Двигатель с редуктором

Редуктор позволяет понизить обороты двигателя и поднять его крутящий момент. Данное исполнение редко встречается в связи с тем, что шаговые двигатели и так имеют значительный момент на низких оборотах и сами по себе могут достигать весьма низких скоростей вращения.

Двигатель с энкодером

Он же сервошаговый двигатель. Фактически это сервопривод на шаговом двигателе. На удлиненный вал со стороны задней крышки монтируется энкодер в корпусе и благодаря этому мы получаем обратную связь о положении вала двигателя. В случае пропуска шагов двигателем контроллер узнает об этом и ориентируясь на показания энкодера будет подавать дополнительные импульсы до тех пор, пока вал не займет нужное положение. Сервошаговый двигатель используется со своим специальным драйвером, который имеет вход для подключения энкодера.


Преимущества шагового двигателя

  • угол поворота ротора определяется числом поданных импульсов. Шаговый двигатель крутится не плавно, а шагами, шаг имеет определенную величину. Поэтому чтобы повернуть вал в нужное положение мы просто подаем известное нам количество импульсов.
  • зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи. Один шаг – один импульс. Какое количество импульсов подали, в то положение двигатель и шагнул.
  • двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки. Это хорошо тем, что для фиксации положения вала запитанному двигателю не нужен тормоз, можно тормозить его при помощи драйвера.
  • прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность от 3 до 5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу, так как на один оборот двигателя приходится неизменное количество шагов, совершив которые мы всегда получим поворот на 360 градусов.
  • высокая надежность. Высокая надежность двигателя связанна с отсутствием щеток. Срок службы фактически определяется сроком службы подшипников
  • возможность получения низких скоростей вращения. Для получения низкой скорости вращения двигателя достаточно замедлить скорость подачи импульсов, тогда двигатель будет медленнее шагать и скорость его вращения будет небольшой.
  • большой крутящий момент на низких скоростях. Большой крутящий момент на низких оборотах позволяет отказаться от применения редуктора, что упрощает конструкцию оборудования
  • может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей. Скорость вращения двигателя пропорциональна частоте входных импульсов, подавая их быстрее или медленнее мы так же влияем и на скорость вращения.

Недостатки шагового двигателя:

  • шаговым двигателем присуще явление резонанса. Шаговые двигатели обладают собственной резонансной частотой. Это связано с тем, что ротор после подачи тока в обмотку некоторое время колеблется, прежде чем зафиксироваться в конечном положении, и колебания тем сильней, чем больше инерция ротора. Резонанс приводит к повышенному шуму, вибрациям и падению крутящего момента двигателя. Один из способов победить резонанс – увеличить деление шага. Мелкие перемещения в микрошаге не требуют длительных разгона и фиксации ротора, быстро останавливают его между шагами и увеличивают частоту шагания выше резонансной.
  • возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи. При превышении усилия на валу выше того, который может создать двигатель, он начнет пропускать шаги. Так как у двигателя нет обратной связи, то контроллер не может узнать об этом и даже если двигатель начнет вращаться снова, стартует он уже из неправильного рабочего положения. Для устранения этого недостатка можно использовать сервошаговый двигатель или увеличить момент на валу, повысив напряжение, настроив драйвер на больший ток или заменив двигатель на более мощный.
  • потребляет энергию независимо от нагрузки. Шаговый двигатель в промежуточном положении фиксируется с полным моментом. Шагает он тоже с полным моментом. Поэтому он продолжает потреблять электричество без особой зависимости от нагрузки на валу. Снизить общее потребление энергии двигателем мы можем применив драйвера, которые уменьшают подаваемый в режиме удержания ток.
  • затруднена работа на высоких скоростях. На высоких скоростях вращения шаговый двигатель значительно теряет момент и при достижении определенной частоты оборотов момент становится настолько мал, что вал не может дальше крутиться. В этом момент двигатель останавливается и гудит с частотой подаваемых импульсов. Этот недостаток можно устранить, повысив питающее напряжение, что увеличит крутящий момент как на повышенных, так и на пониженных оборотах, использовать более продвинутый драйвер, который на высоких скоростях вращения переходит на полношаговый режим управления двигателем или попросту заменив шаговик на сервопривод, который рассчитан на высокие скорости.
  • невысокая удельная мощность.Шаговый двигатель по удельной мощности на грамм веса не самый энергонасыщенный электропривод. Сделать с этим мы ничего не можем.
  • относительно сложная схема управления.Драйвера шаговых двигателей насыщены электроникой. Тут мы тоже не можем что-то изменить.

Как выбрать шаговый двигатель? На какие параметры обратить внимание.

По большому счету, выбор двигателя сводится к выбору нескольких вещей:
  1. вида двигателя (его размеры)
  2. тока фазы
  3. индуктивность

Что касается вида двигателя, то при отсутствии каких-то определенных предпочтений мы бы рекомендовали использовать биполярные шаговые двигатели с 4 выводами, так как они наиболее распространены и, что не менее важно, не менее распространены драйвера для них. То есть случае какой-либо поломки вы легко найдете замену и отремонтируете станок.
Размер двигателя и его ток проще всего подобрать, ориентируясь на готовые станки от известных производителей, которые близки к конструируемому по размерам и характеристикам - проверенная конструкция означает, что двигатели уже подобраны оптимальным образом и можно взять их характеристики за основу. Производитель двигателя в данном случае не особо важен, так как ввиду отработанной технологии производства их характеристики у разных производителей примерно одинаковые.
Остается одна характеристика – индуктивность.

При одинаковом напряжении питания двигатели с большей индуктивностью имеют больший момент на низких оборотах, и меньший – на высоких, как видно из графика. Но большая индуктивность потенциально дает вам возможность получить больший крутящий момент, повысив напряжение питания, тогда как при использовании двигателей с небольшой индуктивностью повышение напряжения может привести к тому, что двигатель будет перегреваться без заметной прибавки в характеристиках. Это связано с тем, что нарастание тока в обмотках с низкой индуктивностью идет быстрее и мы легко можем получить среднее значение тока выше номинального, а как следствие этого – перегрев. Таким образом при прочих равных лучше выбрать двигатель с большим значением индуктивности.


Шаговые двигатели. Техническое описание

Шаговый двигатель – это электромеханическое устройство, преобразующее сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи. При проектировании конкретных систем приходится делать выбор между сервомотором и шаговым двигателем. Когда требуется прецизионное позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый двигатель является наиболее экономичным решением. Как и для обычных двигателей, для повышения момента может быть использован понижающий редуктор. Однако для шаговых двигателей редуктор не всегда подходит. В отличие от коллекторных двигателей, у котрых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигатель имеет больший момент на низких скоростях. К тому же, шаговые двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными двигателями, что ограничивает максимальное передаточное число и, соответственно, увеличение момента с помощью редуктора. Готовые шаговые двигатели с редукторами хотя и существуют, однако являются экзотикой.

Виды шаговых двигателей:

Способы управления фазами шагового двигателя:

Зависимость момента от скорости, влияние нагрузки:

Момент, создаваемый шаговым двигателем, зависит от скорости, тока в обмотках и схемы драйвера. У идеального шагового двигателя эта зависимость ...далее ➠

Разгон шагового двигателя:

Для того, чтобы работать на большой скорости из области разгона, необходимо стартовать на низкой скорости из области старта, а затем выполнить ...далее ➠

Резонанс шагового двигателя:

Шаговым двигателям свойственен нежелательный эффект, называемый резонансом. Эффект проявляется в виде внезапного падения момента на некоторых . ..далее ➠

Недостатки шагового двигателя:

  • шаговым двигателем присуще явление резонанса
  • возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи
  • потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки
  • затруднена работа на высоких скоростях
  • невысокая удельная мощность
  • относительно сложная схема управления

Преимущества шагового двигателя:

  • угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель
  • двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны)
  • прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность от   3 до  5%  от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу
  • возможность быстрого старта/остановки/реверсирования
  • высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников
  • однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи
  • возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора
  • может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов

Оригинал этой статьи можно прочитать в журнале "Основы схемотехники", №6-7/2001. Автор - Л.Ридико

Шаговый двигатель

Дмитрий Левкин

Шаговый электродвигатель - это вращающийся электродвигатель с дискретными угловыми перемещениями ротора, осуществляемыми за счет импульсов сигнала управления [1].

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.

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

Гибридный шаговый электродвигатель

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.

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.

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.

Трехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 30°)

Четырехфазный реактивный шаговый двигатель
(шаг 15°)

Ниже представлены осциллограммы управления для трехфазного шагового двигателя.

Униполярное волновое управление

Биполярное полношаговое управление

Биполярное 6-шаговое управление

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.

Осциллограммы управления 4-х фазным реактивным шаговым двигателем

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 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.

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.

Схема униполярного двухфазного шагового двигателя

Схема биполярного двухфазного шагового двигателя

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.

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.

Положение ротора шагового двигателя при волновом управлении

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

Волновое управление биполярным шаговым двигателем

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.

Волновое управление униполярным шаговым двигателем

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.

Схема 4 выводного биполярного шагового двигателя

Схема 5 выводного униполярного шагового двигателя

Схема 6 выводного униполярного шагового двигателя

Схема 8 выводного шагового двигателя

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.

Положение ротора шагового двигателя при полношаговом управлении

Полношаговое биполярное управление шаговым двигателем

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.

Положение ротора шагового двигателя при полушаговом управлении

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.

Полушаговое биполярное управление шаговым двигателем

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.

Конструкция гибридного шагового двигателя (осевой разрез)

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.

Гибридный шаговый двигатель (радиальный разрез)

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.

Ротор гибридного шагового двигателя

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 2x96=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.

Переделка шагового двигателя из униполярного в биполярный

С каждым годом аддитивные технологии развиваются все стремительней и входят в массы, и от этого , естественно, 3D печать становится только доступней. Но не для всех, и поэтому самые очумелые ручки решаются на собственное принтеростроение из всего что только попадется под руки. Одной из главных загвоздок такого принтеростроения становятся шаговые двигатели. Легче всего их достать из старых МФУ принтеров. Но зачастую двигатели из них являются униполярными и совсем не подходят для драйверов типа А4988 и drv8825. Сам столкнулся с такой проблемой, много читал про переделку в биполярный шаговый двигатель и теперь хочу поделиться с вами:)

Вот схема соединения катушек униполярного и биполярного шаговых двигателей:

Как видно, разница в том, что у униполярного шаговика середины обмоток соединены.

У самого были вот такие шаговики:

Он имеет стандартный размер Nema 17 и угол поворота на один полный шаг 1.8 градуса.

Для разборки откручиваем 4 болта и снимаем заднюю крышку. Вот что мы должны увидеть:

Первым логичным решением кажется просто перерезать пятую слева дорожку, но в большинстве случаев это не возымеет какого-либо эффекта. Если внимательно приглядеться, то заметно, что к пяточкам первых четырех дорожек припаяно по одному проводу, а к пятой уже по два . Отпаиваем их. Дальше все выводы мысленно нумеруем : И начинаем прозванивать выводы мультиметром. У меня получилось так : 1-8, 2-5, 3-6 и 4-7. Мы нашли четыре необходимых нам обмотки. Осталось определиться с их соединением. Возможно параллельное соединение обмоток, тогда бы мы соединили 1 с 2 выводом, 8 с 5, 3 с 4 и 6 с 7 соответственно, при данном подключении достигается максимальная скорость вращения. Также возможно последовательное соединение, тогда необходимо соединить 8 с 5 выводом и 6 с 7, при данном подключении получаем максимальный вращающий момент, что важно, например, для экструдеров. Ниже привожу схемы: Схему соединения необходимо выбирать в зависимости от конкретных целей и удобства соединения. Конкретно в нашем случае удобней выбрать схему с последовательным соединением, так как выводы 6 и 7 и так находятся рядом, и необходима будет лишь одна перемычка между 5 и 8 выводом и никакой больше мишуры из проводов. Разрезаем пятую дорожку на 3 части, и спаиваем все согласно схеме. Вот что получилось у меня: Также подпоял джамперы для более удобного подключения к плате управления: Подсоединяем к плате управления и наслаждаемся работой!) Вот и все, процесс совсем несложный и занимает совсем немного времени.

Всем спасибо за внимание и хороших будней!))

О шаговых двигателях и том, как их есть

Недавно я уже писал о том, что поимел большую головную боль в виде необходимости выбирать себе новые шаговые движки. Когда-то давно, когда трава была зеленее... Ну, в общем, закупил себе набор движков, который валялся до поры до времени. Закупал их особо не заморачиваясь и не разбираясь, как их выбирать и на что сомтреть. Не повторяйте моих ошибок, изучите вопрос. Ниже я опишу подробно, что мне удалось с тех пор узнать о шаговых движках, а в частности о том, как грамотно подойти к вопросу их выбора. Но сначала, для того, чтобы лучше понимать вопрос - давайте разберёмся,- 'что же такое шаговый электродвигатель?'.
Шаговый электродвигатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.
Так говорит нам википедия, хотя я бы назвал его не 'бесщёточный', а 'бесколлекторный', но с википедией спорить не будем, её всё таки 'умные' люди пишут. Да и суть от этого не сильно меняется, это, по сути своей, такой же двигатель, что и другие. Как, например, на дорогой гоночной машинке с БК движком. Такой же, да вот не такой!
Шаговый двигатель в первую очередь спроектирован не для того, что бы он просто вращался и передавал свой вращающий момент исполнительному механизму. Он должен обеспечивать высокую точность позиционирования и достаточный момент удержания.
И вот тут мы в плотную подходим к двум парам важных характеристик шагового электродвигателя. Первая пара это удерживающий момент и номинальный ток, а вторая угол поворота (шаг) и погрешность шага. Пройдёмся по каждой паре подробно.
Удерживающий момент - это то, с какой силой двигатель, если на него подан номинальный ток, будет сопротивляться попыткам его провернуть. Если подать на двигатель ток равный номинальном, это обеспечивает максимальный момент удержания.
Если ток завышен, то двигатель греется, если ток занижен, то снижается сила, с которой он сопротивляется проворачиванию, и двигатель может начать (и начнёт) пропускать шаги. Так же необходимо помнить, что самый распространённые драйверы для шаговых двигателей A4998 и DRV8825 могут обеспечить только 2А и 2.2А соответственно. Не нужно гоняться за заоблачными показателями. 4000 г/см и 1.7-1.8А хватит за глаза и уши даже для такой брутальной кинематики, как H-Bot.
Угол поворота - это угол поворота, на который двигатель поворачивается за один шаг (кто бы мог подумать?). Потому, иногда, его просто называют шагом и не парятся. А погрешность шага - это максимальное отклонение от заданного угла поворота в процентах.
Выходит, что чем мельче шаг, тем круче и точнее? Нет! Шаг в 1.8 градуса это всё, что вам нужно. Не буду сейчас приводить таблицы и примеры расчёта перемещений исполнительных механизмов на разных моделях принтеров и разных кинематиках. Поверьте мне на слово, лучше смотрите на погрешность шага, пользы будет больше. 5% - очень и очень хороший показатель.

И тут можно задаться вопросом, - 'а как же напряжение?'. Напряжение особой роли не играет, т.к. его регулирует драйвер шагового двигателя, что бы поддерживать необходимый ток. Но знайте меру. 3V - 5V вполне достаточно, 3.4V, наверное, в самый раз.

Есть ещё такой параметр, как количество фаз. Ну, если совсем просто, то это сколько контактов/проводов торчит из двигателя. По хорошему, нам для принтера нужны биполярные двигатели с 4-мя фазами (проводами). Но существуют и с 6-тью и, даже, с 8-мью. Последние - экзотика в наших краях (ну я по крайней мере вообще их в руках не держал). А вот те, что с 6-тью проводами - те встречаются. Если просто, то это тоже самое, что и с 4-мя, но на обеих обмотках есть центральный отвод. Более наглядно можно посмотреть на иллюстрации, которую я честно где-то стырил.

Но я так и не сказал, что брать? Если есть 4-выводной, берём его, если нет, не расстраиваемся и берём 6-выводной. Но лучше берите 4-выводной (мороки меньше). Кстати, на картинке 8-выводной двигатель показан в режиме, когда у него пары обмоток подключены параллельно.

О чём ещё не сказал? О размерах? Ну разве ими кого-то удивишь? Наш типоразмер это Nema17, тут ничего нового. Можно и другие, но это уже снова экзотика.

Ну и последнее. Вот я купил двигатель, а дальше что? Как на нём правильно настроит ток? А всё очень просто, я уже поверхностно описывал этот процесс в одном из своих постов. Нам понадобится мультиметр, отвёртка и немного математики. Настройка тока производится методом кручения подсроечника на драйвере и снятия контрольного напряжения. Напряжение можно снимать - как на картинке.

А дальше считаем по формуле, какое контрольное напряжение (Vr) нам надо выставить. Формула различается для разных драйверов.

Для A4988:

Vr = Номинальный ток / 2,5

Для двигателя с номинальным током 1.7А: Vr = 1.7A / 2 .5 = 0.68V

Для DRV8825:

Vr = Номинальный ток / 2

Для двигателя с номинальным током 1.7А: Vr = 1.7A / 2 = 0,85V

Поддержка шагового двигателя и контроллера

В отличие от стандартных двигателей постоянного тока, на которые подается напряжение, и они будут непрерывно перемещаться в одном направлении, у шаговых двигателей есть два набора входов, которые позволяют им подавать импульсы с определенными приращениями, чтобы контролировать точное положение двигателя без необходимости обратной связи. датчики, такие как датчик Холла или оптические энкодеры.

Шаговые двигатели

могут добиться этого благодаря множеству «зубчатых» электромагнитов, расположенных вокруг металлической шестерни.Когда подключенный драйвер шагового двигателя активирует один набор обмоток и отключает другой, двигатель поворачивается, чтобы выровняться с активированным набором. Каждое из этих движений называется «шаговым», отсюда и название «шаговый двигатель». Для удержания двигателя на месте активируются оба набора обмоток. Для движения в обратном направлении порядок наборов обмоток меняется на противоположный.

Это означает, что для правильной работы шагового двигателя потребуется специальный драйвер шагового двигателя.

Часто задаваемые вопросы:

Я хочу управлять 3.Биполярный шаговый двигатель 9 В, 600 мА похож на этот, но ваш держатель драйвера шагового двигателя A4988 имеет минимальное рабочее напряжение 8 В. Могу ли я использовать этот драйвер, не повредив шаговый двигатель?

Да. Чтобы не повредить шаговый двигатель, не превышайте номинальный ток, который в данном случае составляет 600 мА. Драйверы шагового двигателя A4988 позволяют ограничивать максимальный ток, поэтому, пока вы устанавливаете предел ниже номинального, вы будете в пределах спецификации для вашего двигателя, даже если напряжение превышает номинальное напряжение.Номинальное напряжение - это просто напряжение, при котором каждая катушка потребляет номинальный ток, поэтому катушки вашего шагового двигателя будут потреблять 600 мА при 3,9 В. Использование более высокого напряжения вместе с активным ограничением тока позволяет току нарастать быстрее. , что позволяет достичь более высокой скорости шага, чем при номинальном напряжении.

Как подключить мой шаговый двигатель к держателю драйвера шагового двигателя A4983 или A4988?

Ответ на этот вопрос зависит от типа вашего шагового двигателя.При работе с шаговыми двигателями вы обычно будете сталкиваться с двумя типами: униполярными шаговыми двигателями и биполярными шаговыми двигателями. Униполярные двигатели имеют две обмотки на фазу, что позволяет реверсировать магнитное поле без необходимости менять направление тока в катушке, что упрощает управление униполярными двигателями по сравнению с биполярными шаговыми двигателями. Недостатком является то, что только половина фазы проходит ток в любой момент времени, что снижает крутящий момент, который вы можете получить от шагового двигателя. Однако при наличии соответствующей схемы управления вы можете увеличить крутящий момент шагового двигателя, используя униполярный шаговый двигатель в качестве биполярного шагового двигателя (примечание: это возможно только с 6- или 8-выводными униполярными шаговыми двигателями, но не с 5- свинцовые униполярные шаговые двигатели).Униполярные шаговые двигатели обычно имеют пять, шесть или восемь выводов.

Биполярные шаговые двигатели имеют по одной катушке на фазу и требуют более сложной схемы управления (обычно H-мост для каждой фазы). A4983 и A4988 имеют схему, необходимую для управления биполярным шаговым двигателем. Биполярные шаговые двигатели обычно имеют четыре вывода, по два на каждую катушку.



Двухфазный биполярный шаговый двигатель с четырьмя выводами.

На схеме выше показан стандартный биполярный шаговый двигатель.Чтобы управлять этим с помощью A4983 или A4988, подключите шаговый вывод A к выходу платы 1A, шаговый вывод C к выводу платы 1B, шаговый вывод B к выводу платы 2A и шаговый вывод D к выводу платы 2B. Дополнительную информацию см. В таблице данных A4983 / A4988.

Если у вас однополярный шаговый двигатель с шестью выводами, как показано на схеме ниже:


Двухфазный униполярный шаговый двигатель с шестью выводами.

, вы можете подключить его к A4983 или A4988 в качестве биполярного шагового двигателя, выполнив биполярные соединения, описанные в разделе выше, и оставив выводы шагового двигателя A и B отсоединенными.Эти выводы являются центральными отводами к двум катушкам и не используются для биполярного режима.

Если у вас восьмиполюсный униполярный шаговый двигатель, как показано на схеме ниже:


Двухфазный униполярный шаговый двигатель с восемью выводами.

у вас есть несколько вариантов подключения. У восьмиполюсного униполярного шагового двигателя по две катушки на фазу, и он дает вам доступ ко всем выводам катушки (в шестиконтактном униполярном двигателе вывод A внутренне соединен с C, а вывод B внутренне соединен с D).При работе с биполярным шаговым двигателем у вас есть возможность использовать две катушки для каждой фазы параллельно или последовательно. При их параллельном использовании вы уменьшаете индуктивность катушки, что может привести к повышению производительности, если у вас есть возможность подавать больший ток. Однако, поскольку A4983 и A4988 активно ограничивают выходной ток по фазе, вы получите только половину фазного тока, протекающего через каждую из двух параллельных катушек. При их последовательном использовании это похоже на одну катушку на фазу (например, в биполярных шаговых двигателях с четырьмя выводами или однополярных шаговых двигателях с шестью выводами, используемых в качестве биполярных шаговых двигателей).Мы рекомендуем использовать последовательное соединение.

Для параллельного подключения фазовых катушек подключите выводы шагового двигателя A и C к выходу платы 1A, выводы шагового двигателя A и C к выводу платы 1B, выводы шагового двигателя B и D к выводу платы 2A, а выводы шагового двигателя B и D к выводу платы 2B .

Для последовательного соединения фазных катушек подключите вывод шагового двигателя A к C, а вывод шага B к D. Выводы шагового двигателя A, C, B и D должны быть подключены к приводу шагового двигателя, как обычно для биполярного шагового двигателя (см. биполярные шаговые соединения выше).


Вернуться к началу

Я хочу управлять таким биполярным шаговым двигателем 3,9 В, 600 мА, но ваш держатель драйвера шагового двигателя DRV8825 имеет минимальное рабочее напряжение 8,2 В. Могу ли я использовать этот драйвер, не повредив шаговый двигатель?

Да. Чтобы не повредить шаговый двигатель, не превышайте номинальный ток, который в данном случае составляет 600 мА. Драйверы шагового двигателя DRV8825 позволяют ограничивать максимальный ток, поэтому, пока вы устанавливаете предел ниже номинального, вы будете в пределах спецификации для вашего двигателя, даже если напряжение превышает номинальное напряжение.Номинальное напряжение - это просто напряжение, при котором каждая катушка потребляет номинальный ток, поэтому катушки вашего шагового двигателя будут потреблять 600 мА при 3,9 В. Использование более высокого напряжения вместе с активным ограничением тока позволяет току нарастать быстрее. , что позволяет достичь более высокой скорости шага, чем при номинальном напряжении.


Вернуться к началу

Мой драйвер шагового двигателя DRV8825 перегревается, но мой блок питания показывает, что он потребляет значительно меньше 1,5 А на катушку. Что дает?

Измерение тока, потребляемого источником питания, не обязательно обеспечивает точное измерение тока катушки.Поскольку входное напряжение драйвера может быть значительно выше, чем напряжение катушки, измеренный ток на источнике питания может быть немного ниже, чем ток катушки (драйвер и катушка в основном действуют как импульсный понижающий источник питания). Кроме того, если напряжение питания очень высокое по сравнению с тем, что требуется двигателю для достижения заданного тока, рабочий цикл будет очень низким, что также приведет к значительным различиям между средним и среднеквадратичным токами: действующий ток - это то, что имеет значение для рассеивания мощности. в микросхеме, но многие блоки питания этого не показывают.Вы должны основывать свою оценку тока катушки на установленном пределе тока или путем измерения фактических токов катушки.

Обратите внимание, что, хотя микросхема драйвера DRV8825 рассчитана на нагрузку до 2,5 А на катушку, резисторы для измерения тока 0,5 Вт рассчитаны только на 2,2 А, и сам чип будет перегреваться при более низких токах. Мы обнаружили, что обычно требуется, чтобы радиатор выдавал более 1,5 А на катушку, но это число зависит от таких факторов, как температура окружающей среды и воздушный поток.Например, герметизация трех держателей драйверов DRV8825 в непосредственной близости в небольшой коробке приведет к их перегреву при меньших токах, чем отдельный блок на открытом воздухе.


Вернуться к началу

Как подключить мой шаговый двигатель к держателю драйвера шагового двигателя DRV8824 или DRV8825?

Ответ на этот вопрос зависит от типа вашего шагового двигателя. При работе с шаговыми двигателями вы обычно будете сталкиваться с двумя типами: униполярными шаговыми двигателями и биполярными шаговыми двигателями.Униполярные двигатели имеют две обмотки на фазу, что позволяет реверсировать магнитное поле без необходимости менять направление тока в катушке, что упрощает управление униполярными двигателями по сравнению с биполярными шаговыми двигателями. Недостатком является то, что только половина фазы проходит ток в любой момент времени, что снижает крутящий момент, который вы можете получить от шагового двигателя. Однако при наличии соответствующей схемы управления вы можете увеличить крутящий момент шагового двигателя, используя униполярный шаговый двигатель в качестве биполярного шагового двигателя (примечание: это возможно только с 6- или 8-выводными униполярными шаговыми двигателями, но не с 5- свинцовые униполярные шаговые двигатели).Униполярные шаговые двигатели обычно имеют пять, шесть или восемь выводов.

Биполярные шаговые двигатели имеют по одной катушке на фазу и требуют более сложной схемы управления (обычно H-мост для каждой фазы). DRV8824 / DRV8825 имеет схему, необходимую для управления биполярным шаговым двигателем. Биполярные шаговые двигатели обычно имеют четыре вывода, по два на каждую катушку.


Двухфазный биполярный шаговый двигатель с четырьмя выводами.

На приведенной выше диаграмме показан стандартный биполярный шаговый двигатель.Чтобы управлять этим с помощью DRV8824 / DRV8825, подключите шаговый вывод A к выходу платы A1, шаговый вывод C к выводу платы A2, шаговый вывод B к выводу платы B1 и шаговый вывод D к выводу платы B2. Для получения дополнительной информации см. Техническое описание DRV8824 или DRV8825.

Если у вас однополярный шаговый двигатель с шестью выводами, как показано на схеме ниже:


Двухфазный униполярный шаговый двигатель с шестью выводами.

, вы можете подключить его к DRV8824 / DRV8825 в качестве биполярного шагового двигателя, выполнив биполярные соединения, описанные в разделе выше, и оставив шаговые выводы A и B отсоединенными.Эти выводы являются центральными отводами к двум катушкам и не используются для биполярного режима.

Если у вас восьмиполюсный униполярный шаговый двигатель, как показано на схеме ниже:


Двухфазный униполярный шаговый двигатель с восемью выводами.

у вас есть несколько вариантов подключения. У восьмиполюсного униполярного шагового двигателя по две катушки на фазу, и он дает вам доступ ко всем выводам катушки (в шестиконтактном униполярном двигателе вывод A внутренне соединен с C, а вывод B внутренне соединен с D).При работе с биполярным шаговым двигателем у вас есть возможность использовать две катушки для каждой фазы параллельно или последовательно. При их параллельном использовании вы уменьшаете индуктивность катушки, что может привести к повышению производительности, если у вас есть возможность подавать больший ток. Однако, поскольку DRV8824 / DRV8825 активно ограничивает выходной ток по фазе, вы получите только половину фазного тока, протекающего через каждую из двух параллельных катушек. При их последовательном использовании это похоже на одну катушку на фазу (например, в биполярных шаговых двигателях с четырьмя выводами или однополярных шаговых двигателях с шестью выводами, используемых в качестве биполярных шаговых двигателей).Мы рекомендуем использовать последовательное соединение.

Для параллельного соединения фазовых катушек подключите выводы шагового двигателя A и C к выходу платы A1, выводы шагового двигателя A и C к выводу платы A2, выводы шагового двигателя B и D к выводу платы B1, а выводы шагового двигателя B и D к выводу платы B2 .

Для последовательного соединения фазных катушек подключите вывод шагового двигателя A к C1, а вывод шага B к D. Выводы шагового двигателя A, C, B и D должны быть подключены к приводу шагового двигателя, как обычно для биполярного шагового двигателя (см. биполярные шаговые соединения выше).


Вернуться к началу

Мой драйвер шагового двигателя A4988 перегревается, но мой блок питания показывает, что он потребляет значительно меньше 1 А на катушку. Что дает?

Измерение тока, потребляемого источником питания, не обязательно обеспечивает точное измерение тока катушки. Поскольку входное напряжение драйвера может быть значительно выше, чем напряжение катушки, измеренный ток на источнике питания может быть немного ниже, чем ток катушки (драйвер и катушка в основном действуют как импульсный понижающий источник питания).Кроме того, если напряжение питания очень высокое по сравнению с тем, что требуется двигателю для достижения заданного тока, рабочий цикл будет очень низким, что также приведет к значительным различиям между средним и среднеквадратичным токами: действующий ток - это то, что имеет значение для рассеивания мощности. в микросхеме, но многие блоки питания этого не показывают. Вы должны основывать свою оценку тока катушки на установленном пределе тока или путем измерения фактических токов катушки.

Обратите внимание, что хотя микросхема драйвера A4988 может выдавать 2 А на катушку, микросхема сама по себе будет перегреваться при более низких токах.Печатная плата несущей платы помогает отводить тепло от ИС, но мы обнаружили, что обычно требуется, чтобы радиатор выдавал более примерно 1 А на катушку (несущая плата A4988 Black Edition имеет четырехслойную печатную плату, которая позволяет передавать до около 1,2 А на катушку без радиатора), но это число зависит от таких факторов, как температура окружающей среды и расход воздуха. Например, герметизация трех держателей драйверов A4988 в непосредственной близости в небольшой коробке приведет к их перегреву при более низких токах, чем отдельный блок на открытом воздухе.


Быстрые ссылки на наши продукты с шаговыми двигателями:


Вернуться к началу

Конструкция, работа, типы и применение

Шаговый двигатель - это электромеханическое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. Кроме того, это бесщеточный синхронный электродвигатель, который может разделить полный оборот на большое количество шагов. Положение двигателя можно точно контролировать без какого-либо механизма обратной связи, если двигатель точно рассчитан для конкретного применения.Шаговые двигатели аналогичны вентильным реактивным двигателям. Шаговый двигатель использует теорию работы магнитов, чтобы вал двигателя вращался на точное расстояние при подаче электрического импульса. У статора восемь полюсов, а у ротора - шесть. Ротору потребуется 24 импульса электричества, чтобы переместить 24 ступени на один полный оборот. Другими словами, ротор будет перемещаться точно на 15 ° за каждый электрический импульс, который получает двигатель.

Конструкция и принцип работы

Конструкция шагового двигателя довольно похожа на двигатель постоянного тока.Он включает в себя постоянный магнит, такой как ротор, который находится посередине, и он будет вращаться, когда на него будет действовать сила. Этот ротор заключен в № статора, который намотан через магнитную катушку. Статор расположен рядом с ротором, так что магнитные поля внутри статоров могут управлять движением ротора.


Шаговый двигатель

Шаговым двигателем можно управлять, запитывая каждый статор по очереди. Таким образом, статор намагничивается и работает как электромагнитный полюс, который использует энергию отталкивания на роторе для движения вперед.Альтернативное намагничивание статора, а также размагничивание постепенно смещают ротор и позволяют ему вращаться с большим контролем.

Принцип работы шагового двигателя - Электромагнетизм. Он включает ротор с постоянным магнитом, а статор с электромагнитами. После подачи питания на обмотку статора внутри статора будет развиваться магнитное поле. Теперь ротор в двигателе начнет двигаться с вращающимся магнитным полем статора.Итак, это основной принцип работы этого двигателя.

Конструкция шагового двигателя

В этом двигателе используется мягкое железо, защищенное электромагнитными статорами. Полюса статора, как и ротора, не зависят от типа шагового двигателя. Как только статоры этого двигателя находятся под напряжением, ротор будет вращаться, чтобы выровняться со статором, в противном случае поворачивается, чтобы иметь наименьший зазор через статор. Таким образом, статоры последовательно активируются для вращения шагового двигателя.

Техника вождения

Техника вождения с шаговым двигателем s может быть возможна с некоторыми специальными схемами из-за их сложной конструкции. Есть несколько способов управления этим двигателем, некоторые из них обсуждаются ниже на примере четырехфазного шагового двигателя.


Режим одиночного возбуждения

Основным методом приведения в действие шагового двигателя является режим одиночного возбуждения. Это старый метод, который в настоящее время мало используется, но об этом методе нужно знать.В этом методе каждая фаза, иначе статор рядом друг с другом, будет запускаться одна за другой поочередно с помощью специальной цепи. Это намагнитит и размагнитит статор, чтобы ротор двигался вперед.

Full Step Drive

В этом методе два статора активируются одновременно, а не один за очень короткий период времени. Этот метод приводит к высокому крутящему моменту и позволяет двигателю управлять высокой нагрузкой.

Полушаговый привод

Этот метод довольно похож на полный шаговый привод, поскольку два статора будут расположены рядом друг с другом, так что он будет активирован первым, а третий будет активирован после этого.Этот вид цикла для переключения сначала двух статоров, а затем третьего статора приводит в движение двигатель. Этот метод приведет к улучшению разрешения шагового двигателя при уменьшении крутящего момента.

Micro Stepping

Этот метод используется чаще всего из-за его точности. Переменный ток шага будет подаваться схемой драйвера шагового двигателя к катушкам статора в форме синусоидального сигнала. Точность каждого шага может быть увеличена за счет этого небольшого шагового тока.Этот метод широко используется, потому что он обеспечивает высокую точность, а также в значительной степени снижает рабочий шум.

Схема шагового двигателя и его работа

Шаговые двигатели работают иначе, чем щеточные двигатели постоянного тока, которые вращаются, когда на их клеммы подается напряжение. Шаговые двигатели, с другой стороны, фактически имеют несколько зубчатых электромагнитов, расположенных вокруг куска железа в форме центральной шестерни. Электромагниты получают питание от внешней цепи управления, например, микроконтроллера.

Схема шагового двигателя

Чтобы заставить вал двигателя вращаться, сначала на один электромагнит подается энергия, которая заставляет зубья шестерни магнитно притягиваться к зубцам электромагнита. В момент, когда зубья шестерни таким образом выровнены относительно первого электромагнита, они немного смещаются относительно следующего электромагнита. Поэтому, когда следующий электромагнит включается, а первый выключается, шестерня слегка поворачивается, чтобы выровняться со следующей, и оттуда процесс повторяется. Каждое из этих небольших поворотов называется шагом, при котором целое число шагов совершает полный оборот.

Таким образом, двигатель можно вращать с помощью точного. Шаговые двигатели не вращаются постоянно, они вращаются ступенчато. На статоре закреплены 4 катушки с углом 90 90 157 o 90 158 между собой. Подключение шагового двигателя определяется способом соединения катушек. В шаговом двигателе катушки не соединены. Двигатель имеет шаг вращения на 90, - , при этом на катушки подается питание в циклическом порядке, определяющем направление вращения вала.

Работа этого двигателя отображается с помощью переключателя.Катушки активируются последовательно с интервалом в 1 секунду. Вал поворачивается на 90, o каждый раз, когда активируется следующая катушка. Его крутящий момент на низкой скорости будет напрямую зависеть от тока.

Типы шаговых двигателей

Существует три основных типа шаговых двигателей, это:

  • Шаговый двигатель с постоянным магнитом
  • Гибридный синхронный шаговый двигатель
  • Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением
Шаговый двигатель с постоянным магнитом

В двигателях с постоянным магнитом используется постоянный магнит (PM) в роторе и действует на притяжение или отталкивание между PM ротора и электромагнитами статора.

Это наиболее распространенный тип шаговых двигателей по сравнению с различными типами шаговых двигателей, доступных на рынке. Этот двигатель включает в себя постоянные магниты в конструкции двигателя. Этот тип двигателя также известен как двигатель для жестяных банок. Основное преимущество этого шагового двигателя - меньшая стоимость производства. На каждый оборот приходится 48-24 шага.

Шаговый двигатель с регулируемым сопротивлением

Двигатели с регулируемым сопротивлением (VR) имеют ротор из гладкого железа и работают по принципу, согласно которому минимальное сопротивление достигается при минимальном зазоре, следовательно, точки ротора притягиваются к полюсам магнита статора.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением является основным типом двигателя и используется в течение последних многих лет. Как следует из названия, угловое положение ротора в основном зависит от сопротивления магнитной цепи, которое может образовываться между зубьями статора и ротора.

Гибридный синхронный шаговый двигатель

Гибридные шаговые двигатели названы так, потому что в них используется комбинация методов постоянного магнита (PM) и переменного магнитного сопротивления (VR) для достижения максимальной мощности в небольших корпусах.

Наиболее популярным типом двигателя является гибридный шаговый двигатель, поскольку он дает хорошие характеристики по сравнению с ротором с постоянными магнитами с точки зрения скорости, шагового разрешения и удерживающего момента. Но этот тип шагового двигателя дороже по сравнению с шаговыми двигателями с постоянными магнитами. Этот двигатель сочетает в себе характеристики шаговых двигателей с постоянным магнитом и переменного магнитного сопротивления. Эти двигатели используются там, где требуется меньший угол шага, например 1,5, 1,8 и 2,5 градуса.

Как выбрать шаговый двигатель?

Прежде чем выбрать шаговый двигатель в соответствии с вашими требованиями, очень важно изучить кривую крутящего момента двигателя.Таким образом, эту информацию можно получить у разработчика двигателя, и это графический символ крутящего момента двигателя при заданной скорости. Кривая скорости вращения двигателя должна точно соответствовать потребностям применения; в противном случае невозможно получить ожидаемую производительность системы.

Типы подключения

Шаговые двигатели, как правило, являются двухфазными двигателями, такими как униполярные или биполярные. На каждую фазу в униполярном двигателе приходится по две обмотки. Здесь центральный вывод - это обычный вывод между двумя обмотками к полюсу.У униполярного двигателя от 5 до 8 выводов.

В конструкции, в которой два общих полюса разделены, но имеют центральную резьбу, этот шаговый двигатель имеет шесть выводов. Если двухполюсные центральные ответвители короткие внутри, то у этого двигателя пять выводов. Униполярный с 8 выводами облегчит как последовательное, так и параллельное соединение, в то время как двигатель с пятью или шестью выводами имеет последовательное соединение обмотки статора. Работа униполярного двигателя может быть упрощена, поскольку во время его работы нет необходимости реверсировать поток тока в цепи управления, который известен как бифилярные двигатели.

В биполярном шаговом двигателе для каждого полюса имеется одна обмотка. Направление подачи должно измениться через схему управления, чтобы она стала сложной, поэтому эти двигатели называются унифицированными двигателями.

Управление шаговым двигателем с помощью изменяющихся тактовых импульсов

Схема управления шаговым двигателем - это простая и недорогая схема, в основном используемая в приложениях с низким энергопотреблением. Схема, представленная на рисунке, состоит из 555 таймеров IC как стабильного мультивибратора. Частота рассчитывается с использованием данного отношения.

Частота = 1 / T = 1,45 / (RA + 2RB) C, где RA = RB = R2 = R3 = 4,7 кОм и C = C2 = 100 мкФ.

Управление шаговым двигателем путем изменения тактовых импульсов

Выход таймера используется в качестве тактового сигнала для двух двойных триггеров 7474 «D» (U4 и U3), сконфигурированных как счетчик звонков. При первоначальном включении питания устанавливается только первый триггер (т. Е. Выход Q на выводе 5 U3 будет на логической «1»), а остальные три триггера сбрасываются (т. Е. Выход Q находится на логическом уровне. 0). При получении тактового импульса выход логической «1» первого триггера смещается на второй триггер (вывод 9 U3).

Таким образом, выход логической 1 продолжает циклически смещаться с каждым тактовым импульсом. Выходы Q всех четырех триггеров усиливаются решетками транзисторов Дарлингтона внутри ULN2003 (U2) и подключены к обмоткам шагового двигателя оранжевого, коричневого, желтого, черного цветов на 16, 15, 14, 13 ULN2003, а красный - на + ve поставка.

Общая точка обмотки подключена к источнику постоянного тока +12 В, который также подключен к выводу 9 ULN2003. Цветовой код, используемый для обмоток, может варьироваться от производителя к производителю.При включении питания управляющий сигнал, подключенный к контакту SET первого триггера и контактам CLR трех других триггеров, становится активным 'низким' (из-за схемы включения питания при сбросе, сформированной R1 -C1 комбинация), чтобы установить первый триггер и сбросить остальные три триггера.

При сбросе Q1 IC3 становится «высоким», а все остальные выходы Q становятся «низкими». Внешний сброс может быть активирован нажатием переключателя сброса. Нажав переключатель сброса, вы можете остановить шаговый двигатель.Двигатель снова начинает вращаться в том же направлении, если отпустить переключатель сброса.

Разница между шаговым двигателем и серводвигателем

Серводвигатели подходят для приложений с высоким крутящим моментом и скоростью, тогда как шаговый двигатель дешевле, поэтому они используются там, где высокий удерживающий момент, ускорение с низким и средним, открытый в противном случае закрытый - требуется гибкость работы петли. Разница между шаговым двигателем и серводвигателем заключается в следующем.

Шаговый двигатель

Серводвигатель

Двигатель, который движется дискретными шагами, известен как шаговый двигатель. Серводвигатель - это один из видов двигателей с обратной связью, который подключен к энкодеру для обеспечения обратной связи по скорости и положению.

Шаговый двигатель используется там, где управление, а также точность являются основными приоритетами Серводвигатель используется там, где скорость является основным приоритетом

Общее количество полюсов шагового двигателя варьируется от От 50 до 100 Общее количество полюсов серводвигателя колеблется от 4 до 12
В системе с обратной связью эти двигатели двигаются с постоянным импульсом Этим двигателям требуется энкодер для изменения импульсов для управления положением.

Крутящий момент высокий на низкой скорости Крутящий момент низкий на высокой скорости
Время позиционирования меньше при коротких ходах Время позиционирования меньше при длинных ходах
Движение по инерции с высоким допуском Перемещение по инерции с низким допуском
Этот двигатель подходит для механизмов с низкой жесткостью, таких как шкив и ремень Не подходит для механизма с меньшей жесткостью
Высокая скорость реакции Низкая скорость реакции
Эти используются для переменных нагрузок Они не используются для колеблющихся нагрузок
Регулировка усиления / настройки не требуется Требуется регулировка усиления / настройки
Шаговый двигатель против двигателя постоянного тока

Оба Шаговые двигатели и двигатели постоянного тока используются в различных промышленных приложениях, но • Основные различия между этими двумя двигателями немного сбивают с толку.Здесь мы перечисляем некоторые общие характеристики этих двух дизайнов. Каждая характеристика обсуждается ниже.

9022

Характеристики

Шаговый двигатель

Двигатель постоянного тока

Характеристики управления Простой с использованием микроконтроллера Требуется простой Диапазон скоростей Низкая от 200 до 2000 об / мин Средняя
Надежность Высокая Средняя
Эффективность Низкая Высокая скорость Максимальный крутящий момент при меньшей скорости Высокий крутящий момент при меньшей скорости
Стоимость Низкая Низкая
Параметры шагового двигателя

Параметры шагового двигателя в основном включают оборот, шаги за каждую секунду и об / мин.

Угол шага

Угол шага шагового двигателя можно определить как угол, под которым ротор двигателя поворачивается, когда на вход статора подается одиночный импульс. Разрешение двигателя можно определить как количество шагов двигателя и количество оборотов ротора.

Разрешение = Число шагов / Число оборотов ротора

Расположение двигателя можно определить с помощью угла шага, который выражается в градусах.Разрешение двигателя (номер шага) - нет. шагов, которые совершают за один оборот ротора. Когда угол шага двигателя небольшой, то разрешение для расположения этого двигателя высокое.

Точность расположения объектов с помощью этого двигателя в основном зависит от разрешения. Как только разрешение будет высоким, точность будет низкой.

Некоторые точные двигатели могут создавать 1000 шагов за один оборот, включая угол шага 0,36 градуса.Типичный двигатель имеет угол шага 1,8 градуса с 200 шагами на каждый оборот. Различные углы шага, такие как 15 градусов, 45 градусов и 90 градусов, очень распространены в обычных двигателях. Количество углов может изменяться от двух до шести, а небольшой угол шага может быть достигнут за счет частей полюса с прорезями.

Шагов для каждого оборота

Шаги для каждого разрешения могут быть определены как количество углов шага, необходимых для полного оборота. Формула для этого - 360 ° / угол шага.

Шагов за каждую секунду

Этот тип параметра в основном используется для измерения количества шагов, пройденных за каждую секунду.

Число оборотов в минуту

Число оборотов в минуту - это число оборотов в минуту. Он используется для измерения частоты вращения. Таким образом, используя этот параметр, мы можем рассчитать количество оборотов за одну минуту. Основная связь между параметрами шагового двигателя следующая.

шагов на каждую секунду = оборот в минуту x шагов на оборот / 60

Шаговый двигатель, взаимодействующий с микроконтроллером 8051

Шаговый двигатель, взаимодействующий с 8051, очень прост, используя три режима, такие как волновой привод, полный шаговый привод и полушаг привод, подавая 0 и 1 на четыре провода двигателя в зависимости от того, какой режим привода мы должны выбрать для работы этого двигателя.

Остальные два провода необходимо подключить к источнику напряжения. Здесь используется униполярный шаговый двигатель, где четыре конца катушек подключены к четырем основным контактам порта 2 микроконтроллера с помощью ULN2003A.

Этот микроконтроллер не обеспечивает достаточный ток для управления катушками, поэтому IC драйвера тока любит ULN2003A. Необходимо использовать ULN2003A, который представляет собой набор из 7 пар NPN транзисторов Дарлингтона. Проектирование пары Дарлингтона может быть выполнено с помощью двух биполярных транзисторов, которые соединены для достижения максимального усиления тока.

В ИС драйвера ULN2003A входные контакты - 7, выходные контакты - 7, где два контакта предназначены для клемм питания и заземления. Здесь используются 4 входа и 4 выхода. В качестве альтернативы ULN2003A, L293D IC также используется для усиления тока.

Вам необходимо очень внимательно следить за двумя общими проводами и четырьмя проводами катушки, иначе шаговый двигатель не будет вращаться. Это можно увидеть, измерив сопротивление с помощью мультиметра, но мультиметр не будет отображать никаких показаний между двумя фазами проводов.Как только общий провод и два других провода находятся в одинаковой фазе, он должен показывать одинаковое сопротивление, тогда как две конечные точки катушек в аналогичной фазе будут демонстрировать двойное сопротивление по сравнению с сопротивлением между общей точкой, а также одной конечной точкой.

Устранение неисправностей
  • Устранение неисправностей - это процесс проверки состояния двигателя, независимо от того, работает он или нет. Следующий контрольный список используется для устранения неисправностей шагового двигателя.
  • Сначала проверьте соединения, а также код цепи.
  • Если все в порядке, затем убедитесь, что двигатель получает надлежащее напряжение, иначе он просто вибрирует, но не вращается.
  • Если подача напряжения в норме, проверьте конечные точки четырех катушек, которые связаны с ULN2003A IC.
  • Сначала найдите две общие конечные точки и подключите их к источнику питания 12 В, после этого подключите оставшиеся четыре провода к IC ULN2003A. Пока не запустится шаговый двигатель, попробуйте все возможные комбинации. Если подключение не выполнено надлежащим образом, двигатель будет вибрировать вместо вращения.
Могут ли шаговые двигатели работать непрерывно?

Как правило, все двигатели работают или вращаются непрерывно, но большинство двигателей не может остановиться, когда они находятся под напряжением. Когда вы пытаетесь ограничить вал двигателя, когда он находится под напряжением, он сгорит или сломается.

В качестве альтернативы, шаговые двигатели предназначены для дискретного шага, а затем ожидания там; снова шаг и оставайся там. Если мы хотим, чтобы двигатель оставался в одном месте на меньшее время, прежде чем снова сделать шаг, он будет выглядеть как непрерывно вращающийся.Энергопотребление этих двигателей велико, но рассеяние мощности в основном происходит, когда двигатель остановлен или неправильно спроектирован, тогда существует вероятность перегрева. По этой причине подача тока на двигатель часто снижается, когда двигатель находится в удерживаемом положении в течение более длительного времени.

Основная причина в том, что когда двигатель вращается, его входная электрическая часть может быть изменена на механическую. Когда двигатель останавливается во время вращения, вся входная мощность может быть преобразована в тепло внутри катушки.

Преимущества

К преимуществам шагового двигателя относятся следующие.

  • Прочность
  • Простая конструкция
  • Может работать в системе управления с разомкнутым контуром
  • Низкие затраты на обслуживание
  • Работает в любой ситуации
  • Высокая надежность
  • Угол поворота двигателя пропорционален входному импульсу .
  • Двигатель имеет полный крутящий момент в состоянии покоя.
  • Точное позиционирование и повторяемость движения, так как хорошие шаговые двигатели имеют точность 3–5% шага, и эта ошибка не накапливается от одного шага к другому.
  • Отличная реакция на пуск, остановку и движение задним ходом.
  • Очень надежный, так как в двигателе нет контактных щеток. Следовательно, срок службы двигателя просто зависит от срока службы подшипника.
  • Реакция двигателя на импульсы цифрового входа обеспечивает управление без обратной связи, что упрощает управление двигателем и снижает его стоимость.
  • Можно добиться синхронного вращения с очень низкой скоростью с нагрузкой, непосредственно связанной с валом.
  • Может быть реализован широкий диапазон скоростей вращения, поскольку скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Недостатки

К недостаткам шагового двигателя можно отнести следующее.

  • Низкий КПД
  • Крутящий момент двигателя будет быстро снижаться со скоростью
  • Низкая точность
  • Обратная связь не используется для определения возможных пропущенных шагов
  • Малое отношение крутящего момента к инерции
  • Чрезвычайно шумный
  • Если двигатель не контролируется должным образом, могут возникать резонансы
  • Работа этого двигателя не из легких на очень высоких скоростях.
  • Требуется специальная схема управления
  • По сравнению с двигателями постоянного тока, он использует больший ток

Приложения

В шаговый двигатель входит следующее.

  1. Промышленные машины - Шаговые двигатели используются в автомобильных датчиках и станках, в автоматизированном производственном оборудовании.
  2. Security - новые продукты видеонаблюдения для индустрии безопасности.
  3. Медицина - Шаговые двигатели используются в медицинских сканерах, пробоотборниках, а также в цифровой стоматологической фотографии, жидкостных насосах, респираторах и оборудовании для анализа крови.
  4. Бытовая электроника - Шаговые двигатели в камерах для автоматической фокусировки и масштабирования цифровых камер.

А также есть приложения для бизнес-машин, приложения для компьютерной периферии.

Таким образом, это все об обзоре шагового двигателя, такого как конструкция, принцип работы, различия, преимущества, недостатки и области применения. Теперь у вас есть представление о типах супермоторов и их применении, если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме или электрические и электронные проекты, оставьте комментарии ниже.

Фоторепортаж

4.4. Упражнение: G-Code Stepper Motor Motion - Robotics for Creative Practice

Шаговый двигатель обеспечивает точное управление движением без обратной связи по разумной цене. Эти моторы актуатор для многих недорогих 3D-принтеров, настольных фрезерных станков с ЧПУ, струйных принтеры и маленькие роботы. Для наших целей шаговые двигатели обычно обеспечивают «машинное» качество движения: точное, повторяемое и узнаваемая акустическая подпись.Это может быть несколько изменено динамикой ведомого механизма, но типичное приложение вызовет машину точность.

Шаговый двигатель использует зубчатый ротор и несколько приводных катушек для создания движения дискретными шагами. Основной угловой размер ступеней определяется физическое расстояние между внутренними магнитными зубьями. Шаговые двигатели разомкнутый контур , так как нет датчика, участвующего в управлении положением. В драйвер просто переключает токи катушки и предполагает, что двигатель движется синхронно.Если двигатель достигает слишком высокого крутящего момента, магнитные силы можно преодолеть, и ротор переместится в другое положение. В микроконтроллер не имеет возможности обнаружить эту ошибку.

В этом упражнении используется модуль драйвера шагового двигателя, который заботится о включении токи соответственно через две катушки биполярного шагового двигателя. В Основными входами для драйвера являются направление и шаг . Каждый импульс на Шаг перемещает двигатель на одну единицу в направлении, указанном направлением ввод.Дополнительные входы управляют подразделением физических ступеней. (частичный шаг) и общее состояние питания драйвера.

Благодаря тщательной механической конструкции шаговые двигатели могут надежно двигаться сложные механизмы. С добавлением контроля и управления с малой задержкой вычисления, они могут даже функционировать как выходные приводы для управления с обратной связью замкнутые системы.

Степперы могут создавать сложные выразительные движения исключительно через разомкнутый контур срабатывание и программное обеспечение.Самый быстрый способ начать работу - использовать grbl для управления движением с ЧПУ Arduino и программировать систему, выдавая ей команды G-кода. Это вторичное преимущество обучения базовому программированию G-кода для использования с ЧПУ роутер.

Эта прошивка обычно используется для запуска фиксированной программы резки деталей в ЧПУ. приложений, но можно передавать команды G-кода в реальном времени для создания система с динамическим поведением. Задержка может быть ограничена продолжительностью единичными движениями, поэтому при осторожном применении результирующий эффект может соединение множества коротких движений.

4.4.1. Цели

Управляйте системой шагового двигателя в интерактивном режиме, изучите несколько основных команд G-кода, и поставьте простую последовательность движений.

4.4.4. Эксперименты

4.4.4.1. Взаимодействие с командной строкой

Самый простой способ опробовать движения - использовать терминальную программу в качестве текста. приставка. На кластерных компьютерах Mac IDeATe должны быть доступны три варианта: вы можете использовать Serial Monitor, встроенный в Arduino IDE, почтенную систему проклятий minicom или CoolTerm на основе графического интерфейса.

Какой бы вариант вы ни выбрали, определите, какой порт перечисляет ваш Arduino, затем настроить эмулятор терминала для использования этого порта на скорости 115200 бод, 8 бит, нет четность, один стоповый бит. Если вы используете Arduino IDE, убедитесь, что строка ‘ В раскрывающемся списке end ’установлено значение« Новая строка »или« Возврат каретки ».

Когда вы подключаетесь к эмулятору терминала, Arduino должен перезагрузиться, а затем показать приглашение grbl:

При вводе $ отобразится короткий список команд. При вводе $$ отобразится длинный список параметров.Набираете ? без возврата покажет считывание статуса, включая текущее положение всех осей:

? <Режим ожидания, MPos: 0.000,0.000,0.000, WPos: 0.000,0.000,0.000>
 

После того, как вы увидите приглашение grbl, подайте мощность двигателя 12 В. и введите следующую команду движения:

Вы должны наблюдать, как шаговый двигатель плавно ускоряется до постоянного вращения. скорости, вращайте в течение нескольких секунд, затем уменьшите скорость. Подробные ссылки на G-код ссылка на страницу ресурса grbl, но быстрое объяснение следует:

G91 установить режим инкрементального расстояния
G0 команда быстрого позиционирования
Х100 расстояние перемещения по оси X

Чтобы вернуться к началу, вы можете ввести другую команду G0:

Поскольку команда G0 является модальной, это также может быть выполнено простым вводом другое слово оси:

Обратите внимание, что каждая команда полностью завершается до начала следующей, даже если grbl может позволить вам печатать вперед.2.

Параметр $ 100 = 250,000 показывает допущение 250 шагов / мм; в На самом деле физическое масштабирование зависит от конкретной геометрии шагового двигателя. и включен ли в A4988 микрошаг. A4988 - это микрошаговый драйвер, который может принимать несколько управляющих импульсов для каждого физического шага двигателя. Предполагая, что A4988 настроен на наилучшую конфигурацию перемычек из 16 микрошагов на шаг, и вы используете типичный шаговый двигатель на 200 шагов / оборотов, это приводит к следующий расчет расстояния и скорости для G0 X100 :

100 мм * (250 микрошагов / мм) * (1 шаг двигателя / 16 микрошагов) * (1 оборот / 200 шагов мотора) = 7.8125 оборотов
500 мм / мин * (250 микрошагов / мм) * (1 шаг двигателя / 16 микрошагов) * (1 оборот / 200 шагов мотора) = 39,0625 об / мин
 

Обратите внимание, что параметры по умолчанию консервативно медленные для нашего ненагруженного шаговые двигатели, но могут быть изменены и сохранены в энергонезависимой памяти Arduino объем памяти. Например, максимальная скорость, при которой grbl может излучать тактовые импульсы. составляет 30 кГц, поэтому максимально возможная скорость с конфигурацией по умолчанию равна следует:

 (30000 микрошагов / сек) / (250 микрошагов / мм) = 120 мм / сек
(120 мм / сек) * (60 секунд / мин) = 7200 мм / мин
 

Таким образом, параметр $ 110 может быть установлен на 7200, чтобы двигатель оси X работал на максимально возможная скорость:

Конфигурация grbl по умолчанию отключает драйверы двигателя всякий раз, когда программа сделано, что может быть неудобно, если вы ожидаете, что моторы удержат что-то в положении при простое.Если имеет смысл всегда держать все оси включен, вы можете установить «задержку шага холостого хода» следующим образом:

4.4.4.3. Потоковое

Для обработки с ЧПУ grbl управляется непрерывной потоковой передачей программы G-кода к нему. Мы можем воспользоваться этими же инструментами потоковой передачи для создания простых двигательная хореография.

Пакет grbl включает два простых скрипта Python для отправки файла G-кода. блоки к драйверу, находящемуся в папке скрипта. Эти сценарии требуют дополнительного пакет pySerial, который уже должен быть установлен в кластере IDeATe Mac; на этих ноутбуках конкретная версия python / opt / local / bin / python2.7 включает модуль pySerial.

Подготовьте для запуска простой файл G-кода; у них обычно есть файл расширение .nc . Это простые текстовые файлы ASCII, которые необходимо отредактировать. с текстовым редактором. (Если вы используете приложение Apple TextEdit, обязательно примените Форматирование / создание простого текста.) Вот пример для начала:

 G21 G91 G94
G0 X10
X-10
X20
Х-20
 

Сначала определите пронумерованное имя вашего Arduino (например, похоже на /dev/tty.usbmodem1411 на Mac или COM4: на Windows).Тогда из в командной строке перейдите в папку сценария :

 компакт-диск Arduino / grbl / doc / script /
 

И введите команду следующего вида, подставив имя вашего G-кода файл для sample.nc и ваше конкретное имя последовательного порта:

 /opt/local/bin/python2.7 stream.py sample.nc /dev/tty.usbmodem1411
 

Команда написана специально для кластера Mac IDeATe с MacPorts. Стандартный Apple python / usr / bin / python не включает pySerial модуль.

Если все пойдет хорошо, вы должны увидеть следующий результат:

 Инициализация grbl ...
SND: 1: G21 G91 G94 BUF: 12 REC:
SND: 2: G0 X10 BUF: 19 REC:
SND: 3: X-10 BUF: 24 REC:
SND: 4: X20 BUF: 28 REC:
SND: 5: X-20 BUF: 33 REC:
SND: 6: BUF: 34 REC:
Потоковая передача G-кода завершена!

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: подождите, пока grbl завершит буферизованные блоки кода g перед выходом.
  Нажмите , чтобы выйти и отключить grbl.
 

4.4.4.4. Хореография

На заключительном этапе этого упражнения создайте крошечный одноосный перформанс.Прикрепите простую марионетку к валу двигателя, затем напишите последовательность движений для оживить это. Обязательно запишите краткое видео с вашими результатами.

Ваша марионетка может быть такой же простой, как вырез из бумаги, приклеенный к стержню, найденный объект или что-нибудь, что может показывать некоторое движение и служить обоснованием для ваша анимация.

Вы можете использовать любые функции G-кода, которые вам нравятся. Дополнительные ссылки можно найти на страница ресурса grbl. В частности, вы можете пожелать выдать G1 команды линейного перемещения, которые включают скорость подачи для заданной скорости.В этом примере слово F100 указывает скорость в текущих единицах измерения. в минуту (при включении питания по умолчанию мм / мин):

Для анимации может быть полезна запрограммированная пауза ( G4 , «задержка»). За Например, блок G4 P1.0 определяет задержку 1,0 секунды.

Вы можете предпочесть работать в абсолютных координатах, используя G90 , а не чем инкрементное смещение. А если вы используете два двигателя, несколько осей может быть определено добавлением дополнительных координатных слов в следующем виде:

Это также может привести к экспериментам с режимами круговой интерполяции G2 и G3 .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *