Главная » Двигатель » Шаговые двигатели теория: Статьи компании Purelogic R&D

Шаговые двигатели теория: Статьи компании Purelogic R&D

Шаговый двигатель биполярный схема подключения

Содержание

  1. Управление биполярным шаговым двигателем. Часть 1. Теория. Схема с контроллером PIC12F629 и драйвером LB1838
  2. УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
  3. Типы шаговых двигателей
  4. Униполярные и биполярные шаговые двигатели
  5. Подключение шаговых двигателей
  6. Способы управления шаговыми двигателями
  7. Схема подключения шаговых двигателей

Управление биполярным шаговым двигателем. Часть 1. Теория. Схема с контроллером PIC12F629 и драйвером LB1838

Шаговые двигатели интересны тем, что позволяют повернуть вал на определённый угол. Соответственно, с их помощью можно повернуть вал и на определённое число оборотов, потому что N оборотов — это тоже определённый угол, равный 360*N, и, в том числе, на нецелое число оборотов, например на 0.75 оборота, 2.5 оборота, на 3.7 оборота и т.д. Этими возможностями шаговых двигателей определяется и область их применения. В основном они используются для позиционирования различных устройств: считывающих головок в дисководах, печатающих головок в принтерах и плоттерах и т. д.

Естественно такие возможности не могли обойти стороной и радиолюбители. Они с успехом используют шаговики в конструкциях самодельных роботов, самодельных станков с ЧПУ и т.д. Ниже описаны результаты моих опытов с шаговым двигателем, надеюсь, что кому-то это может оказаться полезным.

Итак, что нам понадобится для экспериментов. Во-первых, шаговый двигатель. Я брал 5-ти вольтовый китайский биполярный шаговик с загадочным названием, выдранный из старого 3,5″ дисковода, аналог M20SP-GW15. Во-вторых, поскольку обмотки двигателя потребляют значительный ток (в данном случае до 300 мА), то вполне понятно, что подключить шаговик к контроллеру напрямую не удастся, нужен драйвер.

В качестве драйвера для биполярных шаговых двигателей обычно используют схему так называемого H-моста или специальную микросхему (в которой всё равно встроен H-мост). Можно конечно ваять самому, но я взял готовую микруху (LB1838) из того же старого дисковода. Собственно, кроме всего вышеописанного, для наших экспериментов также понадобятся: PIC-контроллер (был взят PIC12F629, как самый дешёвый) и пара кнопок.

Перед тем, как перейти непосредственно к схеме, давайте немного разберёмся с теорией.

Биполярный шаговый двигатель имеет две обмотки и, соответственно, подключается по четырём проводам. Найти концы обмоток можно простой прозвонкой — концы проводов, относящиеся к одной обмотке, будут между собой звониться, а концы, относящиеся к разным обмоткам, — нет. Концы первой обмотки обозначим буквами «a», «b», а концы второй обмотки буквами «c», «d».

На рассматриваемом экземпляре есть цифровая маркировка контактов возле мотора и цветовая маркировка проводов (бог его знает, может это тоже какой-то стандарт): 1 — красный, 2 — голубой — первая обмотка; 3 — жёлтый, 4 — белый — вторая обмотка.

Для того, чтобы биполярный шаговый двигатель вращался, необходимо запитывать обмотки в порядке, указанном в таблице. Если направление обхода таблицы выбрать сверху вниз по кругу, то двигатель будет вращаться вперёд, если снизу вверх по кругу — двигатель будет вращаться назад:

За один полный цикл двигатель делает четыре шага.

Для правильной работы, должна строго соблюдаться указанная в таблице последовательность коммутаций. То есть, например, после второй комбинации (когда мы подали + на вывод «c» и минус на вывод «d») мы можем подать либо третью комбинацию (отключить вторую обмотку, а на первой подать — на «a» и + на «b»), тогда двигатель повернётся на один шаг вперёд, либо первую комбинацию (двигатель повернётся на один шаг назад).

То, с какой комбинации нужно начинать вращение, определяется тем, какая последняя комбинация подавалась на двигатель перед его выключением (если конечно его руками потом не крутили) и желаемым направлением вращения.

То есть, допустим мы повернули двигатель на 5 шагов вперёд, подавая на него комбинации 2-3-4-1-2, потом обесточили, а потом захотели повернуть ещё на один шаг вперёд. Для этого на обмотки надо подать комбинацию 3. Пусть после этого мы его опять обесточили, а через какое-то время захотели вернуть его на 2 шага назад, тогда нам нужно подать на двигатель комбинации 2-1. И так далее в таком же духе.

Эта таблица, кроме всего прочего, позволяет оценить, что будет происходить с шаговым двигателем, если мы перепутаем порядок подключения обмоток или концы в обмотках.

На этом мы закончим с двигателем и перейдём к драйверу LB1838.

У этой микрухи есть четыре управляющие ноги (IN1, IN2, EN1, EN2), на которые мы как раз и будем подавать сигналы с контроллера, и четыре выходных ноги (Out1, Out2, Out3, Out4), к которым подключаются обмотки двигателя. Обмотки подключаются следующим образом: провод «a» подключается к Out1, провод «b» — к Out2, провод «c» — к Out3, провод «d» — к Out4.

Ниже представлена таблица истинности для микросхемы драйвера (состояние выходов в зависимости от состояния входов):

IN1 EN1 Out1 (a) Out2(b) IN2 EN2 Out3(c) Out4(d)
Low High + — Low High + —
High High — + High High — +
X Low откл откл X Low откл откл

Теперь давайте нарисуем на диаграмме, какую форму должны иметь сигналы IN1, EN1, IN2, EN2 для одного полного цикла вращения (4 шага), т. е. чтобы на выходах появились последовательно все 4 комбинации подключения обмоток:

Если присмотреться к этой диаграмме (слева), то становится очевидно, что сигналы IN1 и IN2 можно сделать абсолютно одинаковыми, то есть на обе этих ноги можно подавать один и тот же сигнал. В этом случае наша диаграмма будет выглядеть так:

Итак, на последней диаграмме нарисовано, какие комбинации уровней сигналов должны быть на управляющих входах драйвера (EN1, EN2, IN1, IN2) для того, чтобы получить соответствующие комбинации подключения обмоток двигателя, а также стрелками указан порядок смены этих комбинаций для обеспечения вращения в нужную сторону.

Вот в общем-то и вся теория. Необходимые комбинации уровней на управляющих входах формируются контроллером (мы будем использовать PIC12F629).

R1..R2 = 1 кОм. Когда соответствующая кнопка не нажата — резистор подтягивает напряжение на входе контроллера к +5 В (высокий уровень). При нажатии на кнопку напряжение на входе подтягивается к земле (низкий уровень).

С1, С2 = 0,1 мкФ — керамические конденсаторы.

С3 = 470 мкФ х 16В — электролитический конденсатор.

Программа управления реализует следующий алгоритм: при нажатии кнопки КН1 двигатель поворачивается на один шаг в одну сторону, а при нажатии кнопки КН2 — на один шаг в другую сторону.

Собственно говоря, можно прикрутить сюда программный UART и реализовать управление от компьютера (передавать с компа скорость, количество шагов и направление вращения).

Источник

УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Шаговые двигатели присутствуют в автомобилях, принтерах, компьютерах, стиральных машинах, электробритвах и многих других устройствах из повседневного быта. Однако многие радиолюбители до сих пор не знают, как заставить такой мотор работать и что он вообще из себя представляет. Итак, давайте узнаем, как использовать шаговый двигатель.

Шаговые двигатели являются частью класса моторов, известных как безщеточные двигатели. Обмотки шагового двигателя являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.

Типы шаговых двигателей

Существуют три основных типа шаговых двигателей: переменной индуктивности, двигатели с постоянными магнитами, и гибридные двигатели.

Двигатели переменной индуктивности используют только генерируемое магнитное поле на центральном валу, заставляющее вращаться и находиться на одной линии с напряжением электромагнитов.

Двигатели с постоянными магнитами похожи на них, за исключением того, что центральный вал поляризован у северного и южного магнитных полюсов, которые будут соответствующим образом поворачивать его в зависимости от того, какие электромагниты включены.

Гибридный мотор — это сочетание двух предыдущих. У его намагниченного центрального вала имеется два набора зубов для двух магнитных полюсов, которые затем выстраиваются в линию с зубами вдоль электромагнитов. В связи с двойным набором зубов на центральном валу, гибридный двигатель имеет наименьший доступный размер шага и поэтому является одним из наиболее популярных типов шаговых двигателей.

Униполярные и биполярные шаговые двигатели

Также существует ещё два типа шаговых двигателей: униполярные и биполярные. На фундаментальном уровне, эти два типа работать точно так же; электромагниты включены в последовательном виде, заставляя центральный вал двигателя вращаться.

Но униполярный шаговый двигатель работает только с положительным напряжением, а биполярный шаговый двигатель имеет два полюса — положительный и отрицательный.

То есть фактическая разница между этими двумя типами заключается в том, что для однополярных требуется дополнительный провод в середине каждой катушки, что позволит току проходить либо к одному концу катушки, либо другому. Эти два противоположных направления производят две полярности магнитного поля, фактически имитируя как положительные, так и отрицательные напряжения.

Хотя оба они имеют общий уровень питающих напряжений 5V, биполярный шаговый двигатель будет иметь больший крутящий момент, потому что ток течет через всю катушку, производя более сильное магнитное поле. С другой стороны, униполярные шаговые двигатели используют только половину длины катушки из-за дополнительного провода в середине катушки, а значит меньший крутящий момент доступен для удержания вала на месте.

Подключение шаговых двигателей

Разные шаговые двигатели могут иметь разное количество проводов, как правило, 4, 5, 6, или 8. 4-х проводные линии могут поддержать только биполярные шаговые двигатели, поскольку у них нет центрального провода.

5-ти и 6-ти проводные механизмы могут быть использованы как для однополярного, так и биполярного шагового двигателя, в зависимости от того, используется центральный провод на каждой из катушек или нет. 5-ти проводная конфигурация подразумевает, что центральные провода на два комплекта катушек соединены внутри между собой.

Способы управления шаговыми двигателями

Есть несколько различных способов управления шаговыми двигателями — полный шаг, полушаг, и микрошаговый. Каждый из этих стилей предлагают различные крутящие моменты, шаги и размеры.

Полный шаг — такой привод всегда имеет два электромагнита. Для вращения вала, один из электромагнитов выключается и далее электромагнит включен, вызывая вращение вала на 1/4 зуба (по крайней мере для гибридных шаговых двигателей). Этот стиль имеет самый сильный момент вращения, но и самый большой размер шага.

Полшага. Для вращения центрального вала, первый электромагнит находится под напряжением, как первый шаг, затем второй также под напряжением, а первый все еще работает на второй шаг. При третьем шаге выключается первый электромагнит и четвертый шаг — поворот на третий электромагнит, а второй электромагнит по-прежнему работает. Этот метод использует в два раза больше шагов, чем полный шаг, но он также имеет меньший крутящий момент.

Микрошаговый имеет наименьший размер шага из всех этих стилей. Момент вращения, связанный с этим стилем, зависит от того, как много тока, протекает через катушки в определенное время, но он всегда будет меньше, чем при полном шаге.

Схема подключения шаговых двигателей

Чтобы управлять шаговым двигателем необходим контроллер. Контроллер — схема, которая подает напряжение к любой из четырех катушек статора. Схемы управления достаточно сложны, по сравнению с обычными электромоторчиками, и имеют много особенностей. Подробно рассматривать тут мы их не будем, а просто приведём фрагмент популярного контроллера на ULN2003A.

В общем шаговые двигатели являются отличным способом для того, чтобы повернуть что-то в точный размер угла с большим количеством крутящего момента. Другое преимущество их в том, что скорость вращения может быть достигнута почти мгновенно при изменении направления вращения на противоположное.

Источник

Драйвер шагового двигателя — как выбрать?

Драйвер шагового двигателя

Краткое введение в теорию и типы драйверов, советы по подбору оптимального драйвера для шагового двигателя.

Если вы хотите купить драйвер шагового двигателя, нажмите на информер справа




Некоторые сведения, которые могут помочь вам выбрать драйвер шагового двигателя.

Шаговый двигатель – двигатель со сложной схемой управления, которому требуется специальное электронное устройство – драйвер шагового двигателя.
Драйвер шагового двигателя получает на входе логические сигналы STEP/DIR, которые, как правило, представлены высоким и низким уровнем опорного напряжения 5 В, и в соответствии с полученными сигналами изменяет ток в обмотках двигателя, заставляя вал поворачиваться в соответствующем направлении на заданный угол. >Сигналы STEP/DIR генерируются ЧПУ-контроллером или персональным компьютером, на котором работает программа управления типа Mach4 или LinuxCNC.


Задача драйвера – изменять ток в обмотках как можно более эффективно, а поскольку индуктивность обмоток и ротор гибридного шагового двигателя постоянно вмешиваются в этот процесс, то драйверы весьма отличаются друг от друга своими характеристиками и качеством получаемого движения. Ток, протекающий в обмотках, определяет движение ротора: величина тока задает крутящий момент, его динамика влияет на равномерность и т.п.

Типы (виды) драйверов ШД


Драйверы делятся по способу закачки тока в обмотки на несколько видов:

1) Драйверы постоянного напряжения


Эти драйверы подают постоянный уровень напряжения поочередно на обмотки, результирующий ток зависит от сопротивления обмотки, а на высоких скоростях – и от индуктивности. Эти драйверы крайне неэффективны, и могут быть использованы только на очень малых скоростях.


2) Двухуровневые драйверы


В драйверах этого типа ток в обмотке сперва поднимается до нужного уровня с помощью высокого напряжения, затем источник высокого напряжения отключается, и нужная сила тока поддерживается источником малого напряжения. Такие драйверы достаточно эффективны, помимо прочего они снижают нагрев двигателей, и их все еще можно иногда встретить в высококлассном оборудовании. Однако, такие драйверы поддерживают только режим шага и полушага.


3) Драйверы с ШИМ.


На текущий момент ШИМ-драйверы шаговых двигателей наиболее популярны, практически все драйверы на рынке – этого типа. Эти драйверы подают на обмотку шагового мотора ШИМ-сигнал очень высокого напряжения, которое отсекается по достижению током необходимого уровня. Величина силы тока, по которой происходит отсечка, задается либо потенциометром, либо DIP-переключателем, иногда эта величина программируется с помощью специального ПО. Эти драйверы достаточно интеллектуальны, и снабжены множеством дополнительных функций, поддерживают разные деления шага, что позволяет увеличить дискретность позиционирования и плавность хода. Однако, ШИМ-драйверы также весьма сильно отличаются друг от друга. Помимо таких характеристик, как питающее напряжение и максимальный ток обмотки, у них отличается частота ШИМ. Лучше, если частота драйвера будет более 20 кГц, и вообще, чем она больше – тем лучше. Частота ниже 20 кГц ухудшает ходовые характеристики двигателей и попадает в слышимый диапазон, шаговые моторы начинают издавать неприятный писк. Драйверы шаговых двигателей вслед за самими двигателями делятся на униполярные и биполярные. Начинающим станкостроителям настоятельно рекомендуем не экспериментировать с приводами, а выбрать те, по которым можно получить максимальный объем технической поддержки, информации и для которых продукты на рынке представлены наиболее широко. Такими являются драйверы биполярных гибридных шаговых двигателей.


Ниже будут описаны только практические рекомендации по выбору ШИМ-драйвера биполярного шагового двигателя. При этом предполагается, что Вы уже определились с моделью двигателя, его характеристиками и т.п.

Как выбрать драйвер шагового двигателя (ШД)


Первый параметр, на который стоит обратить внимание, когда вы решили выбрать драйвер шагового двигателя – это сила тока, которую может обеспечить драйвер. Как правило, она регулируется в достаточно широких пределах, но стоит драйвер нужно выбирать такой, который может выдавать ток, равный току фазы выбранного шагового двигателя. Желательно, конечно, чтобы максимальная сила тока драйвера была еще на 15-40% больше. С одной стороны, это даст запас на случай, если вы захотите получить больший момент от мотора, или в будущем поставите более мощный двигатель, с другой – не будет излишней: производители иногда «подгоняют» номиналы радиоэлектронных компонентов к тому или иному виду/размеру двигателей, поэтому слишком мощный драйвер на 8 А, управляющий двигателем NEMA 17 (42 мм), может, к примеру, вызывать излишние вибрации.


Второй момент – это напряжение питания. Весьма важный и неоднозначный параметр. Его влияние достаточно многогранно – напряжение питания влияет на динамику(момент на высоких оборотах), вибрации, нагрев двигателя и драйвера. Обычно максимальное напряжение питания драйвера примерно равно максимальному току I, умноженному на 8-10. Если максимальное указанное напряжение питания драйвера резко отличается от данных величин – стоит дополнительно поинтересоваться, в чем причина такой разницы. Чем больше индуктивность двигателя — тем большее напряжение требуется для драйвера. Существует эмпирическая формула U = 32 * sqrt(L), где L — индуктивность обмотки шагового двигателя. Величина U, получаемая по этой формуле, весьма приблизительная, но она позволяет ориентироваться при выборе драйвера: U должно примерно равняться максимальному значению напряжения питания драйвера. Если вы получили U равным 70, то по данному критерию проходят драйверы EM706, AM882, YKC2608M-H.


Третий аспект – наличие опторазвязанных входов. Практически во всех драйверах и контроллерах, выпускаемых на заводах, тем более брендовых, опторазвязка стоит обязательно, ведь драйвер – устройство силовой электроники, и пробой ключа может привести к мощному импульсу на кабелях, по которым подаются управляющие сигналы, и выгоранию дорогостоящего ЧПУ-контроллера. Однако, если вы решили выбрать драйвер ШД незнакомой модели, стоит дополнительно поинтересоваться наличием оптоизоляции входов и выходов.


Четвертый аспект – наличие механизмов подавления резонанса. Резонанс шагового двигателя – явление, которое проявляется всегда, разница только в резонансной частоте, которая прежде всего зависит от момента инерции нагрузки, напряжения питания драйвера и установленной силы тока фазы мотора. При возникновении резонанса шаговый двигатель начинает вибрировать и терять крутящий момент, вплоть до полной остановки вала. Для подавления резонанса используется микрошаг и – встроенные алгоритмы компенсации резонанса. Колеблющийся в резонансе ротор шагового двигателя порождает микроколебания ЭДС индукции в обмотках, и по их характеру и амплитуде драйвер определяет, есть ли резонанс и насколько он силен. В зависимости от полученных данных драйвер несколько смещает шаги двигателя во времени относительно друг друга – такая искусственная неравномерность нивелирует резонанс. Механизм подавления резонанса встроен во все >драйверы Leadshine серий DM, AM и EM. Драйверы с подавлением резонанса – высококачественные драйверы, и если бюджет позволяет – лучше брать именно такие. Впрочем, и без этого механизма драйвер остается вполне рабочим устройством – основная масса проданных драйверов – без компенсации резонанса, и тем не менее десятки тысяч станков без проблем работают по всему миру и успешно выполняют свои задачи.


Пятый аспект – протокольная часть. Надо убедиться, что драйвер работает по нужному вам протоколу, а уровни входных сигналов совместимы с требуемыми Вам логическими уровнями. Эта проверка идет пятым пунктом, потому что за редким исключением подавляющее число драйверов работает по протоколу STEP/DIR/ENABLE и совместимо с уровнем сигналов 0..5 В, вам надо только лишь на всякий случай убедиться.


Шестой аспект – наличие защитных функций. Среди них защита от превышения питающего напряжения, тока обмоток(в т. ч. от короткого замыкания обмоток), от переполюсовки питающего напряжения, от неправильного подключения фаз шагового мотора. Чем больше таких функций — тем лучше.


Седьмой аспект – наличие микрошаговых режимов. Сейчас практически в каждом драйвере есть множество микрошаговых режимов. Однако, из каждого правила есть исключения, и в драйверах Geckodrive режим только один – деления шага 1/10. Мотивируется это тем, что большее деление не приносит большей точности, а значит, в нем нет необходимости. Однако, практика показывает, что микрошаг полезен вовсе не повышением дискретности позиционирования или точности, а тем, что чем больше деление шага, тем плавней движение вала мотора и меньше резонанс. Соответственно, при прочих равных условиях стоит использовать деление чем больше, тем лучше. Максимально допустимое деление шага будет определяться не только встроенными в драйвер таблицами Брадиса, но и максимальной частотой входных сигналов – так, для драйвера со входной частотой 100 кГц нет смысла использовать деление 1/256, так как скорость вращения будет ограничена 100 000 / (200 * 256) * 60 = 117 об/мин, что для шагового двигателя очень мало. Кроме того, персональный компьютер тоже с трудом сможет генерировать сигналы с частотой более 100 кГц. Если вы не планируете использовать аппаратный ЧПУ контроллер, то 100 кГц скорее всего будет Вашим потолком, что соответствует делению 1/32.


Восьмой аспект – наличие дополнительных функций. Их может быть множество, например, функция определения «срыва» — внезапной остановки вала при заклинивании или нехватки крутящего момента у шагового двигателя, выходы для внешней индикации ошибок и т.п. Все они не являются необходимыми, но могут сильно облегчить жизнь при построении станка.


Девятый, и самый важный аспект – качество драйвера. Оно практически не связано с характеристиками и т.п. На рынке существует множество предложений, и иногда характеристики драйверов двух производителей совпадают практически до запятой, а установив их по очереди на станок, становится ясно, что один из производителей явно занимается не своим делом, и в производстве недорогих утюгов ему больше повезет. Определить уровень драйвера заранее по каким-то косвенным данным новичку достаточно трудно. Можно попробовать ориентироваться на количество интеллектуальных функций, таких как «stall detect» или подавление резонанса, а также воспользоваться проверенным способом — ориентироваться на бренды.


В разработке электроники для шаговых двигателей давно удерживает пальму первенства корпорация Leadshine, продукцию которой мы и рекомендуем использовать в станках с ЧПУ.



DARXTON

Теория шагового двигателя

Другой распространенной обмоткой является униполярная обмотка. Он состоит из двух обмоток на полюсе, соединенных таким образом, что когда одна обмотка находится под напряжением, создается магнитный северный полюс, а когда другая обмотка находится под напряжением, создается южный полюс. Это называется униполярной обмоткой, потому что электрическая полярность, то есть ток, протекающий от привода к катушкам, никогда не меняется на противоположный. Последовательность шагов показана на рис. 6. Эта конструкция позволяет упростить электронный привод. Однако доступный крутящий момент примерно на 30% меньше по сравнению с биполярной обмоткой. Крутящий момент ниже, потому что катушка под напряжением использует вдвое меньше меди по сравнению с биполярной катушкой.

Рисунок 6: Униполярная обмотка

Другие ступенчатые углы

Для получения меньших углов шага требуется больше полюсов как на роторе, так и на статоре. На роторе требуется такое же количество пар полюсов, как и на одном статоре. Ротор двигателя 7,5° имеет 12 пар полюсов, а каждая полюсная пластина имеет 12 зубьев. Две полюсные пластины на катушку и две катушки на двигатель; следовательно, 48 полюсов в шаговом двигателе 7,5°. На рис. 7 показаны 4 полюсные пластины двигателя 7,5° в разрезе. Конечно, несколько шагов можно комбинировать, чтобы обеспечить более крупные движения. Например, шесть шагов шагового двигателя на 7,5° обеспечат перемещение на 45°.

Рис. 7. Частичный разрез, показывающий полюсные пластины углового двигателя с шагом 7,5°.

Точность

Точность для степперов со стопкой банок составляет 6–7 % на шаг, не суммируется. Шаговый двигатель с шагом 7,5° будет находиться в пределах 0,5° от теоретического положения для каждого шага, независимо от того, сколько шагов было сделано. Инкрементальные ошибки не являются кумулятивными, поскольку механическая конструкция двигателя диктует движение на 360° для каждого полного оборота. Физическое положение полюсных пластин и магнитная диаграмма ротора приводят к повторяемости диаграммы направленности при каждом повороте на 360° (без нагрузки).

Резонанс

Шаговые двигатели имеют собственную резонансную частоту в результате того, что двигатель представляет собой пружинно-массовую систему. Когда скорость шага равна собственной частоте двигателя, может быть слышно изменение шума, издаваемого двигателем, а также усиление вибрации. Резонансная точка будет варьироваться в зависимости от приложения и нагрузки, но обычно происходит где-то между 70 и 120 шагами в секунду. В тяжелых случаях двигатель может терять ступени на резонансной частоте. Изменение скорости шага — простейший способ избежать многих проблем, связанных с резонансом в системе. Кроме того, полушаг или микрошаг обычно уменьшают проблемы с резонансом. При разгоне до скорости необходимо как можно быстрее пройти зону резонанса.

Крутящий момент

Крутящий момент, создаваемый определенным роторным шаговым двигателем, зависит от:

• Шаг скорости
• Ток через обмотки
• Тип используемого привода

(Усилие, создаваемое линейным двигателем, также зависит от этих факторов. )

Крутящий момент представляет собой сумму момента трения (Tf) и момента инерции (Ti).

Момент трения (унции-дюймы или грамм-см) — это сила (F) в унциях или граммах, необходимая для перемещения груза, умноженная на длину в дюймах или см плеча рычага, используемого для привода груза ( г), как показано на рисунке 8.

Рис. 8. Момент трения — это сила (F), необходимая для перемещения груза, умноженная на длину плеча рычага ( р ).

Инерционный крутящий момент (Ti) — это крутящий момент, необходимый для ускорения груза (грамм-см2).

Следует отметить, что по мере увеличения частоты шагов двигателя увеличивается и противоэлектродвижущая сила (ЭДС) (т. е. генерируемое напряжение) двигателя. Это ограничивает протекание тока и приводит к уменьшению полезного выходного крутящего момента.

Линейные приводы

Вращательное движение шагового двигателя может быть преобразовано в линейное с помощью нескольких механических средств. К ним относятся зубчатая рейка, ремень, шкивы и другие механические соединения. Все эти варианты требуют различных внешних механических компонентов. Наиболее эффективный способ выполнить это преобразование — внутри самого двигателя. Линейный привод был впервые представлен в 1968. Некоторые типичные линейные приводы показаны ниже.

Рис. 9: Типовые линейные приводы

Преобразование вращательного движения в поступательное внутри линейного привода осуществляется с помощью резьбовой гайки и ходового винта. Внутренняя часть ротора имеет резьбу, а вал заменен ходовым винтом. Для создания линейного движения необходимо предотвратить вращение ходового винта. Когда ротор вращается, внутренняя резьба входит в зацепление с ходовым винтом, что приводит к линейному движению. Изменение направления вращения меняет направление линейного движения на противоположное. Базовая конструкция линейного привода показана на рис. 10.

Рис. 10. Линейный привод в разрезе, показывающий соединение ротора с резьбой и ходового винта.

Линейное перемещение на шаг двигателя определяется углом шага вращения двигателя и шагом резьбы комбинации гайки ротора и ходового винта. Резьба с крупным шагом обеспечивает большее перемещение на шаг, чем винты с мелким шагом. Однако при заданной скорости шага винты с мелким шагом обеспечивают большее усилие. Винты с мелким шагом, как правило, не могут быть закручены вручную или перемещены, когда двигатель обесточен, в то время как многие винты с крупным шагом могут. Между ротором и резьбой должен быть небольшой зазор, чтобы обеспечить свободу движения для эффективной работы. Это приводит к осевому люфту от 0,001 до 0,003 дюйма (также называемому люфтом). Если требуется исключительная точность позиционирования, люфт можно компенсировать, всегда приближаясь к конечному положению с одного и того же направления. Выполнение преобразования вращательного движения в поступательное внутри ротора значительно упрощает процесс обеспечения линейного движения для многих приложений. Поскольку линейный привод является автономным, требования к внешним компонентам, таким как ремни и шкивы, значительно снижаются или устраняются. Меньшее количество компонентов упрощает процесс проектирования, снижает общую стоимость и размер системы, а также повышает надежность продукта.

Усталость/жизнь

При правильном применении линейные приводы марки Haydon™ обеспечивают до 20 миллионов циклов, а роторные двигатели Haydon обеспечивают до 25 000 часов работы. В конечном итоге усталость двигателя и результирующий срок службы определяются уникальным применением каждого клиента. Следующие определения важны для понимания двигательной жизни и усталости.

Непрерывный режим: Работа двигателя при его номинальном напряжении.

Рабочий цикл 25%: Работа двигателя при удвоенном номинальном напряжении на приводе L/R. Двигатель включен примерно 25% времени. Мощность двигателя примерно на 60 % больше, чем при номинальном напряжении. Обратите внимание, рабочий цикл не связан с нагрузкой на двигатель.

Ресурс: Ресурс линейного привода — это количество циклов, которое двигатель может выполнять при заданной нагрузке и поддерживать точность шага. Срок службы роторного двигателя – это количество часов работы.

Один цикл: Цикл линейного привода состоит из выдвижения и возврата в исходное положение.

Существуют некоторые общие рекомендации, которые можно использовать для выбора подходящего двигателя и обеспечения максимального срока службы. В конечном счете, чтобы определить производительность шагового двигателя в данной системе, лучше всего провести тестирование окончательной сборки в «полевых условиях» или в настройках, которые максимально приближены к этим условиям.

Поскольку в шаговом двигателе нет изнашиваемых щеток, его срок службы обычно намного превышает срок службы других механических компонентов системы. Если шаговый двигатель выйдет из строя, вероятно, будут задействованы определенные компоненты. Подшипники и интерфейс ходового винта/гайки (в линейных приводах) обычно являются первыми компонентами, испытывающими усталость. Требуемый крутящий момент или тяга, а также условия эксплуатации являются факторами, влияющими на эти компоненты двигателя.

Если двигатель работает при номинальном крутящем моменте или тяге или близко к ним, это может повлиять на срок службы. Испытания Haydon Kerk Motion Solutions показали, что срок службы двигателя увеличивается в геометрической прогрессии при снижении рабочих нагрузок. Как правило, двигатели должны быть рассчитаны на работу с нагрузкой от 40% до 60% от их максимальной допустимой нагрузки. Факторы окружающей среды, такие как высокая влажность, воздействие агрессивных химикатов, чрезмерная грязь/мусор и высокая температура, влияют на срок службы двигателя. Механические факторы в сборке, такие как боковая нагрузка на вал линейных приводов или несбалансированная нагрузка в поворотных приводах, также отрицательно влияют на срок службы.

Если двигатель используется с уменьшенным рабочим циклом и к двигателю приложено чрезмерное напряжение, время «включения» должно быть таким, чтобы не превышался максимальный рост температуры двигателя. Если у двигателя недостаточно времени «выключено», будет выделяться слишком много тепла, что приведет к перегреву обмоток и, в конечном итоге, к выходу из строя.

Надлежащее проектирование системы, минимизирующей эти факторы, обеспечит максимальный срок службы двигателя. Первым шагом к максимальному увеличению срока службы является выбор двигателя с коэффициентом безопасности, равным двум или более. Вторым шагом является обеспечение механической прочности системы за счет сведения к минимуму боковых нагрузок, несбалансированных нагрузок и ударных нагрузок. Система также должна рассеивать тепло. Воздушный поток вокруг двигателя или монтаж, который обеспечивает некоторый отвод тепла, является типичным средством отвода тепла. Если в системе присутствуют агрессивные химикаты, двигатель и все остальные компоненты должны быть защищены. Наконец, тестирование двигателя и узла в «полевых условиях» обеспечит пригодность для применения.

При соблюдении этих простых правил линейные приводы Haydon™ обеспечивают надежную работу в широком диапазоне применений. Если вам нужна помощь в проектировании, инженеры по применению Haydon Kerk помогут вам добиться максимального срока службы и производительности наших двигателей.

Что такое шаговый двигатель и как он работает

От простого DVD-плеера или принтера в вашем доме до сложнейшего станка с ЧПУ или манипулятора — шаговые двигатели можно найти практически везде. Его способность совершать точные движения с электронным управлением позволила этим двигателям найти применение во многих кошачьих, таких как камеры наблюдения, жесткие диски, станки с ЧПУ, 3D-принтеры, робототехника, сборочные роботы, лазерные резаки и многое другое. В этой статье давайте узнаем, что делает эти двигатели особенными, и теорию, стоящую за этим. Мы научимся использовать одно для вас приложение.

 

Знакомство с шаговыми двигателями

Как и все двигатели, шаговые двигатели также имеют статор и ротор , но, в отличие от обычного двигателя постоянного тока, статор состоит из отдельных наборов катушек. Количество катушек будет различаться в зависимости от типа шагового двигателя , но пока просто поймите, что в шаговом двигателе ротор состоит из металлических полюсов, и каждый полюс будет притягиваться набором катушек в статоре. На приведенной ниже схеме показан шаговый двигатель с 8 полюсами статора и 6 полюсами ротора.

 

Если вы посмотрите на катушки на статоре, они расположены парами катушек, например, A и A’ образуют пару B, а B’ образуют пару и так далее. Таким образом, каждая из этой пары катушек образует электромагнит, и они могут быть запитаны индивидуально с помощью схемы драйвера. Когда на катушку подается питание, она действует как магнит, и полюс ротора выравнивается с ним, когда ротор вращается, чтобы выровняться со статором, это называется одним шагом . Точно так же, подавая питание на катушки в последовательности, мы можем вращать двигатель небольшими шагами, чтобы сделать полный оборот.

 

Типы шаговых двигателей

Существуют в основном три типа шаговых двигателей в зависимости от конструкции: обеспечить движение за счет минимального сопротивления между статором и ротором.

  • Шаговый двигатель с постоянными магнитами:  У них есть ротор с постоянными магнитами, и они отталкиваются или притягиваются к статору в зависимости от приложенных импульсов.
  • Гибридный синхронный шаговый двигатель:  Они представляют собой комбинацию шагового двигателя с переменным магнитным сопротивлением и постоянного магнита.

    •  

    Помимо этого, мы также можем классифицировать шаговые двигатели как униполярные и биполярные в зависимости от типа обмотки статора.

    • Биполярный шаговый двигатель: Катушки статора на двигателях этого типа не имеют общего провода. Управление этим типом шагового двигателя отличается и является сложным, а схема управления не может быть легко спроектирована без микроконтроллера.
    • Униполярный шаговый двигатель:   В этом типе шагового двигателя мы можем использовать центральное отвод обеих фазных обмоток для общего заземления или для общего питания, как показано ниже. Это упрощает управление двигателями, существует множество типов униполярных шаговых двигателей

      • .

     

    Режимы работы шагового двигателя

    Поскольку статор шагового двигателя состоит из разных пар катушек, каждая пара катушек может возбуждаться разными способами, что позволяет управлять режимами множество различных режимов. Ниже приведены общие классификации

     

    Полношаговый режим

    В полношаговом режиме возбуждения мы можем достичь полного вращения на 360° с минимальным количеством оборотов (шагов). Но это приводит к меньшей инерции и к тому же вращение не будет плавным. В полношаговом возбуждении есть еще две классификации: однофазное волновое пошаговое и двухфазное возбуждение .

     

    1. Однофазное пошаговое или волновое пошаговое: В этом режиме в любой момент времени будет под напряжением только одна клемма (фаза) двигателя. Это имеет меньшее количество шагов и, следовательно, может достигать полного вращения на 360 °. Поскольку количество шагов меньше, ток, потребляемый этим методом, также очень низок. В следующей таблице показана пошаговая последовательность волн для 4-фазного шагового двигателя 9.0003

    Шаг Фаза 1 Фаза 2 Фаза 3 Фаза 4
    1 1 0 0 0
    2 0 1 0 0
    3 0 0 1 0
    4 0 0 0 1

     

    2. Двухфазное пошаговое выполнение: Как следует из названия этого метода, две фазы будут одной. Он имеет то же количество шагов, что и волновой степпинг, но поскольку две катушки активируются одновременно, он может обеспечить лучший крутящий момент и скорость по сравнению с предыдущим методом. Хотя один недостаток заключается в том, что этот метод также потребляет больше энергии.

    Ступенька Этап 1 Фаза 2 Этап 3 Этап 4

    1

    1

    1

    0

    0

    2

    		0 1 1 0
    3 0 0 1 1
    4 1 0 0 1

     

    Полушаговый режим

    Полушаговый режим представляет собой комбинацию однофазного и двухфазного режимов. Эта комбинация поможет нам преодолеть вышеупомянутый недостаток обоих режимов.

    Как вы могли догадаться, поскольку мы комбинируем оба метода, нам нужно будет выполнить 8 шагов в этом методе, чтобы получить полный поворот. Последовательность переключения для 4-фазного шагового двигателя показана ниже

    Шаг

    Фаза 1

    Этап 2

    Этап 3

    Этап 4

    1

    1

    0

    0

    0

    2

    1

    1

    0

    0

    3

    0

    1

    0

    0

    4

    0

    1

    1

    0

    5

    0

    0

    1

    1

    6

    0

    0

    0

    1

    7

    1

    0

    0

    1

    8

    1

    0

    0

    0

     

    Микрошаговый режим

    Микрошаговый режим является сложным, но он обеспечивает очень хорошую точность наряду с хорошим крутящим моментом и плавной работой. В этом методе катушка будет возбуждаться двумя синусоидальными волнами, отстоящими друг от друга на 90°. Таким образом, мы можем контролировать как направление, так и амплитуду тока, протекающего через катушку, что помогает нам увеличить количество шагов, которые двигатель должен сделать за один полный оборот. Микрошаг может выполнять до 256 шагов за один полный оборот, что позволяет двигателю вращаться быстрее и плавнее.

     

    Как использовать шаговый двигатель

    Довольно скучной теории, давайте предположим, что кто-то дал вам шаговый двигатель, скажем, знаменитый 28-BYJ48, и вам очень интересно, как заставить его работать. К этому времени вы должны были понять, что невозможно заставить эти двигатели вращаться, просто питая их от источника питания, так как бы вы это сделали?

     

    Давайте посмотрим на этот 28-BYJ48 Шаговый двигатель .

     

    Итак, в отличие от обычного двигателя постоянного тока, из него выходит пять проводов всех причудливых цветов, и почему это так? Чтобы понять это, мы должны сначала узнать, как работает степпер, который мы уже обсуждали. Во-первых, шаговые двигатели не вращают , они шагают, поэтому они также известны как шаговые двигатели . Это означает, что они будут двигаться только на один шаг за раз. Эти двигатели имеют последовательность катушек, присутствующих в них, и эти катушки должны быть запитаны определенным образом, чтобы заставить двигатель вращаться. Когда каждая катушка находится под напряжением, двигатель совершает шаг, а последовательность подачи питания заставит двигатель совершать непрерывные шаги, заставляя его вращаться. Давайте посмотрим на катушки, присутствующие внутри двигателя, чтобы точно знать, откуда берутся эти провода.

     

    Как видите, двигатель имеет униполярную 5-проводную катушку . Есть четыре катушки, которые должны быть запитаны в определенной последовательности. На красные провода подается напряжение +5 В, а остальные четыре провода подключаются к земле для срабатывания соответствующей катушки. Мы используем любой микроконтроллер, чтобы подавать питание на эти катушки в определенной последовательности и заставлять двигатель выполнять необходимое количество шагов. Опять же, есть много последовательностей, которые вы можете использовать, обычно это 9.0080 используется 4-ступенчатый , а для более точного управления также может использоваться 8-ступенчатый . Таблица последовательности для 4-ступенчатого управления показана ниже.

    Шаг

    Катушка под напряжением

    Шаг 1

    А и В

    Шаг 2

    В и С

    Шаг 3

    С и D

    Шаг 4

    Д и А

     

    Итак, почему этот двигатель называется 28-BYJ48 ? Серьезно!!! Я не знаю. Нет никаких технических причин для того, чтобы этот двигатель был назван так; возможно, нам не следует погружаться в это намного глубже. Давайте посмотрим на некоторые важные технические данные, полученные из таблицы данных этого двигателя на рисунке ниже.

     

    Это много информации, но нам нужно рассмотреть несколько важных, чтобы знать, какой тип шагового двигателя мы используем, чтобы мы могли его эффективно запрограммировать. Во-первых, мы знаем, что это шаговый двигатель на 5 В, так как мы запитываем красный провод напряжением 5 В. Затем мы также знаем, что это четырехфазный шаговый двигатель, поскольку в нем было четыре катушки. Теперь передаточное число составляет 1:64. Это означает, что вал, который вы видите снаружи, совершит один полный оборот, только если двигатель внутри повернется 64 раза. Это связано с тем, что шестерни, соединенные между двигателем и выходным валом, помогают увеличить крутящий момент.

    Еще одна важная информация, на которую следует обратить внимание, — это угол шага : 5,625°/64. Это означает, что двигатель при работе в 8-ступенчатой ​​последовательности будет перемещаться на 5,625 градуса на каждый шаг, и для завершения одного полного оборота потребуется 64 шага (5,625*64=360).

     

    Расчет количества шагов на оборот для шагового двигателя

    Важно знать, как рассчитать количество шагов на оборот для вашего шагового двигателя, потому что только тогда вы сможете эффективно программировать/управлять им.

    Предположим, что мы будем управлять двигателем в 4-шаговой последовательности, поэтому угол шага будет 11,25°, так как он равен 5,625° (указано в техническом описании) для 8-шаговой последовательности, он будет равен 11,25° (5,625*2=11,25) . 

      шагов на оборот = 360/угол шага 
  Здесь 360/11,25 = 32 шага на оборот.

     

    Зачем нужны модули драйверов для шаговых двигателей?

    Большинство шаговых двигателей будут работать только с помощью модуля драйвера. Это связано с тем, что модуль контроллера (микроконтроллер/цифровая схема) не сможет обеспечить достаточный ток от своих контактов ввода/вывода для работы двигателя. Поэтому мы будем использовать внешний модуль, например 9.0126 ULN2003  модуль как драйвер шагового двигателя . Существует много типов драйверных модулей, и рейтинг одного из них будет меняться в зависимости от типа используемого двигателя. Основным принципом для всех модулей драйверов будет получение/потребление тока, достаточного для работы двигателя. Кроме того, существуют также модули драйверов, в которые запрограммирована логика, но мы не будем обсуждать это здесь.

     

    Если вам интересно узнать , как вращать шаговый двигатель с использованием некоторого микроконтроллера и микросхемы драйвера, затем мы рассмотрели много статей о его работе с различными микроконтроллерами:

    • Взаимодействие шагового двигателя с Arduino Uno
    • Взаимодействие шагового двигателя с STM32F103C8
    • Взаимодействие шагового двигателя с микроконтроллером PIC
    • Взаимодействие шагового двигателя с MSP430G2
    • Взаимодействие шагового двигателя с микроконтроллером 8051
    • Управление шаговым двигателем с Raspberry Pi

     

    Теперь, я думаю, у вас достаточно информации для управления любым шаговым двигателем, который вам нужен для вашего проекта.