Шаговые двигатели широко используются в принтерах, автоматических инструментах, приводах дисководов, автомобильных приборных панелях и других приложениях, требующих высокой точности позиционирования.
Производители шаговых двигателей: Autonics, Motionking, Fulling motor и другие.
Шаговые двигатели: принцип действия и отличия от двигателей постоянного тока
Двигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами Lenze начинают работать сразу, как только к якорной обмотке будет приложено постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором — коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре.
Шаговый двигатель (ШД) может быть рассмотрен как ДПТ без коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала.
Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению.
Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.
Принято различать шаговые двигатели (Autonics, Motionking, Fulling motor) и серводвигатели (Lenze). Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом (дискретном) режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора) и плавности вращения синхронного двигателя.
Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению, в качестве которого обычно используется резольвер или sin/cos энкодер. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении.
В то время как синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.
Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис. 1).
Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рис. 2).
За это упрощение приходится платить более сложным реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.
Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг.
Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ-модуляции.
Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.
Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости.
Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках.
Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.
Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных применений.
Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.
На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.
На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.
Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.
- В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя.
- Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро%аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.
- Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.
Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота.
Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К).
Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.
Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.
Шаговые синхронные двигатели активного типа
В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.
Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.
При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления.
При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления.
Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки».
Число тактов KT системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления KT=4, а для несимметричной KT=8.
- В общем случае число тактов KT зависит от числа обмоток управления (фаз статора) mу и может быть посчитано по формуле:
- KT = mуn1n2,
- где: n1=1 — при симметричной системе коммутации;
- n1=2 — при несимметричной системе коммутации;
- n2=1 — при однополярной коммутации;
- n2=2 — при двуполярной коммутации.
При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении, а при двуполярной — в обеих. Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора.
Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают. Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1).
Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.
Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:
αш=360/Ктр
Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р=4…6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.
Реактивные шаговые двигатели
У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.
Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.
Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора.
- При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.
- Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:
- αш=360/КтZр
В выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, т.к. изменение направления поля не влияет на положение ротора.
Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.
Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.
Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, можно достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления.
Если число пакетов два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, т.е. оси их полюсов полностью совпадают.
Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.
Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.
В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д.
Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора.
При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.
По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики
Линейные шаговые синхронные двигатели
При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.
Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов.
Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.
Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнито-провода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.
Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя.
Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.
- ΔXш=tz/Кt
- где Kt — число тактов схемы управления.
- Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.
В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора.
Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором.
При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.
Режимы работы синхронного шагового двигателя
Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.
Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода xследующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.
При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла.
Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.
- В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.
- Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.
- Предельная механическая характеристика — это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.
Приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления.
Приемлемость падает с увеличением нагрузки.
В. П. Колодийчик.
Управление шаговым двигателем. Схема и описание
Шаговые двигатели не сильно отличаются от многих классических двигателей. Для управления шаговым двигателем необходимо подавать постоянное напряжение на обмотки в точной последовательности. Благодаря этому принципу, можно обеспечить точный угол поворота оси.
Блок питания 0…30 В / 3A
Набор для сборки регулируемого блока питания…
Более того, оставив напряжение питания на одной или нескольких обмотках двигателя, мы переводим двигатель в режим удержания. Шаговые двигатели получили широкое распространение в технике, к примеру, их можно найти в гибких дисководах, сканерах и принтерах. Существует несколько типов шаговых двигателей.
Типы шаговых двигателей
Существуют три основных типа шаговых двигателей:
- Двигатель с постоянным магнитом
- Двигатель с переменным магнитным сопротивлением
- Гибридный двигатель
Шаговый двигатель с постоянными магнитами
Шаговый двигатель с постоянными магнитами применяется наиболее часто в устройствах бытового назначения, нежели в промышленных устройствах. Это недорогой двигатель, имеющий низкий крутящий момент и низкую скорость вращения. Он идеально подходит для устройств компьютерной периферии.
Производство шагового двигателя с постоянными магнитами несложно и экономически оправдано, когда дело касается производства больших объемов. Однако из-за его относительной инертности, применение ограничено в устройствах, где требуется точное позиционирование по времени.
Портативный паяльник TS80P
TS80P- это обновленная версия паяльника TS80 Smart, работающий от USB…
Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением
В шаговом двигателе с переменным магнитным сопротивлением нет постоянного магнита, и как результат этого — ротор вращается свободно, без остаточного крутящего момента. Этот тип двигателя часто используется в малогабаритных устройствах, например, в системах микро-позиционирования. Они не чувствительны к полярности тока и требуют систему управления отличную от других типов двигателей.
Гибридный шаговый двигатель
Гибридный двигатель, на сегодняшний день, является самым популярным двигателем в промышленной сфере. Его название происходит от того, что он сочетает в себе принципы работы двух других типов двигателя (с постоянными магнитами и переменным магнитным сопротивлением). Большинство гибридных двигателей имеют две фазы.
Как работает гибридный двигатель
Работу гибридного шагового двигателя легко понять, глядя на очень простую модель, которая производит 12 шагов за один оборот.
Ротор этой машины состоит из двух частей, каждая из которых имеет три зуба. Между двумя частями находится постоянный магнит, намагниченный в направлении оси ротора, создавая, таким образом, южный полюс на одной части детали, и северного полюса на другой. Статор состоит из трубки, имеющей четыре зуба внутри нее. Обмотки статора намотаны вокруг каждого такого зуба.
Когда ток протекает через одну из обмоток, ротор занимает одно из положений, показанных на рисунках. Это связано с тем что, постоянный магнит ротора пытается минимизировать магнитное сопротивление обмотки. Крутящий момент, что стремится держать ротор в этих положениях, как правило, небольшой и называется «релаксация крутящего момента». Ниже изображена схема работы двигателя с 12 шагами.
Если ток течет по двум обмоткам статора, результирующие полюса будут притягивать зубы обратной полярности на каждом конце ротора. Есть три устойчивых позиций для ротора, столько же, сколько количество зубьев на роторе. Момент, необходимый для перемещения ротора от его стабильного положения во вращательное движение называется «удержание крутящего момента»
Изменяя ток первой до второй обмотки (В), магнитное поле статора поворачивается на 90 градусов и притягивает новую пару полюсов ротора.
В результате этого ротор поворачивается на 30 градусов, что соответствует полному шагу.
Возвращение к первому набору обмоток статора, но с питанием обратной полярности, изменяет магнитное поле статора еще на 90 градусов, и ротор поворачивается на 30 градусов (С).
Наконец, второй набор обмоток работает в противоположном направлении, обеспечивая третье положение ротора (еще 30 градусов). Теперь мы можем вернуться снова к первому этапу (А), и после прохождения заново всех этих четырех этапов, ротор будет перемещен еще на один зуб.
Очевидно, что если полярность питания обмоток будет противоположной описанной, то вращение двигателя так же сменится на противоположное.
Режим полшага
Подавая питание поочередно на одну обмотку, а затем на две, ротор будет совершать вращение на 15 градусов в каждом шаге и таким образом количество шагов на один оборот увеличится в два раза.
Этот режим называется режимом «полшага», и большинство промышленных устройств применяют этот режим.
Даже если это иногда вызывает небольшую потерю крутящего момента, режим в полшага намного плавнее на низких скоростях и вызывает меньший резонанс в конце каждого шага.
Биполярные и униполярные шаговые двигатели
От того какая у шагового двигателя форма обмоток, двигатели делятся на униполярные и биполярные. У биполярного двигателя по 1 обмотке в каждой фазе. Всего две обмотки и соответственно 4 вывода (рис. а).
Для обеспечения вращения вала на эти обмотки должно подаваться напряжение с изменяемой полярностью. Поэтому для биполярного двигателя необходим полумостовой либо мостовой драйвер, снабженный двухполярным питанием.
Униполярный двигатель также как и биполярный, для каждой фазы имеет по одной обмотке, но каждая обмотка содержит отвод от середины. В связи с этим, путем переключения половинок обмотки шагового двигателя, появляется возможность менять направление магнитного поля.
В данном случае значительно упрощается структура драйвера двигателя. Он должен обладать всего лишь четырьмя силовыми ключами. Соответственно, в униполярном двигателе применяется иной метод изменения направления магнитного поля. Отводы обмоток зачастую объединяются внутри двигателя, вследствие этого данный тип двигателя может обладать пятью или шестью проводами (рис. б).
Порой униполярные двигатели снабжаются четырьмя обмотками, каждая из которых содержит собственные выводы – то есть их всего восемь (рис. в).
При определенном соединении этих обмоток подобный шаговый двигатель возможно использовать как биполярный либо униполярный.
Кстати, униполярный двигатель, имеющий две обмотки с отводами по середине, возможно использовать и как биполярный. В этом случае провода, идущие от середины обмоток не используются.
Управление шаговым двигателем
В качестве примера управления шаговым двигателем возьмем униполярный шаговый двигатель ШД-1ЕМ, имеющий характеристики: количество шагов — 200/об., ток обмотки – 0,5А, мощность — 12 Ватт.
Драйвером, управляющим обмотками шагового двигателя выберем микросхему ULN2003A. Эта уникальная микросхема, не что иное, как транзисторная сборка по схеме Дарлингтона с открытым коллектором, снабженная диодом, защищающим цепь питания нагрузки. ULN2003A имеет семь каналов управления с током нагрузки 500мА каждый.
Входы микросхемы ULN2003A можно напрямую подключать к выходам цифровых микросхем, поскольку она имеет резисторы, подключенные к базам транзисторов. Еще одним немаловажным моментом является то, что выходы ULN2003A снабжены диодами, которые защищают микросхему от индукционных выбросов в момент коммутации обмоток шагового двигателя.
- Вывод 9 микросхемы ULN2003A подведен к источнику питания через стабилитрон, который защищает схему от ЭДС самоиндукции, появляющейся в момент выключения блока питания схемы. Управление шаговым двигателем производится с помощью компьютера через LPT порт при помощи программы:
- Скачать программу управления шаговым двигателем (204,1 KiB, скачано: 2 198)
Паяльный фен YIHUA 8858
Обновленная версия, мощность: 600 Вт, расход воздуха: 240 л/час…
Домашний CNC. Часть 1. Драйвер шагового двигателя для мини-станка с ЧПУ » Журнал практической электроники Датагор
При конструировании очередного станка с ЧПУ, а попросту 3-х осевого фрезерного-сверлильного станочка для печатных плат и мелких фрезерных работ, у меня появилось неугомонное желание разложить всё «по полочкам». Многие скажут, что тема не нова, существует множество проектов, множество технических и программных решений. Но, плавая в этом море информации, я постарался убрать всю «воду» и получить «сухой остаток».
Вот что из этого получилось…
Содержание / Contents
Сразу оговорюсь — все, что здесь далее написано, лишь мои личные выводы и не претендует на абсолютную истину. Истина рождается в споре, так что если уважаемые читатели в чем-то со мной не согласны, давайте это обсудим! Задача построения станка обычно сводится к трем подзадачам — механика, электроника, программное обеспечение.
Видимо и статьи придется писать тоже три.Поскольку у нас журнал всё-таки практической электроники, начну с электроники и чуть-чуть с механики! Нужно двигать собственно фрезер в 3-х направлениях — XYZ, значит нужно 3 привода — 3 мотора с передачей вращения вала двигателя в линейное перемещение.
О передаче…Для фрезерного станка, где есть боковые усилия резания материала, желательно не применять ременные передачи, очень популярные в 3D принтерах. Буду применять передачу «винт-гайка». Самая бюджетная передача — обычный стальной винт и безлюфтовая, желательно бронзовая, гайка. Более правильная — винт с трапециевидной резьбой и гайка из капролона.
Самая хорошая (и, увы, самая дорогая) шарико-винтовая пара, или ШВП. Об этом подробнее я еще расскажу далее…
У каждой передачи есть свой коэффициент, свой шаг — то есть насколько линейно по оси переместится фрезер за один оборот двигателя, например, на 4 мм.
В качестве двигателя для привода определил шаговый двигатель (ШД)
Почему шаговый? Что это вообще такое? Двигатели есть переменного и постоянного тока, коллекторные и бесколлекторные, и так называемые «шаговые». В любом случае нам надо обеспечить какую-то точность позиционирования, например 0,01 мм.
Как это сделать? Если двигатель имеет прямой привод — вал двигателя соединяют напрямую с винтом, то для обеспечения такой точности нужно повернуть его на некоторый угол.
В данном случае, при шаге передачи 4 мм и желаемой точности перемещения 0,01 мм это… всего 1/400 оборота, или 360/400=0,9 градуса! Ерунда, возьмем обычный моторчик… С «обычным» моторчиком без обратной связи никак не получится. Не вдаваясь в подробности, схема управления двигателем должна «знать», на какой угол повернулась ось.
Можно конечно поставить редуктор — потеряем в скорости, и все равно без гарантии, без обратной связи вообще никак! На ось ставится датчик угла поворота. Такое решение надежное, но дорогое.
Альтернатива — шаговый двигатель (как он работает, почитайте сами). Можно считать, что за одну «команду» он повернет свою ось на определенный градус, обычно это 1,8 или 0,9 градуса (точность обычно не хуже 5%) — как раз то, что нужно.
Недостаток такого решения — при большой нагрузке двигатель будет пропускать команды — «шаги» и может вообще остановиться. Вопрос решается установкой заведомо мощного двигателя. На шаговых двигателях и делается большинство любительских станочков.
2 обмотки, с минимальным током, минимальной индуктивностью и максимальным моментом — то есть максимально мощный и экономичный двигатель.
Противоречивые требования. Малый ток — значит большое сопротивление, значит много витков провода обмотки двигателя, значит большая индуктивность. А большой момент — это большой ток и много витков. Выбираем в пользу большего тока и меньшей индуктивности. А момент надо выбирать исходя из нагрузки, но об этом потом.
Характеристики некоторых двигателей приведены в таблице: Для небольшого станка с рабочим пространством размером 300×300х100 мм и легким фрезером вполне сгодятся двигатели с крутящим моментом 0,3Нм и выше. Оптимальным является ток от 1,5 до 2,5 Ампер, вполне подойдет FL42STH38-1684 Двигатель есть. Теперь нужен драйвер — переключать напряжение на обмотках двигателя определенным образом, при этом не превышая установленный ток.
Самое простое решение — источник заданного тока и две пары транзисторных ключей на каждую обмотку. И четыре защитных диода. И логическая схема чтобы менять направление. И… Такое решение обычно делают на микросхеме ULN2003A для двигателей с малым током, имеет много недостатков, не буду на них останавливаться.Альтернатива — специализированные микросхемы «всё в одном» — с логикой, транзисторами и диодами защиты внутри (или снаружи). А еще такие микросхемы контролируют ток обмоток и регулируют его с помощью ШИМ-а, а так же могут реализовывать режим «полушаг», а некоторые режимы 1/4 шага, и 1/8 шага и т. д. Эти режимы позволяют повысить точность позиционирования, повысить плавность движения и снизить резонанс. Обычно достаточно режима «полушаг», что позволит повысить теоретическую точность линейного позиционирования (в моем примере до 0,005 мм). Что внутри микросхемы драйвера шагового двигателя? Блок логики и управления, источники питания, ШИМ со схемами формирования момента и времени коммутации обмоток, выходные ключи на полевых транзисторах, компараторы обратной связи — ток контролируется по падению напряжения на резисторах (Rs) в цепи питания обмоток. Ток двигателя задается опорным напряжением.
Для реализации этих функций существуют и другие схемные решения, например, с использованием микроконтроллеров PIC или ATMEGA (опять же с внешними транзисторами и защитными диодами). На мой взгляд, они не обладают значительным преимуществом перед «готовыми» микросхемами и я их в данном проекте использовать не буду.
На сегодняшний день есть достаточно много различных микросхем и достаточно много уже готовых плат и модулей драйверов ШД. Можно купить готовый, а можно «изобретать велосипед», тут каждый решает по-своему.Из готовых — наиболее распространённые и недорогие драйверы на микросхемах Allegro A4988 (до 2А), Texas Instruments DRV8825 (до 2,5А). Поскольку модули изначально разрабатывались для использования в 3D принтерах типа Rep-rap проекта Arduino, они не являются законченными модулями (например, им нужно еще питание логики (+5V), которое подается с так называемой рампы (Ramp). Еще есть решения на DRV8811 (до 1,9 А), A3982 (до 2 А), A3977 (до 2,5 А), DRV8818 (до 2,5 А) DRV8825 (до 2,5 А), Toshiba TB6560 (до 3 А) и другие.Поскольку мне интересно что-то сделать самому, плюс появилась возможность «попробовать на вкус» микросхемы Allegro A3982 и A3977, решил сделать пару драйверов самостоятельно.
Готовые решения на A4988 не понравились, прежде всего, из-за миниатюризации размеров печатной платы в ущерб хорошему охлаждению. Типовое сопротивление открытых транзисторов у A4388 при токе 1,5А 0,32+0,43 Ом, плюс 0,1-0,22 Ома «измерительный» резистор — получается около 0,85 Ом. А таких каналов два, и хотя и работают они импульсно, но 2-3 Ватта тепла надо рассеивать. Ну не верю я в многослойную плату и малюсенький радиатор охлаждения — в даташите нарисована плата гораздо больших размеров.
Провода мотора нужно сделать короткими, драйвер устанавливать рядом с двигателем.
Существует 2 технических решения в звукотехнике: длинный сигнальный кабель к усилителю + короткие провода к акустической системе, или короткий сигнальный кабель к усилителю + длинные провода, а акустической системе. Оба решения имеют свои плюсы и минусы. С моторами — так же. Я выбрал длинные провода управления и короткие провода к мотору.
Управляющие сигналы — «шаг» (step), «направление» (dir), «включение» (enable), индикация состояния сигналов управления. Некоторые схемы не используют сигнал «Enable», но это приводит в режиме простоя к ненужному нагреву и микросхемы и двигателя.
Одно питание 12-24 вольта, источник питания логики (+5B) — на плате. Размеры платы — достаточные для хорошего охлаждения, двухсторонняя печать с большой областью «меди», возможность приклеить на микросхему радиатор (применяемой для охлаждения памяти видеокарт).Основные характеристики и блок-схема: Напряжение питание силовое: 8…35 В Напряжение питание логики: 3,3…5 В Выходной ток (максимальный, зависит от режима и охлаждения): ±2 А Типовое сопротивление открытых транзисторов (при токе 1,5А): 0,33+0,37 ОмОсновные характеристики и блок-схема: Напряжение питание силовое: 8…35 В Напряжение питание логики: 3,3…5 В Выходной ток (максимальный, зависит от режима и охлаждения): ±2,5 А Типовое сопротивление открытых транзисторов (при токе 2,5А): 0,33+0,45 ОмПроектировал в среде DipTrace. Драйвер A3982 включен по схеме из документации производителя. Включен режим «полушаг». Дополнительно для надежной работы сигналов управления и индикации применил микросхему логики 74НС14 (с триггерами Шмитта). Можно было сделать гальвано-развязку на оптронах, но для маленького станка я решил ее не делать. Схема на A3977 отличается только дополнительными джамперами режима шага и более мощным разъемом питания, пока в «железе» не реализована.Процесс изготовления — ЛУТ, двухсторонняя. Габариты 37×37 мм, крепеж — как у двигателей, 31×31 мм. Для сравнения — слева мое творчество, справа драйвер на A4988. Все заработало сразу, наладки не требовалось. Температуру корпуса микросхемы мерил пирометром — без радиатора она достигала 90-95 градусов (при токе обмоток 1,6А) — мне это не понравилось. С радиатором — 55-60 градусов — куда лучше! Вообще плата вся теплая — около 35 градусов.
Спасибо за внимание! Продолжение следует…
В архиве схема и плата в формате DipTrace
????a3982.7z
44.22 Kb ⇣ 76
Даташит на микросхему Allegro A3982
????a3982.pdf
303.14 Kb ⇣ 60
Что такое шаговый двигатель и как им управлять
Каждый шаг представляет собой угол, величина которого зависит от устройства соответствующего двигателя. Кроме того, величиной угла можно управлять.
- Шаговые двигатели используются в самых разных областях: в автомобилестроении, приборостроении, везде, где требуется механическое движение с высокой точностью позиционирования.
- Популярно использование шагового двигателя и в точной робототехнике.
- Устройство шагового двигателя
Как любой мотор, шаговый двигатель состоит из статора и ротора. Обмотки шагового двигателя выполнены на статоре. Они не зависят друг от друга. На роторе установлены постоянные магниты.
Когда ток подается на одну из обмоток, ротор поворачивается на соответствующий угол, после чего останавливается. Подача тока на следующую обмотку опять вызывает поворот ротора, за которым следует остановка.
Число импульсов, поданных на двигатель, определяют угол поворота ротора. От частоты импульсов зависит, будет ли вращение ротора скачкообразное или непрерывное.
Таким образом, устройство шагового двигателя позволяет контролировать угол поворота ротора и частоту его вращения.
В отличие от сервопривода никакого датчика позиционирования в устройстве шагового двигателя не предусмотрено.
Если есть желание разобрать двигатель, чтобы познакомиться с его устройством, то это плохая идея. Система ротор-статор представляет собой замкнутый магнитопровод, который при вмешательстве теряет ряд своих свойств, что может негативно сказаться на работе двигателя. Поэтому разбирать двигатель категорически не рекомендуется.
Принцип работы шагового двигателя
Перемещение шагового двигателя состоит из многочисленных шагов. Управление шаговым двигателем осуществляется с печатной платы, питание может подаваться от источника постоянного тока.
Отличие шагового двигателя от сервопривода
В отличие от сервопривода шаговый двигатель перемещается по шагам. Благодаря этому с его помощью можно совершать очень точные движения. Угол поворота выходного вала сервопривода обычно ограничен диапазоном от 0°C до 180°C. У шагового двигателя такого ограничения нет. Он может вращаться непрерывно. Однако управлять шаговым двигателем сложнее, чем сервоприводом.
Основные технические характеристики шагового двигателя
Крутящий момент — механическая характеристика шагового двигателя. Чем выше крутящий момент, тем лучше способность двигателя преодолевать возникающее при вращении сопротивление.
Удерживающий момент – это момент блокировки ротора, когда шаговый двигатель находится под напряжением, но вращения не происходит.
Стопорный момент (тормозящий момент) нужен, чтобы при совершении шага происходила фиксация ротора в конечной позиции. При отсутствии стопорного момента без поданного питания происходило бы проворачивание.
Номинальное напряжение – зависит от индуктивности двигателя. Чем выше индуктивность, тем выше требуется напряжение.
Номинальный ток – подается на обмотки шагового двигателя. Измеряется в Амперах.
Угол полного шага – способность двигателя совершать перемещение при одном шаге, указывается в градусах.
Момент инерции ротора – влияет на способность двигателя к разгону. Чем выше момент инерции, тем хуже разгон мотора.
- Длина двигателя – длина корпуса без вала.
- Типы шаговых двигателей
- По строению различают следующие типы шаговых двигателей:
Шаговый двигатель с постоянным магнитом. Постоянный магнит такого двигателя выполнен в виде диска. Он расположен на роторе, и создает крутящий момент за счет притяжения и отталкивания обмотки на статоре.
Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением. Такой шаговый двигатель не имеет постоянного магнита. На его роторе расположено зубчатое колесо из специального металла. Крутящий момент невысокий, но зато отсутствует стопорящий момент.
Гибридный шаговый двигатель. Представляет собой сочетание двух вышеперечисленных видов двигателей. Для гибридных двигателей характерна очень маленькая величина шага, в результате чего они способны достигать максимальной точности. Однако стоимость таких двигателей достаточно высока.
По типу обмотки шаговый двигатель может быть униполярным и биполярным.
Преимущества шаговых двигателей
• Главное преимущество шагового двигателя – это точность величины шага.
• Шаговый двигатель может быть быстро запущен и также быстро остановлен. Для выполнения этих действий требуется минимальное время.
• Обладает высокой надежностью. Стабильная работа при высоких нагрузках.
• Нет необходимости в датчиках или других элементах, обеспечивающих обратную связь. Позиционирование полностью определяется поступающими импульсами.
• Большой диапазон скоростей, в том числе возможность достижения низких скоростей.
• Простота в установке и использовании.
Подключение шагового двигателя к печатным платам Arduino
Доступная цена шаговых двигателей и их точная эффективная работа сделали такие двигатели востребованным компонентом в любительской робототехнике. Для реализации различных творческих проектов шаговые двигатели подключатся к программируемому контроллеру Arduino. Такое подключение выполнить достаточно просто.
Обычно шаговый двигатель имеет от 4 до 6 проводов для подключения. Если у шагового двигателя четыре провода, то это биполярный двигатель. У биполярного двигателя два провода подключаются к одной обмотки, два – к другой.
Шесть проводов имеет униполярный двигатель. При этом два провода подключаются к концам каждой обмотки, а один – к ее середине. Эти провода подключаются к заземлению.
В униполярном двигателе за счет способа его подключения скорость вращения выше, но меньше крутящий момент. Если требуется увеличить крутящий момент, то из униполярного двигателя всегда можно сделать биполярный. Для этого просто не нужно подключать дополнительные провода.
При этом для контроллера не имеет значение, какой способ подключения выбран. В обоих случаях управление производится через два выхода для каждой обмотки.
Способ подключения выбирается в зависимости от того, что является в приоритете: скорость вращения или крутящий момент.
Нет необходимости задействовать ШИМ-выходы, так как управление двигателем зависит только от подачи тока на обмотки.
ШИМ-выходы используются для полушаговых и микрошаговых режимов. С их помощью можно повысить скорость и улучшить точность работы двигателя, а к тому же значительно снизить уровень шума. Но при этом при полушаговом и микрошаговом режиме снижается момент и усложняется способ управления шаговым двигателем.
Питание шагового двигателя
Рекомендуется использовать внешний источник питания 5-12 В, в противном случае ресурсов платы Arduino может оказаться недостаточно.
Следует всегда помнить, что во время подключения или отключения двигателя на программируемый контроллер не должно подаваться питание! Иначе контроллер может просто сгореть.
Библиотеки и управление шаговым двигателем
Использование библиотеки позволяет упростить управление шаговым двигателем. Среди предлагаемых библиотек можно выделить библиотеку Stepper и Accel Stepper.
Библиотеку Stepper не нужно скачивать, она входит в Arduino IDE и подойдет для управления шаговым двигателем в простых проектах, предусматривающих использование лишь одного двигателя.
Библиотека Stepper подключается командой #include.
Библиотека Accel Stepper обладает большими возможностями. Например, с ее помощью можно управлять сразу несколькими шаговыми двигателями, а также их работой на низких скоростях. Эта библиотека предусматривает возможность ускорения и замедления. А главное она позволяет добиться плавной работы мотора.
После подключения библиотеки создается объект stepper и указывается, к каким пинам подключаются обмотки. Для этого необходимо задать количество шагов для одного оборота вала.
Драйвер
Также для управления шаговым двигателем используется драйвер. Драйвер позволяет управлять мощными двигателями, ток на которые соответственно поступает с внешнего источника питания.
Импульсы, поступающие на двигатель, формирует микроконтроллер. Для усиления этих импульсов и используется драйвер.
Функции драйвера
Прежде всего, драйвер нужен, чтобы обеспечить поступление тока на обмотки статора. Также драйвер отвечает за коммутацию обмоток и выполняет защитные функции. Тип драйвера влияет на мощность на валу двигателя.
На сегодняшний день существует большой выбор драйверов для шаговых двигателей, например, L293, ULN2003, A3967SLB и многие другие.
Возможные сложности
Перегрев шагового двигателя. Рабочая температура двигателя может достигать 80°C, но это еще не означает, что двигатель перегревается. Если температура мотора превышает 80°C, то только тогда можно говорить о перегреве.
В случае перегрева первым делом нужно проверить, какой рабочий ток выставлен на драйвере, соответствует ли он номинальному току двигателя. Можно снизить питающее напряжение, но это приведет к снижению крутящего момента, и соответственно скажется на работе двигателя.
В крайнем случае, на корпус двигателя можно установить радиатор и/или вентилятор.
Пропуск шагов. Это достаточно распространенная неприятность, связанная с работой шаговых двигателей. Причины могут быть разные. Вот некоторые из них.
• Некачественный драйвер. Если драйвер неоригинальный, то он не всегда может справиться с непростым управлением шаговым двигателем.
• Ошибки в настройке драйвера. Например, ошибочно выставленное напряжение.
• Перегрузка двигателя. В этом случае нужно проверить, действительно ли двигатель подходит для тех целей, в которых он используется. Вероятно, нужно снизить скорость двигателя или использовать более габаритную модель.
Выбор шагового двигателя
К основным параметрам, по которым производится выбор двигателя, относятся: производитель, габариты двигателя, тип двигателя, ток фазы и индуктивность. Как правило, лучше работают двигатели с меньшей индуктивностью.
Заключение
Шаговые двигатели – эффективное решение, если нужно достичь точного перемещения в пространстве. Они представляют собой бюджетную альтернативу сервоприводу. Благодаря уже созданным библиотекам ими легко управлять. Преимущества шаговых двигателей очевидны, поэтому они являются востребованным продуктом на рынке электронных устройств.
Загрузка...
