Как управлять шаговым двигателем вручную

30

Как управлять шаговым двигателем вручную

Быстрые движения под высоким напряжением, или почти вся правда об управлении шаговым мотором

Доброго вам времени суток, уважаемые гики и сочувствующие!

В этой публикации я хочу поделиться своим опытом управления. Точнее – управления шагами. А уж если быть совсем точным, речь пойдёт об управлении замечательным устройством – шаговым электродвигателем.

Что же такое этот самый шаговый электродвигатель? В принципе, в плане функциональности этот мотор можно представить как обычный электромотор, каждый оборот вала которого разбит на множество одинаковых, точно фиксированных шагов. Перемещением на определённое количество шагов мы можем позиционировать вал шагового мотора с высокой точностью и хорошей повторяемостью. Каждый шаг можно разбить на множество ступенек (так называемый микростеппинг), что увеличивает плавность хода мотора, способствует подавлению резонансов, а также увеличивает угловое разрешение. Различия между полношаговым режимом (слева), 1/2 микростеппингом (в центре) и 1/16 микростеппингом (справа) видны невооружённым глазом:

К сожалению, все вышеупомянутые преимущества достигаются ценой значительной сложности системы управления шаговым мотором (для простоты будем называть эту систему драйвером).
Теперь рассмотрим схему работы типичного шагового мотора:

Из этой картинки видно, что шаговый мотор в электрическом плане представляет собой два или более электромагнита, которые необходимо переключать в определённой последовательности для приведения ротора в движение.
Лирическое отступление: На настоящий момент существуют два основных типа шаговых моторов: униполярный и биполярный. Поскольку униполярные моторы имеют меньший крутящий момент и худшие скоростные характеристики, в данной публикации они рассматриваться не будут.
Итак, вернёмся к управлению биполярным мотором. Как это ни парадоксально звучит, но зачастую проще обсуждать общие принципы на конкретных примерах. В качестве примера мы возьмём шаговый мотор ST4118L1804-A производителя Nanotec. Почему именно этот мотор и производитель? Причина проста: по основным характеристикам это типичный представитель моторов типоразмера NEMA 17, широко применяющихся в радиолюбительской практике, и имеет к тому же довольно подробную техдокументацию (которая начисто отсутствует у китайских noname-моторов).

Основные характеристики данного мотора:
Рабочее напряжение 3,15 В
Рабочий ток 1,8 А
Активное сопротивление обмотки 1,75 Ом
Индуктивность обмотки 3,3 мГн
Момент удержания 0,5 Нм
Угловой размер шага 1,8° (200 шагов на один оборот ротора)

В данном случае самое главное — это правильная интерпретация данных. Применив закон Ома, выясняем, что производитель указал рабочий ток и напряжение для постоянного тока, протекающего через обмотки двигателя, без учёта индуктивности.
Проверка: I = U/R, или 1,8 А = 3,15 В/1,75 Ом. Всё сходится.
Какой же будет мощность рассеяния при питании обмоток постоянным током?
Всё просто: P=I x U, или 1,8 А х 3,15 В = 5,67 Вт. В полушаговом режиме возможна ситуация, когда ток течёт через обе обмотки мотора, соответственно рассеиваемую мощность нужно удвоить: 5,67 Вт х 2 = 11,34 Вт. Это достаточно много, и может привести к перегреву мотора. Эта же величина является минимальной мощностью блока питания для этого мотора. Обыкновенный 3D принтер имеет пять подобных моторов, соответственно для питания драйверов необходим источник питания с минимальной мощностью 11,34 Вт х 5 = 56,7 Вт. К этой цифре необходимо добавить электрическую мощность, превращённую мотором в кинетическую или потенциальную энергию при работе принтера. Точный расчёт этой мощности — дело достаточно сложное, на практике проще всего добавить 75% к рассчитанной тепловой мощности и на том завершить расчёты. Почему именно 75%? Дело в том, что обычный шаговый мотор способен совершить полезную работу на величину примерно 2/3 от максимальной тепловой мощности. В данном случае для создания какого-либо узла или устройства сначала подбирается подходящий мотор (например, по крутящему моменту), а после этого рассчитывается мощность блока питания.
Итоговая мощность блока питания для пяти шаговых моторов: 56,7 Вт х 1,75 = 99,225 Вт.
Конечно, на практике ни в одном любительском устройстве не используются моторы под максимальной нагрузкой, и реальная мощность потребления будет, скорее всего, намного ниже расчётной. Я же, как человек ленивый и скаредный, крайне не люблю делать одно и то же два раза, поэтому беру блок питания всегда с некоторым запасом (то есть, согласно вышеприведённым расчётам).
Теперь пришла пора приступить к определению минимально необходимого напряжения блока питания. К сожалению, этому параметру уделяется незаслуженно маленькое внимание в тематических публикациях. Почему этот параметр так важен? Дело в том, что при вращении ротора шагового мотора через катушки течёт переменный ток, ограниченный не только активным, но также и индуктивным сопротивлением обмоток.
Рассмотрим предоставленный производителем график зависимости крутящего момента нашего мотора от частоты вращения:

На графике присутствуют две линии, показывающие зависимость крутящего момента от частоты вращения для напряжения питания 24 В (красная линия) и 48 В (зелёная линия). Нетрудно заметить, что спад крутящего момента начинается примерно с 300 об/мин для 24 В и примерно с 600-700 об/мин для напряжения 48 В. При этом необходимо упомянуть, что производитель использует недоступные любителям дорогостоящие промышленные драйверы. Почему же так важно напряжение питания драйвера, если оно даже в случае питания от 12 В заведомо выше паспортной величины напряжения питания шагового мотора (3,15 В)? Дело в том, что шаговый мотор управляется током, а не напряжением, и именно источниками тока являются все современные драйверы. В идеальном случае драйвер обеспечивает заданный ток в обмотках двигателя вне зависимости от частоты вращения ротора, нагрузки, изменения температуры и других параметров. Это организовано за счёт работы ШИМ-регулятора, управляемого зачастую довольно сложными алгоритмами. Из технической документации нашего мотора видно, что для полного оборота ротору необходимо совершить 200 шагов, при 300 об/мин это составит 60 000 шагов в минуту, или 1000 шагов в секунду. Это, проще говоря, соответствует переменному току частотой 1 кГц. На этой частоте индуктивное сопротивление обмотки составит (R(L)=2π×F×L): 2π х 1 кГц х 3,3 мГн = 20,73 Ом. Какое же напряжение необходимо для обеспеченияя тока в 1,8 А при этом сопротивлении? Закон Ома не дремлет (U=IR): 1,8 А х 20,73 Ом = 37,31 В. Неудивительно, что выше частоты вращения 300 об/мин наблюдается спад крутящего момента: драйверу банально не хватает напряжения питания. Почему же при таком вопиющем недостатке питания (37 — 24 =13 В) спад не наступает при более низкой частоте вращения? Дело в том, что в современных драйверах используется мостовая схема выходных каскадов, что позволяет «удваивать» напряжение, прикладываемое к обмоткам мотора. То есть, теоретически драйвер способен приложить «виртуальные» 48 В к обмоткам при напряжении питания 24 В, что создаёт теоретический запас по напряжению 48 — 37 = 11 В. На практике же этот запас будет нивелирован потерями в драйвере, сопутствующих цепях и активным сопротивлением обмоток мотора (активное сопротивление обмоток присутствует постоянно, и даже несколько возрастает при нагреве мотора). При увеличении частоты вращения ротора свыше 300 об/мин пропорционально растёт частота импульсов и, соответственно, увеличивается индуктивное сопротивление обмотки. При питании от 24 В драйверу перестаёт хватать напряжения питания для поддержания тока в обмотках, и крутящий момент неуклонно снижается. То же самое происходит при питании драйвера от 48 В, но уже гораздо значительно позже, при частоте вращения 600-700 об/мин.
Итак, с мощностью и величиной напряжения блока питания всё ясно, теперь необходимо переходить к практической реализации универсального драйвера, способного как к филигранной работе при помощи крохотных NEMA 11, так и к сотрясению основ мира в паре с могучими NEMA 23. Какими же основными качествами должен иметь драйвер моей мечты?

1. Высокое напряжение питания. Поскольку в техдокументации к моторам крайне редко указано максимальное напряжение питания, лучше будет ограничиться напряжением 48 В.
2. Важнейший параметр: высокий выходной ток. NEMA 23 имеют рабочие токи вплоть до 3,5 А, драйвер должен обеспечивать этот ток с запасом 30%. Путём нехитрых расчётов получаем максимальный рабочий ток около 4,5 А.
3. Простая и оперативная подстройка силы выходного тока.
4. Наличие микростеппинга, как минимум 1/8 шага
5. Наличие защиты от КЗ, перегрева, и т.д.
6. Небольшой размер, возможность крепления произвольного радиатора.
7. Исполнeние в виде интегральной схемы. XXI век на дворе!
8. Простая схема включения с минимальным количеством дискретных компонентов.
9. Низкая цена.

После множества бессонных ночей пятиминутного копания в Google выяснилось, что единственной доступной микросхемой драйвера с подходящими параметрами является TB6600HG. Покупка готового китайского драйвера на eBay показала, что не всё ладно в датском королевстве, далеко не всё. В частности, китайский драйвер отказался напрямую работать с выходами Arduino Due, и «завёлся» только через буферный преобразователь уровней. При работе с трёхамперной нагрузкой драйвер грелся и терял шаги десятками. Вскрытие пациента показало, что в нём не только была установлена микросхема предыдущего поколения (TB6560), а даже и термопаста не смогла найти себе места в списке компонентов. К тому же размерами и весом китайский драйвер наводил меня на мысли о моей молодости… о прошлом веке, если быть совсем точным. Ну нафиг, сказал во мне интеллигент в третьем поколении, мы сделаем свой драйвер, с преферансом и поэтессами. Если бы разработчики KiCAD видели, как я обращаюсь с их детищем, я разорился бы на одних только адвокатах:


С целью минимизации размеров была спроектирована четырёхслойная печатная плата. Этот факт, к сожалению, исключает её изготовление в домашних условиях. Посему на берлинской фирме LeitOn были заказаны 36 таких плат, каждая из которых обошлась в итоге около пяти евро. Часть этих плат были впоследствии выкуплены у меня собратьями по увлечению, и в итоге изготовление плат вышло не слишком накладным предприятием. Микросхемы TBB6600HG были заказаны на Aliexpress по 4 евро за штуку, остальные компоненты были заказаны на eBay, в пересчёте на один драйвер цена дискретных компонентов составила 2 евро. В качестве радиаторов были взяты пятисантиметровые отрезки П-образного алюминиевого профиля, пластиковые каркасы были отпечатаны на 3D принтере. Итого цена одного драйвера составила около 12 евро. Это справедливая цена за драйвер со следующими характеристиками:

Напряжение питания от 8 до 42 Вольт
Максимальный долговременный рабочий ток 4,5 Ампер, устанавливается потенциометром
Микростеппинг вплоть до 1/16 шага
Защита: КЗ, перегрев, низкое напряжение питания
Компактные размеры и низкий вес
Работа с уровнями входных сигналов от 3,3 до 5,5 вольт
Простая установка микростеппинга с помошью микропереключателей — к чёрту перемычки!

Готовые печатные платы:

Собранные и недособранные драйверы.

Видео работы драйвера в моём старом 3D принтере. Здесь трёхамперный NEMA 17 бодро гоняет подогреваемую рабочую площадку принтера размером 45 х 25 см через шестнадцатимиллиметровый шпиндель длиной 60 см:

Финальное фото: самодельные драйвера на своём рабочем месте в моём новом 3D принтере.

Публикуется под лицензией WTFPL

УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Двигатели постоянного тока нашли множество применений, но непрерывное и плавное вращение ротора не всегда требуется. Естественная особенность двигателя BLDC, заключающаяся в том, что для его вращения необходимо постоянно переключать напряжения между обмотками, способствовала развитию шаговых двигателей. Их ротор может вращаться с определенными приращениями и оставаться стабильным в этих состояниях даже если управление прерывается. Возобновление подачи напряжения на катушки вызывает продолжение вращения.

Шаговые двигатели не имеют коммутаторов и щеток. Это синхронные двигатели постоянного тока с электронно-коммутируемым магнитным полем, вызывающим вращение якоря (его магнитов). Можно считать, что шаговые двигатели управляются цифровыми импульсами, и в шаговом двигателе полный угол поворота ротора разделен на дискретное количество шагов. Количество этих ступеней (фаз) равно количеству магнитов, расположенных вокруг центрального сердечника.

Конструкция шагового двигателя

Теория работы шаговых двигателей. В отличие от двигателей постоянного или переменного тока, для шаговых двигателей требуется последовательное питание, то есть они должны получать фиксированную последовательность импульсов для отдельных катушек. Также бывают биполярные и униполярные двигатели. Униполярный шаговый двигатель отличается от биполярного тем, что имеет дополнительный отвод обмотки, который разделяет обмотку на две части. Обычно биполярный шаговый двигатель имеет 4 или 8 контактов, а униполярный — 5 или 6 контактов.

Схема униполярных и биполярных шаговых двигателей

Вначале рассмотрим униполярный шаговый двигатель, ввиду простоты управления. В таком моторе ток в обмотке всегда течет в одном направлении. Это упрощает метод управления, в отличие от биполярного, где управление должно обеспечивать изменение полярности катушек шагового двигателя путем изменения направления тока через обмотку на противоположное.

Двух переключателей достаточно, чтобы построить простейший драйвер шагового двигателя, как показано на рисунке. Здесь используем 6-проводный униполярный двигатель. Также можно сказать, что двигатель в этом случае управляется однополярно, за счет использования средней обмотки катушки и постоянного напряжения питания на нее.

Переключая данные переключатели в последовательности S1, S2, S1, S2, S1, S2… заметим, что двигатель вращается. Рисунок выше иллюстрирует важный принцип управления: обе обмотки не могут питаться от одной пары одновременно. Каждое изменение переключателя поворачивает ротор на один шаг. Чем быстрее начнем переключать переключатели в последовательности S1, S2, S1, S2…, тем быстрее начнет вращаться ротор.

Подключение переключателей к катушкам шагового двигателя

Скорость шагового двигателя зависит не от величины напряжения, а от скорости подключения питания к отдельным обмоткам. Чтобы добиться полного вращения ротора с 200-шаговым двигателем, надо изменить положение каждого переключателя 100 раз, то есть выполнить до 200 последовательностей для двух переключателей. Это уже говорит о том, что шаговые двигатели не могут работать на высокой скорости. Из этого следует, что шаговые двигатели можно назвать «цифровыми двигателями», поскольку для вращения ротора необходимо переключать переключатели в соответствующей последовательности.

В нашем случае последовательность переключений также определяет направление вращения шагового двигателя. Когда меняем последовательность включения переключателей, то меняем и направление вращения, например S2, S1, S2, S1, S2, S1… влево, S1, S2, S1, S2, S1, S2… вправо. В этом примере есть двухпозиционные переключатели, которые всегда обеспечивают питание двух из четырех обмоток шагового двигателя в данный момент. Но использование трехпозиционных переключателей дает гораздо больше возможностей.

Опять же, обе обмотки никогда не питаются от одной пары, что является обязательным принципом управления шаговым двигателем. Благодаря трехпозиционным переключателям можно реализовать, например, полушаговое управление, благодаря разнообразию переключений. Одновременно могут быть под напряжением две, одна или ни одной из обмоток.

На практике вместо переключателей используются биполярные транзисторы, чаще можно встретить драйверы на основе полевых МОП-транзисторов, благодаря возможности пропускания большего тока, а также возможности их перегрузки. Транзистор здесь действует как переключатель, он либо закрыт, либо полностью открыт.

Упрощенная схема управления униполярным шаговым двигателем

Чтобы управлять таким мотором, надо обеспечить соответствующую последовательность импульсов. Например, только одна из четырех обмоток шагового двигателя находится под напряжением одновременно (это своего рода волновое управление). На каждый цикл двигателя подается питание на одну из четырех катушек униполярного шагового двигателя. Вращение его будет выглядеть так:

Вращение униполярного шагового двигателя в последовательных тактах цикла управления волной

Управляющая последовательность A +, B +, A-, B- повторяется каждые четыре импульса тактового генератора. Этот тип управления называется однофазным или волновым. Это полный шаг управления, потому что двигатель выполняет один полный ход (шаг) с одним импульсом генератора.

Последовательность импульсов A +, B +, A -, B — вращает двигатель в одном направлении. Смена полюсов статора (N, S) заключается в питании соответствующей катушки (A + или A -).

Самый простой способ изменить направление — поменять местами одну пару проводов катушки (поменять местами, например, B + с B — и B — с B +), затем дадим последовательность A +, B -, A -, B + импульсы, он вращает двигатель в противоположном направлении. Так управление направлением реализовано в некоторых контроллерах шаговых двигателей. Самый простой способ изменить последовательность импульсов — использовать, например, реле.

Форма волны (однофазная) импульсная последовательность драйвера

Упрощенная схема однофазного (волнового) регулятора с изменением направления вращения

Несомненное преимущество униполярных шаговых двигателей — простота управления. Но это связано с волновым управлением, с использованием только половины обмотки за раз, одна из них всегда не используется. Используется только 1/4 всех обмоток шагового двигателя, что значительно снижает максимальную производительность.

Двухфазное управление шаговым мотором

Гораздо лучшей альтернативой однофазному управлению будет двухфазное, при котором работают две из четырех обмоток шагового двигателя. В таком управлении используем 1/2 всех обмоток. Тогда мотор станет более эффективен.

Вращение двигателя при двухфазном полноступенчатом управлении

Две катушки шагового двигателя всегда находятся под напряжением. Опять же, мы никогда не питаем две катушки из одной пары одновременно. С каждым импульсом от генератора переключается только одна катушка из отдельных пар (последовательно). В первом цикле катушки A и B находятся под напряжением, во втором катушка A все еще находится под напряжением, в то время как катушка B переключается на B +, в третьем цикле катушка B + находится под напряжением из второго цикла, и катушка A переключается на A + и так далее.

Двухфазная последовательность управляющих импульсов

Формы сигналов A + и B + сдвинуты друг к другу (две из четырех обмоток всегда работают в заданном цикле), а сигналы A + и B- инвертируются с сигналами A + и B +. Такие формы сигналов (смещенные относительно друг друга) легко генерируются, например, благодаря интегральной микросхеме 4013, которая имеет два D-триггера. Также можно использовать микроконтроллер. Изменение направления вращения в таком контроллере, как и при однофазном (волновом) управлении, может быть реализовано путем изменения направления проводов одной пары концов катушки (изменение с A + на A — и A — на A +). Чаще всего изменение скорости основано на изменении логики последовательности управляющих импульсов. Мы можем сделать это, например, используя логические элементы XOR, которые будут отрицать сигналы (инвертировать их).

Упрощенная схема двухфазного контроллера с изменением направления вращения, D-триггерами для создания смещенных сигналов и логическими вентилями XOR

Оба типа управления представленные выше: однофазный (волновой) и двухфазный (инвертированные сигналы, управляющие транзисторами), в просторечии, являются униполярными типами управления, потому что используем униполярные шаговые двигатели с дополнительными ответвлениями обмотки. Также в биполярных шаговых двигателях, где работает вся обмотка, мы встречаемся с однофазным и двухфазным управлением, там идея работы аналогична.

Также стоит упомянуть моторы VR (реактивного сопротивления). Двигатели VR обычно имеют три обмотки. Чтобы управлять таким двигателем, нам нужно подавать отдельные обмотки одну за другой в последовательности A, B, C, A, B, C. это заставит двигатель вращаться в одном направлении, в то время как последовательность питания обмотки A, C, B, A, C, B. заставит его вращаться в противоположном направлении. Самый простой способ изменить направление — поменять местами концы двух обмоток шагового двигателя VR, и проще всего это сделать с помощью реле.

Упрощенная схема драйвера резистивного шагового двигателя

Последовательность импульсов управления шаговым двигателем

Последовательность импульсов драйвера реактивного шагового двигателя очень похожа на волновое управление.

Биполярное управление обеспечивает более эффективное использование шагового двигателя, при котором всегда работает вся обмотка шагового двигателя, что дает гораздо лучшую производительность на низких и средних скоростях. А крутящий момент примерно на 30 — 40% больше. Но для этого требуется изменить полярность питания катушки, изменив направление тока в обмотках (например поменяв местами концы катушек). Для этого используются два транзисторных моста H (название происходит от сходства с буквой H на схеме), которые состоят из двух ветвей, а каждая ветвь состоит из двух транзисторов. Чаще всего для построения такого моста используются биполярные транзисторы NPN или MOSFET N.

Биполярный драйвер требует более сложного управления из-за того, что нужно управлять каждым из восьми транзисторов индивидуально. Взамен получаем все возможности шагового двигателя, хотя реализация такого типа управления не самая простая.

Принцип работы такого моста основан на том, что если верхний транзистор проводит в одной ветви, а нижний транзистор в другой, и наоборот, то через катушку шагового двигателя будет протекать ток. Если два верхних или два нижних транзистора проводят одновременно в двух ветвях одного моста, то ток через катушку не будет протекать. Путем соответствующего управления транзисторами получаем изменение направления тока, протекающего через катушку, и, таким образом, изменение полярности катушки.

Также в биполярных контроллерах имеем дело с однофазным (волновым) и двухфазным управлением. Оба элемента управления являются полношаговыми. При однофазном управлении, как и в униполярных шаговых двигателях, в следующем цикле запитывается только одна катушка,

Вращение биполярного шагового двигателя в последовательных тактах однофазного (волнового) цикла управления

Вращение биполярного шагового двигателя в последовательных тактах двухфазного цикла управления

Упрощенная схема драйвера для биполярных двигателей с транзисторными Н-мостами

Последовательность импульсов для питания катушек идентична униполярному двигателю, но в этом случае нет четырех сигналов на транзисторы, только восемь сигналов на восемь транзисторов. Каждым из них нужно управлять индивидуально, переключая соответствующие транзисторы в нужный момент. Ток протекает через катушку, когда один верхний транзистор и один нижний транзистор включены «крест-накрест», то есть 1 и 3 на схеме, другие 2 и 4 в катушке A шагового двигателя закрыты. Но когда выключаем 1 и 3 и включаем 2 и 4, то меняем направление тока в катушке.

Включаем транзисторы «крестом» в катушке A и B. Напряжение питания катушки задается как в униполярном управлении, в то время как «массовый» транзистор подключается крест-накрест к присоединенному верхнему силовому транзистору. Можем если надо изменить скорость, изменив управление двумя концами одной катушки, что приведет к другой последовательности импульсов. Самый простой способ — использовать реле, как при униполярном управлении, также можно реверсировать сигналы, управляющие транзисторами.

Ход управления катушками в биполярном шаговом двигателе волнового управления

Чтобы понять идею, можно сказать что на схеме показано питание проводов биполярного шагового двигателя, т.е. высокое состояние означает напряжение на конкретном проводе (A +, B +, A -, B -), а низкое состояние — появление заземления на отдельных проводах в заданном цикле. Здесь меняем направление тока в катушках, в первом импульсе (в первом цикле) генератор A + земля A — питается от генератора, а в третьем A — земля A + подается, меняя "полярность" источника питания так, чтобы меняли полярность катушек, например N на S.

Фактически, форма сигналов управления транзисторами в H-мосте будет выглядеть как на схеме ниже. Это биполярное однофазное (волновое) управление.

Ход транзисторной последовательности управления в биполярном волновом контроллере

Идея управления катушками двухфазного биполярного двигателя аналогична управлению двухфазным униполярным шаговым мотором. Здесь также нужно управлять каждым транзистором отдельно, как в случае управления биполярной волной. Можем изменить скорость на реле, как при управлении волнами, или использовать логические вентили, меняющие сигналы.

Ход управления катушками в биполярном двигателе двухфазного управления

Эта схема, что касается управления биполярной волной, показывает соответствующий источник питания проводов биполярного шагового двигателя. Низкое состояние означает основное высокое напряжение питания катушки. В первом цикле проводники A — и B — земли A + и B + находятся под напряжением, во втором цикле проводники A — и B + земли A + и B- находятся под напряжением и так далее.

Последовательность импульсов управления транзистором будет выглядеть примерно так:

Последовательность управления транзистором в двухфазном биполярном контроллере

Как правило, биполярные шаговые двигатели требуют сложной схемы управления. Эта проблема была решена с появлением специализированных интегральных схем (A3977, A4988, L297), которые используются для генерации соответствующей последовательности импульсов для управления транзисторами в H-мосте.

Также можем использовать логические элементы или D-триггеры для генерации этой последовательности, но чаще существуют драйверы, построенные на микроконтроллерах или специализированных интегральных схемах.

Самым большим преимуществом управления биполярным шаговым двигателем является хорошо используемый крутящий момент, благодаря тому что вся обмотка находится в текущем состоянии после получения импульса (в течение одного цикла).

Двигатели PM (с постоянным магнитом) и HB (гибридные), несмотря на их различную конструкцию, управляются одинаково. Каждый двигатель с 4 контактами может управляться только биполярно, в то время как униполярный шаговый двигатель с 6 контактами может работать как биполярный, так и униполярный.

Двигатели с 8 выводами дают гораздо больше возможностей, они могут работать как однополярные, так и биполярные. Кроме того, шаговый двигатель можно подключить последовательно, где нужно подавать на него более высокое напряжение, но в то же время он будет потреблять меньше тока, что приведет к снижению мощности на более высоких скоростях.

Также можем подключить его параллельно и запитать от более низкого напряжения, но с более высоким током. Это даст меньше потерь мощности на более высоких скоростях. На низких скоростях, как при последовательном, так и при параллельном подключении, двигатель будет иметь одинаковый крутящий момент (мощность).

Схема последовательного и параллельного подключения 8-проводного шагового двигателя

Идея последовательного и параллельного подключения также может быть использована с 6-проводным униполярным двигателем.

Схема последовательного и параллельного подключения 6-проводного шагового двигателя

Следует отметить, что при управлении шаговым двигателем мы переключаем обмотки, имеющие некоторую индуктивность. Когда ток прерывается в индуктивности, генерируется напряжение самоиндукции, которое может быть большим и повредить транзистор. Чтобы исключить это явление, необходимо правильно обеспечить протекание тока в катушке даже после выключения транзистора. Наиболее распространены быстродействующие диоды, которые срезают всплески, возникающие при открытии транзистора. Также можете найти драйверы с конденсаторами вместо диодов.

Схема подключения диодов к униполярному драйверу на биполярных транзисторах

Верхние диоды на схеме отсекают положительные импульсы, образовавшиеся в результате отключения тока от катушек шагового двигателя. С другой стороны, нижние диоды тоже нужны, потому что две обмотки одной пары образуют автотрансформатор. Когда в одной катушке есть положительное перенапряжение, отсекаемое верхним диодом, в другой катушке той же пары происходит отсечение отрицательного перенапряжения нижним диодом.

Иная ситуация с использованием MOSFET-транзисторов, потому что транзистор уже имеет в своей структуре переход сток-исток, который в данном случае действует как диод. При использовании небольших двигателей верхние диоды можно не устанавливать. Положительная энергия вывода не очень велика и может быть поглощена транзистором, который кратковременно работает в разрешенном режиме лавинного пробоя и действует как стабилитрон.

Схема униполярного шагового двигателя с MOSFET транзисторами

Также используем тот же принцип для биполярного управления. При использовании MOSFET-транзисторов можем использовать встроенные «диоды» в транзисторе.

Схема использования диодов в биполярных драйверах

Схема биполярного шагового двигателя с MOSFET транзисторами

Ещё стоит упомянуть инерцию обмоток, ограничивающую скорость нарастания тока. Каждая из катушек шагового двигателя имеет определенную индуктивность L и сопротивление R. После подачи напряжения на катушку ток I определяется напряжением питания катушки (VCC) и ее сопротивлением, то есть I = VCC / R. Он не сразу достигает значения, определяемого L iR. Ток постепенно увеличивается, а постоянная времени нарастания составляет T = L / R. Обычно это 10 мс, поэтому период прямоугольной волны должен составлять 20 мс или 50 Гц, чтобы обеспечить 10 мс высокого состояния длительности импульса для катушки для достижения полного тока.

На низких частотах (скоростях) это значения не имеет, а на более высоких частотах ток не успеет увеличиться до нужного значения. Следовательно, двигатель будет значительно терять крутящий момент при увеличении оборотов, из-за того что ток не успевает увеличиться до номинального тока мотора.

Лучшее решение этой проблемы — подать на двигатель напряжение, намного превышающее номинальное напряжение его работы. Из-за более высокого напряжения ток нарастает быстрее. Правда для этого требуется специальная схема, ограничивающая ток протекающий по обмоткам.

Среди других решений — использование резистора, который выбирается так, чтобы ток в установившемся режиме был равен номинальному току двигателя. Недостатком такой системы являются большие потери мощности на резисторе.

Схема использования резистора для ограничения тока в обмотках шагового двигателя

Иное решение — заменить резисторы на источник тока, который будет поддерживать заданное значение. Сначала на катушку подается высокое напряжение, которое ускоряет нарастание тока, затем источник будет поддерживать заданное значение тока катушки. Правда потери мощности по-прежнему являются большим недостатком, на этот раз на транзисторах, из-за высокого напряжения питания.

Схема использования источника тока для ограничения тока в обмотках шагового двигателя

Другой способ — работать от двух источников питания. В первые моменты импульса катушка питается от более высокого напряжения, которое ускоряет рост тока, затем она переключается на второй источник с номинальным напряжением питания шагового двигателя.

Недостатком такого решения является необходимость использования двух источников, что связано с дополнительными преобразователями. На схеме ниже переключатели используются для иллюстрации идеи переключения источников напряжения.

Упрощенная схема использования двух источников питания для регулирования тока в обмотках шагового двигателя

Самый эффективный метод — чопперский. Он заключается в подаче на катушку двигателя не одиночных импульсов, а серии импульсов по форме напоминающих сигнал ШИМ. В первый момент импульса от генератора прикладывается более высокое напряжение, которое ускоряет нарастание тока, позже оно ограничивается циклической работой транзистора.

Фрагмент схемы биполярного контроллера с технологией чоппера

Форма сигнала прерывателя для управления транзистором

Напоминаем, что в первые моменты управляющего импульса продлеваем включение транзистора, что позволяет быстрее увеличить ток, благодаря гораздо более высокому напряжению VCC, чем номинальное напряжение мотора. В следующие моменты импульса значительно сокращаем время транзистора, он работает циклически и тем самым ограничивает напряжение до номинального рабочего напряжения шагового двигателя. Компаратор, который будет сравнивать напряжения решает, когда сигнал управления транзистора должен быть переключен с постоянного на прерывистый. Благодаря этому есть возможность регулировать ток, подаваемый на катушку шагового двигателя.

Схема использования компаратора в биполярном контроллере

Эта схема очень эффективна и позволяет регулировать ток катушки независимо от напряжения питания, изменяя напряжение Vs.

Напряжение питания катушки VCC намного выше, чем рабочее напряжение обмотки, а это означает что после включения транзистора ток достигает своего рабочего значения намного быстрее, за гораздо более короткое время чем постоянная времени L / R. После достижения порогового значения (установленного Vs) компаратор сравнивает падение напряжения на управляющем резисторе Rs с напряжением Vs. Если ток двигателя и, следовательно, падение напряжения на Rs увеличиваются выше напряжения Vs, компаратор запускает моностабильный триггер, который излучает один импульс и на короткое время отключает напряжение питания катушки, что снижает ток, а затем цикл повторяется с начала.

В результате компаратор и триггер циклически открывают и закрывают транзистор, что предотвращает повышение напряжения катушки до напряжения питания VCC. За счет циклической работы транзистора ограничивается напряжение питания катушки шагового двигателя. Тогда течение имеет пилообразную волну. Ниже представлена диаграмма тока в обмотке прерывателя.

График импульсов тока в обмотке

Этот управляющий сигнал с прерывистой катушкой позволяет увеличить крутящий момент шагового двигателя, особенно при более высоких скоростях вращения. Конечно потребуется еще более интеллектуальная система управления (эта проблема была решена с появлением встроенных драйверов шаговых двигателей и микроконтроллеров), но она позволяет ускорить процесс увеличения тока благодаря подаче гораздо более высокого напряжения на более высокие частоты от генератора, без значительных потерь энергии или использования двух разных источников питания. Тут понадобится только один блок питания с относительно высоким напряжением.

Очень хорошая альтернатива, особенно в тех случаях когда драйвер не нуждается в специальных функциях, — использовать готовые интегральные микросхемы драйверов шаговых двигателей. Многие производители предлагают широкий спектр специализированных чипов, разработанных специально для управления шаговыми двигателями.

Обмотки шаговых двигателей чаще всего управляются формой сигнала ШИМ через H-мосты, по одному на обмотку. Угол поворота пропорционален количеству импульсов, а скорость вращения — их частоте. При работе с полными ступенями довольно много шума и вибрации. К сожалению, также могут быть случаи пропуска ступеней («выход») и, как следствие, потеря контроля над положением ротора. Эта проблема решается за счет использования микрошагов, таким образом питая обмотки так, что ротор проходит через промежуточные положения за один полный шаг.

Если для быстрой остановки двигателя требуется еще несколько шагов, важно правильно определить состояние перехода и остановки. В этом случае желательно управление с обратной связью в отличие от абсолютного позиционирования с обратной связью, основанного на подсчете шагов. Существует адаптивное управление скоростью шагового двигателя, позволяющее остановить его как можно скорее, несмотря на возможное увеличение нагрузки на этом этапе.

Это возможно на основании наблюдения увеличения BENF и соответствующего увеличения частоты импульсов, питающих двигатель. Вышеописанный алгоритм реализован в интегрированном однокристальном контроллере AMIS-30624. Он настроен для работы с различными типами шаговых двигателей, диапазонами позиционирования и такими параметрами, как скорость, ускорение и замедление.

Схема контроллера AMIS-30624

Он имеет встроенный бессенсорный детектор потери шага, который предотвращает потерю шагов позиционером и быстро останавливает двигатель при его остановке. Это обеспечивает тихую, но точную калибровку во время эталонного прогона и позволяет работать с полузамкнутым контуром. AMIS-30624 включает в себя как аналоговые цепи высокого напряжения, так и цифровые блоки управления. Чип разработан для применений в автомобильной, промышленной и строительной отраслях.

Форум по обсуждению материала УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Приводятся основные сведения о планарных предохранителях, включая их технические характеристики и применение.

В каком направлении течет ток — от плюса к минусу или наоборот? Занимательная теория сути электричества.

Обзор электромагнитного пистолета из китайского набора для самостоятельной сборки.

Обзор китайского устройства для электролиза воды — фото, видео, описание работы.

Простое управление шаговым двигателем.

Зарегистрируйте новую учётную запись в нашем сообществе. Это очень просто!

Войти

Уже есть аккаунт? Войти в систему.

Последние посетители 0 пользователей онлайн

Ни одного зарегистрированного пользователя не просматривает данную страницу

• Уже зарегистрированы? Войти
• Регистрация

Главная

Активность

• Создать.

Важная информация

Мы разместили cookie-файлы на ваше устройство, чтобы помочь сделать этот сайт лучше. Вы можете изменить свои настройки cookie-файлов, или продолжить без изменения настроек.

Что такое шаговый двигатель и как им управлять

Шаговые двигатели имеют ряд преимуществ, таких как высокая точность позиционирования, высокий крутящий момент на малых скоростях, отсутствие необходимости в датчиках обратной связи для контроля положения оси, а также простота управления. Всё это дало им возможность проникнуть практически во все отрасли промышленности, где они стали незаменимым инструментом.

Материал обновлён 11.07.2023
Время чтения: 22 минуты

Увлечённые и опытные авторы компании, разбирающиеся в измерительном, оптическом и паяльном оборудовании

Шаговый двигатель — это бесщёточный электродвигатель, в работе которого используется постоянный электроток. Его вращение осуществляется пошагово, на строго установленный угол. Такое дискретное (пошаговое) движение позволяет выставить вал в нужном положении с очень высокой точностью.

Скорость поворота, а также число совершаемых шагов может быть установлена оператором индивидуально. Эти параметры определяются частотой, а также количеством управляющих импульсов, переданных на обмотки мотора.

Электромотор SUMTOR 86HS15060A4J (NEMA 34)

Отличие степ-моторов от сервоприводов

В отличие от сервопривода шаговые или степ-моторы поворачиваются только на фиксированный угол — шаг. Это обеспечивает высокую точность совершаемых движений. У сервоприводов угол свободного поворота обычно ограничен диапазоном в 180° или 360°. У шаговых двигателей (ШД) такое ограничение отсутствует. Их конструкция позволяет им вращаться в любом направлении неограниченно долго. Однако управлять этими устройствами несколько сложнее, чем это реализовано у сервоприводов. Для них нужно использовать специальное устройство — драйвер или управляющую плату.

В статье «Управление движением: всё что нужно знать о сервоприводах» вы более подробно узнаете о видах, устройстве, а также выборе сервоприводов.

Область применения

Степ-моторы очень широко распространены. Их применяют во множестве устройств там, где требуется точное позиционирование, а также контроль интенсивности вращения. Вот пример таких областей, где их наиболее часто используют:

• Печатная, сканирующая, а также гравировальная техника;
• Робототехника и автоматизированные системы производства;
• Телескопы и оборудование оптического наблюдения;
• Оборудование для измерения и контроля (шаговые счётчики);
• Техника для обработки и резки материалов (станки с ЧПУ);
• Электронные замки, двери и автоматические ворота.

Здесь приведена только небольшая часть тех областей, где используют ШД. На самом деле их применяют повсеместно, во множестве устройств и автоматических систем.

Принцип работы

Как и любой электромотор, ШД состоит из статора, а также якоря (ротора). Обмотки (катушки), индуцирующие электромагнитное (ЭМ) поле, размещены в статоре, в специальных пазах. Ротор электрической машины представляет из себя стальной стержень, на который установлен один или несколько постоянных магнитов. Также существуют конструкции без магнитов. Их конструкция выполнена из магнитомягкого материала — электротехнической стали.

Когда на одну из обмоток мотора подаётся электрическая энергия, она начинает генерировать постоянное электромагнитное поле. Имитирующее поле постоянного магнита. Поэтому катушки в статоре также называют полюсами. Из-за действия магнитных сил магнит притягивается к обмотке. Это заставляет поворачивается электрическую машину на соответствующий угол. При вращении, полюса ротора и статора приближаются друг к другу, после чего перемещение прекращается. Это движение называется шагом .

При подаче тока на следующую катушку статора вал вновь поворачивается и вновь останавливается. Так совершается ещё один шаг. Число импульсов, поданных на обмотки, определяет количество совершенных ходов. От того с какой частотой подаются импульсы, зависит интенсивность вращения мотора. Количество ходов, совершаемых за один полный оборот вала, отражает плавность движения. Чем их больше — тем оно плавнее.

Технические характеристики

Технические характеристики — это отличительные черты установки характеризующая её, а также позволяющие сравнить с другими.

Степ-мотор SUMTOR 57HS10042A4 (NEMA 23)

Крутящий (динамический) момент

Это механическая характеристика электродвигателя. Она отражает номинальное усилие (нагрузку), создаваемое на вращающемся валу.

Удерживающий (статический) момент

Это механическое усилие, которое необходимо приложить к якорю для начала его вращения и преодоления статического сопротивления. Статическое сопротивление, в первую очередь, обусловлено силой трения на подвижных элементах степ-мотора.

Стопорный (тормозящий) момент

Это величина усилия, гарантированно останавливающее вращение. При увеличении нагрузки происходит постепенное снижение скорости движения. При достижении определённого критического значения электромотор окончательно останавливается.

Номинальное напряжение

Это одна из основных характеристик. Величина номинального напряжения зависит от индуктивности обмоток электродвигателя. Также она напрямую влияет на величину вращающего усилия.

Номинальный ток

Он отражает величину нагрузки, потребляемой из сети. Также его значение используют для определения потребляемой мощности, подбора управляющей платы и защитной аппаратуры.

Угол полного шага

Этот параметр показывает нам, на сколько градусов за один шаг поворачивается вал. Зная его величину, можно определить количество ходов, совершаемых степ-мотором за один полный оборот. Для этого нужно 360° разделить на угол полного шага. Например, 360°/1,8° = 200 шагов/оборот.

Момент инерции ротора

Этот показатель характеризует время, за которое разгоняется электромотор. На величину инерции основное влияние оказывает масса ротора.

Габаритные размеры

Этот параметр не менее важен при выборе электрической машины. Длина, высота и ширина корпуса могут стать серьёзным препятствием при размещении степ-мотора. Также не менее важными показателями являются длина и диаметр вала.

Виды и конструкция

Чаще всего ШД различаются:

• конструктивным исполнением;
• количеством выводов;
• схемой соединения обмоток;
• видом управляющего сигнала;

Также электрическая машина может иметь другие дополнительные элементы или конструктивные особенности.

Конструктивное исполнение

По конструктивному исполнению ШД делятся на:

• Электродвигатели с ротором из постоянного магнита;
• Электродвигатели с ротором из магнитомягкого материала;
• Гибридные электродвигатели.

Шаговые электродвигатели с ротором из постоянного магнита

Они имеют надёжную, конструктивно простую, а также дешёвую в изготовлении классическую конструкцию. Катушки, создающие электромагнитное поле, размещены в статоре. Подвижная часть устройства состоит из стального вала, а также размещённого на нём постоянного магнита. Если магнитов на валу размещается несколько, то их располагают так, чтобы магнитные полюса чередовались — север, юг, север, юг и так далее.

При подаче электропитания на один из полюсов в нём возникает электромагнитное поле. Оно притягивает ближайший полюс постоянного магнита. Под действием магнитных сил полюса сближаются, создавая вращение. Это действие приводит к совершению одного шага.

При подаче питания на следующий полюс происходит то же самое, а движение повторяется. Вал проворачивает ещё раз. Чаще всего количество ходов, затрачиваемых на совершение одного оборота, определяется количеством установленных в статоре катушек.

Устройство классического степ-мотора

Шаговые электродвигатели с ротором из магнитомягкого материала

В этих электрических машинах якорь выполнен из электротехнической стали. На его поверхности имеются специальные выступы (зубья). Такие же зубья присутствуют на полюсах электромагнитных обмоток статора. Зубья на поверхности ротора расположены таким образом, чтобы при вращении, они совпадали только с зубьями двух противоположных друг другу электромагнитных полюсов.

При подаче электрического питания на противолежащие полюса они создают электромагнитное поле, которое замыкающееся через металл якоря.

Сила, возникающая при этом, приводит его в движение, сокращая расстояние между зубьями якоря и активного полюса.

За счет зубчатой формы, магнитное поле на выступах концентрируется сильнее. Эта особенность и позволяет подтягивать зубцы друг к другу.

Чем больше число зубьев размещено на поверхности – тем больше ходов нужно сделать для совершения полного оборота. Также количество зубьев определяет минимальный угол поворота ротора.

К недостаткам подобной конструкции относится отсутствие тормозящего усилия. То есть при полном отключении электропитания движение не прекратится сразу. Оно будет замедляться, а время выбега будет зависеть от сил трения и величины инерции.

Устройство мотора с ротором из магнитомягкого материала

Гибридные электродвигатели

Гибридные степ-моторы – усовершенствованная версия ранее описанных конструкций. Эти электрические машины имеют якорь из магнитомягкого материала разделённый на две секции. На его поверхности имеются зубья, а внутрь встроен постоянный магнит.

Наличие постоянного магнита позволяет создать тормозящее усилие, а также улучшить соотношение статического и динамического моментов машины. За счёт наличия двойного ряда зубьев, выполненных со смещением, друг относительно друга, гибридные машины могут совершать ходов больше,е за один оборот.

В остальном существенных различий электромотор не имеет, а принцип его работы практически аналогичен машинам с магнитомягким якорем.

Общий вид гибридного электромотора

Виды степ-моторов

Электромоторы делятся по числу используемых выводов, а также схеме соединения. Количество отходящих проводов может составлять: четыре, пять, шесть или восемь. В зависимости от способа присоединения выводов получают биполярную или униполярную схему.

Биполярная схема питания предполагает, что электропитание на мотор подаётся всего по четырём проводам. Такое соединение по уже умолчанию реализовано у тех моторов, в которых имеется всего четыре питающих вывода. В их конструкции предусмотрено всего две рабочие обмотки. Если от степ-мотора отходят питающие выводы в количестве пять, шесть или восемь, то биполярное соединение в них получают искусственно, путём объединения выводов в определённой последовательности.

Униполярную схему получают только в машинах, имеющих пять, шесть или восемь питающих выводов. Для получения униполярного соединения, помимо начала и конца, у обмоток используется ещё их средняя точка. В пяти, а также шестипроводных электромоторах она уже организована. В восьмипроводных — эту точку получают искусственно, путём определённого присоединения полуобмоток.

Виды соединения обмоток в многопроводных электродвигателях

Однополярная и биполярная схемы, использующие полуобмотки, не дают большого крутящего усилия на низких оборотах. Это связано с тем, что в них используется меньше витков проволоки. Однако из-за низкой индуктивности им хорошо удаётся удерживать крутящее усилие при высоких скоростях движения.

Биполярное соединение использует катушку полностью, поэтому оно создает очень хорошее крутящее усилие на низких оборотах. Однако это усилие быстро падает при ускорении. Причина этому — высокая собственная индуктивность.

Биполярная схема с параллельным включением полуобмоток использует возможности электромагнитных катушек полную. Она обеспечивает хорошие характеристики на низких скоростях. Также она создаёт низкую индуктивность, что позволяет поддерживать высокий крутящий момент на больших скоростях. Однако параллельное включение полуобмоток в биполярной схеме имеет важное преимущество. У неё на 40% большая мощность, а также потребление.

Зависимость крутящего момента от скорости при различных видах соединения

Как видно из механической характеристики, биполярное соединение предпочтительнее в случаях, когда требуется силовое действие привода. Униполярное соединение эффективно при выполнении скоростных операций.

Режимы работы

В зависимости от требуемой от степ-мотора точности выделяют следующие режимы:

• Полношаговый;
• Полушаговый;
• Микрошаговый.

Полношаговый режим наиболее часто используется. Его преимуществом является простота реализации. При этом выделяют два вида полношаговых режима: однофазный и двухфазный.

При однофазном режиме управляющий сигнал подаётся только на одну катушку. Для совершения поворота снимается электропитание с текущей катушки и подаётся на следующую.

В двухфазном режиме питание на полюса статора подаётся попарно. При этом полюс якоря занимает промежуточное положение.

В обоих случаях вал проворачивается на одинаковый угол (один шаг или ход). Однако в двухфазном режиме результирующая сила электромагнитного поля будет выше в 1,41 раза, а соответственно, и действующее на якорь крутящее усилие.

Демонстрация работы степ-мотора в полношаговом режиме: однофазном (слева) и двухфазном (справа)

Полушаговый режим сочетает в себе оба ранее описанных варианта управления. При его использовании вначале подаётся электропитание на катушку «А», затем на «А» и «В», потом только на «В» и так далее. При таком управлении якорь электромотора поворачивается на полушаг. Это увеличивает точность движения механизма в два раза. Уменьшение угла поворота ведёт к снижению вибрации, а также уменьшению резонансной частоты.

Принцип работы ШД в полушаговом режиме

Микрошаговый режим применяется реже, так как для его реализации требуется специальный драйвер. Он позволяет значительно уменьшить угол поворота.

Принцип его действия схож с полушаговым режимом. В нём также используется сразу две смежные обмотки. Для получения большего количества промежуточных микрошагов на них подаются различные комбинации уровней напряжения. Это позволяет установить вал в большее число промежуточных положений. Максимально возможное число положений, ограничивается только характеристиками применяемого в схеме драйвера.

Диаграмма электропитания степ-мотора и положение его якоря при создании промежуточных микрошагов

Управление степ-мотором

Управляющий сигнал, посылаемый на степ-мотор, может иметь синусоидальную или импульсную форму. В дополнение к этому, импульсные сигналы могут быть биполярными, имитирующими синусоиду, а также униполярными — не снижающими свой потенциал ниже нуля.

Синусоидальная форма сигналов применяются в аналоговых схемах. Для её формирования используется уже готовый синусоидальный сигнал из электрической сети.

Такая особенность позволяет значительно упростить электрическую схему. Однако для согласования действия смежных катушек требуется сложная и тонкая настройка.

Сейчас, в связи с повсеместным применением цифровой техники, для управления степ-моторами аналоговые сигналы практически не применяются.

Импульсные управляющие сигналы, в контроле над ШМ, применяются повсеместно. Это связано с популярностью цифровой техники, а также доступности и разнообразию современных цифровых контроллеров. Для генерации импульсов используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Использование цифровых сигналов позволяет не только пошагово управлять степ-мотором, но также задавать ему сложную программу действий. Например, управлять временем вращения, длительностью простоя, а также скоростью переключения шага.

Формы управляющих сигналов

Питание

В качестве источника питания должен использоваться внешний источник. Это позволяет максимально исключить влияние нагрузки на микрокомпьютер.

При выборе питающего напряжения следует отталкиваться от требований управляющей платы. Это может быть как постоянный, так и переменный ток с напряжениями в диапазоне от 5 до 110 В, в зависимости от модели драйвера.

Не следует подключать мотор к плате Ардуино или Raspberry напрямую. Даже если это маломощное устройство. Обратные токи, возникающие при остановке электромотора, могут привести к повреждению контроллера.

Подключение через драйвер

Низкая цена, а также способность точного позиционирования сделали ШД востребованным компонентом. Они нашли своё применение в робототехнике, а также в станках с числовым программным управлением (ЧПУ).

Наиболее популярный способ использования — это подключить мотор к программируемому контроллеру Arduino. Такое подключение выполнить достаточно просто. Для этого нужен любой Ардуино-совместимый контроллер и плата управления (драйвер).

Прежде всего, драйвер нужен, чтобы обеспечить поступление электроэнергии на катушки статора. Также он отвечает за частоту их коммутации, силу управляющего тока, а также он выполняет защитные функции.

Драйвер SUMTOR MB450A (4,2 А, одноканальный, двухфазный)

На современных устройствах располагаются две группы контактов, а также блок переключателей. Первая группа контактов — управляющие. Обычно по ним передаются сигналы включения, действия, а также определения направления движения. В устройствах SUMTOR они обозначены как: ENA, PUL, а также DIR.

ENA — пара контактов принимающая сигнал о разрешении или запрете работы электромотора;

IR — контакты, отвечающие за определение, в каком направлении будет вращаться электрическая машина;

PUL — принимает импульсы, которые отвечают за совершение одного или нескольких ходов.

Вторая группа контактов используется для присоединения электродвигателя, а также его источника питания.

Пары A+/A- и B+/B- используются для присоединения катушек электромотора;

DC — контакты для подачи питания от источника постоянного тока.

AC — пара контактов для подключения переменного напряжения.

Группа переключателей SW используется для ограничения величины питающего тока, а также создания необходимого числа микрошагов. Требуемые параметры настраиваются согласно таблице, нанесённой на корпус драйвера, путём включения и отключения переключателей.

Схема подключения ШД к плате Arduino Uno при помощи платы управления SUMTOR

Организовать необходимое функционирование мотора довольно просто, например, используя микроконтроллер на базе чипа ATMega. После присоединения всех элементов, а также настройке управляющей платы, нужно выполнить программирование микроконтроллера. Для этого составляется программа (скетч). Пример такого скетча приводится ниже.

pinMode(5, OUTPUT); // Puls
pinMode(6, OUTPUT); // Enable
pinMode(4, OUTPUT); // Direction

for(Index = 0; Index < 5000; Index++)

digitalWrite(5,HIGH);
delayMicroseconds(500);
digitalWrite(5,LOW);
delayMicroseconds(500);

for(Index = 0; Index < 5000; Index++)

digitalWrite(5,HIGH);
delayMicroseconds(500);
digitalWrite(5,LOW);
delayMicroseconds(500);

Преимущества

Главное преимущество — это их точность. ШД может быть быстро запущен, а также быстро остановлен. Для выполнения этих действий требуется минимальное время. ШД обладает высокой надёжностью, а также стабильной работой при высоких нагрузках.

Он не нуждается в датчиках или других элементах, обеспечивающих обратную связь. Его позиционирование полностью определяется поступающими от контроллера импульсами.

Большой рабочих диапазон скоростей позволяет задействовать в самых разных механизмах или обеспечить многоскоростную работу.

Доступная цена, простота в установке, настройке, а также использовании.

Недостатки

• Наличие резонансной частоты. Появление резонанса связано колебаниями якоря возникающим после выполнения хода. На величину резонанса влияет инерция якоря, а также ширина совершаемого шага.
• Отсутствие обратной связи. При высоких скоростях, а также превышении нагрузки на возможны пропуски шагов.
• Постоянное потребление энергии. Для удержания ротора в неподвижном положении требуется непрерывное подведение электрического тока к обмоткам.
• Уменьшение момента с ростом скорости. Величина динамического усилия напрямую связана со скоростью. Эту особенность нужно обязательно учитывать.
• Обязательное наличие управляющего драйвера. При необходимости точного позиционирования, а также при использовании мощных ШД наличие платы управления — обязательное условие.

Сравнение

Высокой популярностью пользуются биполярные ШД марок и UMot.

SUMTOR — крупный производитель, специализирующийся на производстве как моторов, так и драйверов управления к ним. Электромоторы SUMTOR производятся в соответствии со стандартом NEMA и имеют различные номинальные характеристики питающего напряжения, тока, а также крутящего момента. Вот некоторые из них:

Электрическая машина 57HS6425A4

Что нужно учитывать при выборе?

Шаговые электродвигатели — эффективное решение, если нужно достичь точного перемещения механизма. Эти устройства — бюджетная альтернатива сервоприводам. Благодаря уже существующим библиотекам, а также драйверам ими легко управлять.

К основным параметрам, по которым производится выбор ШД, относятся: производитель, габаритные размеры, крутящий момент, номинальный ток и напряжение, а также конструктивное исполнение.

Ручное управление шаговым двигателем

В данной статье описывается простой способ ручного управления четырехполюсным однополярным шаговым двигателем. Для этого необходим галетный переключатель, восемь недорогих выпрямительных диодов и несколько других компонентов.

Полная схема для ручного управления шаговым электродвигателем показана на рисунке 1. Поворачивая галетный переключатель S1 по часовой стрелке, шаговый двигатель вращается также по часовой стрелке. Поверните поворотный переключатель против часовой стрелки, а шаговый двигатель вращается против часовой стрелки. Поверните поворотный переключатель, и шаговый двигатель остановится с полным крутящим моментом (называемым удерживающим моментом). Это имитирует базовые функции управления, доступные со стандартного контроллера шагового двигателя – за исключением того, что ручной контроллер шагового двигателя работает полностью вручную. С помощью светодиода и геркона можно контролировать состояние двигателя, когда он завершит один полный оборот.

Рис.1. Схема устройства.

Возможные аврианты применения устройства – это позиционирование световых или вентиляционных отверстий, ручное вращение стрелок настенных часов, дистанционное управление роботами и роботизированными игрушками, видеокамерами. Для радиолюбителей возможно его применение в поворотных устройствах антенн, вращении конденсаторов в магнитных рамочных антеннах и т.п.

Четырехполюсный униполярный шаговый двигатель может, как правило, управляться четырьмя различными способами – каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки:

• Управление волной (Wave control) – это самая простая форма управления, так как она возбуждает только одну обмотку (или фазу) за раз. Его главный недостаток – плохой крутящий момент.
• Полношаговое управление (Full-step control) – это простое средство управления с хорошим крутящим моментом, использующее одновременно две обмотки двигателя.
• Полушаговое управление (Half-step control) . Это более сложная форма управления,имеющая по сравнению с предыдущим методов в два раза больше шагов. Он имеет хороший крутящий момент и стабилизирует работу двигателя. Однако этот метод не подходит при ручном управлении.
• Микрошаговый контроль (Micro-steppping control) – это комплексная форма управления со сложной схемой, которая обеспечивает бесчисленные «промежуточные шаги» и высокую точность. Он часто используется в промышленности.

Для наших целей нам лючше всего подходит полношаговый контроль, так как он прост в реализации и имеет хороший крутящий момент. Для этого необходимо, чтобы 4-х битная управляющая последовательность двигалась вправо или влево по обмоткам шагового двигателя. Однополюсный четырехпозиционный галетный переключатель будет выполнять эту задачу с помощью мультиплексирования восемью диодами. Однако, поскольку такие переключатели обычно не имеют вращения на 360 градусов, вместо них используется тройной четырехпозиционный переключатель.

Следует отметить, что стандартный переключатель здесь не подходит , так как в момент переключения происходит кратковременная потеря питания на выводах двигателя во время вращения, что неблагоприятно скажется на крутящем моменте, особенно, если мотор установлен вертикально. Поэтому здесь используется переключатель ( make-before-break rotary switch ), который создает новый контакт перед тем как разорван предыдущий. Контакты переключаются как-бы в нахлест. Электролитический конденсатор C1 сглаживает мгновенный всплеск напряжения, когда переключатель перемещается. Если не требуется удерживающий крутящий момент, цепь питания может быть отключена, как только шаговый двигатель достигнет нужного положения. Момент затяжки (остаточный крутящий момент, когда шаговый двигатель выключен) обычно составляет одну десятую от состояния удержания крутящего момента. Красный светодиод. D9 указывает наличие питающего напряжения (состояние выключателя S3 – On/Off ).

Идентификация обмоток двигателя

Как известно, нет стандартного цветового кодирования для идентификации проводов четырехфазного униполярного шагового двигателя. Автор опробовал шесть шаговых двигателей, из которых только два имели одинаковую цветовую маркировку проводов! Такие двигатели иногда имеют пять выводов, иногда шесть, а иногда и восемь выводов (для каждой из четырех обмоток). К счастью, задача идентификации не слишком сложна. Первый шаг – найти общий провод или выводы. Шестивыводный четырехобмоточный шаговый двигатель имеет два общих провода, которые, скорее всего, находятся в центре двух рядов по три (они часто используются в принтерах или факсимильных аппаратах). Пятипроводный двигатель имеет один общий вывод. Эти двигатели обычно используется в 5-дюймовых дисководах.

Обмотки легко протестировать с помощью мультиметра: Если имеется шесть проводов – измерьте сопротивление на всевозможные комбинации выводов (например, зелено-белое, зелено-красное, бело-красное . ). Большое сопротивление указывает на последовательное соединение двух обмоток, а малое на отдельную обмотку. Когда определите центральные выводы – соедините их вместе.
В случае пяти проводов, находим только один провод, при котором измеряются самые низкие сопротивления. Это и будет общий провод.

Большинство четырехполюсных однополярных шаговых двигателей питаются напряжением 12 вольт или что-то около этого. Рекомендуется использовать регулируемый источник питания на 12 В, так как нерегулируемое питание может существенно повышаться 12 В, что может привести к чрезмерному нагреву двигателя или даже к перегоранию. Источник питания должен обеспечить мощность 6 Вт или 500 мА для небольших двигателей (диаметром от 3 до 4 см).

Следующим шагом является подключение общего провода двигателя к положительной клемме источника питания 12 В. Теперь возьмите отрицательный провод источника 12 В и поочередно подключите его к четырем выводам в различных последовательностях. После того, как вы нашли последовательность, которая продвигает двигатель небольшими шагами по часовой стрелке, обозначьте эти провода от А до D. То, что вы только что достигли – это управление волной (Wave Control), см. Таблицу 1.

Таблица 1: Wave Control

Наконец, обмотки А-D должны быть под напряжением в последовательности, которая показанная в таблице 2, и которая является полношаговым управлением (Full-step Control).

Таблица 2: Full-step Control

Таблица, нарисованная здесь, является наиболее логически последовательным способом, и вы сможете оценить смещение двоичной последовательности 1-0-0-1 по проводам шагового двигателя.

Графическое подключение обмоток (или фаз) от А до D показано на рисунке 2.

Рис.2 Униполярный привод.

Устройство собрано на макетной плате. Элементы переключения – галетник и тумблер включения питания монтируются на передней панеле прибора. Также на корпусе прибора установлено гнездо для подключения источника питания.

Рис.3. Компоновка элементов.

На галетном переключателе необходимо убрать ограничитель перемещения ползунка, чтобы он проворачивался по кругу.

В конструкции использованы резисторы мощностью 0.25W 5%, электролитический конденсаторы 1000 мкф на 16 В. Полупроводниковые диоды D1. D8 типа 1N4001 50V 1A . Светодиод D9 – 5 мм красный, D10 – 5 мм зеленый. Для контроля оборотов используется маленький магнит, который устанавливается на подвижной планке, закрепленной на валу шагового двигателя. Геркон фиксируется в подходящем месте и будет замыкаться в момент прохождения около него магнита.

Рис.4. Размещение элементов в корпусе.

В случае использования мощного шагового двигателя рекомендуется увеличить емкость электролитического конденсатора. При этом понадобится и более мощный исочник питания.

Хотя большинство 12 вольтовых однополярных шаговы двигателей рассчитаны на непрерывное питание, они могут достаточно ощутимо нагреваться. Если полный крутящий момент не требуется, простым решением является установка 15-омного проволочного резистора в одну из линий питания обмоток.

Тяговое усилие маленького четырехфазного униполярного шагового двигателя довольно сильно ощущается пальцами, и такие двигатели могут найти большое применений. Как видите, затраты на изготовление такого привода во много раз меньше, чем у обычной системы управления шаговым двигателем на микроконтроллерах или микросхемах. Примечание от RA3TOX.

На мой взгляд, самый дефицитный элемент в этом приводе – это галетный переключатель. Можно попытаться найти его на AliExpress по названию " make-before-break rotary switch " или переделать (расширить) подвижную пластину стандартного галетника. Есть керамические галетник с широким контактом, как показано на левом рисунке. На среднем рисунке галетник с узким коммутирующим контактом (самый распространенный вариант). Проще всего переделать контакты на коричневых открытых галетниках (правый рисунок). Из представленных образцов наиболее применим средний галетник (2 направления на 5 положений), но надо поискать такой с широким ползунковым контактом, при этом два крайних положения 4 и 5 следует замкнуть.

Несколько конструкций переключателей.

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.

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:

1. Двигатель с постоянным магнитом
2. Двигатель с переменным магнитным сопротивлением
3. 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.

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.

Когда шаговый двигатель находится под контролем в режиме «неполного шага», две фазы одновременно находятся под напряжением и крутящий момент обеспечивается на каждом шаге. В режиме полушага, питание чередуется между двумя фазами, и отдельной обмоткой, как показано на рисунке.

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:

Тема раздела Общие вопросы в категории Станки ЧПУ, Hobby CNC, инструмент; Здравствуйте все, кто заглянул. Имеется шаговый двигатель PK266-02A. Задача – заставить его вращаться с переменной скоростью автономно без компьютера и .

Как управлять шаговым двигателем вручную – особенности

Шаговый двигатель, будучи разработанным еще 200 лет назад, является необычайно интересным устройством, обладающим индивидуальными особенностями. Подробно о том, что собой представляет данный агрегат, какими он обладает достоинствами и недостатками, а также как управлять шаговым двигателем вручную, можно узнать, ознакомившись с информацией ниже.

Что собой представляет шаговый двигатель?

Чтобы иметь четкое представление о том, как управлять шаговым двигателем, прежде всего следует ознакомиться с тем, что он собой представляет.

Шаговый двигатель – это электрический мотор, в котором за счет импульсного электропитания происходит перемещение роторной части на заданный угол. Все разновидности шаговых электрических моторов относятся к классу бесколлекторных.

Важно! При осуществлении запуска мотора создается небольшой момент. При этом двигатель способен демонстрировать отличные характеристики, даже находясь в состоянии покоя.

Для управления шаговым мотором используются дискретные импульсы. Их формирование производится непосредственно на драйвере электрического двигателя.

Сфера применения шаговых двигателей

Также перед рассмотрением того, как управлять шаговым двигателем, будет нелишним ознакомиться со сферами применения данного механизма. Его можно встретить в:

· периферийных устройствах, применяющихся для осуществления функционирования вычислительных машин;

· станках, оснащенных числовым программным управлением;

· установках, применяющихся для считывания информации с оптических дисковых накопителей;

· устройствах компьютерной памяти;

· перфораторах и ряде иных строительных приспособлений.

Важно! Наиболее активно при создании всевозможных установок используются именно двухфазные гибридные электрические моторы. Помимо этого, рассматриваемые механизмы нередко можно встретить в электрических установках, функционирующих по схеме «старт – стоп».

Типы и конструктивные особенности

Помимо прочего, для лучшего понимания того, как управлять шаговым двигателем, следует рассмотреть его основные разновидности. Шаговые моторы отличаются по конструкции ротора, разновидности применяемых обмоток, а также типу управления. На каждой из перечисленных особенностей стоит остановиться подробнее.

Отличия в конструкции ротора

Во многом именно от ротора зависит, с какой скоростью он будет вращаться и в каких режимах электрический двигатель способен функционировать. В связи с этим двигатели могут быть:

1. Реактивными . Их основной особенностью является отсутствие роторного магнита. Чтобы снизить индуктивные потери при работе двигателя, для при его создании применяются специализированным сплавы. Магнитная сила, необходимая для перемещения ротора, создается посредством подачи напряжения со второй пары. В том, что касается функционирования, реактивные двигатели имеют довольно много общего с синхронными агрегатами.

2. С магнитами . Движущая сила создается посредством применения магнитов.

3. Смешанными . В одной установке присутствуют сразу несколько движущих факторов.

Каждый из представленных типов двигателей используется в разных направлениях машиностроения.

Отличия в типе обмоток

От того, какое число обмоток используется в электродвигателе, зависит плавность его функционирования. Именно поэтому при выборе мотора стоит обращать на это внимание.

Важно! Есть ошибочное мнение касательно того, что на количество обмоток в моторе прямое влияние оказывает число фаз. Правда в том, что даже двигатель с 2-мя фазами может в своей конструкции иметь 4 и более обмоток.

Разновидности шаговых двигателей:

1. Униполярные . Их главной особенностью является присутствие в конструкции отпайки. Главный минус униполярных двигателей – сравнительно небольшой момент вращения. Как правило, в них используются 5 или 6 выводов.

2. Биполярные . К ним относят моторы, которые для функционирования можно подключать к контроллеру из 4 отпайки. Обмотки могут быть объединены последовательно или в параллель. Чтобы выполнить перенаправление движения тока, используются специальные чипы. Именно они позволяют осуществлять контроль за работой мотора в ручном режиме.

Биполярные двигатели применяются несколько чаще, поскольку способны генерировать тот же момент, но при значительно более компактных размерах самого агрегата.

Отличия в типе управления

Чтобы режимами работы механизма можно было удобно манипулировать, были созданы различные системы управления. Вот наиболее часто встречающиеся из них:

1. Волновой . При таком типе управления производится возбуждение только одной обмотки. Из-за этого у механизма образуется явный недостаток – малая величина создаваемого момента.

2. Полношаговый . Все обмотки включаются единовременно.

3. Полушаговый . В таких моторах производится деление геометрии двигателя на 2 равные части. За счет этого становится возможным обеспечить более высокое расширение при задаче позиции вала механизма.

Второй тип благодаря удовлетворительным техническим характеристикам используется чаще всего.

Принцип работы

Четкое понимание принципа функционирования механизма позволяет легче воспринимать информацию о том, как управлять шаговым двигателем.

Важно! В зависимости от того, к какому виду относится электрический двигатель, его конструктивные особенности могут существенно отличаться. Однако принцип действия для всех механизмов является абсолютно одинаковым.

На статоре имеются 4 обмотки, расположенные друг относительно друга под углом в 90 о . При подаче напряжения на первую обмотку ротор совершает перемещение на угол, указанный выше.

При поступлении напряжения на последующие обмотки механизма ротор продолжит движение, пока не совершит полный оборот вокруг своей оси. После этого описанный процесс повторяется снова и так происходит до того, как на обмотки не прекратится подача напряжения.

Если необходимо изменить очередность вращения ротора, нужно начать подавать импульсы в обратном порядке. Все разновидности шаговых электрических двигателей предоставляют пользователю возможность в зависимости от поставленной задачи самостоятельно менять технические характеристики механизма. Делается это непосредственно за счет органов управления, позволяющих подстраивать мотор под разные конфигурации механизмов, в которых тот применяется.

Преимущества и недостатки

Чтобы знать, как управлять шаговым двигателем наиболее эффективно, необходимо иметь представление о его основных достоинствах и недостатках.

К положительным сторонам механизма можно отнести:

1. Высокую точность. При подаче напряжения на обмотку ротор осуществляет поворот на определенный угол, который задан заранее.

2. Продолжительный срок эксплуатации установки при условии, что производилось ее своевременное обслуживание.

3. Стабильность функционирования.

4. Элементарность ремонтных работы – любой узел агрегата может быть заменен путем «нехитрых» манипуляций.

Минусы у установки рассматриваемого типа также имеются. Вот главные из них:

1. Малый момент. Единственным выходом в этой ситуации может являться улучшение динамических параметров машины за счет применения специальных драйверов.

2. Высокий уровень вибрации механизма при работе обусловлен ее конструктивными особенностями.

3. Трудности с набором скорости вращения ротора.

4. Риск «проскальзывания» ротора.

Разумеется, указанные выше список слабых и сильных сторон механизма не является исчерпывающим. Однако, его вполне достаточно для того, чтобы понимать, следует ли использовать шаговый мотор в конкретной электрической установке или же имеет смысл отдать предпочтение иному механизму с другими технологическими особенностями.

Основные характеристики

Выбирая нужный механизм, а также попутно изучая информацию том, как управлять шаговым двигателем максимально эффективно, следует разобраться, какими характеристиками он обладает. Ниже представлены основные моменты:

1. Количество полных шагов. Данный параметр напрямую влияет на то, насколько плавно будет работать двигатель.

2. Сопротивление обмотки. От этого показателя зависит величина выдаваемого агрегатом напряжения.

3. Индуктивность фазы.

4. Допустимый уровень напряжения. Измерение данного параметра осуществляется в соответствии с числом витков.

5. Номинальный ток функционирования агрегата.

6. Величина сопротивления изоляционного слоя механизма.

Совет: комплексное понимание всех технических характеристик механизма – один из самых эффективных способов подобрать лучший вариант электрического двигателя для конкретной ситуации.

Подключение шагового двигателя

Чтобы потенциал на обмотки подавался правильно, нужен механизм, который может выдавать один или сразу несколько импульсов в определенной последовательности. С данной задачей призваны справиться полупроводниковые установки, а также драйверы, усиливающие сигнал с пинов микроконтроллера.

Важно! В некоторых случаях фаза двигателя при этом будет потреблять порядка 100 мА, поэтому драйвер может питаться напрямую от платы Arduino .

Каждая клемма контроллера формирует собственный режим функционирования и подачи напряжения. Применение определенных выводов зависит от того, какое именно подключение используется в конкретном случае. В результате получается выполнить корректный подбор скорости вращения ротора. Различают несколько типов схем соединения:

· биполярная с отводом, начинающимся в центре обмотки;

· униполярная (имеются 4 фазы);

· униполярная с 4 фазами и параллельным подключением;

· униполярная с 4 фазами и последовательным подключением.

Какая из них лучше, сказать сложно. Правильнее утверждать, что каждая схема имеет собственный сценарий использования, при котором именно она будет демонстрировать наибольшую эффективность.

Управление шаговым двигателем

Когда все основные моменты, касающиеся технических характеристик, достоинств и недостатков рассматриваемого механизма изучены, можно перейти к вопросу о том, как управлять шаговым двигателем собственными руками.

Чуть ранее рассматривались типы управления шаговым электрическим мотором. Сейчас же на существующих методах управления механизмом стоит остановиться подробнее, рассмотрев их с других функциональных сторон:

1. Волновой метод управления . Предполагает возбуждение одной обмотки, к которой подтягивают роторные полюса. Механизм при этом способен в течении длительного времени выдерживать повышенную нагрузку, поскольку из-за особенностей его конструкции на выходе выдается лишь часть момента.

2. Полношаговый метод управления . Одновременно возбуждаются 2 фазы. Данный метод управления обеспечивает наибольший момент при использовании параллельной схемы подключения. Если же напротив, выполнить соединение обмоток последовательно, то можно добиться максимальных величин тока и напряжения.

3. Полушаговый метод управления . При нем производится комбинирование сразу двух описанных ранее методов управления. Он позволяет осуществлять последовательную подачу напряжения. Изначально оно подается только на одну катушку, а по том сращу на обе. Данный метод подачи гарантирует фиксацию характеристик на небольших скоростях.

По наличию контроллера все шаровые электродвигатели подразделяются на:

1. Контроллерные . Их главное преимущество заключается в том, что пользователь имеет возможность управлять агрегатом в разных режимах. Главным элементом подобных устройств является присутствие в системе электронного блока, способного выдавать ряд сигналов в определенной последовательности.

2. Безконтроллерные . Применяются в Н-мостовых схемах. При этому подразумевают возможность менять полярность для обеспечения реверса устройства. В зависимости от конкретной ситуации конструкция может базироваться как на транзисторном, так и на микросхемном принципе работы. Изначально подача напряжения осуществляется на мост, а уже потом с помощью переключателей токи движется через роторные обмотки.

Как видно, вручную управлять шаговыми двигателями без специальных контроллеров не представляется возможным.

Применения драйвера для управления шаговым двигателем

Драйвер позволяет обеспечивать управление механизмом с учетом текущей обстановки.

Для информации! Можно сказать, что драйвер представляет собой элемент схемы, используемый для регулирования работы обмоток двигателя за счет подачи цифровых сигналов. При этом данные сигналы подаются на конкретные обмотки и только в заранее заданной последовательности, которую можно изначально запрограммировать.

В зависимости от того, какой конкретно применятся драйвер, он также может использоваться для реализации ряда дополнительных функций:

· осуществления контроля за токовой перегрузкой;

· снижения подачи тока при продолжительном простое агрегата;

· обеспечения защиты от эффекта обратной ЭДС.

Все драйверы, позволяющие управлять установкой, подразделяются на аналоговые, цифровые и содержащие в своей конструкции энкодер. Стоит разобраться, как управлять шаговым двигателем с помощью каждого из них.

Аналоговые

Аналоговые драйверы являются наиболее дешевыми и надежными. Позволяют осуществлять переменную подачу импульса на обмотки статора согласно ранее заданной программе. Они способны обеспечить защиту рабочей цепи от коротких замыканий. Плюс к этому, отсутствует риск перегрева драйвера.

Цифровые

Цифровые драйверы являются более современными. Их основу составляет 32-разрядный процессор. Перед осуществлением контроля за работой двигателя можно задать все необходимые системные настройки.

Кроме этого, цифровые драйверы позволяют защитить установку от перегруза, а также выполнить деление по шагам на максимальном уровне. Для цифровых драйверов также характерна автоматическая настройка и уменьшение напряжения по ХХ.

С энкодером

Управление системой с помощью драйвера с энкодером позволяет:

· постоянно получать обратную связь о состоянии установки;

· стабильно поддерживать определенные момент и скорость вращения ротора;

· защититься от токовых перегрузок;

· снизить нагрев двигателя.

Внимание! Применяя драйверы с энкодерами, можно не опасаться каких-либо задержек в работе механизма.

Приобрести любой из рассмотренных шаговых двигателей, а также сопутствующие механизмы можно, воспользовавшись онлайн-сервисами Яндекс Маркет или OZON .

Теперь вопросов о том, как управлять шаговым двигателем самостоятельно, возникать не должно. При выборе шагового электрического двигателя необходимо прежде всего ориентироваться на задачи, которые тот должен выполнять. Они, в свою очередь, зависят от конкретного типа установки, в которую мотор будет помещен.